Что такое планетарный вариатор
Супервариатор от советского и российского ученого Н.Гулиа: в чем особенность и принцип?
Бесступенчатые трансмиссии, или коробки передач, позволяющие плавно изменять передаточное отношение привода, в автомобильном мире получили широкое применение относительно недавно. Конструктивно вариатор был изобретен еще давно, однако только в 21 веке изобретатели ведущих компанией смогли довести его если не до совершенства, то как минимум до состояния, пригодного для установки на транспортное средство. Комплектация автотранспорта вариаторной коробкой несет несколько положительных эффектов: легкость управления машиной на уровне авто с автоматической гидродинамической коробкой переключения передач, лучшие показатели динамичности и экономичности топлива.
Однако есть у коробки и несколько серьёзных недостатков, от которых инженеры до сих пытаются избавить вариатор: в первую очередь это узкий диапазон передаточных отношений и невысокий уровень КПД. Сегодня ученые мира пытаются найти некий баланс и разумный компромисс, когда советский и российский ученый Нурбей Гулиа в отличие от западных коллег пошел другим путем. В этой статье расскажем, что такое супервариатор и в чем особенность узла.
Что такое супервариатор ученого Н.Гулиа?
Нурбей Владимирович Гулиа родился 6 октября 1939 года в городе Тбилиси, где сперва закончил школу, а после и Политехнический институт. Первое изобретение – автомат для изготовления папирос – представил еще в 1961 году, однако сам ученый некурящий. Но спустя несколько лет область интересов изобретателя меняется: трансмиссии, коробки передач и механизмы по сохранению и преобразованию энергии. Так первым появился супермаховик – механизм накопления механической энергии, выполненный в виде намотанных на барабан нескольких тысяч витков стальной ленты. Но одного особого маховика было недостаточно, ведь ученый преследовал цель изобрести настоящую «энергетическую капсулу».
«Суть «энергетической капсулы» состоит в накоплении огромных объемов энергии с целью дальнейшего её использования в качестве бензобака. Но главная задача – создать исключительно безвредную для человека и окружающей среды энергию. Тяжелый автомобильный аккумулятор содержит в себе столько энергии, сколько содержится в рюмке бензина. Поэтому в капсуле её должно быть столько, сколько, к примеру, в автомобильном бензобаке» – Н. Гулиа
Практически все изобретения ученого – это механизмы по накоплению и преобразованию энергии. И этому есть одно разумное объяснение: человечество даже в 21 веке неэффективно расходует ресурсы. Современный бензиновый двигатель отличается КПД на уровне 25-30%, когда у дизельного собрата этот показатель достигает разве что 40%. Большая часть энергии тратится бесцельно. Если рассматривать проблему в контексте автомобильного транспорта, то она рассеивается преимущественно в виде тепла. Принцип функционирования энергетической капсулы довольно прост – супермаховик служит для накопления запасов энергии, а супервариатор способствует её эффективной передаче. Если совместить и реализовать подобный тандем на автомобиле, то получится удивительное транспортное средство.
Планетарный механизм – лучший для автомобиля
Пожалуй, в мире больше нет такого ученого, посвятившего вариаторам десятки лет жизни. Но стоит отдать должное, годы исследований и изобретений не были потрачены впустую. Нурбей Гулиа все-таки смог разработать узел, работающий в максимальном диапазоне и с предельной отдачей. Но главная проблема заключалась в сложности конструкции. Она настолько была ухищренной, что специалисты мира и инженеры конструкторского бюро просто не понимали принцип работы узла. При поддержке инвесторов из Германии, вместе с коллегой по цеху Гулиа принялся максимально упростить конструкцию CVT, но при этом не навредить его эффективности. Даже сам изобретатель не верил, что, в конечном счете, коробка после модернизации будет работать, однако последующие лабораторные исследования развеяли все сомнения: КПД на основных режимах в районе 0.98 и диапазон 15-20 вместо 4-6.
