satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2021-20-4-310-319sat-2464Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕMECHANICAL ENGINEERING АND ENGINEERING SCIENCEЭкспериментальные характеристики механической бесступенчатой передачи с внутренними силовыми функциямиExperimental Characteristics of Mechanical Continuously Variable Transmission with Internal Force FunctionsЮркевичА. B.YurkevichA. V.

Кандидат технических наук, доцент

Адрес для переписки: Юркевич Андрей Владиленович  – Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения Уральского отделения РАН, ул. Комсомольская, 34, 620049, г. Екатеринбург, Российская Федерация. Тел.: (343) 374-47-25 ges@imach.uran.ru

Address for correspondence: Yurkevich Andrey V. – Federal State Budgetary Scientific Institution “Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of  Sciences”, 34, Komsomolskaya str., 620049, Ekaterinburg, Russian Federation. Tel.: (343) 374-47-25 ges@imach.uran.ru

ges@imach.uran.ruТерешинА. В.TereshinA. V.

Инженер

г. Екатеринбург

Ekaterinburg

ges@imach.uran.ruСолдаткинВ. А.SoldatkinV. A.

Инженер

г. Екатеринбург

Ekaterinburg

ges@imach.uran.ruИнститут машиноведения Уральского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202119072021204310319Copyright © Юркевич А.B., Терешин А.В., Солдаткин В.А., 20212021Юркевич А.B., Терешин А.В., Солдаткин В.А.Yurkevich A.V., Tereshin A.V., Soldatkin V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/2464

Предлагается для повышения энергоэффективности использования автотранспортного средства, оснащенного поршневым двигателем внутреннего сгорания, в качестве трансмиссии применять новый тип механических бесступенчатых передач с внутренними силовыми функциями. Показано, что если в известном многопоточном  импульсном вариаторе В. Ф. Мальцева механизмы свободного хода дополнить упругими валами – торсионами,  то такой вариатор превращается в непрерывный трансформатор – механическую бесступенчатую передачу с внутренними силовыми функциями. Появляются внутренняя автоматичность и непрерывность во всем диапазоне изменения передаточного отношения. Это схемное техническое решение реализовано в экспериментальном образце. В ходе испытаний изучены свойства и характеристики такой механической бесступенчатой передачи. Приведены кинематическая схема и основные конструктивные размеры экспериментального образца. Разработаны специальное стендовое оборудование и измерительно-регистрирующая аппаратура. Определен перечень регистрируемых параметров. Статистически оценена точность их измерения. Результаты экспериментов представлены в виде зависимостей крутящих моментов на ведомом и ведущем валах передачи от частоты вращения ведомого вала. Показано, что характеристики передачи в безразмерном виде – коэффициент трансформации и коэффициент полезного действия – в функции внутреннего передаточного отношения являются универсальными. Установлено, что путем независимого изменения  амплитуды колебаний внутренних звеньев (уровня силовой функции) и частоты вращения ведущего вала можно получить бесконечный кинематический и значительный силовой диапазоны передачи. Передача обладает высокими преобразующими и энергетическими свойствами, которые лучше, чем у гидродинамических передач.

The paper proposes a new type of a mechanical continuously variable transmission with internal force functions  to upgrade the energy efficiency of a vehicle equipped with a conventional engine. The prototype of the transmission is a well-known V. F. Maltsev concurrent pulse variator in which freewheel mechanism driven members are supplemented with elastic torsions shafts. It is shown that the variator turns into a continuous transformer – a mechanical continuously variable transmission with internal force functions. There is an internal automaticity and continuity in the entire range of gear ratio changes. The configuration engineering solution is implemented in the engineering prototype. The aim of the research is experimental study of the properties and characteristics of such a mechanical continuously variable transmission. The kinematic configuration and the main structural dimensions of the engineering prototype are given. Special testing facility and measuring-and-recording equipment have been developed. A set of parameters to be recorded has been specified. The accuracy of their measurement is statistically estimated. The results of the experiments are presented in terms of output and input torque dependencies on the speed of the driven shaft. It is shown that the transmission characteristics in their dimensionless form (transformer ratio and efficiency) in the function of internal gear ratio are universal. The possibility of obtaining an infinite kinematic and significant power transmission ranges by independently changing the internal link oscillation range (level of the force function) and the rotation frequency of the drive shaft has been experimentally shown. The transmission  has high transforming and energy properties, which are higher than those of hydrodynamic gears.

