Решение глобальных проблем, связанных с автомобилем

В наши дни можно говорить в первую очередь о сформировавшимся и интенсивно развивающимся направлении избавления от нефтяной зависимости, которое можно кратко назвать электромобиль, то есть автомобиль, приводимый в движение электродвигателем.

Выше мы достаточно подробно рассмотрели причины, препятствующие широкому распространению электромобиля. Преимущества этого привода очевидны (бесшумность, простота управления, отсутствие выхлопных газов и многое другое), а пока мы имеем аккумуляторные батареи, которые обеспечивают от одной зарядки пробег легкового автомобиля на 160…200 км и только. И это притом, что этот легковой автомобиль постоянно должна везти с собой около 300 кг аккумуляторных батарей. Несмотря на эти более чем скромные показатели, на отсутствие инфраструктуры замены и зарядки аккумуляторных батарей, их утилизацию - на создание электромобилей различные фирмы вкладывают ежегодно миллионные суммы.

Ограниченные возможности электрического привода и гибрида не позволяет применить эти приводы к некоторым легковым автомобилям, не говоря уж о грузовых. Между тем, стремление к удешевлению затрат на топливо и уменьшение вредных составляющих в выхлопных газах диктует поиск новых тенденций в развитии автомобилестроения. Таким относительно новым является направление увеличения числа ступеней в традиционной коробке скоростей (КП). Считается, что увеличение числа скоростей позволяет улучшить управляемость трансмиссией, то есть позволит назначать режимы работы ДВС наиболее выгодный с точки зрения экономии топлива и уменьшения вредных составляющих в выхлопных газах. Известно, что появились в эксплуатации КП легкового автомобиля с числом передач 6…8, а грузовых автомобилей КП с 12…16 ступенями. Управление такой КП становится задачей весьма сложной для водителя. Поэтому в таких многоступенчатых КП наряду с ручным управлением применяются системы электронного автоматического управления. Все это означает усложнение и удорожание автомобиля. Возникает вопрос: является ли эта тенденция в развитии автомобиля оправданной и нельзя ли предложить альтернативу этому пути развития конструкции автомобиля.

В поисках этой альтернативы мы исходили из того, что искомая альтернатива только тогда завоюет рынок, если она наряду с решением тех же проблем, предложит более простые конструкции, сообщающие этим конструкциям новые полезные свойства.

В этой связи следует отметить, что известны многочисленные устройства (механические, гидравлические и электрические) для бесступенчатого изменения передаточного числа в трансмиссии. Очевидно, что применение бесступенчатого регулирования решает обсуждаемую проблему наилучшим образом. Тем не менее, многолетний опыт попыток применить в автомобиле механические или другие бесступенчатые передачи (вариаторы) свидетельствуют о весьма скромных, единичных успехах в этой области. Что характерно, некоторые успехи применения вариаторов не получают развития, автомобилестроение выбирает путь увеличения числа ступеней в традиционной КП.

Из большого числа схем и конструкций механических вариаторов наименее изученными (особенно применительно к трансмиссии автомобиля) оказались импульсные вариаторы (ИВ). Одна из причин этого является то, что в них применяются обгонные муфты (аналог храпового механизма, их еще называют муфты свободного хода или автолог). В настоящее время в результате работы большого числа ученых в России проблема создания обгонной муфты для ИВ, работающего в условиях автомобильной трансмиссии, решена.

Интерес к ИВ определяется тем, что в них относительно просто получить широкий диапазон бесступенчатого регулирования: от выбранного максимума скорости выходного вала до нуля, то есть такого положения, когда ведущий вал вращается, а ведомый - неподвижен. Такая кинематика применительно к автомобилю позволяет придавать ему новые свойства: обойтись без муфты сцепления и осуществлять управление трансмиссией без размыкания кинематической цепи привода. Другие особенности и преимущества возможного применения ИВ в трансмиссии автомобиля рассмотрены нами далее.

В этой статье описана одна схема ИВ, а в настоящее время появились и другие их схемы, представляющие интерес, кроме того появилось устройство для придания трансмиссии с ИВ автоматизма.