В основе супервариатора лежит планетарный и дифференциальный механизм. Несколько лет ушло только на то, чтобы осознать – планетарная схема лучшим образом подходит для вариатора. Объяснение здесь одно: при передаточном отношении один КПД планетарного механизма стремится к 100%. Гулиа отдал предпочтение дисковому вариатору, способному передавать большие мощности. Его принцип работы заключается в том, что вращение на входной вал с жестко закрепленными дисками поступает от двигателя, после чего начинается вращение конических сателлитов. Внешние диски остаются неподвижными, при этом всем сателлиты вращают не только выходной вал, но еще совершают вращательные движения вокруг своей оси. Благодаря радиальному перемещению сателлитов происходит изменение передаточного отношения в механизме.
Особенность дифференциала заключается в отсутствии ему характерных конических зубчаток, вместо которых установлены цилиндрические зубчатые колеса, которые на практике доказали свою большую эффективность и экономичность.
На изображении ниже приведена схема:
Из схемы видно:
Дисковый вариатор при диапазоне 10 способен выдавать 87-95% КПД, а за счет дифференциала этот показатель еще вырастет. Будь отношение равное 1, все валы вариатора вращались бы с одной скоростью, а коэффициент полезного действия при этом достиг бы отметки 100%. Так как отношение между крутящими моментами валов превышает единицу, его ведомый вал вращается медленнее ведущего, а на ведомый вал супервариатора Гулиа будет вращаться быстрее ведомого вала дискового вариатора и медленнее ведущего вала.
В сравнении с дисковым узлом диапазон устройства уменьшается, но коэффициент полезного действия увеличивается. Чтобы из обычного дискового CVT сделать супервариатор, ученый сделал две особенные вещи: конструкция разработана так, что позволяет из понижающего режима работы сделать повышающий, а для увеличения КПД можно сузить диапазон. Сперва диапазон составит 10, а после вместе с дифференциалом порядка 20 с впечатляющим показателем КПД. Уже сейчас идет работа по внедрению подобной схемы в автомобильную трансмиссию. Если разработка российского ученого заинтересует передовые компании по производству бесступенчатых трансмиссий – ZF, Jatco, Aisin, – то в скором времени автовладельцы мира смогут наблюдать супервариатор Гулиа в действии.
Более подробно принцип работы супервариатора представлен на видео:
Будущее бесступенчатых передач для транспорта:
Заключение
На самом деле конструкция супервариатора носит гораздо более сложный характер. С особенностями его устройства и принципа работы можно ознакомиться в авторской книге Н.Гулиа, выпущенной в 2006 году – «В поисках «энергетической капсулы».
Профессор Гулиа Нурбей Владимирович
Пробные стендовые испытания полноразмерного макета супервариатора для легковых коммерческих автомобилей
Книга Н.В. Гулиа В поисках “энергетической капсулы”
СУПЕРТЕХНИКА ОТ СУПЕРМЕНА: СУПЕРМАХОВИК И СУПЕРВАРИАТОР ДЛЯ СУПЕРАВТОМОБИЛЯ
Если бы профессор Нурбей Гулиа жил на Западе, то наверняка был бы мультимиллионером. Супермаховик, который он изобрел в 1964 году, давно применяется во всем мире, что, однако, никак не отразилось на благосостоянии ученого. Из-за бюрократизма советской патентной системы патент был выдан автору. только через 20 лет после подачи заявки, а за эти годы срок действия документа истек. Но профессор взял реванш. Спустя десятилетия он изобрел (и сейчас патентует во многих странах) «супервариатор», который обладает настолько фантастическими характеристиками, что в полной мере оправдывает свою щегольскую приставку.
