Вариаторы

Вариатор это устройство, способное передавать крутящий момент плавно изменяя передаточное отношение. Изменение передаточного отношения происходит в определенном диапазоне и может происходить автоматически (в соответствии с настроенной программой) или вручную.

Большинству современных машин, участвующих в технологических и производственных процессах, необходимо иметь регулирование скоростей рабочих органов, которые определяются условиями технологического процесса. Здесь на помощь приходят передачи, называемые вариаторами, которые позволяют бесступенчато в определенных диапазонах изменять передаточное число привода. В вариаторах в качестве механизма главного движения используются передачи разных видов: фрикционные, ременные, цепные, планетарные, реализуемые в виде отдельных механизмов, основу которых образует непосредственный контакт шкивов (ведущего и ведомого) или промежуточный элемент (например, ремень).

Использование вариаторов позволяет регулировать в процессе работы установленный оптимальный скоростной режим. Вариаторы используются для бесступенчатого изменения передаточного отношения в: мотороллерах, автомобилях, снегоходах, квадроциклах, конвейерах, мешалках, металлорежущих станках и других устройствах. Диапазон регулирования обычно составляет 3–6, иногда 10–12 (отношение максимального передаточного числа к минимальному числу).

Принцип действия вариатора еще в 1490 году был придуман Леонардо да Винчи, однако первый патент на вариатор был получен только в конце XIX века. Вариаторы не могли найти широкого распространения в течение нескольких десятилетий, использовались сравнительно редко и преимущественно на автомобилях и мотоустройствах, имеющих небольшие мощности двигателя, или в механизмах, в которых не было альтернативы вариаторам. Сегодня благодаря новым технологиям и материалам вариаторы приобрели второе рождение, которое позволило им достичь необходимого уровня надежности и снять те ограничения, которые прежде невозможно было обойти.

Вариатор, благодаря тихой и ровной работе, представляет собой совершенно новый механизм, который оптимизирует режим работы и увеличивает срок службы компонентов оборудования.

Простота регулирования скорости вращения – основное преимущество вариаторов. Механические вариаторы незаменимы в тех конструкциях, в которых невозможно использовать частотные преобразователи.

При существовании такого многообразия вариантов и видов вариаторов в основе их конструктивных исполнений лежит одинаковое для разных диаметров свойство тела вращения. Точки на поверхности этого тела, удаленные от оси вращения на разное расстояние, проходят за полный оборот различное расстояние, а также имеют разную линейную скорость. Таким образом, вариатор предоставляет собой уникальную возможность преобразования линейной скорости в крутящий момент.

По своему устройству вариаторы подразделяются на несколько видов. Фрикционный тип включает в себя:

• лобовые;
• конусные;
• шаровые;
• многодисковые;
• тороидальные;
• волновые;
• дискошариковые;
• клиноременные.

А вот вариаторы зацепления подразделяются на:

• вариаторы цепного типа
• высокомоментные вариаторы.

К достоинствам фрикционных вариаторов относятся простота их конструктивных исполнений, бесшумная и плавная работа, безаварийный режим при случайных перегрузках.

К недостаткам относятся довольно большие радиальные нагрузки на опорные узлы валов, превышающие порой передаваемое окружное усилие до 35 раз, что может повлечь за собой интенсивный износ рабочих узлов фрикционных вариаторов и разрушение катков. Кроме того при изменении нагрузки фрикционные вариаторы не сохраняют постоянства передаточного числа, а их КПД невысок.

В машиностроении в силовых приводах обычно используют фрикционные вариаторы, которые имеют максимальную среди вариаторов мощность равную сотням киловатт.

Вариаторы классифицируются на одноступенчатые и двухступенчатые. Главное кинематическое значение для любого вариатора это его диапазон регулирования (Д), который определяется отношением максимального к минимальному передаточному отношению:

Д = u_max / u_min

Диапазон регулирования для одноступенчатых вариаторов обычно в диапазоне от 3…6. При увеличении диапазона регулирования КПД вариатора снижается.

На многих агрегатах и узлах большим спросом пользуются вариаторы с различным конструктивным исполнением, однако в автомобилестроении прижились пока лишь два типа вариаторов: клиноременные и тороидальный.

