В первой части авторы пришли к выводу, что все бесступенчатые трансмиссии, в которых через звено с изменяемым передаточным отношением проходит полная мощность, обладают рядом принципиальных недостатков. Любая полнопоточная бесступенчатая трансмиссия проигрывает ступенчатым коробкам передач в размерах, массе, КПД и стоимости. Можно ли объединить достоинства ступенчатых и бесступенчатых трансмиссии в одном устройстве?
Продвинуться еще на шаг в поиске идеальной трансмиссии инженерам помог с давних пор применяемый в автомобилях дифференциал (рисунок 1), который передает на ведущие колеса равный крутящий момент и при этом позволяет им вращаться с разными скоростями.
Рисунок 1. Устройство конического (сверху) и планетарного (снизу) дифференциалов.
На этот раз дифференциал использовался в другом качестве, и на его основе был создан новый класс бесступенчатых трансмиссий, которые принято называть многопоточными или, в иностранной литературе, трансмиссиями с разделением потока мощности (power split transmissions). Первые конструкции таких трансмиссий появились в начале 20 века. Но настоящую революцию в автомобильной промышленности осуществила компания Toyota, начав выпуск автомобиля Prius в 1997 году. Помимо того, что силовая установка этого автомобиля была гибридной, он был оснащен двухпоточной электромеханической трансмиссией. Компания добилась оглушительного рыночного успеха, и в настоящий момент выпускается уже третье поколение модели Prius, а двухпоточная электромеханическая трансмиссия применяется на многих других моделях компании Toyota. Устройство трансмиссии Toyota Prius третьего поколения изображено на рисунке 2.
Рисунок 2. Устройство двухпоточной электромеханической трансмиссии автомобиля Toyota Prius.
В основе трансмиссии лежит дифференциал 10 планетарного типа. К солнечному колесу дифференциала присоединен ротор генератора 3. Через полый вал ротора проходит вал от двигателя 1 и соединяется с водилом дифференциала. С коронного колеса дифференциала отбирается мощность на колеса. С ним же, через понижающую передачу 9, соединен ротор электродвигателя 7.
Когда автомобиль стоит неподвижно, а двигатель работает, коронное колесо остановлено, водило вращается с той же скоростью, что и коленчатый вал двигателя, а солнечное колесо вместе ротором генератора 3 вращается с большой скоростью в ту же сторону, что и двигатель. Если автомобиль начинает движение, генератор начинает вырабатывать электрическую мощность, а электродвигатель 7 эту мощность потребляет и отдает на ведущие колеса через редуктор 9, передачу 7 и главную передачу 5. На малой скорости почти вся мощность от двигателя передается через электрическую передачу «генератор-электродвигатель», так же, как и в полнопоточной электрической передаче. Но с ростом скорости автомобиля картина меняется. Часть мощности передается от водила дифференциала к коронному колесу, минуя электрическую передачу. И доля эта увеличивается вместе с ростом скорости. По мере разгона автомобиля ротор генератора 3 замедляется, а ротор электродвигателя 7 наоборот, ускоряется. В какой-то момент времени ротор генератора 3 останавливается совсем, и генератор прекращает вырабатывать электрическую мощность. Она становится попросту ненужной — вся мощность двигателя передается через планетарный дифференциал к колесам автомобиля. Этот режим принято называть «механической точкой», и КПД трансмиссии в нем достигает максимума. Передаточное отношение трансмиссии можно уменьшать и дальше, продолжая разгонять автомобиль за «механическую точку». В этом случае электродвигатель 7 и генератор 3 меняются функциями: энергия вырабатывается электродвигателем 7 и потребляется генератором 3, который начинает вращаться в противоположную сторону. Этот режим называют «циркуляцией мощности»; КПД трансмиссии в нем начинает снова падать.
Конечно, реальное описание процессов в двухпоточной электромеханической трансмиссии гибридного автомобиля намного сложнее. Генератор 3 и электродвигатель 7 выполняют еще ряд функций — запускают двигатель 1, питают бортовую электросеть автомобиля, заряжают батарею при торможении, отбирают от нее мощность и добавляют ее к мощности двигателя при разгоне. Но нас пока интересует только принцип работы трансмиссии, не так ли?
Если место под капотом современных автомобилей постепенно завоевывает электричество, то у тракторов и разнообразной специальной техники безраздельно господствует гидравлика. Совершенно логичным образом, двухпоточные бесступенчатые трансмиссии тракторов основаны на гидрообъемной передаче. Гидромеханическая трансмиссия Fendt Vario (рисунок 3) работает по тому же принципу, что и электромеханическая трансмиссия Toyota, о которой было рассказано выше. Разница заключается лишь в том, что электрогенератор и электродвигатель заменены на гидронасос и гидромотор , а электрическая связь между ними заменена на гидравлическую.