Когда к нам в редакцию пришло письмо с описанием устройства под названием «супервариатор», мы решили, что это очередная профанация вроде вечного двигателя и гравитолета. Но внизу стояла подпись «Нурбей Гулиа», что заставило взглянуть на устройство по-другому. Тем не менее, несмотря на реноме ученого, его изобретение продолжало казаться абсолютной фантастикой. Крупные компании, специализирующиеся на выпуске коробок передач и вариаторов, тратят огромные деньги на исследования, и вдруг некий российский изобретатель разрабатывает продукт, который по основным показателям заметно превосходит модели ведущих производителей. Разве такое возможно? Впрочем, с другой стороны, вряд ли в мире можно найти ученого, который посвятил бы вариаторам столько же времени. Ведь Гулиа начал заниматься этой темой еще в начале 1960-х.
Вариаторы, или устройства, которые позволяют плавно изменять передаточное отношение привода, получили широкое распространение на автомобилях сравнительно недавно. Подобно автоматической гидродинамической коробке передач, вариатор облегчает управление, но в отличие от нее демонстрирует лучшие показатели разгонной динамики и экономичности. Однако не лишен он и недостатков: диапазон регулирования передаточных отношений у вариаторной коробки передач обычно узок (4–6), а КПД невысок – около 0,85. Впрочем, каждый из этих показателей можно увеличить, но, увы, только за счет другого. Поиском разумного компромисса и занимаются сейчас конструкторы вариаторов, но Гулиа пошел другим путем. Он решил найти способ обойти существующие «вариаторные законы» и заставить этот упрямый механизм работать с максимальным диапазоном и максимальной отдачей на главных режимах. Годы исследований не ушли впустую: Гулиа нашел такой способ. но схема устройства была настолько непростой, что иногда и специалисты не могли до конца понять принципы ее работы. Тогда, чтобы «в доступной форме» доказать возможность существования такого устройства, Гулиа решил создать опытный образец.
При финансовой поддержке одной немецкой компании, ставшей совладельцем немецкого патента профессора, Гулиа в тандеме со своим аспирантом Иваном Бессудновым работали почти год над созданием этого устройства. Профессор признается, что сам не был до конца уверен в том, что аппарат будет работать, но его опасения не подтвердились. Первые же испытания доказали верность догадок Гулиа: супервариатор обладал прямо-таки фантастическими свойствами: диапазон 15–20, КПД на основных режимах – 0,97–0,98! как же такое стало возможным?
В основе всего этого беззакония лежат два сравнительно простых механизма – планетарный и дифференциальный, объединенные, правда, хитрым способом. За десятилетия работы с вариаторами профессор Гулиа пришел к выводу, что из всех их разновидностей лучший для автомобиля – планетарный, поскольку при передаточном отношении, близком к единице, КПД у него стремится к 100%. А автомобиль, как известно, наибольшие расстояния преодолевает именно на высоких передачах, когда передаточное отношение коробки приближается к единице. Среди вариаторов, которые могут работать по планетарной схеме, Гулиа выбрал дисковый, способный передавать внушительные мощности. Схема планетарного дискового вариатора (для простоты однорядного) изображена на рис., а рядом описан принцип его работы. По своим характеристикам такой дисковый планетарный вариатор хорош: при диапазоне, равном 10, он может работать с КПД 87–95%, но с помощью дифференциала «хорошиста» можно превратить в гениального «отличника».
