Как только паровые машины на автомобилях были заменены двигателями внутреннего сгорания, перед конструкторами встала задача: как вернуть новой технике удобную «мягкую» тягу, увеличивающуюся при снижении скорости движения и достигающую максимума при трогании с места?
Как только паровые машины на автомобилях были заменены двигателями внутреннего сгорания, перед конструкторами встала задача: как вернуть новой технике удобную «мягкую» тягу, увеличивающуюся при снижении скорости движения и достигающую максимума при трогании с места? Ведь у двигателей внутреннего сгорания пик крутящего момента приходится на среднюю часть рабочего диапазона, а на очень малых скоростях вращения двигатель вообще работать не способен (рисунок 1).
Рисунок 1. Зависимость максимальной удельной силы тяги автомобиля от скорости. Зеленая линия — идеальная тяговая характеристика. Остальные линии — тяговые характеристики автомобиля с двигателем внутреннего сгорания на различных передачах
Задача была отчасти решена, и по сей день она решается использованием ступенчатых коробок передач и фрикционных сцеплений. Увеличением числа ступеней достигается получение нужного силового диапазона, а оптимальную частоту вращения двигателя при этом можно поддерживать более точно. Разрыв силового потока при переключении, который проявляется толчками при разгоне, отчасти скомпенсирован применением гидротрансформатора, а также нескольких сцеплений и тормозов в автоматических коробках передач (АКПП). В более современных и конструктивно простых коробках передач с двумя сцеплениями (DSG) непрерывность силового потока обеспечивается одновременной работой двух сцеплений при переходе между четными и нечетными передачами. Однако, даже современные АКПП и DSG в некоторых режимах движения всё же огорчают толчками. Да и частота вращения двигателя при переключениях резко изменяется, что не добавляет ему долговечности.
Каждому владельцу автомобиля приятно осознавать, что его изделие технически совершенно. Примеров, когда традиции приносились в жертву техническому совершенству, в автомобильной промышленности немного. В современную эпоху таким примером, пожалуй может быть лишь Tesla Motors. Какой же должна быть идеальная автомобильная трансмиссия, если создавать ее с чистого листа?
Во-первых, трансмиссия должна быть бесступенчатой во всем требуемом диапазоне регулирования. Передаточное отношение должно регулироваться плавно, без разрыва силового потока, и при этом достаточно быстро. Сам диапазон регулирования должен быть достаточно большим. В идеале, максимальное передаточное отношение должно стремиться к бесконечности, а минимальное передаточное отношение должно обеспечивать минимальную устойчивую частоту вращения двигателя на «крейсерской» скорости автомобиля. Только в этом случае двигатель внутреннего сгорания всегда сможет работать на оптимальной точке, обеспечивая, по необходимости, минимально возможный расход топлива, либо наилучшую динамику автомобиля.
Во-вторых, трансмиссия должна иметь наивысший коэффициент полезного действия (КПД). Потери мощности в трансмиссии не только «крадут» мощность у двигателя и повышают расход топлива автомобиля. Казалось бы, что может посулить повышение КПД, к примеру, с 97% до 99%? Всего лишь два процента экономии топлива, который может и не окупить затраты на совершенствование трансмиссии. Но если сравнить мощность потерь, выделяемую в виде тепла, то при указанном повышении КПД мощность потерь снизится втрое, с 3% до 1% передаваемой мощности! А это уже может означать возможность радикального упрощения системы охлаждения. Например, замену жидкостного охлаждения с насосом, теплообменником и целой гроздью шлангов на простую воздушную, с обдувом корпуса трансмиссии набегающим при движении автомобиля воздухом.
В третьих, трансмиссия должна быть надежной и долговечной. Конечно, в сегодняшних автомобильных компаниях балом правят маркетологи. Они уже подсчитали выгоду от ограничения срока службы автомобиля и его агрегатов, которое позволит продавать больше автомобилей, запасных частей и дополнительно зарабатывать на техническом обслуживании. Но в этой статье мы ищем инженерный идеал, не так ли? К тому же, искусственное ограничение надежности чревато возможными неприятностями для репутации производителя. А если агрегат не выдержит специфичных условий эксплуатации на каком-то конкретном рынке, и начнутся массовые отказы? Многочисленные отзывные компании и продления гарантии, проведенные уважаемыми фирмами, сказанное подтверждают.