Принцип работы ИВ заключается в том, что в нем имеется качающееся звенья, движение которых далее с помощью обгонных муфт преобразуется во вращение выходного вала вариатора. В случае использования ИВ с приводом от электродвигателя или с приводом от обычного ДВС на входе в ИВ мы имеем вращение вала, которое (в соответствии с принципом действия ИВ) преобразуют в качание некоторых промежуточных звеньев, о чем сказано выше. Однако ДВС обладает тем замечательным свойством, что в нем уже имеются качающиеся (возвратно - поступательно движущиеся) звенья - это поршни. Поэтому, если отказаться от вращения кривошипного вала, которое применено в обычном ДВС, а ограничиться только его качанием, то конструкция ИВ существенно упрощается: нет необходимости в превращении вращающегося вала в качание неких звеньев. В этом смысле ДВС органически предназначен работать с ИВ.

В ДВС была применена деаксиальная схема преобразования поступательного движения поршней в качательное движение колена выходного вала ДВС. В результате угол отклонения шатуна от вертикали стал существенно меньшим, чем в обычном ДВС. Результатом этого является уменьшение силы трения поршня о цилиндр. В рассмотренном в примере показано, что работа этих сил трения в пять раз меньше, чем в прототипе, в результате прогнозируется повышение механического КПД ДВС на 22%, только от этого уменьшается расход топлива на 16%, уменьшается тепловая напряженность деталей и увеличивается долговечность поршня и цилиндра..

На рис.2 представлена одна из возможных схем механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня в колебательное движение коромысло R1 относительно точки О1. Поршень в этой схеме движется по вертикали. Точка О лежит на линии движения поршня

Рис. 2

Расстояние ОО1 называется деаксиалом. Ход поршня равен 2R, размер коромысла R1 = 1,41R. В этой схеме коромысло О1 колеблется в пределах б = ± 45°. Именно в расчете этой схемы нами получены выше приведенные цифры уменьшения работы силы трения в паре поршень - цилиндр.

Приводим схемы эскизно-технического проекта трансмиссии автомобиля с ИВ применительно к четырехтактному четырех цилиндровому бензиновому двигателю с параметрам двигателя Заволжского моторного завода (Нижегородская обл.) ЗМЗ-4062.10 (принят за прототип). Эти схемы разработаны в двух вариантах:

-вариант 1. Рядное расположение цилиндров (Рис 3);

Рис. 3. 1, 3, 5 я 14- зубчатые колеса; 2 - распределительный вал двигателя; 4 - кривошип двигателя; 6 и 10 - валы вариатора; 7 - выходной вал вариатора; 8 - маховик; 9 - коромысло маховика; 11 и 12 - обгонные муфты; 13 - коромысло шатуна; 15 - шатун двигателя, В- вариатор ИВА-2

Двух рядное расположение цилиндров (Рис. 4).

Рис.4. Поперечный разрез. Компоновка с импульсным вариатором ИВА-1

Рассмотрим устройство и работу силового агрегата с импульсным вариатором по рис. 3. Пусть цилиндры двигателя Р1, Р2, РЗ, Р4 пронумерованы в соответствии с порядком их работы. При этом будем считать, что валы 6 и 10 вариатора приводятся в качательное движение от штатных шатунов 15 и коромысел 13 ДВС. Но для привода маховика (в конструкцию двигателя введен кривошипно-коромысловый механизм, коромысло 9 которого приводится от вала 10. Передаточное отношение данного механизма выбрано таким, чтобы при качании коромысла 9 из одного крайнего положения в другое кривошип 4 поворачивался на 180°.

Из рис. 3 видно, что вариатор В (здесь применен вариатор ИВА-2) встроен в конструкцию двигателя и составляет с ним единое целое. Управление клапанами газораспределения осуществляется от распределительного вала 2, который приводится во вращение либо от вала 10, либо от вала 6. На последних размещены обгонные муфты 11 и 12, которые, в зависимости от направления их вращения, приводят зубчатые колеса 1, 3, 5 и 14, связанные с валом 6, либо - с валом 10.

Работа двигателя сводится к следующему.

Допустим, что рабочий такт совершается в цилиндре Р1. Тогда в цилиндре Р2 будет такт сжатия, в цилиндре РЗ - такт всасывания, в цилиндре Р4 - такт выхлопа. Для того чтобы совершались эти такты, валы 6 и 10 должны вращаться в разные стороны и амплитуды их качания должны быть равны. Оба эти условия соблюдаются, поскольку в вариаторе предусмотрен механизм конического реверса.

