Основные экспериментальные характеристики нового адаптивного вариатора

Нурбей Гулиа, Дмитрий Ковчегин, Сергей Юрков
Мы уже публиковали материалы по новому адаптивному фрикционному вариатору и его перспективах для бесступенчатой трансмиссии автомобиля. В этих материалах были приведены схемы как самого вариатора, так и бесступенчатой коробки передач на его основе. Также была приведена схема стенда для испытаний нового вариатора [1, 2]. На этом стенде и были получены основные экспериментальные характеристики вариатора, которые предназначены для расчета и проектирования подобных вариаторов.
Новый вариатор был изготовлен на автомобильном заводе АМО ЗИЛ в Москве и испытан в стендовых условиях. Фиксировались следующие показатели частота вращения и крутящий момент на входном и выходном валах; по этим данным вычислялись такие важные показатели как КПД, передаточное отношение кинематическое i (или без нагрузки на выходном валу), и реальное iр, т.е. с учетом проскальзывания, вызванного работой под нагрузкой. Кроме того, было осуществлено фиксирование ряда передаточных отношений вариатора, и определены значения коэффициентов упругогидродинамического (УГД) трения и проскальзывания для этих передаточных отношений.
Здесь следует отметить, что последний эксперимент весьма затруднен для адаптивных, а тем более планетарных вариаторов, ввиду того, что передаточное отношение там меняется автоматически, а кроме того имеются два вида последовательно работающих фрикционных контакта – наружный (на внутреннем центральном колесе) и внутренний (на внешнем центральном колесе). Так как эти контакты находятся при оптимизированном нажиме, т.е. примерно в одинаковой степени загружены, то в качестве показателя скольжения брался обобщенный показатель скольжения, равный половинному значению суммарного проскальзывания в вариаторе для каждого контакта. Значение этих коэффициентов трения в наружном и внутреннем контактах – fн и fв, сравнивались с ранее полученными коэффициентами fн проф. X.Воячеком и проф. Н.В.Гулиа для различных проскальзываний.
На графиках рис.1 и рис.2 представлены зависимости крутящих моментов на выходном валу Т и КПД η от частоты вращения n для двух типов рабочих смазок. На рис.1 вариатор смазывался моторным маслом М-8, а на рис.2 – высокотяговой смазкой (трактантом) «Сантотрак-50» (Santotrac-50), предназначенной специально для вариаторов, и изготовляемой в США фирмой Findett Corporation. Кроме того, учитывая несимметричность системы отбора момента при вращении валов вариатора в разных направлениях, опыты были проведены при вращении их в двух различных направлениях. Кривая 1 характеризует КПД вариатора, кривые 2 и 3 – крутящие моменты при вращении входного вала по часовой стрелке и против нее (видно, что эти кривые очень близки друг к другу).
На этих же графиках представлено изменение максимальных коэффициентов УГД-трения fн и fв для смазки моторным маслом (рис.1) и трактантом «Сантотрак-50» (рис.2). Эти коэффициенты определялись расчетно-экспериментальным методам по нескольким вариантам с фиксацией передаточных отношений вариатора на определенных значениях, и на графиках представлены их усредненные значения.

Рис. 1. Характеристики вариатора для минерального масла

Рис. 2. Характеристики вариатора для высокотягового масла
Ввиду того, что в данном вариаторе коэффициенты УГД-трения растут с увеличением скольжения непрерывно (о чем будет еще сказано ниже), мы ограничивались значениями скольжения 10%, как максимально допустимыми для реальных режимов эксплуатации вариатора, и считаем коэффициент запаса по сцеплению β=1. Следует заметить, что при расчете и проектировании вариаторов эти значения максимальных коэффициентов трения следует разделить на коэффициент запаса по сцеплению β, который обычно принимается 1,25…1,5. С учетом этого относительное скольжение сильно падает и достигает вполне приемлемых значений. Например, для смазки трактантом «Сантотрак-50» и β=1,25 относительное скольжение с 10% падает до 2…2,5%, а при β=1,5 – до 1,5%. Для моторного масла это падение относительного скольжения не столь существенно при β=1,25 – 5%, а при β=1,5 – до 4%. Разумеется, последние значения относительного скольжения достаточно высоки, что сказывается на КПД вариатора, который при смазке моторным маслом ниже, чем при смазке трактантом «Сантотрак-50», что отражено на графиках рис.1 и 2.
На графике рис.3 представлены зависимости коэффициентов УГД-трения fн и fв от относительного (в том числе и обобщенного) проскальзывания S%.

Рис. 3. Зависимость коэффициентов трения f от скольжения S
Кривые 1 и 2 характеризуют ранее полученные на стендах X.Воячеком (Н.Vojacek) в ФРГ и Н.В.Гулиа в России, коэффициенты fн при смазке, соответственно, смазкой «Сантотрак-50» (в опытах Х.Воячека – «Variotrac») и моторным маслом М-8. Стенды были снабжены фрикционными дисками с углом конусности 5°…6°, полностью соответствующими фрикционным дискам вариатора; эти показатели коэффициентов трения можно считать в какой-то мере эталонными. Кривые 3 характеризуют коэффициенты fн и fв трения для нового вариатора со смазкой «Сантотрак-50», кривые 4 – со смазкой моторным маслом М-8 (верхние кривые 3 и 4 относятся к fв, а нижние – fн). Передаточное отношение здесь в пределах 1,5…3.
Приведенные графики однозначно свидетельствуют о неоспоримом преимуществе высокотяговых (фрикционных) смазок типа «Сантотрак-50». Кроме существенно большего коэффициента трения, эта смазка обеспечивает в несколько раз меньшее скольжение, что существенно отражается на КПД и долговечности фрикционных дисков. Известно, что долговечность фрикционных дисков, смазываемых «Сантотрак-50» измеряется десятками тысяч часов, что эквивалентно миллионам километров пробега автомобиля.
Описанная конструкция нового вариатора отличается от других фрикционных вариаторов и передач тем, что в ней не наступает «срыва» передачи момента, т.е. снижения коэффициента трения при определенных значениях скольжения. Для цилиндрических, катков этот «срыв» наступает при S≈1,5…2%, для ременных вариаторов – при 3…5%, иногда больше, но этот «срыв» наступает всегда. В новом же вариаторе коэффициенты трения, как fн, так и fв, растут непрерывно с увеличением скольжения практически до S=80%, т.е. почти до полного буксования (которое, впрочем, допускать нельзя, и которое в новом вариаторе предотвращается). Это очень ценное качество вариатора, особенно для транспортного применения.
В заключение отмечаем, что, судя по приведенным характеристикам опытного образца вариатора, он отвечает всем требованиям, предъявляемым к автоматическим бесступенчатым трансмиссиям, особенно автомобильного назначения. Предполагается при этом, что вариатор смазывается высокотяговой смазкой типа «Сантотрак-50» или его более современной модификацией, например, «Сантотрак-50S».
Список литературы
Гулиа Н.В., Юрков С.А. Новый адаптивный фрикционный вариатор для бесступенчатой трансмиссии автомобиля. НиТ, 2001.
Гулиа .В., Юрков С.А. Новый многодисковый вариатор с «мягкой» рабочей характеристикой. НиТ, 2001.