Автомобильный вариатор как механическая система отмечается достаточно длительной историей развития и адаптации. Последние два десятка лет в этом направлении стали особенно примечательными. Полученные инженерами-разработчиками опыт и знания привели к модернизации системы гидротрансформатора до совершенно нового уровня. Адаптации подверглись такие значимые компоненты системы, как демпфер, контур гидравлический, блокировочная муфта гидротрансформатора и другие. Как результат — комфорт и экономия топлива.
Автомобильный вариатор манипуляции под адаптацию
Интересным с точки зрения адаптации видится уменьшение габаритов раструба вариатора с одновременным увеличением крутящего момента двигателя. История разработки трансмиссий с передним приводом показывает, как на протяжении 20 лет менялась зависимость пространства конструкции от крутящего момента.
Так, на момент 1985 года установочное пространство оставляло возможности внедрить автомобильный вариатор под размер 124 мм с большим остаточным зазором. В этом свободном пространстве удалось создать большой круглый тор с хорошими характеристиками и установить большую демпферную пружину для хорошей виброизоляции.
Картина 1995 года, казалась аналогичной в отношении крутящего момента, но виделась несколько негативной в отношении пространства. Самый большой автомобильный вариатор имел размерность 94 мм по длине. Это сокращение потребовало некоторой перестановки внутренних частей.
В этом случае тор уменьшен в размерах, а демпферная пружина смещена радиально наружу. Такой подход позволяет более эффективно использовать пространство. При помощи современных инструментов и моделирования удалось не только сохранить, но и улучшить характеристики автомобиля, снизить расход топлива.
Адаптация на автомобильный вариатор 2005 года показывает значительное увеличение крутящего момента при дальнейшем резком уменьшении осевого пространства. Решение задачи такой упаковкой требует либо компромисса, либо инноваций. Жидкостный контур можно было бы ещё уменьшить в размерах и сжать в осевом направлении, но фундаментальная физика подсказывает: максимум эффективности даёт движение жидкости по кругу.
В какой-то момент сжатие контура в осевом направлении приведёт к быстрому росту коэффициента (k) и покажет снижение эффективности автомобильного вариатора, что неизбежно скажется на экономии топлива в негативную сторону.
Аналогичным образом, использование экзотической, выдерживающей высокие нагрузки проволоки спиральной пружины обещает расширить функцию демпфера. Однако здесь существует риск нарушения изоляции. Некачественная изоляция приводит к более высоким скоростям блокировки, что также увеличит расход топлива.
Автомобильный вариатор нетронутый ресурс
Все манипуляции на автомобильный вариатор, отмеченные выше, успешно опробованы на практике и продолжают развиваться. Вместе с тем, несмотря на такой существенный прорыв, статор и односторонняя муфта системы остаются нетронутыми. Тут проявляется своего рода узкое место в осевом пространстве раструба автомобильного вариатора. Статор выполняет простую функцию:
- поворачивает поток жидкости,
- отражает обратно к насосу,
- создаёт увеличение крутящего момента.
Спрос на этот компонент, однако, упал с появлением 4-х, 5-ти, 6-ти ступенчатых коробок передач. Поскольку осевая длина здесь требует уменьшения, необходима новая парадигма статора. Длину лопасти допустимо сократить вдвое, если увеличить количество лопастей вдвое.
При такой конфигурации каждая лопасть воспринимает только половину крутящего момента, соответственно, толщину лопасти также допустимо уменьшить. Новый профиль пригоден для производства с использованием технологии штамповки листового металла. Стальные лопасти также имеют более высокую прочность, чем алюминиевые или фенольные, что позволяет еще больше уменьшить толщину.
Половина лопастей формируется в одной заготовке, а оставшаяся половина – в другой. Затем эти пластины размещаются вокруг односторонней муфты и обжимаются или заклёпываются вместе, образуя узел. Аэродинамический профиль лопастей допустимо аппроксимировать путём чеканки, как это обычно делается в конструкциях рабочего колеса турбины.
Автомобильный вариатор измеренная характеристика
При уменьшении осевого пространства конструкция из листового металла может быть использована для изготовления относительно длинной лопасти. За счёт этого достигается более высокий коэффициент крутящего момента или более плавное вращение.
Возвращаясь к проблеме осевого пространства, следует отметить: уменьшение осевого пространства внутри контура жидкости потребует решить проблему с односторонней муфтой. Одним из решений было бы использование ролика односторонней муфты, который изготавливается из листового металла.
Конструкция имеет наружную обойму и сформированные пандусы для роликов. Внешнее кольцо также действует как сепаратор для роликов и поддерживает ролик с помощью пружин. Это внешнее кольцо поддерживается пластинами с лопатками и усиливающим кольцом.
Такое расположение обеспечивает высокий крутящий момент и экономичную конструкцию. Еще один вариант — создать одностороннюю муфту непосредственно из листового металла. Это удобно сделать с помощью храповой муфты.
Одна из пластин снабжена насечками. Пластина рампы входит в эти пазы и опирается на ступицу. Ступица соединена шлицами с заземленным валом трансмиссии и имеет дополнительные насечки по всему диаметру. Плоские края пандусов входят в пазы ступицы в направлении фиксации.
Излишний шум устраняется путём добавления блокирующей пластины, показанной на картинке выше. Эта пластина зажата между ступицей и пластиной рампы. При свободном ходе блокирующая пластина вращается относительно ступицы за счёт трения о пластину рампы.
