Mekanisk hastighetsvariator

En mekanisk variabel hastighet eller kontinuerlig variabel transmisjon er en mekanisk anordning for kontinuerlig variasjon av girforholdet fra en motoraksel til en driven aksel. Den brukes som erstatning for en girkasse . I bilverdenen er det kjent under akronymet: CVT (for Continuously Variable Transmission or Continuously Variable Torque ).

En slik innretning gjør det mulig å bruke en motor ved sin optimale driftshastighet ved kontinuerlig å tilpasse sin rotasjonshastighet til den som kreves av utgangsakselen, med sikte på å minimere energiforbruk eller maksimere kraft og dreiemoment, eller å gjøre hastigheten variasjoner mer fleksible ved å unngå hastighetsendringer på grunn av lagrene i girkassene.

Grunnleggende prinsipp for kraftoverføring

Motor og aktuator

I en energikjede omdanner motoren inngangsenergien (elektrisk, kjemisk, hydraulisk, etc.) til mekanisk rotasjonsenergi. Den er preget av sin kraft, med (generelt) bare en kjøreretning og en optimal rotasjonshastighet. Aktuatoren, som mottar og bruker motorens kraft, må kunne:


Overføring

Ethvert kraftoverføringselement er preget av overføringsforholdet, beregnet som følger (med ω akselens rotasjonshastighet):

Avhengig av dataene til problemet (hastigheter, justering mellom akslene, krefter som skal overføres, former for energi ved inngang og utgang, kontinuitet eller diskontinuitet i bevegelsen, avstand mellom overføringsaksler), for å overføre kraften fra motor til mottakeren, samtidig som det sikres at bruksvilkårene for sistnevnte er satt inn ett av følgende elementer mellom motoren og aktuatoren:

Valg av overføring

I en industrimaskin (pumpe, maskinverktøy osv.) Hvis arbeidshastighet (lineær eller vinkel) er konstant, er det tilstrekkelig å beregne overføringsforholdet mellom motoren og verktøyet tilstrekkelig slik at motoren alltid fungerer ved sin hastighet. Overføringen velges eller utformes deretter basert på ønsket overføringsforhold.

Når aktuatorens hastighet er variabel og må innføre et endelig antall n av verdier, er en n- hastighets girkasse plassert mellom motoren og utgangsakselen .

Der aktuatorhastigheten må variere kontinuerlig (slik det er tilfellet med et kjøretøy), for at motoren skal forbli på sin optimale driftshastighet, kreves et kraftoverføringselement som kontinuerlig kan tilpasse rotasjonshastigheten til motorakselen til den kreves av utgangsakselen. Kontinuerlig variable girkasser gjør at motoren kan stilles inn på en hastighet valgt for å minimere drivstofforbruket eller maksimere tilgjengelig kraft eller dreiemoment.

Historisk

Fouillaron kontinuerlig hastighetsvariator med uttrekkbare remskiver

I 1897 utviklet produsenten Gustave Fouillaron, oppfinneren og tidligere sjef for tekstilindustrien, kontinuerlig variabel hastighet med utvidbare remskiver , som han gjorde sitt kjennetegn på. Beskrivelsen av det eneste girskiftesystemet opptar halvparten av de tekniske merknadene i vognene. Mer enn 30 år senere huskes det fortsatt som selve typen innovasjon:

“Det er en Fouillaron-bil ... Jeg kom inn om tre timer fra Bordeaux: 70 kilometer, ikke noe trekk… Den har utvidbare trinser. Det aller siste. Inntil nylig ble overføringen gjort til hjulene med kjeder. Nå er det bare to uttrekkbare remskiver, og selvfølgelig forbindelsen deres: kjedebåndet. Du kan variere tempoet til uendelig ved å bruke en enkel spak. »( Le Mystère Fontenac , F. Mauriac, 1933)

Merk at i motsetning til deres viktigste påfølgende utvikling, er Fouillaron-remskivene uthulet. Båndet som forbinder remskivene forstås som en kjede. Koblingene til dette tannede "kjedebåndet", med ordene til oppfinneren, går i tråd med de faste og hule delene av remskivene. Av de 6 patenter som ble innlevert av G. Fouillaron fra 1904 til 1907 i Frankrike, gjelder 1 remskiven, 2 til selve variatoren og 3 til konstitusjonen og til og med beltenes geometri.

