4.5. Гидродинамические передачи и гидромеханические трансмиссии

В гидродинамических передачах в отличие от механических отсутствуют жесткие связи между источником энергии и ее потребителями. В них лопастные колеса находятся в общей полости, заполненной рабочей жидкостью, получающей и отдающей энергию потребителю.

Г и д р о д и н а м и ч е с к у ю п е р е д а ч у только передающую крутящий момент без его преобразования называют гидродинамической муфтой (гидромуфтой), а преобразующую его - гидротрансформатором.

Принципиальная схема гидромуфты показана на рис. 4.4. Ос-

новными элементами гидромуфты являются два лопастных колеса - ведущее 2 (насосное) с кожухом 3 и ведомое 4 (турбинное). Ведущий вал 1 соединен с источником энергии - двигателем трактора, а ведомый 5 - с приводным валом трансмиссии. Рабочие колеса гидромуфты обычно имеют радиальные лопасти, причем число лопастей в насосе и турбине несколько отличается во избежание возможных резонансных вибраций. Рабочая полость гидромуфты, заполненная рабочей жидкостью, образована пространством между лопатками колес и внутренней поверхностью кожуха 3.

При вращении насосного колеса его лопасти захватывают жидкость, которая под действием центробежных сил с увеличивающейся скоростью устремляется от центра к периферии, создавая гидродинамический напор. С этим напором жидкость поступает на периферийную часть лопаток турбинного колеса и, устремляясь к центру, отдает энергию на его вращение, завершая очередной круг ее циркуляции, показанный на схеме штриховой линией со стрелками.

Чем быстрее вращается насосное колесо, тем больший крутящий момент передается гидромуфтой. Поэтому включение гидромуфты производится автоматически, когда передаваемый момент становится больше момента сопротивления на турбинном колесе.

Отличительной особенностью работы гидромуфты является необходимость некоторой пробуксовки колес. Это связано с тем, что равенство частот вращения обусловливает равенство центробежных сил в насосном и турбинном колесах, а следовательно, прекращение циркуляции жидкости и передачи крутящего момента. Наибольшая пробуксовка (100%) при трогании с места, наименьшая при установившемся движении (порядка 2…4%). Величина пробуксовки оценивается коэффициентом скольжения

277

Рис. 4.4. Принципиальная схема гидромуфты

S = (nН − nТ ) / nН ,

где nН и nТ - частота вращения соответственно насосного и турбинного колес.

При этом

S + η ГМ = 1,

где η ГМ - КПД гидромуфты. Момент, передаваемый гидро-

муфтой,

М=γ λ nН2 D5,

где γ - удельный вес рабочей жидкости; λ - коэффициент пропорциональности (коэффициент момента); D – активный диаметр гидромуфты (наи-

больший диаметр рабочей полости).

Внешняя характеристика гидромуфты, представленная на рис. 4.5, показывает зависимости ее параметров от величины nТ / nН при

nН = Const .

Гидромуфты имеют определенные преимущества по сравнению с фрикционными сцеплениями:

они значительно снижают динамические нагрузки в двигателе и трансмиссии при резких изменениях режима работы МТА, что повышает их долговечность;

не требуют регулировок в эксплуатации; упрощают управление и повышают проходимость МТА.

Однако у них есть один весьма существенный недостаток - они не обеспечивают чистоты выключения, что затрудняет переключение передач в обычных ступенчатых механических КП с разрывом потока мощности. Кроме того, их применение нескольких снижает КПД трансмиссии, так как они всегда работают со скольжением не менее

2...4%.

Принципиальная схема гидротрансформатора показана на рис. 4.6,а. В отличие от гидромуфты он, помимо двух подвижных колес - насосного 3 и турбинного 2, имеет одно неподвижное колесо 4 - реактор, закрепленное на полом валу 5. Для лучшего формирования потока рабочей жидкости в гидротрансформаторе внутренние части его колец выполнены в виде тора, наружные поверхности которых являются границами рабочей полости. Для этой же цели лопасти колес выполнены изогнутыми.

278

Реактор 4 изменяет направление движения протекающей жидкости и воспринимает при этом реактивный момент МР от неподвижного корпуса гидротрансформатора.

Вследствие этого реактор как бы добавляет этот реактивный момент к моменту на насосном колесе 3, для дальнейшей его передачи на турбинное колесо 2, или, наоборот, отнимает его от момента МН, в зависимости от скоростного и силового режима работы гидротрансфор-

матора.
При	неподвижном	турбинном
колесе (трогание трактора с места)
крутящий момент МТ на нем наи-
Рис. 4.5. Внешняя характеристика больший:		(4.6)
гидромуфты	МТ = МН + МР ,
где МН	- крутящий момент на на-

сосном колесе, равный крутящему моменту двигателя, подведенному

кведущему валу 1 гидротрансформатора.

Взависимости от частоты вращения турбинного колеса меняется направление силового потока рабочей жидкости входящего в реактор и соот-

Рис. 4.6. Принципиальная схема:

а – гидротрансформатора; б – комплексной гидродинамической передачи

ветственно его реактивный момент МР. Внешняя характеристика гидротрансформатора, построенная при частоте вращения насосного колеса nН = Const, представлена на рис.4.7. Левее точки А момент на реакторном колесе направлен в сторону момента МН на насосном колесе. При этом момент МТ на турбинном колесе определяется по выражению (4.6).

При равенстве моментов МН и МТ (точка А) реактивный момент МР становится равным нулю. При дальнейшем увеличении частоты вращения

nТ турбинного колеса (правее точки А) крутящий момент МР на реакторном

279

Рис. 4.7. Внешняя характеристика гидротрансформатора

колесе направлен в сторону, противоположную моменту на насосном колесе:

МТ = МН – МР < МН .