механическая бесступенчатая передачамеханизм свободного ходаамплитуда колебанийторсионный валсиловая функцияиспытательный стендэкспериментальная безразмерная характеристикавнутреннее передаточное отношениекоэффициент трансформацииКПДmechanical continuously variable transmissionfreewheel mechanismoscillation rangetorsion shaftforce functiontesting facilityexperimental dimensionless characteristicsinternal gear ratiotransformer ratioefficiencyРабота выполнена по госбюджетной теме № 0391-2014-0007.ReferencesБлагонравов, А. А. Механические бесступенчатые передачи / А. А. Благонравов. Екатеринбург: УрО РАН, 2005. 202 с.Blagonravov A. A. (2005) Mechanical Continuously Variable Transmissions. Ekaterinburg, Publishing House of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. 202 (in Russian).Благонравов, А. А. Повышение энергоэффективности транспортных машин при использовании механических бесступенчатых передач с регулируемыми силовыми функциями / А. А. Благонравов, А. В. Юркевич // Журнал автомобильных инженеров. 2017. Т. 103, № 2. С. 18–21.Blagonravov A. A., Yurkevich A. V. (2017) Improving the Energy Efficiency of Transport Vehicles Using Mechanical Continuously Variable Transmissions with Variable Power Functions. Zhurnal Avtomobilnykh Inzhenerov = Zurnal AAI, 103 (2), 18–21(in Russian).Hailemariam, N. H. Design and Development of Power Transmission System for Green and Light Weight Vehicles: a Review / N. H. Hailemariam, T. D. Redda // The Open Mechanical Engineering Journal. 2018. Vol. 12, No 1. Р. 81–94. https://doi.org/10.2174/1874155X01812010081.Hailemariam N. H., Redda T. D. (2018) Design and Development of Power Transmission System for Green and Light Weight Vehicles: a Review. The Open Mechanical Engineering Journal, 12 (1), 81–94. https://doi.org/10.2174/1874155X01812010081.Ehsani, M. Modern Electric, Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles: Fundamentals, Theory and Design / M. Ehsani, Y. Gao, A. Emadi. CRCpress, 2017. https://doi.org/10.1201/9781420054002/.Ehsani M., Gao Y., Emadi A. (2017) Modern Electric, Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles: Fundamentals, Theory and Design. CRCpress. https://doi.org/10.1201/9781420054002.Экономика современных и перспективных конструкций автомобилей в их полном жизненном цикле / В. К. Азаров [и др.] // Журнал автомобильных инженеров. 2013. Т. 78, № 1. С. 46–48.Azarov V. K., Kozlov A. V., Kutenev V. F., Terenchenko A. S. (2013) Economics of Modern and Advanced Car Designs in their Full Life Cycle. Zhurnal Avtomobilnykh Inzhenerov = Zurnal AAI, 78 (1), 46–48 (in Russian).Сушкевич, П. П. Трансформация мировой автомобильной промышленности / П. П. Сушкевич // Наука и техника. 2018. Т. 17, № 5. С. 432–439. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2018-17-5-432-439.Sushkevich P. P. (2018) Transformation of the Global Automotive Industry. Nauka i Tekhnika = Science & Technique, 17 (5), 432–439. https://doi.org/10.21122/ 2227-1031-2018-17-5-432-439 (in Russian).Куликов, И. А. Сравнительное исследование энергетической эффективности комбинированных энергоустановок, предназначенных для транспортных средств / И. А. Куликов, Л. Ю. Лежнев, С. В. Бахмутов // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2019. № 1. С. 15–25. https://doi.org/10.1134/S0235711919010103.Kulikov I. A., Lezhnev L. Yu., Bakhmutov S. V. (2019) Comparative Study of the Energy Efficiency of Combined Power Plants Intended for Vehicles. Problemy Mashinostroeniya i Nadiozhnosty Mashin [Problems of Mechanical Engineering and Machine Reliability], (1), 15–25. https://doi.org/10.1134/S0235711919010103 (in Russian).