Схема объединения дифференциала и планетарного вариатора изображена на рисунке. Если бы передаточное отношение вариатора было равно единице, то все валы вращались бы с одинаковой скоростью, а КПД был бы равен 100%. Но передаточное отношение вариатора больше единицы, поэтому ведомый вал дискового вариатора вращается медленнее ведущего, а ведомый вал супервариатора, исходя из особенностей работы планетарного механизма, будет вращаться медленнее ведущего и быстрее ведомого дискового вариатора. Стало быть, диапазон всего устройства уменьшится по сравнению с дисковым, но зато КПД станет выше – за счет того, что через вариатор теперь будет проходить только часть мощности, а остальная пойдет напрямую от двигателя к ведомому валу. «КПД повысился, диапазон сузился – все как в обычном вариаторе», – может возразить читатель. Пока так и есть, но, чтобы из вариатора сделать супервариатор, достаточно проделать с ним два хитрых «финта». Во-первых, нужно превратить понижающий режим работы в повышающий (конструкция разработанного Гулиа устройства это позволяет), а во-вторых, еще и сузить его диапазон – для увеличения КПД. При этом даже если этот суженный диапазон составит всего 1,5–2, то, используя на первом этапе работы вариатор без дифференциала с диапазоном около 10, а на втором – с дифференциалом и с суженным диапазоном, в результате, согласно теории замкнутых дифференциальных передач, мы получим диапазон около 20. И при этом на основных режимах работы КПД будет выше 97%!
Представленная на рисунке схема носит упрощенный характер: на самом деле изобретенный Гулиа супервариатор куда сложнее. Более подробно с устройством этого механизма можно ознакомиться в новом издании книги Гулиа « В поисках «энергетической капсулы» », которое появится к лету 2006 года (издательство ЭНАС). В оригинале базовый планетарный вариатор является многодисковым (с тремя и более рядами дисков), а его дифференциальный механизм выполнен с применением вместо конических зубчатых колес цилиндрических, которые проще, технологичнее и экономичнее. но сути дела это не меняет. На основных режимах работы КПД вариатора составляет 0,97–0,98, понижаясь лишь до 0,87 в режимах, где требуется высокое передаточное число (например, при трогании с места).
Сейчас профессор Гулиа патентует свое изобретение в ведущих странах мира, чтобы не повторилась та несправедливая история с супермаховиком, и ищет будущих партнеров. Если изобретением заинтересуются такие высокотехнологические производители коробок передач, как, например, ZF Friedrichshafen, супервариатору уготовано великое будущее. Но Гулиа не собирается на этом останавливаться. «Если объединить достоинства супервариатора и супермаховика, то можно создать суперавтомобиль», – говорит ученый.
Когда профессор Гулиа начинает рассказывать о проекте «суперавтомобиля», можно подумать, что он писатель-фантаст, а не ученый. Слишком удивительными кажутся его выкладки. «В одном из номеров «Популярной механики» (№7, 2005, с. 16) вы писали про карбоновое нановолокно, – говорит профессор. – Если из такого материала навить супермаховик, то его удельная энергия достигнет 1 Мвт*ч/кг, или в тысячи раз больше, чем у самых перспективных аккумуляторов! Это значит, что на таком накопителе массой в 150 кг легковой автомобиль сможет пройти с одной зарядки свыше 2 миллионов километров – больше, чем способно выдержать шасси. То есть теоретически уже сейчас можно создавать автомобили, которые в течение всего срока службы не требовали бы никакого топлива. Беда в том, что заряжать такие накопители будет не от чего: мощность всех автомобилей в мире в десятки раз больше мощности всех электростанций». Поэтому в качестве альтернативы такой фантастической машине Гулиа предлагает более реальный проект автомобиля: его заправлять топливом все-таки придется, но раза в три реже, чем обычное авто.
Максимальный КПД современного бензинового двигателя всего 25–30%, дизельного выше – около 40%, но беда в том, что реально в городе (даже без учета пробок) двигатель работает с КПД около 7%. Чтобы переводить тепловую энергию топлива в механическую максимально выгодно, надо заставить двигатель работать в оптимальном режиме, близком к максимальной мощности. Если бы автомобиль был оснащен специальным накопителем, с его помощью можно было бы собирать энергию от двигателя, работающего в режиме максимального КПД, а уже из накопителя расходовать ее на движение автомобиля.
«Такая схема позволила бы сократить расход топлива как минимум втрое», – рассказывает Гулиа.
«Нурбей Владимирович, но ведь уже существуют различные гибридные автомобили, которые работают по такой схеме, однако ждать серьезного снижения расхода топлива от них не приходится».