В вариаторах этого типа используется клиновидные ремни, которые зажимаются между дисками шкивов. Диски шкивов имеют коническую поверхность, соответствующую форме ремня – один диск подвижный, второй нет. Изменение передаточного отношения достигается за счет изменения диаметра приводного и ведомого шкивов путем смещения подвижного диска шкива относительно неподвижного (см. рис). Максимальная скорость выходного вала будет при максимально диаметре (диски шкива максимально сжаты) ведущего колеса и минимальном (диски шкива максимально далеко друг от друга) диаметре ведомого. Минимальная скорость выходного вала будет при минимальном диаметре ведущего шкива и максимальном ведомого.

Для данного типа вариаторов используются как стандартные, так и широкие клиновые ремни повышенной прочности из специальных материалов. Возможно исполнение с несколькими ремнями на одном шкиве. Это повышает передаваемую мощность передачи, однако усложняет конструкцию.

Клиноременные вариаторы простые и надежные в эксплуатации. Передаточное отношение при использовании простых ремней не более 2-3, передаваемая мощность не превышает 50 кВт.

В современных моделях вариаторов стали применять металлический ремень, изготавливаемый из нескольких слоев особых сортов стали. Конструкция ремня представляет собой несколько полос стали, соединенных между собой деталями в виде бабочки, что обеспечивает низкий уровень шума и долговечность. Вариаторы, в которых вместо ремня применяется металлическая цепь, называются клиноцепными. Применяемая цепь также обеспечивает более высокую степень гибкости, уменьшает потери передачи крутящего момента и повышает КПД. На сегодняшний день клиноцепные вариаторы являются самой совершенной моделью вариаторов.

Регулировка скорости происходит аналогично конструкции клиноременного вариатора: с помощью рычагов раздвижные диски расходятся, тем самым уменьшая диаметр шкива, и также сходятся – увеличивая диаметр шкива.

Состоит из двух конусов, соединенных между собой ремнем. Конусы расположены таким образом, что их оси параллельны, а они «разнонаправлены», то есть меньший диаметр одного расположен с той же стороны что и больший диаметр другого.

Скорость ведомого вала регулируется перемещением ремня по конусам (см. рис). На рисунке показана передача, при которой ведомый вал имеет максимальную скорость. Для уменьшения скорости вращения ведомого вала необходимо смещать ремень влево (на меньший диаметр ведущего вала).

Тороидальный вариатор представляет собой набор из дисков и соосных роликов. Момент передается от одного диска к другому, а изменение передаточного числа связано с изменением положения роликов, а также градусов, под которыми происходит обкатка дисков. Все усилия сосредотачиваются в зоне контакта, ролики поворачивают устройства, преодолевающие усилие их прижатия к диску. Передаточное число в таких вариаторах меняется благодаря выбранному положению и самих роликом, и их радиусов. При контакте ролика с маленьким радиусом главного вала и с большим радиусом вспомогательного вала и происходит переход на низкую передачу. В обратном порядке осуществляется переход на более высокую передачу, а переключение на прямую передачу осуществляется при соприкосновении ролика с валами в одном радиусе. Минусом данного вида вариаторов считается довольно сложное конструктивное исполнение, недостаток технологий и материалов, которые в состоянии выдерживать такие нагрузки. У тороидальных вариаторов самый высокий КПД среди вариаторов равный 0,95. Данный тип вариаторов нормализован для характеристик мощностей в диапазоне 1,5–20 кВт, и, к сожалению, этот существенный недостаток заставляет отказываться от выпуска данного вида вариаторов.

В винтовых прессах, в приборах применяются обычно вариаторы лобового типа. В вариаторах такого типа оси расположены взаимно перпендикулярно, и скорость ведомого вала изменяется за счёт движения ролика вдоль своей оси. Ведомый вал у вариатора лобового типа может вращаться реверсивно, хотя ведущий вал при этом вращается в ту же сторону. В качестве ведущего элемента в лобовом вариаторе выступает или ролик, или диск. Передаточное число вариатора лобового типа равно

U = ω₁ / ω₂ = x / r,

а диапазон регулирования

Д = u_max / u_min = R_max / R_min

Многодисковые вариаторы включают в себя пакеты тонких раздвижных дисков (ведущих и ведомых) конической формы. Скорость ведомого вала изменяется при радиальном смещении ведущего вала относительно ведомого. Максимальный диапазон регулирования у вариаторов многодискового типа равен 5.

