奔萨国立大学的科学家团队开发了一款Web应用程序，用于模拟和可视化汽车工业关键零件——无级变速器（CVT）带轮表面的微观形貌。通过对该零件进行现代化改造，车辆的燃油消耗有望显著降低。根据研究团队的估算，借助该Web应用程序优化制造工艺，燃油节省量可达约20%。这一创新方案已引起农业机械制造商的浓厚兴趣。相关研究由当地报纸及“搜索”和“科学Mail”等媒体进行了报道。
无级变速器是一种自动变速箱类型，其最大特点在于扭矩传递可实现无级变化。行驶过程中，驾驶者几乎感觉不到换挡冲击、顿挫或车速的突然变化。正因如此，越来越多的汽车厂商为其车型选择无级变速器，尤其适合城市跨界车——行驶平顺、毫无顿挫感，堪称城市驾驶的理想变速箱。此外，无级变速器的制造成本相对较低，也是其重要优势之一。
无级变速器的核心部件包括两个带轮：主动轮（与动力装置相连）和从动轮（将动力传递至车轮）。每个带轮类似于一对尖端相对的圆锥体，安装在轴上，动力通过专用皮带传递。随着带轮盘面的收缩与扩张，皮带与带轮接触点的直径发生变化，从而实现车辆平稳加速，避免顿挫和发动机剧烈轰鸣。有人误以为无级变速器始终维持在中等转速，无法发挥全部动力，但实际上，无级变速传动系统同样可以全功率运行，其“安静”特性源于独特的工作方式。
皮带与带轮共同构成皮带传动系统。在传递扭矩的过程中，会产生与皮带打滑相关的能量损失，这会降低变速箱及整车的传动效率，进而导致额外的燃油消耗。”该Web应用程序的主要开发者之一、技术科学副博士、奔萨国立大学“计算机数学保障与应用”系副教授亚历山德拉·格纳拉洛娃介绍道。
在奔萨国立大学（PGU），科研团队已为这项旨在最大限度减少效率损失的技术申请了专利，并开发了相应的Web应用程序。研究团队还包括奔萨国立大学“计算机软件与应用”系副教授、技术科学副博士亚历山大·格纳拉洛夫，以及毕业生阿尔乔姆·尼库林和德米特里·比奇科夫。他们特别关注带轮表面的微观结构。该Web应用程序能够对这些零件的理想表面进行结构化建模，并模拟加工参数（如振动频率与振幅、刀具几何形状、进给量）对表面纹理形成的影响。
研究员亚历山大·格纳拉洛夫强调，表面质量控制是任何零件（包括带轮）制造过程中的关键环节之一。对于无级变速器带轮而言，表面质量要求极高。带轮表面几乎像镜子一样光滑，但在加工过程中，刀具会在表面形成各种微观结构。对于无级变速器带轮，表面粗糙度指标至关重要。奔萨国立大学的科学家首次提出在加工过程中于零件表面人为施加波纹结构，并通过一种专门用于检测和记录波形振动的仪器——波形记录仪，来控制波纹的施加时机。
“在传统机械工程中，波纹度通常被视为表面的负面因素。但在我们的设计中，合理的波纹结构能让皮带更好地贴合带轮，从而减少打滑，提高传动效率。”亚历山德拉·格纳拉洛娃分享道。
科学家们开发了独特的算法和数学模型，在构建和结构化表面时，将切削工具的自激振动纳入考量。据亚历山德拉·格纳拉洛娃介绍，这一点至关重要，因为这种“外部噪声”会直接影响最终加工质量。他们的数学模型能够综合考虑工艺处理参数以及带轮表面切削加工过程中存在的振动。在PGU，研究人员还深入分析了切削刀具的运动学特性。
“我们重点关注进给量、切削深度和切削速度，而刀具的几何参数同样重要，因为切削角度也会对最终表面形貌产生影响。”这位科学家继续说道。
上述算法和数学模型已被集成到以Web应用程序形式实现的程序中。用户只需点击链接，在弹出窗口中输入初始数据：刀具角度、振动幅度、加工参数，同时指定零件或其特定区域的比例尺，随后即可进行模拟。屏幕上会显示出未来加工表面的纹理，用户可以从中提取任意位置的轮廓图或波形图。这些数据可用于精确控制带轮的表面质量，从而为选择最佳工艺参数、获得预期表面形貌提供科学依据。随后，获取的数据将传递给工艺人员，用于实际零件制造。
“该Web应用程序能够选择并优化带轮表面的加工工艺，使最终产品不仅获得所需的粗糙度参数，还能满足特定的波纹度要求。”亚历山德拉·格纳拉洛娃补充道。
在与奔萨本地机械制造企业的合作中，PGU的科学家依据Web应用程序生成的工艺流程，实际制造了五个带轮样品。这些样品在PGU的专用试验台上进行了测试，该试验台可用于测试乘用车的机械变速箱和无级变速器。试验台由带有牵引电动机的框架、与无级变速器输出轴相连的负载电动机以及控制单元组成。无级变速器上还配备了用于记录温度、压力和油位的电子仪器。
科学家可以为变速箱测试设定特定参数，整个过程完全可控。测试结果显示，与原装带轮相比，采用优化工艺制造的带轮使燃油经济性提高了18%。
“该模型具有良好的收敛性，误差较小。因此，通过提高无级变速传动系统的效率，确实可以实现燃油经济性的提升。”亚历山德拉·格纳拉洛娃讲述了实验结果。
目前，奔萨国立大学已与坦波夫州一家专门生产农业机械的企业开展合作。该企业对奔萨科学家的提议表现出浓厚兴趣，因为收割机中普遍安装了无级变速变速箱。这项技术的推广应用，有望在农业机械领域同样带来显著的燃油节省和效率提升。