– «Вы правы. но в современных гибридных автомобилях механическую энергию двигателя приходится преобразовывать в электрическую, а затем снова в механическую. Это приводит к слишком большим потерям – энергетическую «пошлину» платить надо. Я же говорю о накопителе механической энергии – супермаховике, работающем в паре с супервариатором».
Опытные образцы подобных автомобилей, оказывается, уже пыталась создать американская компания United technologies, и ей удалось достичь расхода дизельного топлива 3 л на 100 км для автомобиля массой 1500 кг. Но система была достаточно сложна и дорога: в частности, тут были использованы электрогенераторы и полномоментные (без коробки передач) тяговые двигатели, что и не позволило извлечь максимум достоинств из этой схемы. Именно изобретенный супервариатор призван сделать автомобиль куда привлекательнее. При такой схеме работы двигатель периодически автоматически включается и, работая в оптимальном режиме, «дополняет» энергию в накопитель. Кроме того, в этой схеме осуществляется рекуперация энергии на спусках и торможениях, что ведет к фантастической экономии топлива. По данным Гулиа, обычный автомобиль может при этом расходовать всего лишь 1,2 л дизельного топлива на 100 км. но самое любопытное, что это еще не предел экономичности. Если вместо двигателя использовать более экономичные топливные элементы с КПД около 56% (при работе на обычном топливе), то можно достичь еще большей экономичности – до 0,85 л солярки на 100 км! Пожалуй, это реальный ответ повышению цен на автомобильное топливо.
1939. Родился в Тбилиси (там же окончил школу и Политехнический институт).
1961. Сделал первое изобретение, затем изобретает вариаторы новых конструкций.
1962. Поступает в аспирантуру в Москве, через 3 года защищает кандидатскую диссертацию, спустя еще 8 лет – докторскую.
1964–1984. Подает заявку на изобретение супермаховика: из-за затянувшейся экспертизы получает патент только через 20 лет.
1978. Начинает работать в Московском государственном индустриальном университете (МГИУ) профессором кафедры «Автомобили и двигатели». по настоящее время – заведующий кафедры «Детали машин».
2003. Подает международную заявку на изобретение супервариатора, по которой в 2005 году началось патентование в России и за рубежом.
От двигателя вращение подается на входной вал вариатора, на котором жестко закреплены внутренние диски. Они заставляют вращаться конические сателлиты. За счет того, что внешние диски неподвижны, сателлиты участвуют не только в орбитальном движении, вращая водило (выходной вал), но и вращаются вокруг своей оси. Изменение передаточного отношения в механизме обеспечивается за счет радиального перемещения сателлитов на водиле.
Вариатор планетарный
Полезная модель относится к механизмам зубчатых бесступенчатых передач и может быть использована в машиностроении, в частности для бесступенчатой трансмиссии транспортных средств.
Технический результат заключается в упрощении конструкции вариатора и снижении его габаритов, повышение надежности работы. 1 н.п. ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к механизмам зубчатых бесступенчатых передач и может быть использована в машиностроении, в частности для бесступенчатой трансмиссии транспортных средств.
В современном машиностроении, в частности в автомобилестроении, широко используются двигатели внутреннего сгорания, которые имеют очень узкий рабочий диапазон оборотов. Для того чтобы расширить этот диапазон, служит коробка переключения передач (КПП). Она предназначена для изменения передаточного соотношения между двигателем и рабочим органом устройства (РОУ). Например, в автомобиле, где РОУ являются колеса, изменение передаточного соотношения в КПП позволяет при различных скоростях движения двигателю работать в режиме, близком к оптимальному.
Наиболее распространенной среди КПП является механическая коробка переключения передач (МКПП). Главными недостатком МКПП является ступенчатость изменения передаточного соотношения между двигателем и РОУ. В результате во всем диапазоне возможных значений оборотов двигателя и РОУ можно получить лишь несколько вариантов их оптимальных соотношений. Во всех остальных случаях двигатель либо недогружен, и его мощность тратится впустую, либо перегружен, в результате чего бесполезно расходуются его ресурсы. Дополнительным недостатком МКПП является наличие сцепления.
