Тайны вариаторов

Я снова сел за книги. Изобретать нечто совершенно новое и фантастическое можно тогда, когда никто ничего в этой области не делал. В области же вариаторостроения уже давно велись активные и плодотворные работы. Мне нужно было только выбрать наилучшую модель, взять ее за основу и усовершенствовать до получения требуемых результатов. Поэтому, сев за книги, я прежде всего хотел понять: какая модель вариатора самая перспективная применительно к той задаче, которую я поставил перед собой. К этому времени у меня уже был кое-какой технический опыт, я относился к своему выбору достаточно критично.

Говоря о вариаторах, трудно удержаться и не рассказать об их истории, устройстве и принципе действия. Ведь они так необычны и сказочно интересны!

Лобовой вариатор, который использовался в первых моделях легковых автомобилей

Принцип действия вариатора легче всего пояснить на примере самой первой, самой простой, но отнюдь не самой лучшей модели. Называется она «лобовым» вариатором, потому что здесь два катка-диска прижаты друг к другу как бы «лбами». Если большой диск вращается от мотора или маховика с постоянной скоростью, то скорость малого диска зависит от его положения на оси. В крайнем положении эта скорость максимальна; с приближением к центру большого диска она падает, и в самом центре большого диска малый вообще останавливается; с переходом малого диска по другую сторону от центра большого, он начинает вращаться уже в обратном направлении, причем тем быстрее, чем дальше он отходит от центра.

Казалось бы, идеальная передача для привода колес автомобиля – что от двигателя, что от маховика. Да этот вариатор и применялся как раз на автомобилях первых выпусков. При этом большой диск связывался с двигателем, а малый – с колесами автомобиля, разумеется, через понижающий редуктор. Диапазон регулирования такого вариатора теоретически бесконечен: колеса автомобиля от неподвижного положения (малый диск в центре большого) способны вращаться до максимальной скорости как вперед, так и назад (малый диск на одном или другом краю большого).

Но одним диапазоном, как говорится, сыт не будешь; остальное – сплошные недостатки. Вот самые основные из них:

– вся мощность передается только одним контактом большого и малого дисков, но одним контактом большой мощности не передашь, поэтому для наших 100 кВт понадобится не вариатор, а монстр, свыше тонны массой;

– диски надо сильно прижимать друг к другу, чтобы передать трением хоть какое-то усилие, при этом все подшипники дисков нагружены большими силами; нажим дисков не регулируется – он рассчитан на максимальную мощность, и зона контакта сильно изнашивается; если же диски смазывать, коэффициент трения падает, и прижим надо еще многократно увеличивать.

Все! Такой вариатор мне и даром не нужен! Еще бы, ведь его разработка относится к допотопным временам – ему не менее 100 лет!

Ремённые вариаторы, которые достаточно широко применяются в автомобилях, мне тоже не подошли. Уж очень мал диапазон регулирования – раза в четыре меньше, чем требуется, КПД их тоже не блестящий. И «обсосаны» они конструктивно настолько, что ничего нового тут уже не придумаешь. Да и идея – тоже устарелая, довоенная по крайней мере.

Попадались мне и такие «заумные» устройства вариаторов, разобраться в которых, пожалуй, и сам автор во второй раз не смог бы! Нет, правильно сказал украинский философ Григорий Сковорода: «Слава Создателю, сделавшему все ненужное трудным, а трудное – ненужным!» Школьникам и студентам это изречение по душе, да и мне в данном случае оно понравилось: мудрить можно, но до определенного предела! Не философией же занимаемся, а реальными «железками»…

И тут в хранилищах Патентной библиотеки мне на глаза попался патент на вариатор одной австралийской фирмы, занимавшейся изысканиями в области «умных» механизмов. Я аж оторопел от удачи – тут же уловил замысел изобретателей, и во мне взыграл охотничий азарт. Патент-то был середины 70-х годов, и срок его действия подходил к концу. Стало быть, использовать его можно бесплатно.

Я навел справки и узнал, что такой вариатор до сих пор с успехом выпускает солидная германская фирма «Ленце» и продает его в десятки стран мира. Не вариатор, а конфетка!

