Безразмерные характеристики гидротрансформатора

    Гидротрансформатор (ГТ) представляет собой гидравлический механизм, который обычно располагается между двигателем и коробкой передач ТМ. Он обеспечивает автоматическое изменение передаваемого от двигателя крутящего момента в соответствии с изменением нагрузки на выходном валу коробки передач. Гидротрансформатор, в отличие от гидромуфты, состоит из трех и более лопастных колес: насоса, соединенного с корпусом ГТ, и приводимого во вращение от коленчатого вала двигателя или согласующего редуктора; турбины, связанной с первичным валом коробки передач и реактора, закрепленного через муфту свободного хода на пустотелом валу, жёстко соединенном с картером коробки передач. Муфта свободного хода позволяет колесу реактора вращаться только в одном направлении попутно с вращением насосного колеса.

     ГТ, у которого на некоторых режимах реактор может отсоединяться от внешней опоры, называется комплексным. При этом ГТ переходит на режим работы гидромуфты, что повышает его преобразующие свойства.

Внутренняя часть корпуса ГТ является его рабочей полостью и заполняется циркулирующим под давлением маловязким маслом.  

    В трансмиссиях ТМ применяют комплексные ГТ. Наибольшее распро-странение получили комплексные трёх- и четырёхколёсные трансформаторы, имеющие соответственно один и два реактора, установленные на муфтах свободного хода. Принципиальные схемы таких ГТ показаны на рисунке 6.5.

2

1

T

P

H

M

а)

2

1

T

1P

2P

H

1M

2M

Ф

б)

 

 

  Рисунок 6.4 – Схемы гидротрансформаторов ТМ:

а) комплексный ГТ с одним реактором; б) комплексный блокируемый ГТ с двумя реакторами

1 – входной вал; 2 – выходной вал; Н – насосное колесо; Т – турбинное колесо;

Р – реактор; М – муфта свободного хода; Ф – блокировочный фрикцион

 

При работе гидротрансформатора масло, нагнетаемое в рабочую полость, захватывается лопатками вращающегося насосного колеса, отбрасывается цен-тробежной силой вдоль криволинейных лопаток к его периферии и поступает на лопатки турбинного колеса. В результате создаваемого при этом напора масла турбинное колесо приводится в движение вместе с выходным валом 2 (первич-ным валом коробки передач). Далее масло поступает на лопатки реактора, изме-няющего направление потока жидкости, и затем в насосное колесо, непрерывно циркулируя по замкнутому кругу рабочей полости и участвуя в общем вращении с колесами гидротрансформатора. Поток жидкости, выходящей из турбинного колеса, ударяется в лопатки реактора с тыльной, по отношению к направлению вращения, стороны. Муфта свободного хода при этом заклинивается, благодаря чему реактор становится неподвижным. Наличие неподвижного реактора способствует возникновению на его лопатках реактивного момента, воздействующего через жидкость на лопатки турбинного колеса дополнительно к моменту, передаваемому на него от насосного колеса.

Чем медленнее вращается турбинное колесо (по сравнению с насосным), тем значительнее лопатки реактора изменяют направление проходящего через него потока жидкости и тем больший дополнительный момент передается от реактора турбинному колесу. В результате этого крутящий момент, передавае-мый с вала турбины на трансмиссию, увеличивается и может в 2-3 раза превышать крутящий момент двигателя.

При значительном повышении числа оборотов турбинного колеса, направ-ление потока жидкости, поступающего с лопаток турбины, изменяется, и жидкость ударяется в лицевую поверхность лопаток реактора, стремясь вращать его в обратную сторону. В этом случае муфта свободного хода, расклиниваясь, освобождает реактор, и он начинает свободно вращаться в одном направлении с насосным колесом. При этом, ввиду отсутствия на пути потока жидкости непод-вижных лопаток, трансформация (изменение) момента прекращается, а КПД гидротрансформатора увеличивается, т.е. ГТ переходит на режим работы ГМ.

Способность гидротрансформатора автоматически изменять соотношение моментов на валах в зависимости от соотношения частот вращения входного 1 и выходного 2 валов, является его основной особенностью. Таким образом, действие гидротрансформатора подобно действию коробки передач с автомати-ческим изменением передаточного числа.

Но так как диапазон изменения крутящего момента гидротрансформатором недостаточен для различных условий эксплуатации ТМ, а также он не обеспечивает получение передачи заднего хода, поэтому на ТМ гидро-трансформатор обычно устанавливают совместно с планетарной или вальной механической коробкой передач с многодисковыми фрикционами.

           Применение двух реакторов позволяет расширить зону работы ГТ с высо-ким КПД.

    В гидротрансформаторах ТМ, работающих на дорогах с твёрдым покрытием, для повышения их топливной экономичности и КПД ГТ между насосным и турбинным колёсами устанавливают фрикцион Ф, блокирующий эти колёса (рисунок 6.4, б).