Волновые вариаторы представляют собой механическую передачу (винтовую, зубчатую либо фрикционную). Вращение в этой передаче передаётся возбуждением (циклическим) волн деформации, происходящем в гибком элементе. Наиболее распространены волновые вариаторы зубчатого типа, включающие в себя жёсткое, неподвижно закрепленное в корпусе вариатора зубчатое колесо, оснащенное внутренними зубьями. Гибкий элемент выполнен в виде цилиндрической тонкостенной шестерни и напоминает стакан с наружными зубьями, количество которых немного меньше числа зубьев жёсткого элемента. Генератор волн деформации в виде овального кулачка с надетым на него шариковым подшипником соосно вставлен в гибкое колесо, растягивая его при вращении. Волны деформации движутся в момент вращения генератора с такой же угловой скоростью, а разница между числом зубьев жёсткого элемента и числом зубьев гибких колёс обычно равна числу волн деформации. По количеству волн деформации волновые вариаторы на классифицируются на одно-, двух- или трёхволновые.

В корпусе шарового дискового вариатора размещены два вращающихся диска, закрепленные на ведущем и ведомом валах, один из которых размещен на сферической опоре. Между дисками находится сепаратор с шарами, через которые и передается вращение от ведущего к ведомому валу. Изменение передаточного отношения достигается перемещением сепаратора вверх-вниз с помощью специального механизма. Один из дисков поджимается к другому с помощью упругой пружины.

К недостаткам данного вариатора относится невысокая надежность, так как в определенных условиях возможно проскальзывание шаров. Однако шаровой вариатор имеет большой диапазон регулирования, ведомый вал может работать с остановкой и реверсом. Когда ось вращения шара приближается к точке контакта, геометрическое скольжение значительно возрастает и характеристика вариатора становится нежесткой, это означает, что угловая скорость ведомого вала при изменении нагрузки значительно изменяется, что влечет за собой резкое падение КПД.

К вариаторам зацепления относятся также высокомоментные вариаторы – одно из самых перспективных направлений машиностроения. У высокомоментных (нефрикционных) вариаторов большие перспективы применения в силовых агрегатах самого разного назначения – они позволяют улучшить технические характеристики:

• повысить эффективность при использовании энергии от ДВС и электродвигателей;
• увеличить экономичность;
• повысить эксплуатационные показатели.

Основные достоинства высокомоментных вариаторов:

• данные вариаторы плавно изменяют между входным и выходным валами передаточное отношение, не прерывая передаваемую мощность, возможная реверсивная работа выходного вала и работа с остановом под нагрузкой;
• так как данный вариатор является нефрикционным, передаваемый им момент намного выше, чем у вариаторов фрикционных типов;
• при постоянном значении скорости входного вала скорость выходного вала тоже постоянна и коэффициент неравномерности вращения у выходного вала практически равен нулю;
• в вариаторах данного типа силы инерции уравновешены;
• размеры, стоимостные показатели и механический КПД высокомоментных вариаторов сравнимы с многоступенчатыми передачами;
• достаточно широкий спектр назначения и использования, например, в приводах машин с нестационарными кинематическими и силовыми режимами: городской транспорт, строительная, сельскохозяйственная, железнодорожная или военная техника, технологическое оборудование;
• использование высокомоментных вариаторов позволяет компенсировать плохие тяговые и динамические характеристики ДВС и в итоге заменить применяемую сегодня более дорогую трансмиссию (гидро- или электротрансмиссию) в тракторах и автомобилях;
• снижение стоимости технологического оборудования и улучшение его экономических и технических показателей при использовании вариаторов в качестве привода прокатных станов или металлорежущих станков