Энергия приводного двигателя расходуется внутри самого устройства. Коэффициент полезного действия (КПД) устройства достигает максимального значения только на прямой передаче. При этом максимальное передаточное отношение устройства при максимальном КПД составит 1. В связи с этим необходимо использовать приводной двигатель с большой мощностью для преодоления максимального стартового нагрузочного момента на ведомом звене.
Таким образом, недостатком известного устройства является малое значение его КПД.
Известен вариатор Челнокова (RU 2108508 МПК F16H 47/04), содержащий корпус, входной и выходной валы, ведущее и ведомое колеса, водило и жидкость, при этом он снабжен герметичной камерой и блок-шестерней, установленной на водиле и находящейся в зацеплении с колесами, ведущее и ведомое колеса жестко закреплены на входном и выходном валах, жидкость заполняет герметичную камеру, пара сопряженных зубчатых колес заключена в герметичную камеру, зоны низкого и высокого давления камеры соединены перепускным каналом с установленным на нем управляемым дросселем, а ведущее колесо имеет меньшее чем у ведомого число зубьев.
Недостатком вариатора является отсутствие центровки относительно оси вращения, приводящая к возникновению биений, особенно на больших оборотах. Наличие герметичной камеры служит источником поломок устройства при возникновении протечек, а также существенно усложняет само устройство и процедуры его обслуживания. Кроме того, максимальное передаточное отношение устройства равно 1, что требует использование приводного двигателя с большой мощностью для преодоления максимального стартового нагрузочного момента на ведомом валу. Это также понижает КПД устройства.
Известен вариатор планетарный (RU 2374528 МПК F16H 47/08), выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус, размещенные в нем ведущий вал и ведомую шестерню, механизм управления и два планетарных ряда, отличающийся тем, что он снабжен управляющим звеном, первый и второй планетарные ряды размещены последовательно, каждый из которых включает центральную и коронную шестерни и водило с сателлитами, ведущий вал жестко связан с коронной шестерней первого планетарного ряда и выполнен сквозным с возможностью установки приводного двигателя на любой его конец, а механизм управления размещен на ведущем валу, неподвижно закреплен на корпусе, содержит контролирующий и исполнительный органы, выполнен гидравлическим и имеет возможность изменения общего передаточного числа вариатора в независимости от оборотов приводного двигателя.
Недостатком устройства является сложность конструкции, содержащей два связанных планетарных ряда, результатом чего являются большие габариты устройства, недостаточно надежная работа, дополнительные сложности в его обслуживании и управлении.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в упрощении конструкции вариатора и снижении его габаритов, повышение надежности работы.
Устройство поясняется чертежом, на фиг. изображена общая кинематическая схема вариатора планетарного.
Вариатор планетарный работает следующим образом.
Таким образом, по сравнению с прототипами заявляемый вариатор планетарный имеет более простую конструкцию, главным образом из-за наличия только одного планетарного ряда, меньшие габариты, а, следовательно, он более надежен в работе. Кроме того, устройство обеспечивает возможность плавного изменения передаточного числа при сохранении принципа зацепления вращающихся частей при передаче крутящего момента и не требует использования сцепления или гидромуфты даже для обеспечения работы двигателя при остановке рабочего органа.
При помощи заданного ряда тормозных усилий предлагаемый планетарный вариатор может имитировать переключение передач так, как это реализовано в АКПП типа «tip-tronic».
Заявленное устройство может быть использовано не только с двигателями внутреннего сгорания, но и с другими типами двигателей с целью изменения динамики разгона и торможения рабочего органа, а также для обеспечения оптимальных условий эксплуатации двигателя, например, с целью повышения его экономичности или удельной мощности.