Påfølgende patenter

G. Fouillaron er ikke den første oppfinneren av variatoren, selv om det er vanskelig å si i hvilken grad han ble inspirert av arbeidet til Wales (US patent 1876), men spesielt av Milton O Reeves (US patent 1899) og dets Reeves trinse Co. , den mest oppfinnsomme i tidlig XX th -tallet i utviklingen av CVT remskive 2 fast senteravstand, sagbruksindustrien og bilindustrien.

I 1926 bygde George Constantinesco en bil med CVT med oscillerende masser (patent innlevert i 1924).

I 1958 utviklet og markedsførte Hubertus von Doorne, medstifter av DAF, Variomatic kontinuerlig overføringssystem med et fleksibelt belte. Mer enn alle de forrige emnene som var funksjonshemmede av deres pålitelighet og lave ytelse, var det han som populariserte konseptet i bilverdenen.

På 1990-tallet spredte variabel hastighet i alle former seg blant bilprodusenter: Subaru (1987), Nissan (1992), Honda (1995), Toyota (1997), Audi (2000), Ford (2005) ...

Kileremshastighetsvariator

Overføringsforholdet til et konvensjonelt remskive-beltesystem er festet av diametrene til driv- og mottakerskivene:

For å oppnå en kontinuerlig variasjon av overføringsforholdet er det nødvendig å kontinuerlig variere diameteren på remskivene, det vil si "koniske" remskiver. Nesten alle beltedrivere utnytter den spesielle geometrien til kileremet, hvis trapesformede seksjon er plassert i sporet på en remskive med koniske vegger.

I konvensjonelle remskiver er disse to veggene integrert med aksen de roterer rundt og danner en enkelt del. I variatorer er de separate og dannet av to koaksiale flenser med variabelt avstand, montert med en glideforbindelse på samme aksel som de kjører i rotasjon. Bånddiameteren til beltet som snor seg rundt remskiven øker når avstanden mellom flensene avtar og omvendt.

Faste senter-til-senter remskiver

Prinsipp

Beltet hastighetsvariator består av et belte av metall eller kunststoff, og to trinser med variabel avstands riller . Avhengig av avstanden på remskiveveggene, trenger beltet mer eller mindre nær sentrum, noe som gir effekt for å endre girforholdet.

De respektive avstandene til driv- og mottakerskivene er omvendt proporsjonale: den ene øker når den andre avtar. Driv- og mottakerskivene er hver dannet av en flens innebygd på akselen og en annen i glidende forbindelse med samme aksel. Brukeren virker på avstanden til drivhjulet ved hjelp av en trykkskrue, et svinghjul eller et hydraulisk system, en vakuumpumpe, en tannhjulstangsenhet, etc. Spenningen til beltet driver deretter en omvendt variasjon på den drevne remskiven. En returfjær på sistnevnte gjør det mulig å minimere avstanden mellom flensene. Remskivene er selvjusterte: Midtplanene til kjøre- og mottakerskivene sammenfaller til enhver tid med beltet, men deres posisjon varierer i henhold til oversettelsen av glideflensene.

