Эффективность трансмиссии с зубчатой передачей с плавно изменяющимися передаточными отношениями вариатора — за вычетом трения ремня и способностью опускаться до нулевого передаточного отношения без необходимости использования сцепления. Это обещание уровня «Святого Грааля»!
Итальянская компания Alter Ego, возглавляемая инженером-механиком и автоматизатором Эдисоном Павилку, при содействии кинематических исследований, проведенных в Миланском техническом университете, утверждает, что создала прототип прекрасного сложного нового механизма — первого в мире вариатора с зубчатой передачей, который на 10% эффективнее обычного вариатора с ременной передачей.
Действительно, эффективность сопоставима с эффективностью некоторых механических трансмиссий, при этом предоставляя возможность плавно регулировать передаточное отношение от нуля вплоть до повышающей передачи, независимо от того, вращаются ли колеса и/или кривошип или нет.
Сложная и, по-видимому, несколько шумная конструкция, которая делает то, чего еще не достигла ни одна другая трансмиссияAlter Ego/RatioZero
Краткий обзор механической и вариаторной трансмиссий
Почему это так важно? Что ж, трансмиссии предназначены для того, чтобы система привода — будь то двигатель, электромотор или ноги велосипедиста, вращающие рукоятку — работала на оптимальной скорости для эффективной передачи крутящего момента, одновременно регулируя передаточное отношение между системой привода и колесами, чтобы обеспечить правильное усилие для текущей скорости и ситуации.
Механические трансмиссии очень эффективны, они сцепляют металлические шестерни вместе, чтобы передавать от 95 до 98% входной мощности на другую сторону. Но у вас может быть только столько передач, сколько вы можете вместить в коробку, и, помимо систем с несколькими сцеплениями, у вас есть пробелы в подаче мощности, когда вам нужно выключать фрикционное сцепление из передачи, а затем возвращаться к следующей. Когда вы на передаче, ваше передаточное отношение заблокировано, поэтому скорость вашего двигателя должна меняться при ускорении или замедлении. Вы можете оставаться близкими к идеальной скорости двигателя для данных условий, но не точно.
CVT, с другой стороны, жертвуют некоторой эффективностью трансмиссии ради повышения эффективности двигателя и сверхплавного переключения. Многие работают с использованием V-образного фрикционного ремня, проходящего между двумя шкивами, которые могут изменять свой диаметр одновременно, делая один больше, а другой меньше, чтобы поддерживать натяжение ремня.
Команда RatioZero сравнивает свою собственную конструкцию с другими типами трансмиссийAlter Ego/RatioZero
Таким образом, вы можете плавно регулировать передаточное отношение между самым низким и самым высоким во время вождения; скорость двигателя находится именно там, где это необходимо для максимальной мощности или эффективности, а трансмиссия постоянно подстраивается под скорость вращения колес или требуемую мощность.
Им необходимо отключить фрикционную муфту, чтобы полностью остановиться, и без этого преимущества металлических зубьев на металлических зубьях большинство вариаторов обеспечивают эффективность только в пределах 70–86%.
Это цифры Alter Ego, и, безусловно, упрощение мира трансмиссий, но их будет достаточно для введения. Посмотрите видео ниже от The Engineers Post для более наглядного представления!
Сравнение механической коробки передач с автоматической и вариаторной [подробно]
Итак, у каждой есть свои плюсы и минусы (игнорируя интуитивный опыт вождения, который является ключевым для всех энтузиастов) — и именно поэтому сверхэффективная, бесступенчатая, с коробкой передачТрансмиссия, способная снижать скорость до нуля, — это нечто грандиозное.
Вариатор с редуктором RatioZero: как это работает
Представляем трансмиссию RatioZero, которая восседает на белом коне двух отдельных патентов, но при этом странным образом скромно движется в форме программы краудфандинга… Давайте добавим ее в закладки и взглянем на само устройство!
Так как же взять твердые, негнущиеся металлические шестерни, соединенные вместе, и создать переменное передаточное отношение? Ну, как вы можете себе представить, это сложно. Но суть в том, что у вас никогда не будет одной шестерни, приводящей в движение выходную коронную шестерню — у вас их три. И эти три не приводят ее в движение на протяжении всего вращения; каждая из них дает ей небольшой толчок, прежде чем откатиться на несколько зубцов и снова толкнуть.
Таким образом, по сути, крутящий момент от входа постоянно передается на выход, но только одной из этих трех маленьких шестеренок за раз. Своего рода реле крутящего момента, если хотите.
RatioZero — «первый в мире вариатор с редуктором»
Если вы до сих пор следите за мной, молодец! Так как же изменить передаточное отношение? Ну, эти три внутренние шестерни прикреплены к изогнутым рычагам. Каждый из этих рычагов соединен со свободно вращающейся осью, установленной в собственной планетарной ведущей шестерне. Главная входная коронная шестерня вращает все три эти планетарные ведущие шестерни, поэтому они всегда вращаются, когда вращается входной вал.
Когда оси, соединенные с этими изогнутыми рычагами, находятся прямо в центре планетарных ведущих шестерен, ведущие шестерни могут вращаться сколько угодно; оси свободно вращаются вместе с ними, а рычаги не двигаются. Это ваше нулевое передаточное отношение; выходная коронная шестерня остается там, где она есть.