Куликов, И. А. Поиск оптимального управления гибридной силовой установкой автомобиля по критерию баланса его экологических и топливно-экономических свойств / И. А. Куликов, В. В. Селифонов, А. И. Филонов // Известия МГТУ МАМИ. 2010. Т. 10, № 2. С. 44–51.Kulikov I. A., Selifonov V. V., Filonov A. I. (2010) Search for Optimal Control of a Hybrid Power Plant of a Car According to the Criterion of Balance of its Ecological and Fuel-Economic Properties. Izvestiya MGTU MAMI [Proceedings of Moscow State Technical University], 10 (2), 44–51 (in Russian).Кузнецов, А. Г. Анализ возможности работы двигателя с минимальным расходом топлива / А. Г. Кузнецов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. Т. 664, № 7. С. 52–58.Kuznetsov A. G. (2015) Analysis of the Possibility of Engine Operation with Minimum Fuel Consumption. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Mashinostroenie = BMSTU Journal of Mechanical Engineering, 664 (7), 52–58 (in Russian).Петров, В. А. Автоматическое управление бесступенчатых передач самоходных машин / В. А. Петров. М.: Машиностроение, 1986. 248 с.Petrov V. A. (1986) Automatic Control of Continuously Variable Transmissions of Self-Propelled Machines. Moscow, Mashinostroenie Publ. 248 (in Russian).Павловская, О. О. Формирование идеальной тяговой характеристики колесной машины и экономичной характеристики двигателя внутреннего сгорания регулированием электромеханической трансмиссии / О. О. Павловская, С. В. Кондаков, Л. С. Носенко // Вестник ЮУрГУ. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. 2013. Т. 3, № 2. С. 64–73.Pavlovskaya O. O., Kondakov S. V., Nosenko L. S. (2013) Formation of an Ideal Traction Characteristic of a Wheeled Vehicle and an Economic Characteristic of an Internal Combustion Engine by Regulating an Electromechanical Transmission. Vestnik YuUrGU Seriya “Komp'yuternye Tekhnologii, Upravlenie, Radioelektronika” = Bulletin of the South Ural State University, Series “Computer Technologies, Control, Radioelectronics”, 3 (2), 64–73 (in Russian).Бахмутов, С. В. Исследование возможностей оптимизации объемной гидропередачи по показателям динамики разгона и топливной экономичности / С. В. Бахмутов, Д. Н. Гусаков // Известия МГТУ МАМИ. 2007. Т. 4, № 2. С. 11–14.Bakhmutov S. V., Gusakov D. N. (2007) Investigation of the Possibilities of Optimizing Volumetric Hydraulic Transmission in Terms of Acceleration Dynamics and Fuel Efficiency. Izvestiya MGTU MAMI [Proceedings of Moscow State Technical University], 4 (2), 11–14 (in Russian).Modeling, Kinematics and Traction Performance of No-Spin Mechanism Based on Roller-Disk Type of Traction Drive Continuously Variable Transmission / С. Li [et al.] // Mechanism and Machine Theory. 2019. Vol. 133. Р. 278–294. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2018.11.017.Li С., Li H., Li Q., Zhang S., Yao J. (2019) Modeling, Kinematics and Traction Performance of No-Spin Mechanism Based on Roller-Disk Type of Traction Drive Continuously Variable Transmission. Mechanism and Machine Theory, 133, 278–294. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2018.11.017.Bertini, L. Analytical Model for the Power Losses in Rubber V-Belt Continuously Variable Transmission (CVT) / L. Bertini, L. Carmignani, F. Frendo // Mechanism and Machine Theory. 