Hvis de to remskivene har lignende egenskaper, gjør denne typen posisjonering det mulig å utvide spekteret av mulige forhold så mye som mulig:

bruk

Dette systemet er fortsatt det mest populære blant produsenter av CVT-girkasser: X-Tronic (Nissan-Jatco), Multitronic ( Audi ), Variomatic (DAF), Lineartronic (Subaru), Multimatic (Honda), CVT-i og e- CVT (Toyota) , Invecs-III (Mitsubishi) ... Er utstyrt (ikke uttømmende liste):

Ford Fiesta , Ford Focus , Fiat Uno Selecta , Fiat Punto , Lancia Y , Mercedes-Benz klasse A og klasse B , Honda Jazz (~ 2007), Honda Civic Hybrid og Honda Insight , Nissan Micra K11 , Nissan Murano , Nissan Altima , Nissan Juke , Nissan Tiida , Nissan Qashqai , Nissan X-Trail (2014), Dodge Caliber , Renault Scenic III , Renault Mégane III , Daf 600 to Daf 55 , Volvo 66 og Volvo 343 .

Trinser med variabel senteravstand

Dette systemet bruker det grunnleggende prinsippet, men bare drivenheten består av 2 flenser som glir symmetrisk på et nav. Ledet, med fast diameter, er innebygd på skaftet. En økning i senteravstanden (vanligvis ved å bevege motoren plassert på en plate i glidende forbindelse med rammen) fører til en reduksjon i diameteren på drivhjulet og dermed i overføringsforholdet (siden diameteren på den drevne er fast) . Denne typen system tillater et smalere utvalg av gir:

Drivhjulet, selvsentrert, er denne gangen dannet av 2 flenser i glideforbindelse med akselen, symmetrisk i forhold til beltets midtplan. To returfjærer gjør det mulig å minimere avstanden mellom flensene. Midtplanene til driv- og mottakerskivene så vel som beltet er da identiske og uforanderlige, slik at beltet alltid holdes i aksen til remskivene.

Faste senter-til-senter remskiver og trykkvalse

Også her er bare drivhjulet dannet av to flenser som glir symmetrisk på et nav. Ledet, med fast diameter, er innebygd på skaftet og midtavstanden forblir fast. Bruken av en eller flere trykkruller gjør det mulig å "kunstig redusere" beltelengden og få den til å trenge inn i drivhjulet, noe som resulterer i en økning i avstanden mellom flensene og en påfølgende reduksjon i diameteren drivhjul. og overføringsforhold.

To spesielle tilfeller

Hastighetsvariatoren

Det som kalles variabel hastighet på vanlig språk, er denne typen overføring installert på mange små-fortrengning motoriserte biler som mopeder , scootere (inkludert store fortrengning), vogner, snøscootere, quads ... I alle sendinger til kontinuerlig variasjon presentert ovenfor blir forholdet satt av brukeren (via datamaskinen) ved å feste posisjonen til akselen eller det mellomliggende overføringselementet, det er han som direkte fikser girforholdet. ønsket overføring.

Frekvensomformeren, som består av to remskiver med fast senteravstand, skiller seg fra de forrige på den måten kontrollinformasjonen når den. Der bestemmer brukeren indirekte overføringsforholdet via motorhastigheten. Forholdet velges av en sentrifugalanordning, avhengig av motorens rotasjonshastighet: jo raskere motoren går, jo mer øker girforholdet, noe som gjør det mulig å øke hastigheten på sekundærakselen mye raskere enn motorhastighet .

Inne i den bevegelige flensen på drivhjulet er det plassert ruller (vekter, kuler, etc.) utsatt for sentrifugalkraft. Disse beveger seg bort fra rotasjonsaksen når rotasjonshastigheten øker, de utøver trykk på den bevegelige flensen som deretter nærmer seg flensen som er innebygd på akselen, noe som øker diameteren på motoren (og samtidig reduserer mottakeren. ).

Mobymatic

Mobymatic, som monterte Mobylettes , Motobécane og visse Peugeot mopeder fra 1955, kombinerer prinsippene til variatoren beskrevet ovenfor og den variable senteravstanden beskrevet ovenfor. Også her varierer avstanden mellom flensene til drivhjulet i henhold til posisjonen til sentrifugalvalsene, men mottakerskiven er på en fast avstand. Ettersom motorrammen er i en svingforbindelse med mopedrammen, kan midtavstanden til de to remskivene variere, og beltestrammingen opprettholdes maksimalt av en fjær.

