Планетарный велосипедный вариатор NuVinci — это разновидность вариатора на основе роликов. Производится и продвигается американской компанией Fallbrook Technologies Inc. Коммерческое применение в качестве велосипедного вариатора началось в декабре 2006 года, когда он впервые появился в продаже в Нидерландах. Вариатор для велосипеда NuVinci CVT сейчас находится в фазе разработки продуктов для других применений, таких как ветрогенераторы, лёгкие электрические автомобили, нестационарное энергетическое оборудование и внешние приводы вспомогательных механизмов автомобиля.
История NuVinci.
Механические вариаторы были изобретены ещё в 1800-х годах, успешно использовались в оборудовании. Особого успеха добился наклонный шариковый вариатор Копа. Неоднократно делались попытки их внедрения в автомобилях, но коммерческого успеха достигнуто не было.
Технология NuVinci.
Бесступенчатая трансмиссия NuVinci использует серию вращающихся наклонных шариков, располагающихся между входным и выходным дисками трансмиссии. У наклонённых шариков меняется их диаметр в точке контакта и тем самым изменяется передаточное отношение. В результате этого в вариаторе NuVinci достигается плавный и непрерывный переход к любому передаточному соотношению внутри диапазона. Передаточное соотношение непрерывно переключается путём изменения наклона оси шариков, предоставляя разные радиусы контакта, приводящие в движение входной и выходной диски. Для передачи вращающего момента в системе много сфер. «Планеты» расположены по кругу вокруг центрального шкива («солнца») и контактируют по отдельности с входным и выходным тяговыми дисками. Такая конфигурация позволяет сконструировать ввод и вывод вращающего момента концентрическим и компактным. В результате такой конструкции трансмиссия способна переключать передаточное отношение плавно в движении,в нагрузке и во время остановки.
Способность обеспечивать непрерывно изменяющееся передаточное отношение в компактном корпусе вариатору NuVinci позволяют два фактора:
- Первый фактор — это геометрическая конфигурация привода, базирующаяся на разных контактных соотношениях сферы. Контакт с вращающимися сферами в двух разных местах по отношению к оси вращения сферы обеспечивает передаточное отношение, которое в зависимости от места точек контакта входного и выходного тяговых дисков, их скорости изменяется от понижающей до повышающей передачи
- Второй фактор — это упругогидродинамическая смазка. Трансмиссии, использующие для передачи мощности упругогидродинамическую смазку, известны как фрикционный привод. Трансмиссия с фрикционным приводом работает на основе тяговой жидкости, которая в нормальных условиях одновременно обеспечивает смазку для привода. При высоком контактном давлении в роликовом контакте между двумя твёрдыми элементами (сферами и дисками) жидкость практически моментально совершает фазовый переход к упругому твёрдому телу. В пределах пятна контакта молекулы жидкости упаковываются в твёрдую форму, через которую может передаваться вращающий момент. Заметьте, что при этом вращающиеся элементы не находятся в физическом контакте.
Список втулок NuVinci.
| Бренд | Модель | Представлена | Снята с производства | Передачи | Общее передаточное отношение | Вес | Применение |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fallbrook | NuVinci N171 | 2007 год | 2010 год | Непрерывные | 350% | 3,85 – 3,95 кг | Езда в городе |
| Fallbrook | NuVinci N360 | 2010 год | Непрерывные | 360% | 2,45 кг | Езда в городе |
Сравнение велосипедного вариатора NuVinci с классическими системами переключения передач.
Любой вариатор позволяет любой силовой установке, человеческой или моторизированной, всегда работать на скорости (или близко к ней), на которой эффективность, вводной крутящий момент или выходная мощность установки оптимальны. Тем самым вариатор NuVinci может улучшить общую эффективность или производительность системы в сравнении с «традиционной» трансмиссией, но только в том случае, если прирост эффективности или производительности силовой установки от точности установки передаточного соотношения превысит любые потери эффективности или производительности, неизбежно возникающие при замене обычной трансмиссии на вариатор NuVinci. Например, если с вариатором NuVinci эффективность составляет только 85% от эффективности исходной традиционной трансмиссии, то для улучшения общей эффективности выгода от эффективности эксплуатации силовой установки должна составлять 18% (то есть 1/0.85 - 1 = 0.18 или 18%). Компания не указала конкретных значений эффективности их трансмиссии и не предоставила этого даже после запроса.
Из-за простоты конструкции и небольшого количества компонентов вариатор NuVinci легко масштабируемый и поэтому может использоваться в самых разных устройствах.
Сравнение NuVinci с другими вариаторами.