2014. Vol. 78. Р. 289–306. https://doi. org/10.1016/j.mechmachtheory.2014.03.016.Bertini L., Carmignani L., Frendo F. (2014) Analytical Model for the Power Losses in Rubber V-Belt Continuously Variable Transmission (CVT). Mechanism and Machine Theory, 78, 289–306. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2014.03.016.Design and Analysis of a Novel Wheel Type Continuously Variable Transmission / Х. Chen [et al.] // Mechanism and Machine Theory. 2017. Vol. 107. Р. 13–26. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2016.08.012.Chen X., Hang H., Wang W., Li Y. (2017) Design and Analysis of a Novel Wheel Type Continuously Variable Transmission. Mechanism and Machine Theory, 107, 13–26. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2016.08.012.Гулиа, Н. В. Адаптивный вариатор и его возможности. Результаты экспериментальной проверки / Н. В. Гулиа, С. А. Юрков // Автомобильная промышленность. 2002. № 3. С. 17–20.Gulia N. V., Yurkov S. A. (2002) Adaptive Variator and its Capabilities. Experimental Test Results. Avotomobilnaya Promyshlennost [Automotive Industry], (3), 17–20 (in Russian).Гируцкий, О. И. Создание электронных систем управления и диагностирования гидромеханических передач мобильных машин: этапы, пути и перспективы / О. И. Гируцкий, В. П. Тарасик // Журнал автомобильных инженеров. 2013. № 4. С. 18–23.Girutsky O. I., Tarasik V. P. (2013) Creation of Electronic Control Systems and Diagnostics of Hydro-Mechanical Transmissions of Mobile Machines: Stages, Ways and Prospects. Zhurnal Avtomobilnykh Inzhenerov = Zurnal AAI, (4), 18–23 (in Russian).Леонов, А. И. Механические бесступенчатые нефрикционные передачи непрерывного действия / А. И. Леонов, А. Ф. Дубровский. М.: Машиностроение, 1984. 192 с.Leonov A. I., Dubrovskii A. F. (1984) Continuous Mechanical Stepless Non-Friction Transmissions. Moscow, Mashinostroenie Publ. 192 (in Russian).Благонравов, А. А. Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа / А. А. Благонравов. М.: Машиностроение, 1977. 143 с.Blagonravov A. A. (1977) Mechanical Stepless Transmissions of Non-Friction Type. Moscow, Mashinostroenie Publ. 143 (in Russian).Благонравов, А. А. Регулируемая внутренняя автоматичность механического бесступенчатого трансформатора / А. А. Благонравов, А. В. Юркевич, А. В. Терешин // Вестник машиностроения. 2014. № 2. С. 3–7.Blagonravov A. A., Yurkevich A. V., Tereshin A. V. (2014) Adjustable Internal Automaticity of Mechanical Continuously Variable Transformer. Vestnik Mashinostroeniya [Mechanical Engineering Bulletin], (2), 3–7 (in Russian).Мальцев, В. Ф. Механические импульсные передачи / В. Ф. Мальцев. М.: Машиностроение, 1978. 367 с.Maltsev V. F. (1978) Mechanical Impulse Transmissions. Moscow, Mashinostroenie Publ. 367 (in Russian).Энергетические характеристики механического выпрямителя бесступенчатых передач с регулируемой внутренней автоматичностью / А. А. Благонравов [и др.] // Журнал автомобильных инженеров. 2015. Т. 93, № 4. С. 26–31.Blagonravov A. A., Yurkevich A. A., Yurkevich A. V., Tereshin A. V., Soldatkin V. A. (2015) Energy Characteristics of a Mechanical Rectifier of Continuously Variable Transmissions with Adjustable Internal Automaticity. Zhurnal Avtomobilnykh Inzhenerov = Zurnal AAI, 93 (4), 26–31 (in Russian).Blagonravov, A. A. Automatic Control of a Stepless Mechanical Transmission with an Internal Force Function / A. A. Blagonravov, A. V. Yurkevich, A. А. Yurkevich // Russian Engineering Research. 