Belteproblemet

Denne typen overføring har lenge hatt rykte om å være en overføring for liten forskyvning. Dette skyldtes hovedsakelig at beltene de var utstyrt med ikke var i stand til å tåle høye spenninger. I enhver removerføring øker den maksimale kraften som overføres av beltet med den (innledende) spenningen som er tillatt av beltet og derfor med sin elastiske motstand:

For å øke kraften som kan overføres ved kontinuerlig variabel transmisjon, har en stor del av utviklingen fokusert på beltestyrken. De første lærremmene viket for gummi. De kontinuerlige eller splittbeltene er forsterket med en utvidbar metallramme og er nå i kevlar eller neopren. I dag bruker bilprodusenter metallbelter som er i stand til å motstå større spenninger og derfor kan overføre større dreiemomenter, som består av en serie stållenker som holdes av tynne overlagrede stålbånd som sikrer fleksibilitet og strekkfasthet. Disse metallbelte-systemene gir fordelen av å vare lenge og tåler mye bedre de store spenningskreftene som leveres av moderne bilmotorer, og de fleste produserer et stort dreiemoment.

Friksjonshastighetsvariatorer

Også her er overføringsforholdet festet av diametrene til driv- og drivhjulene:

Det er selvfølgelig mulig (dette er prinsippet for girkasser med forhold) å plassere flere hjul på motorakselen foran som vil bli plassert suksessivt hjul med tilsvarende diameter i henhold til forskyvning av drivakselen (generelt, en mellomaksel plassert for dette formålet). Dette gjør at overføringsforholdet kan varieres fra et fast gir til 2, 3, 4 eller flere gir avhengig av antall hjul.

For å oppnå en kontinuerlig variasjon av overføringsforholdet av et system basert på samme prinsipp, vil det kreve en kontinuerlig variasjon av hjulens diameter. Dette oppnås ved å bruke "koniske" eller "toriske" hjul.

Keglevariator

Prinsipp

To identiske kjegler (½-vinkel på toppunktet α og høyde h) med parallelle akser er plassert mot hale. Et hjul (med en hvilken som helst diameter) settes inn mellom dem, tangent til de 2 kjeglene, drevet av rotasjonen av motorkeglen og forårsaker rotasjonen av den kjørte kjeglen. Variasjonen i posisjonen til mellomakselen ved å skyve endrer ordinaten y for hjulets kontaktpunkt med motorkjeglen.

Evans Variator

I Evans 2-konusfriksjonssystemet er det ikke strengt tatt en mellomaksel, men en del av hul sylinder, stiv eller fleksibel (som deretter assimileres til et flatt belte).

Graham variator

Dette systemet fungerer med en enkelt kjegle, mellomakselen spiller deretter rollen som drevet aksel, eller omvendt. Selv driver motorakselen kjeglen eksentrisk, og det er friksjonen til sistnevnte på en ytre ring med variabel stilling som får rotasjonshastigheten til å variere.

Toroidal variator

Med samtidige akser

Dette systemet er basert på det samme prinsippet som konusvariatoren. Overføringen er laget mellom to revolusjonsskiver som består av en hul overflate med toroidform, og platene har samtidige akser (i hvilken som helst vinkel). Denne gangen er det et spørsmål om å bruke hellingen til en rulle eller plate (mellomaksel) og ikke lenger posisjonen til et overføringshjul for å endre girforholdet.

Rullen roterer rundt sin akse. Ved å endre hellingen α på denne aksen, endres kontaktpunktet med platene, noe som fører til at overføringsforholdet varierer kontinuerlig. Sirklene som brukes til å generere den toroide formen til de to skivene, så vel som den mellomliggende rullen, må ha samme radius r sirkelen, slik at rullen er tangent til de toroideflatene til de to skivene, uavhengig av hellingen til aksen.