В вариаторе NuVinci для передачи вращающего момента используется роликовое сцепление, такое же как в тороидальных трансмиссиях. Однако в отличии от тороидальных вариаторов переданный вращающий момент распространяется на несколько сфер, снижая тем самым общую прижимающую силу.
Эти конструкционные решения позволяют вариатору NuVinci сочетать плавность и непрерывность передачи мощности с практичностью традиционных планетарных втулок.
Как и в других вариаторах тракционного типа, при передаче вращающего момента через вариатор NuVinci возникает небольшое проскальзывание между пятнами контакта. Это неизбежно возникает из-за того, что для любого пятна контакта части шара движутся в немного разных направлениях и со скоростями, немного не совпадающими с направлениями и со скоростями движения дисков. Этот феномен у вариаторов тракционного типа называется «контактным спином». «Скорость вращения определяется как разница в вращательной скорости ведущего и ведомого роликов в направлении перпендикулярном к плоскости контактного пятна. Это обусловлено относительной разницей в скоростях поверхностей обоих вращающихся напротив контактного пятна элементов и является значительным источником потерь энергии в вариаторах тракционного типа». Во всех вариаторах тракционного типа это проскальзывание неизбежно возникает между поверхностями, находящимися под очень высокими сжимающими давлениями, которые требуются для обеспечения гарантированно надежной передачи вращающих моментов. Проскальзывание под высокими давлением и вызывает потери энергии в трансмиссии. Хотя Fallbrook Technology и отказалась опубликовать информацию по эффективности для вариатора NuVinci, но всё же можно предположить, что эффективность NuVinci такая же, как у вариаторов с «приводом на наклонных шариках» (70% - 89%), разновидностью которого и является данный вариатор. Но всё же геометрия таких вариаторов значительно отличается от вариатора Копа с наклонными шариками, так как в вариаторе NuVinci контакты для передачи вращающего момента расположены на наружном диаметре, а не на внутреннем.
Для большинства применений не требуется гидравлика высокого давления.
Другим преимуществом подобной конструкции вариатора являются варианты расположения входящей и выходящей осей, которые могут располагаться в линию, быть смещены и расположены в U-образной конфигурации (ввод и вывод расположены соосно в одной плоскости), что делает трансмиссию простой, маленькой, лёгкой и компактной.
По заявлениям Fallbrook управление трансмиссией стабильное, линейное и не требует сложной системы управления.
Применения.
Вариатор NuVinci может применяться везде, где требуется механическая передача. На данный момент коммерческое применение вариатор нашёл только на велосипедах. Вариатор NuVinci устанавливается вместо дерайлера или планетарной втулки и предоставляет передаточное отношение приблизительно 350%, практически такое же как на велосипедах с 8- или 9-скоростными планетарными втулками или на велосипедах с двойными ведущими звёздами (большинство гоночных и быстрых дорожных велосипедов). Этот диапазон значительно меньше диапазона в 526% велосипедов с 14-скоростными планетарными втулками Rohloff или большинстве горных, гибридных, туристических велосипедов с тройными ведущими звёздами. Велосипедная втулка NuVinci обоснованно тяжёлая. Модель второго поколения N171B вместе с трещоткой и дополнительным оборудованием весит от 3,85 до 3,95 килограммов. Модель N360, анонсированная в начале сентября 2010 года весит 2,45 кг. Теперь сравните вес NuVinci с «полным весом переднего и заднего дерайлера Shimano SLX, переключателей, втулки с трещоткой и кассетой», составляющих 1,3 кг. Тем не менее следует учитывать, что вариатор NuVinci предназначается для менее чувствительных к весу сегментов (круизёры, комфортные велосипеды и велосипеды для ежедневных поездок на работу).
Компания также планирует выпуск подобных вариаторов для автомобилей.
Награды и слава.
Велосипедный шариковый вариатор NuVinci CVP и велосипеды, на которые он установлен, получили несколько наград, включая награду «Велосипед года для ежедневных поездок на работу» от редакции Bicycling Magazine, награду от EUROBIKE 2010, награду от R&D 2007 100 Awards, награду iF Design EUROBIKE Gold Award в 2008, 2010, 2011 годах, награду «Лучшая новинка 2007 года» от Popular Science, награду «Технология года» и «Велосипед года» в Нидерландах.
Ellsworth Handcrafted Bicycles, производитель велосипедных рам и колёс, выпускает велосипеды с Nuvinci. В 2007 году вариатор в журнале Popular Science попал в престижный ежегодный обзор самых значимых новинок.
Также читайте обзор планетарной втулки Nuvinci CVP.