«Попались, – думаю, – голубчики! Вот мне и прототип для работы – я из этого вариатора сделаю то, что мне нужно, но патент уже будет моим!»

Вариатор завода «Ленце» (Германия) в исполнении мотор-вариатора

Вариатор фирмы «Ленце» стоит того, чтобы о нем рассказать. В нем устранены почти все недостатки лобового вариатора. Прежде всего, он выполнен по так называемой планетарной схеме. Между внутренними центральными дисками, выполненными с торообразными, как у бублика, рабочими поверхностями, зажаты шесть конических дисков-сателлитов, подвижно закрепленных осями на водиле. Эти же сателлиты зажаты и между внешними центральными дисками, имеющими такую же торовую рабочую поверхность. Таким образом, сателлиты контактируют одновременно и с внешними, и с внутренними центральными дисками, причем с каждым в 12-ти точках. Итого – 24 точки контактов, это вам не одна точка, как в лобовом вариаторе! Следовательно, во столько же раз возрастает мощность вариаторов. Из-за малого угла конусности сателлитов зажим их между внешними и внутренними дисками силой в несколько тонн не дает ощутимой нагрузки на центральные подшипники – это огромное преимущество!

Баеровский контакт конических дисков с внутренними (а) и с внешними(б) фрикционными дисками (r 1 и r 2 – радиусы контактов)

Контакт сателлитов с дисками – так называемый баеровский, по имени изобретателя – хитроумного немецкого инженера Баера, позволяет развивать огромные нажимные усилия в зонах контакта. Вся рабочая часть вариатора плоская, как блин или диск, поэтому и называется вариатор дисковым.

Планетарная схема дискового вариатора

Зачем же было выполнять дисковый вариатор по такой, с первого взгляда сложной, планетарной схеме? Кто знаком с планетарными передачами, тот понимает, почему они чрезвычайно прочные – там усилие и моменты воспринимают все сателлиты – в данном случае их шесть. Таким образом, передача по планетарной схеме почти в шесть раз прочнее, чем тех же размеров обычная, непланетарная. Но и это не все. Планетарная схема позволяет резко повысить КПД механизма. Вот как это происходит.

Энергия в механических передачах «теряется» при обкате, провороте одной детали о другую. При этом чуть-чуть сминается металл, сдавливается смазка, нагружаются подшипники. А если эти детали, в данном случае диски вариатора, сделать неподвижными относительно друг друга, тогда и потерь не будет, и КПД – 100 %! Но можно ли этого добиться при работе передач? В обычных передачах – нет, а в планетарных, при передаточном отношении, равном единице, весь механизм крутится как один кусок железа, и КПД – 100 %. Если передаточное отношение близко к единице, то КПД достигает почти 100 %. И только на больших передаточных отношениях, допустим, равных 10—12, планетарная передача приближается по КПД, заметьте, только приближается, к непланетарной. Но ведь все водители знают, что движение автомобиля по шоссе как раз и происходит при передаточном отношении коробки передач, равном единице или близком к ней значении! Высочайший КПД – вот еще одно преимущество планетарной схемы.

И наконец – смазка вариатора. Казалось бы, из-за смазки падает коэффициент трения, и она только вредит фрикционным вариаторам, передающим усилие трением. Но весь фокус в том, что при быстром, кратковременном и сильном сдавливании смазка, особенно специальная, «стекленеет» и начинает передавать большие усилия. Коэффициент трения как бы повышается, вместо того чтобы падать! Это чудо называется эффектом Баруса. К тому же такая «остекленевшая» смазка не позволяет дискам касаться друг друга и изнашиваться. Долговечность таких дисковых вариаторов огромна.

Я так расхвалил вариатор «Ленце», что, казалось бы, – чего их еще совершенствовать: признавай заслуги немцев и нечего модернизировать явно хорошую вещь.

«За модернизацию – расстрел!» – так во время войны пошутил однажды Сталин в разговоре с конструкторами, получившими секретные чертежи новейшего немецкого самолета и тут же надумавшими его модернизировать.

Но замечательный вариатор «Ленце» не годится для привода автомобиля, да еще от маховика. Иначе умелые немцы давно бы приспособили его для этих целей!