Med koaksialplater

Prinsippet er nøyaktig det samme som med samtidige akser. Sirklene som brukes til å generere den toroide formen til de to skivene, må være koradiale, og den mellomliggende rullen tangerer til de to skivens toroideflater, uavhengig av helning av aksen.

Varianter med flere ruller

Som i tilfelle av konusvariatoren, kan man klare seg uten en av de to platene. Hovedvariasjonen er imidlertid mer i antall drivruller. Så lenge de koordinerer tilbøyeligheten, hindrer ingenting i tilfelle av en toroidal variator med to koaksiale skiver å bruke 2, 4 eller flere ruller. Tvert imot øker multiplikasjonen deres effektiviteten til denne typen overføring og dens evne til å overføre høyere dreiemomenter. Den Extroid girkasse (Nissan) anvender 2 par av koaksiale motor / drivskiver montert overfor hverandre. De to motordiskene er montert på motorakselen, og de to drevne er montert på hver side av et tannhjul (i svingforbindelse med motoraksen) som driver drivakselen. Hver av motorskivene driver den tilsvarende driften ved hjelp av to ruller.

Diskstasjon

Operasjonsprinsippet ligner på kjeglevariatoren. Merk at transmisjonen kan fungere i reversmodus, avhengig av mellomhjulets posisjon.

Andre teknologier

Planetgirkasser

Det episykliske toget skiller seg fra systemene beskrevet ovenfor, for så vidt dets bruk som en kontinuerlig variabel overføring innebærer tilstedeværelse av to motorer. Vi husker formelen til Willis :

med λ årsaken til planetgiret, 1 og 3 planetariet, 4 planetbæreren og 0 rammen.

Denne typen gir brukes ofte som reduksjonsgir ved å blokkere en av akslene (1, 3 eller 4) i rotasjon. Overføringsforholdet blir da løst (som ikke er vårt tema her).

Brukes med 2 eller 3 motorer

I noen hybridbiler (som Toyota Prius ) bruker kraftdelingsoverføringen (PST) et episyklisk gir som varierer forholdet mellom bidraget til de tre motorene (termisk og to elektriske, hvorav den ene er en generator) i utgangshastighet og kraft.> Hvis (1) er utgangsakselen, (4) akselen til varmemotoren og (3) akselen til hovedelektromotoren, er "overføringsforholdet" en økende kontinuerlig funksjon :

med

Ved å bruke to motorer pluss en brems kan "overføringsforholdet" varieres på denne måten kontinuerlig. Men tilstedeværelsen av 2 motorer tillater ikke å snakke om en sann utvekslingsforhold og innføringen av 2 nd motoranordning at tannhjulsgear er ikke en kontinuerlig variabel overføringssystem i streng forstand, selv om den drivende inntrykk kan være lik,

De er utstyrt (ikke uttømmende liste): Toyota Prius , Toyota Auris , Yaris Hybrid , Lexus RX , Nissan Altima hybrid , samt jordbrukstraktorer.

Planetgir og hydraulisk motor

En del av motoreffekten brukes av en pumpe som er koblet i serie på motorakselen, hvis proporsjonale start styres av brukeren, og som brukes til å drive en hydraulisk motor som fungerer som hjelpemotor (3) i det episykliske giret. Motoreffekten blir således delt inn i 2 krefter P 3 og P 4 på nivået av pumpen i henhold til et forhold som skal bestemmes, P 3 og P 4 deretter blir reassociated på nivå med den episykliske toget for dermed å skape et annet tannhjul forhold.

Sammenligning av variabel hastighet mot en girkasse

Rollene til girspaken og gasspedalen

Tilstedeværelsen av variatoren pålegger et reelt paradigmeskifte med hensyn til hastighetsvariasjonene ved utgangen av energikjeden. Faktisk, girkassene med prosent har en avtrappet eller diskontinuerlig område for forhold R i (med i området mellom 1 og 6, for eksempel for en 6-trinns boks) som sammen med den (fast) forhold av de andre elementene i kjedetransmisjon og drivhjulens radius gjør det mulig å beregne forholdene k i  slik de er:

(med hastighet V i km / t og motorhastighet N i o / min) Med en girkasse er enhver variasjon i hastighet dV :

  • Proporsjonalt med endringen i N i fravær av en endring i forholdet:
  • Oppnås ved kombinasjonen av en endring di i forholdet ( di være en relativ heltall) og dN i hastighet:

Denne typen variasjoner forårsaker trinnene etter endringer i hastighet:

  • Plutselig fall i motorhastighet og økning i gir;
  • Diskontinuitet i trekkraft og akselerasjon.