2017. Vol. 37, No 3. Р. 185–188. https://doi.org/10.3103/s1068798x17030054.Blagonravov A. A., Yurkevich A. V., Yurkevich A. А. (2017) Automatic Control of a Stepless Mechanical Transmission with an Internal Force Function. Russian Engineering Research, 37 (3), 185–188. https://doi.org/10.3103/s1068798x17030054.Косов, В. П. Стенд для экспериментальных исследований механического бесступенчатого трансформатора момента / В. П. Косов, А. В. Терешин // Символ науки. 2015. Ч. 1, № 9. С. 74–76.Kosov V. P., Tereshin A. V. (2015) Test Bench for Experimental Research of a Mechanical Stepless Torque Transformer. Simvol Nauki [Science Symbol], 1 (9), 74–76 (in Russian).Yurkevich, A. V. Modular Measuring and Computing System Performance / A. V. Yurkevich, A. V. Tereshin, V. A. Soldatkin // Инновационная наука. 2015. Ч. 1, № 10. С. 41–44.Yurkevich A. V., Tereshin A. V., Soldatkin V. A. (2015) Modular Measuring and Computing System Performance. Innovatsionnaya Nauka [Innovative Science], 1 (10), 41–44.Солдаткин, В. А. Методика экспериментального определения частоты вращения валов механического бесступенчатого трансформатора момента / В. А. Солдаткин, А. В. Терешин, И. А. Юркевич // Инновационная наука. 2016. Ч. 2, № 10. С. 114–116.Soldatkin V. A., Tereshin A. V., Yurkevich I. A. (2016) Technique for Experimental Determination of Rotation Frequency for Shafts of Mechanical Stepless Torque Transformer. Innovatsionnaya Nauka [Innovative Science], 2 (10), 114–116 (in Russian).Тензоусилитель телеметрический ТТ01: руководство по эксплуатации. Минск, 2014. 15 с.Telemetric Strain-Gauge Amplifier ТТ01: Operational Manual. Minsk, 2014. 15 (in Russian).Солдаткин, В. А. Оценка погрешности передачи результатов измерений тензоусилителя телеметрического ТТ01 / В. А. Солдаткин // Инновационная наука. 2015. Ч. 2, № 11. С. 120–121.Soldatkin V. A. (2015) Estimation of Transmission Error of Measurement Results for Telemetric Strain Gauge ТТ01. Innovatsionnaya Nauka [Innovative Science], 2 (11), 120–121 (in Russian).Ревняков, Е. Н. Уточнение расчета внешней характеристики механической бесступенчатой передачи / Е. Н. Ревняков, А. А. Воронцов, М. В. Вязников // Вестник машиностроения. 2007. № 10. С. 9–12.Revnyakov E. N., Vorontsov A. A., Vyaznikov M. V. (2007) Calculation Refinement of External Characteristics for Mechanical Continuously Variable Transmission. Vestnik Mashinostroeniya [Mechanical Engineering Bulletin], (10), 9–12 (in Russian).Экспериментальное исследование нагруженности основных элементов механического бесступенчатого трансформатора момента, обоснование выбора диапазона изменения внутренней силовой функции: отчет о НИОКТР (заключ.); рук. А. А. Благонравов, исп. А. В. Юркевич [и др.]. Курган, 2016. 156 с. № РН 01201368139. ИКРБС АААА-Б16-216032150071-4.Yurkevich A. V., Blagonravov A. A. [et al.] (2016) Experimental Study on Loading of Main Elements in Mechanical Stepless Torque Transformer, Substantiation of Choice for Range of Changes in the Internal Power Function: Report on Research and Technological Development (final). No РН 01201368139. ИКРБС АААА-Б16-216032150071-4. Kurgan. 156 (in Russian).Проектирование трансмиссий автомобилей: справочник / под общ. ред. А. И. Гришкевича. М.: Машиностроение, 1984. 272 c.Grishkevich A. I. (1984) Design of Car Transmissions. Moscow, Mashinostroenie. 272 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.