В четвертых, трансмиссия должна быть компактной и легкой. Законы развития техники требуют одновременного повышения мощности и грузоподъемности транспортных средств. А это, в свою очередь, требует применения трансмиссии с высокой удельной мощностью. Места для трансмиссии в современном автомобиле тоже остается все меньше. В борьбе за пространство под капотом и на раме сегодня побеждают системы нейтрализации отработавших газов с их многочисленными фильтрами, нейтрализаторами и теплообменниками.
Ну и, наконец, трансмиссия должна быть дешевой в производстве и обслуживании. Дешевизна в производстве обычно достигается применением недорогих технологических процессов и материалов, а также снижением материалоемкости. С ценой обслуживания все понятно — нет обслуживания, нет и затрат.
Конечно, на этом перечень требований к идеальной трансмиссии не исчерпывается. Но именно пять перечисленных требований мы считаем первоочередными, и при этом вступающими друг с другом в противоречие.
Итак, все механические и гидромеханические ступенчатые коробки передач не удовлетворяют первому требованию и тем самым далеки от идеала. А какие бесступенчато-регулируемые передачи известны?
Фрикционные механические вариаторы, передающие мощность трением, известны, пожалуй, ещё со времен Леонардо да Винчи. В 20 веке пытливые изобретательские умы приспособили их для использования в составе автомобильных трансмиссий. В 1959 году началось производство легкового автомобиля DAF 600, оснащенного клиноременным вариатором с резиновым ремнем (рисунок 2).
Рисунок 2. Первый в мире серийный автомобиль с фрикционным вариатором.
Позже появились автомобили с фрикционными вариаторами других типов — клиноременными со стальным толкающим ремнем, клиноцепными, торовыми (рисунки 3-5).
Рисунок 3. Фрикционные детали клиноременного вариатора со стальным толкающим ремнем.
Рисунок 4. Фрикционные детали клиноцепного вариатора.
Рисунок 5. Торовый вариатор.
В настоящее время фрикционные вариаторы представлены в производственной линейке практически всех производителей легковых автомобилей, мотоциклов, снегоходов и другой легкой техники. Передаваемый от двигателя крутящий момент у наиболее совершенных клиноцепных вариаторов достиг 350 Нм. Но всем ли хороши фрикционные вариаторы?
Нет, даже у самых современных вариаторов есть масса недостатков. Причем, недостатки эти объясняются самой природой фрикционных передач и не могут быть устранены в принципе.
Во-первых, вариаторы имеют ограниченный диапазон регулирования передаточного отношения. Как правило, в автомобильных вариаторах он не превышает 6..7. Расширение диапазона свыше этой величины резко увеличивает размеры вариатора. Имеющегося диапазона регулирования достаточно только для легких транспортных средств. Для трогания с места применяется дополнительная фрикционная муфта или гидротрансформатор. Так что, даже фрикционные вариаторы не соответствуют первому требованию к идеальной трансмиссии в полной мере.
В любом конструктивном исполнении фрикционный вариатор передает мощность трением. А коэффициент трения фрикционных пар, работающих в масле, обычно не превышает 0.05. Это означает, что для передачи фрикционным контактом некоторой «полезной» силы на сдвиг его нужно сжать нормальной силой, в 20 раз большей! Эта «паразитная» сила нагружает фрикционные детали вариатора и требует применения мощных нажимных устройств. Для сравнения, в зубчатых передачах величина «паразитных» сил, возникающие из-за наклона профиля зубьев, составляет лишь 20..30% величины «полезных» сил. Чрезмерные «паразитные» нагрузки влекут за собой множество других серьезных недостатков вариаторов.
КПД вариаторов ощутимо ниже, чем у ступенчатых механических коробок передач. Пары трения наиболее совершенных клиноцепных и торовых вариаторов работают с КПД до 95..97%. Для создания больших сил нажима во фрикционных парах используется гидросистема, насос которой потребляет еще около 5% передаваемой трансмиссией мощности. Таким образом, фактический КПД лучших фрикционных вариаторов указанных типов не превышает 90..92%. КПД наиболее распространенных клиноременных вариаторов со стальным толкающим ремнем не превышает 85%.