Процесс преобразования крутящего момента МТ на выходном валу 6 (см. рис. 4.6,а) турбинного колеса происходит автоматически в зависимости от частоты его вращения. При установившемся движении МТА момент МТ на валу 6 равен моменту сопротивления движению трактора, приведенному к этому же валу. При увеличении внешней нагрузки МТА частота вращения вала 6 снижается и, следовательно, на нем повышается момент МТ (см. рис. 4.7), пока не установится силовое равновесие.

Преобразующее свойство гидротрансформатора оценивается коэффициентом трансформации (силовым передаточным числом):

КТ = МТ / МН .

КПД, оценивающий энергетические потери в гидротрансформаторе,

η Т =	NТ	=	МТ nТ	=	КТ	,
					uТ
	NН		М Н nН

где NН - мощность подведенная к

валу 1 насосного колеса; NТ - мощность отводимая от вала 6 турбин-

ного колеса; uТ = nН / nТ - кинематическое передаточное число гид-

ротрансформатора.

Как видно из внешней характеристики (рис. 4.7) η Т изменяется в широких пределах. Максимальное значение η Т не превышает 0,92.

Наибольший момент на турбинном колесе МТ и соответственно коэффициент трансформации КТ имеют место в момент трогания МТА с места (на стоповом режиме) при η Т =0. При увеличении частоты вращения nТ момент МТ (а соответственно КТ ) падает, а η Т растет достигая максимума при nТ / nН =0,5…0,6. Дальнейшее увеличение nТ приводит к заметному падению η Т. При nТ / nН =0,65…0,75 коэффициент трансформации КТ снижается до единицы. Здесь МТ = МН , как у работающей гидромуфты. Однако при дальнейшем увеличении частоты

280

вращения турбинного колеса МТ < МН при резком падении η Т , что делает дальнейшую работу гидротрансформатора нецелесообразной.

Если совместить данную характеристику гидротрансформатора с ранее приведенной характеристикой изменения КПД гидромуфты, указанной на рис. 4.7 штриховой линией, то видно, что правее точки А работа гидромуфты предпочтительнее. Это связано с тем, что она происходит при высоких значениях КПД (до 0,97), значительно больших чем у гидротрансформатора в данном скоростном режиме.

Чтобы обеспечить такую внешнюю характеристику у гидротрансформатора необходимо иметь не жесткое крепление реактора к его корпусу, а через муфту свободного хода 1 (см. рис.4.6,б). При этом заклинивание муфты 1 должно быть до тех пор, пока на реакторе 2 имеется положительное значение МР (левее точки А на рис. 4.7). Правее точки А изменяется направление момента МР на реакторе и он начинает свободно вращаться, так как муфта 1 (см. рис. 4.6,б) расклинивается. При этом гидротрансформатор переходит в режим работы гидромуфты с более высоким КПД.

Такой гидротрансформатор носит название комплексной гидродинамической передачи и имеет КПД выше, чем у обычного с неподвижным реактором.

Гидротрансформаторы имеют те же положительные качества, что и гидромуфты, но, кроме того, обладают свойством автоматического бесступенчатого изменения кинематического и силового передаточных чисел в зависимости от значения момента сопротивления на турбинном колесе.

Последнее свойство дает возможность использовать гидротрансформатор в трансмиссии трактора, как КП с бесступенчатым изменением передаточного числа. Однако при этом в трансмиссии трактора должны быть установлены дополнительные механические редукторы для получения заднего хода и возможности пуска двигателя методом буксировки. Это несколько снижает положительные качества гидротрансформатора, как КП в трансмиссии трактора.

Необходимо отметить, что на тракторах гидротрансформатор в чистом виде, как КП не применяется, так как диапазон его силового регулирования относительно мал (КТ ≤ 2,5…4) и не обеспечивает требования МТА.

Поэтому для увеличения диапазонов бесступенчатого регулирования передаточных чисел трансмиссии часто сочетают гидродина-

281

мические и ступенчатые механические передачи, соединяя их после-

довательно или параллельно.

При последовательном их соединении диапазон регулирования передаточных чисел большой, но КПД передачи более низкий. При параллельном их соединении КПД передачи увеличивается.

Такие передачи (трансмиссии) носят название гидромеханиче-

ских трансмиссий (ГМТ).

В гидромеханической трансмиссии КП обеспечивает получение диапазонов для бесступенчатого изменения передаточных чисел и заднего хода, а гидротрансформатор - получение бесступенчатого ряда передаточных чисел внутри заданного диапазона.

Основные преимущества гидромеханической трансмиссии следующие:

-бесступенчатое автоматическое изменение крутящего момента на ведущих колесах движителя трактора и скорости МТА в зависимости от сопротивления его движению;

-значительное снижение уровня динамических нагрузок при работе МТА, вследствие их демпфирования промежуточной гидравлической средой;

-высокая энергоемкость, простота конструкции и долговечность гидротрансформатора;

-легкость трогания МТА с места и последующего его разгона;

-предотвращение возможности остановки двигателя при перегрузках МТА.

К недостаткам гидромеханических трансмиссий относятся:

-более низкий КПД по сравнению с механической трансмиссией, что приводит к некоторому увеличению расхода топлива;

-невозможность обеспечения стабильности технологической скорости движения МТА, что особенно важно для сельскохозяйственных тракторов;

-невозможность пуска двигателя буксировкой и снижение эффективности торможения МТА двигателем, при выполнении им транспортных работ.

Для устранения этих недостатков часто применяют фрикционную блокировку гидротрансформатора.

Наибольшее применение гидромеханические трансмиссии находят в колесных и гусеничных промышленных тракторах, где в КП применяют обычно 2-4 передачи.

282