В тот момент времени, когда заканчивается рабочий такт в цилиндре Р1, заканчивается такт сжатия в цилиндре Р2 и в нем начинается рабочий такт. Это значит, что вал 6 начнет вращаться по часовой стрелке, а вал 10 - против часовой стрелки, и в цилиндрах Р1 и РЗ будут происходить соответственно такты выхлопа и сжатия, а в цилиндре Р4 - такт всасывания. Далее рабочий такт совершается последовательно в цилиндрах РЗ и Р4. То есть все такты совершаются в соответствии с принципом работы четырехтактного четырехцилиндрового двигателя.

Нормальная работа ДВС возможна только при наличии маховика. В рассматриваемой схеме он есть: это маховик 8, который приводится во вращение от качающихся вала 10 и коромысла 9. То есть в тех случаях, когда двигателю требуется подпитка энергией маховика, она автоматически поступает через привод маховика 8, коромысла 9 и вала 10.

Рассмотрим теперь устройство и работу двигателя по Рис.4, при этом не будем рассматривать вариатор ИВА-1. Цилиндры ДВС расположены по обе стороны от линии О1О1 на расстоянии от нее, равное R. По одну сторону от линии О1О1 расположены нечетные цилиндры (Р1 и Р3), а по другую сторону - четные (Р2 и Р4). Работа ДВС происходит аналогично описанной применительно к Рис.3: пусть рабочий такт совершается в цилиндре Р1, под действием сил в этом цилиндре ось 5 повернется по часовой стрелке относительно оси О1О1. Это значит, что в цилиндре Р2 может совершаться такт сжатия, в Р3 - выхлопа, в Р4 - всасывания, Далее рабочий такт совершается в цилиндре Р2 и ось 6 поворачивается относительно оси О1О1 против часовой стрелки. Далее происходит рабочий такт в цилиндре Р3 и поворот оси 5 по часовой стрелке. Таким образом происходит колебательное движение вала 1 и привод ИВА.

В проекте рассмотрены вопросы уравновешивания ДВС по рис.3 и 4. В связи с этим предложен механизм уравновешивания моментов тангенциальных сил.

Ограничимся рассмотрением только импульсного вариатора ИВА-2. (Рис. 3 и 5). Отметим, во-первых, что он встроен в двигатель и составляет с ним неразделимое целое. Как видно из рисунка, он имеет два (8 и 15) входных вала, расположенные на одной геометрической оси О О. Каждый из них несет кривошип В и коническое зубчатое колесо (вал 8 - колесо 12, вал 15 - колесо 14). Данные колеса находятся в зацеплении с коническим же колесом 16, ось которого находится в блоке цилиндров двигателя. Таким образом, колеса 12, 14 и 16 образуют механизм реверса, который связывает между собой валы 8 и 15. Это означает: если вал 8 вращается, скажем, по часовой стрелке, то вал 15- против часовой стрелки. Каждый из кривошипов В валов соединен со своим коромыслом (вал 8 - с коромыслом 9, вал 15 - с коромыслом 11), закрепленных в опорах 13, которые расположены на одной геометрической оси О1О₁ в ползуне 10. Данный ползун с помощью регулирующего механизма (на рисунке не показан) может перемещаться в вертикальном направлении. В итоге опоры 13 обеспечивают свободу коромыслам 9 и 11 (первое из которых в точке А₁ соединено с шатуном 6, а второе в точке А₂ - с шатуном 7) в колебательном и поступательном движениях.

Рис.5 Схема импульсного вариатора: 1 - выходной вал; 2 и 4 - колеса с храповиками; 3, 5, 9 и 11 - коромысла; 6 и 7 - шатуны; 8 к 15 - входные валы; 10 - ползун; 12, 14 к 16- конические колеса механизма реверса; 13 - опора

Второй конец шатуна 6 соединен с коромыслом 3, а шатуна 7 - с коромыслом 5, которые свободно посажены на выходной вал 1 вариатора и несут храповики, взаимодействующие с храповыми колесами 2 или 4.

Коромысло 3 вместе с установленным на нем храповиком и храповым колесом 2 (так же, как коромысло 11 с сидящем на нем храповиком и храповым колесом 4) образуют зубчатый обгонный механизм, предназначенный для передачи вращения от шатуна к валу 1 только в одном направлении (по рис. 5 - по часовой стрелке).

Для простоты объяснения на рис. 5 показан весьма примитивный вариант обгонного механизма. Реально созданные механизмы, которые удовлетворяют высоким требованиям по несущей способности и долговечности, предъявляемым к ним при работе в современных двигателях внутреннего сгорания, разумеется, гораздо сложнее.