Med en variabel hastighet, hvor k er en kontinuerlig funksjon, oppnås variasjonene dV ved en dobbel variasjon dN og dk  :

Føreren vil sette motorhastigheten på den optimale hastigheten så snart som mulig, slik at fartsvariasjonene oppnås ved den eneste modifikasjonen av overføringsforholdet:

Hovedelementet som styrer kjøretøyets hastighet er ikke lenger forgasseren som styres av gasspedalen, men Variatoren som styres av "girspaken".

Fordeler og ulemper ved stasjonen

fordeler Ulemper
Evne til å holde seg på optimal motorhastighet til enhver tid, enten det er å minimere drivstofforbruket eller å posisjonere seg ved det maksimale kraftpunktet uavhengig av kjøretøyets hastighet. Motorbremsen er mindre effektiv enn på en maskin utstyrt med en vanlig girkasse og ikke-justerbar kraft.
Øyeblikkelig og kontinuerlig tilpasning mellom belastning og minimum motorhastighet: Valget av girforhold er nesten samtidig med akselerasjonen. Mekanisk effektivitet litt lavere enn for en manuell girkasse;
Eliminering av diskontinuiteter og brudd i akselerasjon av girkassens lagerendringer: overføringsforholdet endres kontinuerlig. Fordelen er ikke bare større fleksibilitet ved kjøring, men også fravær av brå hastighetsendringer på motornivå, slitasje. Overdreven glidefølelse: Kontinuerlig moderat trykk på gasspedalen vil øke motorhastigheten veldig sakte og hastigheten samtidig. Men der sjåføren som er vant til fast gir forventer rykk fra girskift, fortsetter kjøretøyet bare å øke hastigheten. Ved plutselig akselerasjon øker motorhastigheten, men synker ikke igjen før hastigheten som tilsvarer trykket er nådd, noe som fremhever inntrykket av å skli.
Ingen smøring nødvendig.
Stille system: akustisk komfort.

Merknader og referanser

  1. Maillard, Jean. , Det doble livet til Gustave Fouillaron: råvare i Cholet, bilprodusent i Levallois-Perret , Bailly, Pixel Press Studio,2008, 97  s. ( ISBN  978-2-917038-08-6 og 291703808X , OCLC  310391623 , les online )
  2. "  Den automatiske bilen, en Choletan-oppfinnelse.  », Ouest-France ,16. november 2008( les online , konsultert 22. juni 2018 )
  3. "  PATENTBASIS | Enkelt søk  ” , på bases-brevets.inpi.fr (åpnet 22. juni 2018 )
  4. Forbedring av remskiver ,11. juli 1876( les online )
  5. Hastighetsvarierende mekanisme. ,25. februar 1899( les online )
  6. (in) "  En fortelling om to brødre  "
  7. Kraftoverføring ,26. januar 1924( les online )
  8. (in) "  Swerve Central - DEW Robotics  "team1640.com (åpnet 22. juni 2018 )
  9. Se "pas d'hier" , på nettstedet guideautoweb.com, åpnet 24. januar 2016
  10. "  Mobymatic automatisk girskifte  "
  11. "  Bosch pushbelt  "
  12. "  Graham variator øvelse  "
  13. “  Nissan CVT  ”
  14. http://www.8-e.fr/2011/12/la-toyota-prius-et-son-systeme-hsd.html tilgjengelig = 2018-09-17

Vedlegg

Relatert artikkel

Eksterne linker

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">