Но оси могут быть смещены от центра ведущей шестерни – есть скользящий привод, который постепенно выталкивает все три оси наружу и от центра. Теперь, когда планетарные шестерни вращаются, эти оси начинают описывать круги, а рычаги начинают двигаться вперед и назад. И вот как вы получаете это реле крутящего момента на ведущем кольце; свободно вращающаяся шестерня на конце каждого рычага тянет выходную шестерню через часть ее вращения, затем возвращается назад, когда другие рычаги берут на себя управление, прежде чем сделать это снова.
Конструкция RatioZero, интегрированная в герметичный блокAlter Ego/RatioZero
Чем больше смещены эти оси в планетарных ведущих шестернях, тем выше становится передаточное отношение и тем быстрее будет вращаться выходная шестерня за один оборот входного вала.
Механически мыслящие могут сказать: подождите, нет никакого способа, чтобы эти движения руки обеспечивали постоянную скорость вращения выходного привода! И они были бы правы — но команда Alter Ego исправила это, используя эллиптические шестерни, которые постоянно изменяют скорость вращения планетарных приводных шестерен, так что постоянная входная скорость приводит к более постоянной выходной скорости.
Да, система привода с реле крутящего момента приводит к слегка неравномерной выходной скорости — команда утверждает, что в основном это решено с помощью эллиптических шестерен в приводной секцииAlter Ego/RatioZero
В приложениях, где вам нужно, чтобы выход был свободным — например, велосипед — вы можете использовать односторонний храповой механизм на главной приводной шестерне, чтобы ваши педали не прыгали как сумасшедшие, когда вы едете вниз по склону. А для тяжелых условий эксплуатации… Что ж, есть более сложная и надежная версия, использующая четыре шестерни вместо трех.
Каковы следующие шаги?
Alter Ego построила несколько рабочих прототипов. Один из них теперь установлен на велосипеде, с джойстиком, управляющим небольшим электродвигателем, который изменяет передаточное отношение по требованию в диапазоне, который принимает выходной привод от 0% до 600% скорости входного привода. Выбор передаточного отношения, конечно, в конечном итоге станет автоматизированным процессом.
Прототип RatioZero: первый в мире вариатор с зубчатой передачей на велосипеде
Следующим шагом станет установка его на двигатель внутреннего сгорания; команда планирует установить трансмиссию на скутер Yamaha T-Max объемом 530 куб. см в качестве дальнейшего подтверждения концепции, а затем предложить ее производителям мотоциклов.
Но его также можно интегрировать в немного более широкий блок двигателя электровелосипеда в качестве цельного блока привода с переменной скоростью или вставить в ветрогенератор или автомобиль, грузовик, трактор, снегоход, промышленную машину, что угодно.
Alter Ego говорит, что основные проблемы, которые все еще необходимо решить, это оставшиеся «ряби» в подаче крутящего момента, которые, вероятно, все еще проявляются в виде небольших изменений выходной скорости, и шум. К этому мы бы добавили надежность; сегодняшние вариаторы, возможно, и близко не так эффективны, как эта трансмиссия, но Toyota, например, дает пятилетнюю гарантию на свои автомобильные вариаторы, и, как правило, ожидается, что они прослужат более 100 000 миль (161 000 км), если не вдвое больше.
Если потребительский продукт когда-либо будет выпущен с передаточным отношением, которое опускается до нуля, ну, потенциал для механического напряжения здесь так же бесконечен, как и крутящий момент, который вы теоретически можете пропустить через эту систему. При крошечном смещении оси эти рычаги не будут сильно перемещать выходной привод, но крутящий момент, который они могут приложить к застрявшему колесу, может стать довольно эпическим.
Будет интересно посмотреть, что с этим сделают производители — похоже, некоторые прототипы RatioZero на самом деле заблокированы, так что они не могут опуститься слишком близко к нулевому передаточному отношению.
Alter Ego приглашает заинтересованных людей прокатиться на прототипе велосипеда RatioZeroAlter Ego/RatioZero
Вариатор с редуктором RatioZero — это механически увлекательное устройство, и хотя оно довольно сложное, оно, безусловно, делает то, что заявлено в описании, — так что у него, похоже, есть большой потенциал, чтобы выйти за рамки того, что Alter Ego описывает как свой текущий уровень технологической готовности (TRL) 5, что означает «лабораторное тестирование интегрированной/полуинтегрированной системы» с «валидацией компонентов и/или процессов в соответствующей среде».
Но предстоит еще долгий путь, особенно когда вы начинаете говорить о том, чтобы провести эти вещи через изнурительный процесс проверки и тестирования для использования в качестве OEM-производителей автомобилей или мотоциклов.
И вот к чему мы пришли: у команды Alter Ego есть несколько рабочих прототипов, но теперь они пытаются собрать полмиллиона долларов, которые им понадобятся, чтобы провести еще один год НИОКР, интегрировать прототип в Yamaha T-Max и возить его по выставочным площадкам, выискивая OEM-производителей, которые могли бы подхватить идею и превратить ее в потребительский продукт.
Текущий план состоит в том, чтобы собрать эти 500 000 долларов США, распределив лимит в ходе краудфандинговой кампании, которая начнется «скоро». Нам интересно, насколько далеко зайдет эта идея. Если вы хотите увидеть более подробное объяснение механизма, включая больше информации о приводе переключения передач, чем мы включили, посмотрите это удивительно терпеливое объяснение от YouTuber «driving4answers», который познакомился с некоторыми прототипами в видео ниже.
Это первый в мире вариатор с редуктором, и он вас поразит — трансмиссия с нулевым передаточным числом