Рисунок 3. Устройство двухпоточной гидромеханической трансмиссии трактора Fendt Vario. 1 — демпфер крутильных колебаний; 2 — планетарный дифференциальный механизм; 3 — коронное колесо; 4 — солнечное колесо; 5 — водило; 6, 7 — гидромашины бесступенчатого звена, 8 — суммирующий вал, 9 — двухступенчатая коробка передач; 10 — привод переднего моста; 11- привод вала отбора мощности (ВОМ).
На двухпоточных трансмиссиях инженеры не остановились. Добавив к двухпоточной электромеханической трансмиссии второй дифференциал, они создали трехпоточную трансмиссию, в которой мощность передается одним электрическим и двумя механическими потоками. Особенность трехпоточной трансмиссии состоит в том, что она имеет две «механические точки», в которых вся мощность передается только механическими передачами. Благодаря этому КПД трансмиссий стало еще выше, а размеры бесступенчатого звена — меньше.
Рисунок 4. Схема трехпоточной электромеханической трансмиссии Renault IVT
Насколько характеристики многопоточных трансмиссий лучше, чем полнопоточных, можно судить по рисунку 5. На рисунке изображены графики мощности, проходящей через бесступенчатое звено разных типов бесступенчатой трансмиссии при разгоне автомобиля. Для примера выбран легковой автомобиль с двигателем мощностью 90 кВт, причем передаточные отношения в трансмиссиях подобраны так, что «механическая точка» достигается на скорости 105 км/ч. На скорости меньше 17 км/ч мощность двигателя ограничивается с тем, чтобы не допустить пробуксовки ведущих колес. По мере дальнейшего разгона мощность двигателя остается постоянной.
Рисунок 5. Поток мощности, проходящий через бесступенчатое звено разных типов трансмиссии при разгоне автомобиля на полной мощности двигателя.
Поток мощности в полнопоточной бесступенчатой трансмиссии полностью повторяет поток мощности двигателя. Средняя мощность на приведенном графике составляет 84 кВт, максимальная — 90 кВт.
В двухпоточной бесступенчатой трансмиссии поток мощности соответствует мощности двигателя при трогании и постепенно уменьшается по мере разгона. Средняя мощность, проходящая через бесступенчатое звено, составляет 33 кВт, максимальная — 77 кВт. В «механической точке» мощность через бесступенчатое звено не проходит.
Трехпоточная бесступенчатая трансмиссия в приведенном примере позволяет снизить среднюю мощность, проходящую через бесступенчатое звено, до 27 кВт, а пиковую — до 55 кВт.
Разделение силовых потоков позволяет снизить нагрузку на бесступенчатое звено и уменьшить его размеры. КПД механической ветви в многопоточной трансмиссии значительно выше, чем в бесступенчатом звене, и может достигать 99%. Чем меньше мощности протекает через бесступенчатое звено, тем выше КПД трансмиссии. У серийно выпускаемых гидромеханических и электромеханических двухпоточных трансмиссий его средняя величина составляет 88%..92%, а в «механической точке» КПД может достигать 96%. По сравнению с полнопоточными электрическими и гидрообъемными трансмиссиями это большой шаг вперед.
Итак, многопоточные трансмиссии еще ближе подвели нас к идеалу. Однако, на этом резервы совершенствования трансмиссий не закончились. Многопоточные трансмиссии с одним диапазоном регулирования снижают мощность, проходящую через бесступенчатое звено, лишь в сравнительно узкой области передаточных отношений, близкой к «механическим точкам». В крайних зонах регулирования поток мощности через бесступенчатое звено остается сравнительно большим, а ведь именно эти, «предельные», режимы и определяют размеры бесступенчатого звена и всей трансмиссии в целом. Как результат, многопоточные трансмиссии с одним диапазоном получаются достаточно громоздкими и дорогостоящими.
Важнейшее свойство многопоточных трансмиссий состоит в том, что размеры бесступенчатого звена можно многократно уменьшать, сокращая пределы регулирования передаточного отношения. Например, в трансмиссии с шириной силового диапазона регулирования около двух через бесступенчатое звено будет протекать не более 20..30% от полной передаваемой мощности. Правда, такого узкого диапазона не хватит и для мотоцикла. Современным легковым автомобилям требуется диапазон регулирования не менее 6, а у тяжелых грузовиков он может превышать 20. Конструкторы компании Fendt устранили техническое противоречие между размерами трансмиссии и шириной диапазона регулирования «в лоб», поставив вслед за двухпоточной бесступенчатой трансмиссией обычную двухступенчатую коробку передач 9 (рисунок 3). Благодаря этому, трактор с трансмиссией Vario может передвигаться в двух режимах — медленным «рабочем» и быстрым «транспортном». Каждый из этих режимов имеет весьма узкий диапазон регулирования, что позволяет уменьшить размеры бесступенчатой передачи и поднять КПД трансмиссии. Но при переключении между «рабочим» и «транспортным» режимами силовой поток прерывается, а двухпоточной передаче требуется какое-то время, чтобы синхронизировать скорость вращения деталей для включения новой передачи.
