Юный техник, 2009 № 09 - [17]
Так, например, если нужно скорость увеличить в два раза, то мощность должна возрасти вчетверо. Но предельная мощность самого двигателя зависит лишь от количества вспышек топлива в цилиндрах. И если двигатель постоянно соединен с колесами, то при удвоении скорости вращения его вала мощность увеличится только вдвое. Роста скорости движения не получится. Поэтому автомобильный мотор соединяют с колесами через коробку передач (КП), которая позволяет увеличивать число оборотов колес. Иными словами, благодаря КП двигатель работает так, как может, а автомобиль движется так, как нужно нам.
Чаще всего КП делают четырехскоростными. Но вообще-то, чем больше в ней скоростей, тем лучше. Тогда двигатель всегда работает в самом экономичном режиме, расход топлива минимален.
И вот сравнительно недавно специалисты решили вспомнить о простом устройстве, равноценном коробке передач, но не с 4 и даже не с 24, а с числом скоростей бесконечно большим! Это механизмы под общим названием вариаторы, или бесступенчатые передачи.
Если входной вал вариатора вращать с постоянной скоростью, то скорость вращения выходного вала можно изменять в широких пределах непрерывно и плавно.
Его простейший вариант состоит из двух дисков, насаженных на взаимно перпендикулярные валы и прижатых друг к другу. Малый диск может перемещаться вдоль горизонтального вала. Благодаря наличию паза и шпонки, он всегда находится с ним в зацеплении и вместе с ним вращается. Соединим мысленно горизонтальный вал с двигателем, а малый диск начнем двигать вдоль вала. Между дисками действует трение, поэтому малый диск вращает большой. По мере его продвижения к центру большого диска, скорость того начинает расти.
Когда малый диск встанет строго по центру большого, передача мощности прекратится. А как только он продвинется дальше, большой диск начнет вращаться вновь, но уже в противоположном направлении. Таким образом мы получили устройство, состоящее в сущности из двух деталей и способное не только уменьшать или увеличивать скорость автомобиля, но и давать задний ход, а также выполнять функцию сцепления.
Такой фрикционный вариатор применялся в автомобилях 10 — 20-х годов прошлого века. Он состоял из чугунного диска, к которому прижимался небольшой ролик, обтянутый кожей. Водитель передвигал его рычагом, устанавливая нужную скорость движения. Вскоре появился автоматический вариатор. Малый (ведущий) диск насадили на вал двигателя свободно, а для того, чтобы он не проскальзывал, соединили его с валом спиральной пружиной. Ведомый же диск соединили с колесами автомобиля.
Когда сопротивление дороги возрастало и скорость автомобиля уменьшалась, ведомый диск тормозился, а пружина, соединявшая ведущий диск с валом, закручивалась, становилась короче и сдвигала его к краю. В результате крутящий момент на колесе увеличивался, а скорость автомобиля росла. Автоматический вариатор снижал расход топлива и обеспечивал максимально возможную скорость езды.
Однако на малый диск действовало большое давление, и он быстро изнашивался.
Простейший фрикционный вариатор. Ведомый диск перемещается при помощи внешнего управляющего механизма.
Автоматический вариатор. При возрастании крутящего момента на валу ведомого диска пружина раскручивается и перемещает ведущий диск.
Дисковый вариатор заменили клиноременным — из двух шкивов (ведомого и ведущего), связанных клиновым ремнем. Ведущий шкив состоит из двух частей.
Одна из них соединена с валом жестко, а другая сидит на нем свободно и связана с ним пружиной. Когда сопротивление вращению возрастает, пружина закручивается и раздвигает половинки ведущего шкива. Ремень опускается вглубь и начинает вращаться на меньшем диаметре. За счет этого увеличивается крутящий момент, и скорость вращения возрастает.
Такие автоматические клиноременные вариаторы прекрасно вписываются в колесо скутера, мотоцикла, небольшого трактора. Но для автомобиля, где мощность достигает десятков и сотен киловатт, они недостаточно надежны (пробег около 20 тыс. км) и, главное, неэкономичны: потери на трение у них раз в пять больше.
Поэтому от клиноременных вариаторов отказались еще 70 лет назад. Однако изобретатели продолжали над ними думать. Самый главный их недостаток — потери на трение, — как показывает теория, сильно уменьшить нельзя. Каждый, даже самый малый, участок клинового ремня в процессе работы немного поворачивается, проскальзывает относительно шкива. На это расходуется мощность. Она не может быть меньше 10 % от передаваемой, а из-за несовершенства материалов и формы ремня дополнительно возрастает еще в 2–3 раза. Казалось бы, путь тупиковый. Но…
Голландские инженеры, братья Хубер и Вим ван Дорны, понимая, что причина проскальзывания кроется в натяжении и изгибе ремня, предложили вариатор, в котором заменили тянущий ремень толкающим. В нем проскальзывания нет, а значит, и нет связанных с ним потерь.
Ремень, изобретенный братьями Ван Дорн, состоит из гибкой ленты, на которую нанизаны фигурные стальные пластины. От ведущего шкива до ведомого пластины движутся плотной сплошной стопой. Затем, дойдя до ведомого шкива, пластины рассыпаются по ленте и свободно возвращаются назад.
