Принципы работы и перспективы бесступенчатых несаморегулируемых передач и электропередач в автомобилестроении

Бесступенчатая несаморегулируемая передача представляет собой передовую разработку в области автомобильных трансмиссий. Ее ключевыми преимуществами являются высокий коэффициент полезного действия (КПД) и исключительно широкий диапазон силовых передаточных отношений. Данная конструкция оснащена специализированным регулирующим устройством, что позволяет достичь непревзойденных тягово-скоростных и топливно-экономических показателей. Эти характеристики остаются недостижимыми для транспортных средств, использующих классические ступенчатые передачи или бесступенчатые саморегулируемые передачи.

Для реализации своего потенциала регулирующее устройство должно автоматически поддерживать оптимальный режим работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Этот режим соответствует минимальному расходу топлива при скорости, заданной водителем, и сохраняется при любых изменениях внешнего сопротивления движению. Функционирование всей системы происходит в строго определенном диапазоне рабочих условий, который ограничивается тремя предельными случаями. К ним относятся разгон с максимальной интенсивностью, движение с постоянной скоростью при наивысшей топливной экономичности, а также движение на малой постоянной скорости при незначительном внешнем сопротивлении.

Принципиальная схема такого регулирующего устройства, разработанного для работы с карбюраторным двигателем, детально представлена на рис. 80. В данной конфигурации на основных рабочих режимах двигатель функционирует при полном открытии дроссельной заслонки карбюратора, что напрямую соответствует минимальному удельном расходу топлива. Для оперативного увеличения или уменьшения скорости транспортного средства водитель воздействует на педаль управления, которая непосредственно изменяет передаточное отношение бесступенчатой передачи, обеспечивая плавное ускорение или замедление.

Рис. 80. Схема регулирующего устройства бесступенчатой несаморегулируемой передачи: 1 — двигатель; 2 — бесступенчатая передача; 3 — ведущий мост; 4 — привод центробежного регулятора; 5 — центробежный регулятор; 6 — пружина регулятора; 7 — педаль управления передачей; I — замедление; II — ускорение; III — i min; IV — i max

При фиксированном положении педали управления стабильная частота вращения коленчатого вала двигателя поддерживается за счет центробежного регулятора устойчивого типа. Этот важный компонент системы размещен между педалью и самой бесступенчатой передачей. Любое изменение положения педали, которое механически связано с пружиной регулятора, приводит к соответствующему изменению его настроечных параметров. Данный принцип действия обеспечивает высокую стабильность работы силового агрегата в различных дорожных условиях.

Для предотвращения потенциальной остановки двигателя или его неустойчивой работы на малых скоростях и при низком сопротивлении движению используется специальный алгоритм. При незначительном перемещении педали управления настройка центробежного регулятора остается неизменной, а режим работы двигателя корректируется путем дозированного открытия дроссельной заслонки карбюратора. Когда перемещение педали превышает определенный порог, дроссельная заслонка открывается полностью, и в работу вступает изменение настройки центробежного регулятора, что отображено на схеме (рис. 80) позициями I (замедление) и II (ускорение).

С целью максимального повышения топливной экономичности в системе карбюратора используется экономайзер. Это устройство предназначено для принудительного обогащения горючей смеси и вступает в действие только при соблюдении двух строгих условий. Во-первых, дроссельная заслонка должна быть полностью открыта, а во-вторых, частота вращения коленчатого вала должна соответствовать значению, при котором двигатель развивает свою максимальную мощность. Такой подход исключает нерациональный расход топлива на неоптимальных режимах.

Несмотря на очевидные теоретические преимущества, на сегодняшний день инженерное сообщество сталкивается с определенными трудностями. До сих пор не создано серийного образца бесступенчатой несаморегулируемой передачи с регулирующим устройством, которое было бы способно надежно функционировать в сверхшироком диапазоне возможных дорожных условий. Это ограничение сдерживает массовое внедрение данной перспективной технологии в автомобильную промышленность, оставляя пространство для дальнейших научных исследований и конструкторских разработок.

Электропередачи представляют собой альтернативный тип силовой передачи, обладающий уникальными характеристиками. Проектирование таких систем является сложной специальной задачей в области электротехники, однако их общая оценка крайне важна для понимания развития трансмиссий. Конструктивно электропередача состоит из двух или более главных электрических машин постоянного тока, а также комплекса устройств управления ими. В этой системе одна из машин выполняет роль генератора, преобразуя механическую энергию в электрическую, а остальные функционируют как тяговые электродвигатели, приводящие колеса в движение.

Важнейшей характеристикой любого двигателя является его коэффициент приспособляемости, который отображает способность преодолевать переменное сопротивление без изменения частоты вращения. Анализ моментных характеристик, представленных на рис. 81, демонстрирует превосходство тягового электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Его коэффициент приспособляемости достигает выдающихся значений 4–5. Для сравнения, у асинхронного электродвигателя переменного тока этот параметр не превышает 2,5, у газовой турбины — также около 2,5, а у классического поршневого ДВС — всего лишь 1,2.

Рис. 81. Моментные характеристики: 1 — электродвигателя постоянного тока с последовав тельным возбуждением; 2 — асинхронного электро-двигателя переменного тока; 3 — газовой турбины; 4 - поршневого двигателя внутреннего сгорания

Помимо высокого коэффициента приспособляемости, электродвигатель постоянного тока обладает рядом других эксплуатационных преимуществ. Он позволяет простыми техническими средствами осуществлять плавный пуск, что особенно важно для трогания автомобиля с места. Также легко реализуются функции реверсирования (движения задним ходом) и использования электродвигателя в качестве эффективного тормоза-замедлителя. Немаловажным достоинством является возможность дистанционного питания и управления несколькими двигателями в рамках одной системы.

Наряду с положительными особенностями, электропередачам присущ и ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение. К ним традиционно относят большие габаритные размеры и значительную массу всей конструкции. Для изготовления требуются дорогостоящие материалы, в первую очередь медь, что увеличивает конечную стоимость агрегата. Главным же недостатком является сравнительно низкий КПД системы, который даже на оптимальных режимах работы редко превышает 75%, что значительно ниже КПД современных механических трансмиссий.

Область применения электропередач в автомобильной технике является достаточно специфической. Наиболее рациональным считается их использование в многоприводных автомобилях (например, карьерных самосвалах) и в составе многозвенных автопоездов с активными прицепами. Именно в этих сложных транспортных системах электропередачи демонстрируют свою конкурентоспособность по сравнению с классическими механическими передачами и современными объемными гидропередачами. Их способность к гибкому распределению крутящего момента между множеством ведущих осей оказывается незаменимой.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.