Сегодня известно большое количество конструктивных решений, объединяющих в себе свойства вариатора и планетарной дифференциальной передачи и направленных на бесступенчатое регулирование скорости выходного вала. В современных устройствах и машинах уже давно популярны планетарные передачи, компактные, несмотря на свои большие передаточные отношения, которые могут передавать вращение не только в дифференциальном режиме, но и в режиме останова отдельных компонентов передачи. Однако этим устройствам не характерно плавное изменение скорости выходного вала из-за фиксированного числа зубьев колёс передачи. Использование схем объединения планетарной дифференциальной передачи, вариатора и управляющего механизма в одно целое упрощает конструктивное исполнение вариатора и расширяет границы использования при изменении передаточных отношений. Такой вариатор (планетарный) состоит из корпуса, в котором размещаются ведущий вал и ведомая шестерня, устройства управления и планетарных рядов. С помощью устройства управления, содержащего исполнительный и контролирующий узлы, есть возможность изменять общее передаточное число вариатора независимо от оборотов приводного механизма.

Последние изобретения и разработки, направленные на создание новых моделей вариаторов, постепенно начинают использоваться в речном, морском и ж/д транспорте, автомобилестроении, в приводах конвейеров и транспортеров горных машин и прочих механизмах. Тестируемые на промышленных транспортёрах зубчатые вариаторы показали возможность работы без задержек и без применения мощных пусковых токов, при любом количестве сырья на транспортере, с плавным переходом на режим работы с номинальными параметрами. Предлагаемые конструкции просты, не имеют ненужных органов управления, фрикционов, гидротрансформаторов, клапанов включения, обгонных муфт и других деталей и узлов.

Зубчатый адаптивный вариатор имеет постоянную потребляемую мощность, обеспечивая при этом скорость движения выходного вала, обратно пропорциональную к внешней нагрузке. Зубчатый вариатор с бесступенчатым регулированием имеет постоянное зацепление зубчатых колес и работает в заданном диапазоне передаточных отношений, способен при этом надежно передавать усилия и обеспечивать при этом достаточно высокий КПД, в отличие от вариаторов фрикционного типа.

Вариаторы, укомплектованные общепромышленными асинхронными электродвигателями, получили название мотор-вариаторов. Они могут оснащаться и другими двигателями, например, с независимой вентиляцией, с переменным числом полюсов или со встроенным тормозом. По желанию заказчиков мотор-вариаторы могут доукомплектоваться цилиндрическими, червячными или другими редукторами со стандартным входным фланцем и полым валом. Применяемые схемы сборки «мотор – вариатор – редуктор» обеспечивают высокие крутящие моменты вала при одновременном регулировании скорости вращения.

В отличие от других вариаторов, передаточное отношение мотор-вариаторов можно изменять и на остановленном двигателе, а длительный режим работы при постоянном передаточном отношении не вызывает износа рабочих поверхностей на фрикционной паре, из-за отсутствия скольжения в зоне контакта.

Вариаторы соединяются с электродвигателями при помощи фланцев, а с редукторами или иными механизмами с помощью муфт.

Вариаторы хорошо себя проявили в машиностроении, строительстве и металлургии в ленточных, цепных, роликовых конвейерах, в пищевой промышленности, в подъемных устройствах, в экструдерах, приводах транспортировочных тележек, приводах летучих пил и ножниц, приводах поворотных механизмов и ходовых винтов.

Выгода от применения современных вариаторов заключается в их минимальном износе и отсутствии необходимости в дорогостоящих механизмах и элементах приводов, благодаря плавному изменению передаточного отношения. Реально существующая необходимость перехода экономики России на технологическую базу с достаточной эффективностью подтверждает готовность внедрения новых инновационных проектов, стимулирующих развитие новых ресурсосберегающих технологий. Их реализация приведёт к значительному снижению затрат на металл (за счет компактности конструкций разрабатываемых вариаторов) и на энергию, затрачиваемую на производство единицы продукции, и обеспечит производство конкурентоспособных вариаторных устройств нового поколения.

Конические редукторы
Цилиндрические редукторы
Червячные редукторы
Редукторы компании «Zambello Riduttori»

Инженеры всегда готовы проконсультировать или предоставить дополнительную техническую информацию по предлагаемым вариаторам.