Надежность и долговечность вариаторов является, пожалуй, самым слабым их местом. По причине чрезмерных нагрузок фрикционные детали изготавливают с высокой точностью из дорогих материалов с высокой твердостью, а для смазки используются специальные масла. Но даже «высокие технологии» не спасают вариатор от повреждений в реальных условиях эксплуатации. Если предельный передаваемый момент на мгновение превысить, фрикционные пары начинают буксовать и детали немедленно повреждаются. Авторы статьи долгое время разрабатывали фрикционные вариаторы и утверждают сказанное обоснованно. Эксплуатационная надежность существующих вариаторов уступает надежности ступенчатых коробок передач и сильно зависит от манеры вождения.
Среди механических бесступенчатых передач, помимо фрикционных вариаторов, существуют также импульсные вариаторы. В них мощность передается циклически качающимися деталями, величина перемещения которых задается механизмом регулирования передаточного отношения. Импульсные вариаторы обладают высоким КПД, могут обеспечивать трогание автомобиля с места, а проблемы неравномерности хода в наиболее совершенных моделях решены. В СССР маломощные импульсные вариаторы для привода вспомогательных механизмов какое-то время выпускались серийно (рисунок 6).
Рисунок 6. Импульсный вариатор Т67.33.000А
Но, на транспорте вариаторы подобного типа не прижились. Качающееся движение в импульсных вариаторах превращается во вращательное посредством муфт свободного хода, подобных тем, что применяются на велосипедах. Но если на велосипедах муфты свободного хода срабатывают лишь тогда, когда велосипедист перестает крутить педали, то в импульсных вариаторах эти муфты вынуждены срабатывать десятки раз в секунду. Ни одна из известных конструкций так и не достигла достаточной долговечности, сколько инженеры над ней ни бились.
А какие типы бесступенчатых передач не подвержены быстрому износу? Механическую мощность можно передавать с помощью промежуточного преобразования в какой-либо другой вид, например, гидравлический или электрический. На этом принципе основаны гидрообъемные и электрические передачи. В них вся мощность от двигателя внутреннего сгорания преобразуется в мощность гидравлического или электрического потока, а затем вновь преобразуется в механическую. Поэтому эти типы трансмиссий называют последовательными или полнопоточными.
Гидрообъемные трансмиссии много лет успешно применяют на различной тихоходной технике, например, на небольших погрузчиках или экскаваторах. Они содержат гидронасос, соединенный с двигателем, и гидромоторы, связанные с ведущими колесами (рисунок 7). За счет регулирования подачи насоса или моторов передаточное отношение такой трансмиссии может плавно регулироваться в широких пределах, в том числе обеспечивая трогание с места.
Рисунок 7. Гидрообъемная передача.
На автомобилях гидрообъемные передачи распространения не получили. У них низкий КПД, они достаточно тяжелы, недолговечны и крайне капризны к условиям эксплуатации. Полнопоточные электрические передачи тоже отличаются низким КПД, большими габаритами, массой и стоимостью. Но, по крайней мере, современные образцы не имеют быстро изнашивающихся частей и неприхотливы в эксплуатации. Это заслуга современной силовой электроники — мощные полевые и IGBT-транзисторы вытеснили ненадежные и громоздкие коллекторные двигатели постоянного тока и реостатно-контакторные системы управления.
В условиях борьбы за экономию топлива, основным преимуществом полнопоточных электрических и гидрообъемных трансмиссий стала возможность создания гибридных силовых установок. С точки зрения силовой схемы, для этого достаточно лишь присоединить аккумулятор к немеханическому потоку. Аккумулятор может быть электрохимического типа для электрической трансмиссии (рисунок 8), либо гидрогазового — для гидрообъемной передачи (рисунок 9).
Рисунок 8. Агрегаты последовательного электрического гибридного привода.
Рисунок 9. Агрегаты последовательного гидрообъемного гибридного привода.
Другим важным преимуществом полнопоточных электрических и гидрообъемных трансмиссий является возможность полного устранения механических передач. Чтобы реализовать это преимущество, необходимо переместить моторы внутрь колеса, получив, таким образом, мотор-колесо (рисунок 10). Если мотор в колесе будет снабжен редуктором, то о полном устранении механических передач говорить нельзя. Хотя, справедливости ради, стоит отметить, что планетарные редукторы, используемые в мотор-колесах, очень компактны и имеют высокий КПД. Идея мотор-колес с тихоходным безредукторным электроприводом, будоражит умы многих изобретателей по всему миру. Вот только физику не обмануть.