Когда блокирующая пластина достигает упоров, закрываются выемки ступицы. Затем в момент свободного хода пластина рампы скользит по блокирующей пластине (пазам ступицы), исключая перемещение в осевом направлении. Тем самым устраняется шумовая характеристика свободного хода.
Автомобильный вариатор пространственное преимущество
Пространственное преимущество ролика из листового металла составляет 5,6 мм. Размер односторонней муфты с храповым механизмом составляет 11,2 мм, что на 60 % меньше, чем у обычного литого статора и стандартной муфты. Это пространство в сочетании с экономией статора приводит к созданию сверхтонкого статора и существенно улучшает ситуацию с пространством внутри гидротрансформатора.
Традиционная конструкция имеет значительное пространство, и это пространство можно использовать несколькими способами. Например, упрощение поршневой пластины и демпфера. За счёт увеличения глубины конуса поршневой пластины жёсткость пластины повышается, а толщина может быть уменьшена с 5 мм до 3,5 мм.
Конструкция винтовой пружины также упрощается, поскольку более тонкую пластину поршня можно легче сформировать для образования выступов под зацепление пружины по наружному диаметру. При этом удаляется одна деталь, освобождается место для винтовой пружины большего размера.
Дополнительное пространство над более тонкой пластиной поршня позволяет использовать приклепанный фиксатор пружины, устраняя необходимость сварки. Этот пример иллюстрирует каскадные улучшения, которые становятся возможными при принципиально лучшем использовании пространства.
Еще одним вариантом использования пространства является двухдисковая блокировочная муфта, которая удваивает крутящий момент. Другим потенциальным применением видится уменьшение общей толщины гидротрансформатора. В этом примере можно сэкономить 5 мм общей длины передачи.
Инновационное изобретение статорного узла
Инновационное изобретение статорного узла явно ведёт к значительному улучшению решения проблемы увеличения крутящего момента (декатировки). Однако дополнительные преимущества могут быть достигнуты за счёт рассмотрения гидравлического контура. Тщательный анализ этой критически важной функции обещает повышение интенсивности крутящего момента без ущерба для эффективности.
На первом этапе, стратегии численной оптимизации объединяются с расчётами гидродинамики тора. Большое количество переменных в каналах потока жидкости, таких как:
- углы лопаток,
- распределение углов,
- форма тора,
а также соотношение этих параметров в рабочем колесе, турбине и статоре, делают эту задачу идеальной в плане численной оптимизации.
Стратегия оптимизации включает параметрические вариации в отдельных гидродинамических расчётах для изучения эффекта влияния параметров на систему. Собираются данные о рабочей поверхности, выбираются комбинации с использованием градиентных методов. Выполняются гидродинамические расчёты для выбранных комбинаций, и на основе этих результатов добиваются улучшения рабочей поверхности.
Программа оптимизации преследует цели увеличения удержания, увеличения точки сцепления и поддержания передаточного числа крутящего момента. Все эти изменения приводят к повышению топливной эффективности и улучшению интенсивности крутящего момента.
В качестве отправной точки выбирается базовая характеристика автомобильного вариатора, которая является отраслевым стандартом для этих характеристик. Если программа оптимизации способна улучшить эту характеристику, конструктора ждёт реальный успех.
Результирующая геометрия лопасти показана на картинке выше. Эта геометрия является нетрадиционной и почти бионической по форме. Маловероятно, что такая форма появилась бы без новой стратегии оптимизации. Другой метод улучшения пропускной способности гидравлического контура — рассмотрение основных физических особенностей гидротрансформатора.
Физическое совершенство гидротрансформатора
Уравнение расчёта рабочего колеса показывает: крутящий момент пропорционален внешнему радиусу рабочего колеса в 5-ой степени. Поэтому любое улучшение этого радиуса будет полезно для достижения большей интенсивности крутящего момента. На картинке ниже показан один из методов увеличения этого радиуса в данном пространстве.
Здесь рабочее колесо расширяется до максимального радиуса, разрешённого оболочкой, а форма турбины изменяется на внешнем крае. Лопасти рабочего колеса продолжаются вокруг жидкостного контура, чтобы соответствовать новой форме турбины. Результаты измерений в этой конфигурации показывают, что достигается большая интенсивность крутящего момента.
Контроль потока через статор диффузорного типа также способен привести к дальнейшему улучшению крутящего момента. Площадь потока через статор увеличивается по мере движения жидкости к рабочему колесу. Этим уменьшается осевая скорость жидкости при неизменной скорости кручения.
Таким образом, жидкость можно легче направить на рабочее колесо. В результате достигается улучшение характеристик. Последней стратегией экономии места для размещения в пространстве, разрешённом в конструкциях современных трансмиссий, является сдвиг тора. Этот метод проиллюстрирован тут:
Здесь наполовину сжатый тор срезан вдоль центральной линии с целью освобождения места либо для демпфера дуговой пружины на внешнем диаметре. Либо такой подход логичен для демпфера с прямой пружиной вблизи внутреннего диаметра.
Внешний кончик тора смещается на нужную величину, внутренний край не перемещается, а точки между ними срезаются до линии, соединяющей внутреннюю и внешнюю точки. Эта стратегия поддерживает поток тора в максимально возможной степени, соответственно, характеристики не ухудшаются.
При помощи информации: LUK
Публикация Автомобильный вариатор совершенство конструкции впервые появилась на ZM.