Применение двухпоточных передач, включающих вариатор, в трансмиссиях автомобилей, в том числе с комбинированной энергоустановкой и электромобилях

Введение (постановка задачи и актуальность). Актуальной задачей в современном автомобилестроении остаётся повышение эффективности трансмиссии и транспортного средства в целом. Одним из способов решения этих задач может выступить применение в трансмиссиях автомобилей и электромобилей двухпоточных передач (ДП) с вариатором. ДП с вариатором обладают рядом характерных кинематических свойств, потенциально применимых и частично реализованных на серийных агрегатах. Применение таких передач, наряду с использованием в приводе транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания, может быть полезно в трансмиссиях автомобилей с комбинированной энергетической установкой, к конструкции которых применяются требования по реализации согласования потоков мощности от источников энергии.
Цель исследования – анализ кинематических схем двухпоточных трансмиссий, применяемых или потенциально применимых в конструкциях современных автомобилей. Полученные данные о кинематических и силовых характеристиках позволят проводить сравнительную оценку описываемых конструкций, получать основные взаимосвязи целевых параметров с конструктивными особенностями проектируемых передач.
Методология и методы исследования. Разработан программный продукт, позволяющий получать широкий спектр характеристик передач на основе вводимых конструктивных параметров, габаритных размеров, нагрузок, а также определять характеристики вариатора, применяемого в ДП. Графики зависимостей, приведённые в статье, построены на основании данных, опубликованных разработчиками агрегатов, для чего в математической модели проведён расчёт основных характеристик, представленных в виде безразмерных графиков и предназначенных для визуального сравнения и выявления основных взаимосвязей моделируемых величин.
Результаты и научная новизна. На основе полученных зависимостей для ДП сформулированы основные взаимосвязи, позволяющие в первом приближении провести сравнительный анализ, проследить факторы, вызывающие различные полезные и негативные эффекты. Полученные результаты могут быть использованы для первичной оценки применимости агрегатов с аналогичными кинематическими схемами, а также иллюстрации принципов их работы. Приведён сравнительный анализ описываемых конструкций по ряду конструктивных, кинематических и силовых параметров.
Практическая значимость. Исследования в области проектирования ДП с вариатором могут послужить основой для разработки алгоритмов и программных средств автоматизированного проектирования и расчёта таких передач, что значительно сократит затраты на разработку и позволит выявить многофакторные зависимости в части обеспечения эффективности современных автомобилей. Полученные данные о характеристиках ряда принципиальных схем ДП с вариатором позволяют оценить эффект их применения по сравнению с полнопоточными передачами в области обеспечения требуемого диапазона, КПД, кинематических возможностей и обеспечения характерных режимов работы трансмиссии по сравнению с полнопоточными передачами.

1. Van Spijk G.J. Efficient electrification with the pushbelt CVT // CTI magazine. – 2018. – December. – P. 10–14.

2. Van Spijk G.J. et al. Compact pushbelt variator module to improve energy economy in electrified powertrains / CTI SYMPOSIUM 2019: 18th International Congress and Expo 9–12 December 2019, Berlin, Germany. – Springer Berlin Heidelberg, 2021. – P. 523–535.

3. Niii D. et al. Development of new continuously variable transmission for 2.0-liter class vehicles // SAE Technical Paper. – 2018. – No. 2018-01-1062.

4. Nguyen C.T.P. et al. Dual-motor dual-source high performance EV: a comprehensive review // Energies. – 2023. – V. 16. – No. 20. – P. 7048.

5. Gao Y., Ehsani M. A torque and speed coupling hybrid drivetrain-architecture, control, and simulation // IEEE transactions on power electronics. – 2006. – V. 21. – No. 3. – P. 741–748.

6. Kwon K., Seo M., Min S. Efficient multi-objective optimization of gear ratios and motor torque distribution for electric vehicles with two-motor and two-speed powertrain system // Applied Energy. – 2020. – V. 259. – P. 114190.

7. Lin X., Li Y., Zhang G. Bi-objective optimization strategy of energy consumption and shift shock based driving cycle-aware bias coefficients for a novel dualmotor electric vehicle // Energy. – 2022. – V. 249. – P. 123596.

8. Ge S., Hou S., Yao M. Electromechanical coupling dynamic characteristics of the dual-motor electric drive system of hybrid electric vehicles // Energies. – 2023. – V. 16. – No. 7. – P. 3190.

9. Куликов И.А., Карпухин К.Е., Курмаев Р.Х., Иванов В.Г. Технология виртуально-физических испытаний X-in-the-Loop как инструмент исследования и разработки электрического транспорта // Труды НАМИ. – 2021. – № 2 (285). – С. 6–14. DOI: 10.51187/0135-3152-2021-2-6-14. EDN: DJTJKK.

10. Курмаев Р.Х., Лепёшкин А.В. Повышение точности математической модели движения колёсной машины на основании использования результатов её испытаний // Известия МГТУ МАМИ. – 2009. – Т. 1. – № 1. – С. 46–56. EDN: KHRAQJ.

11. Дадашев М.Д., Щербаев П.А. Статистика и тенденции развития легковых электромобилей, применение для их эскизного проектирования методов статистического анализа // Автомобильная промышленность. – 2024. – № 4. – С. 4–9. EDN: IGKAHT.

12. Lauinger C. et al. Chain CVT highlights for new energy vehicles / VDI-CVT. – Baden-Baden, 2019.

13. Srivastava N., Haque I. Nonlinear dynamics of a friction-limited drive: application to a chain continuously variable transmission (CVT) system // Journal of Sound and Vibration. – 2009. – V. 321. – No. 1-2. – P. 319–341.

14. Do H., Oh S. CVT for a small electric vehicle using centrifugal belt pulley // Energies. – 2022. – V. 15. – No. 23. – P. 8800.

15. Perodua Ativa – how D-CVT is different to other CVTs. URL: https://paultan.org/2021/02/24/peroduaativa-how-d-cvt-is-different-to-other-cvts (дата обращения: 21.10.2024).

16. Van der Sluis F. et al. The CVT pushbelt reinvented for future compact and efficient powertrains / Proceedings of the 2017 JSAE Annual Congress, Yokohama, Japan. – 2017. – P. 24–26.