Удельная мощность электродвигателей в первом приближении пропорциональна окружной скорости ротора. КПД с ростом этой скорости также растет. В совершенных электродвигателях, используемых в тяговом приводе, эта скорость иногда превышает 100 м/с. Вот почему все моторы с рекордными показателями имеют запредельно высокую частоту вращения. Безредукторные приводы получаются неоправданно громоздкими, а конструкция электрических машин для них — чересчур сложной. Например, в мотор-колесах с прямым приводом электрическая машина выполняется с внешним или даже с двухсторонним ротором, а число полюсов может достигать 24 и более. Несмотря на эти ухищрения, их удельная мощность все равно оказывается в несколько раз ниже, поскольку окружная скорость ротора редко превышает 15 м/с.
Рисунок 10. Мотор-редуктор для мотор-колеса (слева) и мотор-колесо с безредукторным электроприводом (справа).
С редуктором или без, мотор-колеса вряд ли в обозримом будущем станут применяться на дорожных автомобилях. Во-первых, даже совершенные высокоскоростные моторы с редукторами достаточно тяжелы, а вопрос снижения неподрессоренной массы на автомобилях стоит остро — иначе не было бы особой нужды в колесах из легких сплавов или независимой подвеске. Во-вторых, внутри колеса законное место занимают фрикционные тормозные механизмы. Еще много лет моторы в колесах не смогут эти тормоза собой заменить — крутящий момент не тот, да и подходы к безопасности автомобиля весьма консервативны.
Что остается делать автопроизводителям, которые экспериментируют с последовательной трансмиссией на дорожных машинах? Конечно, оставить колеса в покое и соединять электродвигатель с ним посредством обычной механической передачи. Компромиссное решение — так называемая мотор-полуось, в которой каждый двигатель закреплен на раме и соединен со своим колесом посредством приводного вала с карданными шарнирами или шарнирами равных угловых скоростей — ШРУС (рисунок 11). Возможность независимого управления тягой каждого колеса в этой схеме сохраняется.
Рисунок 11. Индивидуальный тяговый привод колес (мотор-редуктор, приводной вал).
Схема «мотор-полуось» с подрессоренным мотором может быть реализована только в сочетании с независимой подвеской. На средних и тяжелых коммерческих автомобилях независимая подвеска пока редкость, поэтому получило распространение максимально простое решение, заключающееся в использовании традиционного неразрезного ведущего моста с угловой главной передачей с дифференциалом. Электродвигатель соединяется с главной передачей посредством карданного вала (рисунок 12).
Рисунок 12. Тяговый привод с традиционной трансмиссией (мотор-редуктор, карданная передача, главная передача и дифференциал).
У простого решения от достоинств полнопоточных электрических трансмиссий мало что остается — разве что возможность бесступенчатого регулирования. Основное потенциальное преимущество в виде избавления от механических передач при создании дорожных автомобилей не используется. Применение полнопоточных электрических трансмиссий оправдано лишь в тех случаях, когда недостатки механической связи двигателя и колес становятся совсем неприемлемыми, а недостатки мотор-колес — некритичными. Вот почему этот тип трансмиссий распространен на многоколесных сверхтяжелых транспортных средствах — карьерных самосвалах, тепловозах.
Мотор-колеса нашли применение и на другом полюсе мощностей — сверхмалых. Они используются в электровелосипедах, инвалидных колясках, небольших роботах на колесном ходу.
Все же, подавляющую часть массовых автомобильных перевозок осуществляют транспортные средства с одной или двумя ведущими осями. Как показала многолетняя мировая практика, полнопоточные электрические трансмиссии в таких транспортных средствах неконкурентоспособны. Периодически появляющиеся прототипы автомобилей с такими трансмиссиями являются лишь следствием повторения новыми разработчиками ошибок их предшественников.
Как показал проведенный обзор, и механические вариаторы, и полнопоточные трансмиссии электрического и гидрообъемного типов далеки от инженерного идеала. Как же создать универсальную идеальную трансмиссию, пригодную для применения на автомобилях любых типов и размеров?
Направление поиска известно — нужно объединить сильные качества ступенчатых и бесступенчатых трансмиссий в одном устройстве. О том, как это сделать, вы можете прочесть в следующей части.