Импульсный вариатор работает следующим образом.

Валы 8 и 15 совершают колебательные движения. Пусть, например, в данный момент времени роль рабочего (ведущего) играет вал 15. Тогда его поворот по часовой стрелке приведет к вращению колеса 4 (и, значит, вала 1) также по часовой стрелке, а при его повороте против часовой стрелки обгонный механизм не передаст движение на вал 1.

Далее. Поскольку валы 8 к 15 связаны между собой коническим механизмом реверса, то вращение вала 15 по часовой стрелке заставит вал 8 вращаться против часовой стрелки, потому его вращение не будет передаваться на вал 1. И наоборот, вращение вала 15 против часовой стрелки приведет вал 8 во вращение по часовой стрелке, которое приведет во вращение ват 1.

Таким образом, качание вала 15 в обе стороны дает один и тот же результат - вращение вала 1 в одном направлении.

Режим работы вариатора задается (регулируется) перемещением ползуна 10, т. е. синхронным изменением отношения плеч коромысел 9 и 11. В итоге, при постоянной амплитуде качания кривошипа В амплитуда качания точек А₁ и А₂ изменяется в нужном направлении. Тем самым меняется амплитуда качания коромысел, а значит, угол поворота вала 1 за одно качание этих коромысел. В частности, опыт показал: положение ползуна можно менять так, что точки А₁ и А₂ оказываются неподвижными. Это означает, что, например, при неизменной амплитуде качания вала 15 вал 1 останется неподвижным. В целом же диапазон регулирования вариатора может быть реализован в пределах от передаточного числа, равного единице, до передаточного числа, равного бесконечности. Другими словами, частота вращения вала 1 вариатора можно менять от равной частоте вращения выходного вала ДВС до нуля. Такой диапазон регулирования позволяет в трансмиссии обойтись без коробки передач и без муфты сцепления.

Кроме тех преимуществ, о которых сказано выше, в этом проекте показано, что габариты силового агрегата (ДВС+ИВ), в котором муфта сцепления и КП отсутствуют, оказываются существенно меньше силового агрегата с прототипом, то есть двигателя ЗМЗ 4062.10 + муфта сцепления + пятискоростная КП. Важным нам представляется также тот факт, что новые уникальные свойства трансмиссии автомобиля с ИВ, предлагается получить при использовании только хорошо известных и всесторонне исследованных механизмов и деталей машин.

Опубликованные статьи о трансмиссии с ИВ, приведенные в них в них результаты обозначили новое перспективное направление в автомобилестроении, способное, по мысли его авторов, конкурировать в решении глобальных проблем, связанных с автомобилем. Однако это новое направление только обозначено. Чтобы оно развилось и завоевало рынок, необходимо создание опытных образцов и натурные их испытаний. Без деятельного участия инвесторов и автомобильных инженеров это вряд ли возможно осуществить.

8. Выводы

Глобальные проблемы, связанные с автомобилем, предлагается решать следующими способами:

- перевод ДВС автомобиля на питание горючим газом;

- развернуть работы по биологическому, с применением генной инженерии, усилении поглощения углекислого газа атмосферы;

- развить маховичный привод для автомобилей, работающих в городе;

- развить автоматическую трансмиссию с импульсным вариатором.

9 Литература

1. Кропп А.Е. Устройство для экономии топлива при движении автомобиля в городском цикле. Журнал " Автомобильная промышленность" 2012 год. В печати

2. Кропп А.Е. Новые обгонные муфты и области их применения. "Вестник машиностроения", № 6, 2005

3. Кропп А.Е. Автотракторная бесступенчатая трансмиссия". Автомобильная промышленность,№6, 2007.

4. Кропп А.Е. Трансмиссия грузового автомобиля с импульсным вариатором. Доклад на научно-практическом семинаре Автомобильного института Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. 08.06.2010 год

5. Кропп А.Е. Система автоматического регулирования автомобильной трансмиссии. Журнал "Автомобильная промышленность". 2011г, в печати.

6. Кропп А.Е. Схемы авто- тракторной трансмиссии с импульсным вариатором. Журнал "Автомобильная промышленность" 2012год, в печати

7. Кропп А.Е. Трансмиссия автомобиля с импульсным вариатором. "Журнал Ассоциации автомобильных инженеров., № 6 2011 год.

8. Кропп А.Е. Газ - альтернатива бензину и электромобилю. Статья в EXRUS-90.

Размещено на Allbest.ru