Бесступенчатые трансмиссии, или коробки передач, позволяющие плавно изменять передаточное отношение привода, в автомобильном мире получили широкое применение относительно недавно. Конструктивно вариатор был изобретен еще давно, однако только в 21 веке изобретатели ведущих компанией смогли довести его если не до совершенства, то как минимум до состояния, пригодного для установки на транспортное средство. Комплектация автотранспорта вариаторной коробкой несет несколько положительных эффектов: легкость управления машиной на уровне авто с автоматической гидродинамической коробкой переключения передач, лучшие показатели динамичности и экономичности топлива.
Однако есть у коробки и несколько серьёзных недостатков, от которых инженеры до сих пытаются избавить вариатор: в первую очередь это узкий диапазон передаточных отношений и невысокий уровень КПД. Сегодня ученые мира пытаются найти некий баланс и разумный компромисс, когда советский и российский ученый Нурбей Гулиа в отличие от западных коллег пошел другим путем. В этой статье расскажем, что такое супервариатор и в чем особенность узла.
Нурбей Владимирович Гулиа родился 6 октября 1939 года в городе Тбилиси, где сперва закончил школу, а после и Политехнический институт. Первое изобретение – автомат для изготовления папирос – представил еще в 1961 году, однако сам ученый некурящий. Но спустя несколько лет область интересов изобретателя меняется: трансмиссии, коробки передач и механизмы по сохранению и преобразованию энергии. Так первым появился супермаховик – механизм накопления механической энергии, выполненный в виде намотанных на барабан нескольких тысяч витков стальной ленты. Но одного особого маховика было недостаточно, ведь ученый преследовал цель изобрести настоящую «энергетическую капсулу».
«Суть «энергетической капсулы» состоит в накоплении огромных объемов энергии с целью дальнейшего её использования в качестве бензобака. Но главная задача – создать исключительно безвредную для человека и окружающей среды энергию. Тяжелый автомобильный аккумулятор содержит в себе столько энергии, сколько содержится в рюмке бензина. Поэтому в капсуле её должно быть столько, сколько, к примеру, в автомобильном бензобаке» – Н. Гулиа
Практически все изобретения ученого – это механизмы по накоплению и преобразованию энергии. И этому есть одно разумное объяснение: человечество даже в 21 веке неэффективно расходует ресурсы. Современный бензиновый двигатель отличается КПД на уровне 25-30%, когда у дизельного собрата этот показатель достигает разве что 40%. Большая часть энергии тратится бесцельно. Если рассматривать проблему в контексте автомобильного транспорта, то она рассеивается преимущественно в виде тепла. Принцип функционирования энергетической капсулы довольно прост – супермаховик служит для накопления запасов энергии, а супервариатор способствует её эффективной передаче. Если совместить и реализовать подобный тандем на автомобиле, то получится удивительное транспортное средство.
Пожалуй, в мире больше нет такого ученого, посвятившего вариаторам десятки лет жизни. Но стоит отдать должное, годы исследований и изобретений не были потрачены впустую. Нурбей Гулиа все-таки смог разработать узел, работающий в максимальном диапазоне и с предельной отдачей. Но главная проблема заключалась в сложности конструкции. Она настолько была ухищренной, что специалисты мира и инженеры конструкторского бюро просто не понимали принцип работы узла. При поддержке инвесторов из Германии, вместе с коллегой по цеху Гулиа принялся максимально упростить конструкцию CVT, но при этом не навредить его эффективности. Даже сам изобретатель не верил, что, в конечном счете, коробка после модернизации будет работать, однако последующие лабораторные исследования развеяли все сомнения: КПД на основных режимах в районе 0.98 и диапазон 15-20 вместо 4-6.
В основе супервариатора лежит планетарный и дифференциальный механизм. Несколько лет ушло только на то, чтобы осознать – планетарная схема лучшим образом подходит для вариатора. Объяснение здесь одно: при передаточном отношении один КПД планетарного механизма стремится к 100%. Гулиа отдал предпочтение дисковому вариатору, способному передавать большие мощности. Его принцип работы заключается в том, что вращение на входной вал с жестко закрепленными дисками поступает от двигателя, после чего начинается вращение конических сателлитов. Внешние диски остаются неподвижными, при этом всем сателлиты вращают не только выходной вал, но еще совершают вращательные движения вокруг своей оси. Благодаря радиальному перемещению сателлитов происходит изменение передаточного отношения в механизме.
Особенность дифференциала заключается в отсутствии ему характерных конических зубчаток, вместо которых установлены цилиндрические зубчатые колеса, которые на практике доказали свою большую эффективность и экономичность.
На изображении ниже приведена схема:
Из схемы видно:
Дисковый вариатор при диапазоне 10 способен выдавать 87-95% КПД, а за счет дифференциала этот показатель еще вырастет. Будь отношение равное 1, все валы вариатора вращались бы с одной скоростью, а коэффициент полезного действия при этом достиг бы отметки 100%. Так как отношение между крутящими моментами валов превышает единицу, его ведомый вал вращается медленнее ведущего, а на ведомый вал супервариатора Гулиа будет вращаться быстрее ведомого вала дискового вариатора и медленнее ведущего вала.
В сравнении с дисковым узлом диапазон устройства уменьшается, но коэффициент полезного действия увеличивается. Чтобы из обычного дискового CVT сделать супервариатор, ученый сделал две особенные вещи: конструкция разработана так, что позволяет из понижающего режима работы сделать повышающий, а для увеличения КПД можно сузить диапазон. Сперва диапазон составит 10, а после вместе с дифференциалом порядка 20 с впечатляющим показателем КПД. Уже сейчас идет работа по внедрению подобной схемы в автомобильную трансмиссию. Если разработка российского ученого заинтересует передовые компании по производству бесступенчатых трансмиссий – ZF, Jatco, Aisin, – то в скором времени автовладельцы мира смогут наблюдать супервариатор Гулиа в действии.
Более подробно принцип работы супервариатора представлен на видео:
Будущее бесступенчатых передач для транспорта:
На самом деле конструкция супервариатора носит гораздо более сложный характер. С особенностями его устройства и принципа работы можно ознакомиться в авторской книге Н.Гулиа, выпущенной в 2006 году — «В поисках «энергетической капсулы».
Профессор Гулиа Нурбей Владимирович
Пробные стендовые испытания полноразмерного макета супервариатора для легковых коммерческих автомобилей
Книга Н.В. Гулиа В поисках «энергетической капсулы»