    Режим работы гидротрансформатора также как и гидромуфты определяет его кинематическое передаточное отношение: i _ГТ = ω _Т / ω _Н

где ω _Т – угловая скорость турбины; ω _Н - угловая скорость насоса.

    Силовое передаточное отношение или коэффициент трансформации:

                                                     k_ГТ = M_Т/ M_Н   .   

где M _Н =λ _Н ∙ ρ_ж∙ D _a ⁵∙ ω _Н ² – крутящий момент на валу насосного колеса;                                     

   M _Т =λ_Т∙ ρ_ж∙ D _a ⁵∙ ω _Т ² – крутящий момент на валу турбинного колеса;     

где λ_Н и λ_Т – коэффициенты крутящего момента соответственно насосного и тур- бинного колёс;  ρ_ж – плотность рабочей жидкости, кг/м³;   D_a – активный (наи-больший) диаметр гидротрансформатора, м.

     КПД гидротрансформатора характеризует его энергетические свойства:    η_ГТ  = Р_Т / Р_Н или

                               η_ГТ = M_Т ּ ω_Т / M_Н ּ ω_Н = k_ГТ∙ i _ГТ  .               

    Основным недостатком гидротрансформаторов является то, что они имеют значительно меньший КПД, чем ступенчатые механические коробки передач. Так, максимальное значение η_ГТ = 0,85…0,92 будет только при оптимальном кинематическом передаточном отношении i _ГТ = 0,7…0,8. При других кинемати-ческих передаточных отношениях, больших или меньших оптимального, КПДгидротрансформатора быстро уменьшается.

    Свойства гидродинамических передач полностью отражаются их безраз-мерными характеристиками.

kГТ

λН

    Безразмерная характеристика гидротрансформатора определяет зависимость η_ГТ , _ГТ   и  от его кинематического передаточного отношения i _ГТ и строится по результатам испытаний конкретного гидротрансформатора.

На рисунке 6.5 приведены безразмерные характеристики одно- (рисунок 6.5, а) и двухреакторных (рисунок 6.5, б) комплексных гидротрансформаторов.

Д

λН

Б

kГТ

η 'ГТ

0

kГТ =1

ηГТ =1

А

1

i ''ГТ

i '''ГТ

λН

Г

η ''ГТ

В

б)

iГТ

i 'ГТ

ηГМ

λН

kГТ

ηГТ

ηГМ

а)

ηГТ

kГТ

η ГТ

kГТ

λН

kГТ =1

А

Б

0

1

i 'ГТ

iГТ

 

Рисунок 6.5 – Безразмерные характеристики комплексных ГТ:

а – однореакторного; б – двухреакторного блокируемого

    При коэффициенте трансформации   k_ГТ > 1 муфта свободного хода М (ри-сунок 6.4, а) заклинена, и реактор неподвижен. В этом случае КПД гидротранс-форматора характеризуется линией ОА кривой η _ГТ  (рисунок 6.5, а). При пере-даточном отношении i'_ГТ, соответствующем коэффициенту трансформации     k_ГТ = 1, муфта свободного хода (МСХ) расклинивается (точка А), и реактор вращается вместе с турбиной, не оказывая влияние на циркуляцию масла. ГТ переходит на режим работы ГМ. Изменение его КПД в этом случае характеризуется отрезком АБ прямой. Наличие нескольких реакторов в ГТ позволяет ещё больше улучшить его преобразующие свойства.

    В круге циркуляции масла гидротрансформатора (рисунок 6.4,б) между насосом 1 и турбиной 2 на муфтах свободного хода 1М и 2М  устанавливаются два реактора 1Р и 2Р. Оба реактора при совместной работе обеспечивают изме-нение КПД по линии ОА кривой η' _ГТ  (рисунок 6.5, б). Конструкция первого ре-актора (рисунок 6.4, б) выполнена таким образом (профиль лопаток), что при определённом передаточном отношении i' _ГТ , соответствующем точке А (рису-нок 6.5, б), нагрузка на этот реактор становится равной нулю. МСХ 1М первого реактора при этом расклинивается, и реактор вращается вместе с турбиной. Пос-ле этого работает только второй реактор. Изменение КПД гидротрансформатора в этом случае характеризуется участком АБ кривой η'' _ГТ  . При определённом передаточном отношении i''_ГТ (точка Б) МСХ 2М второго реактора также расклинивается и многоступенчатый гидротрансформатор переходит на режим работы гидромуфты (отрезок БВ прямой η _ГМ).

    Кроме указанных мероприятий, чтобы повысить тягово-скоростные свойства и топливную экономичность автомобиля, ГТ делают блокируемыми.  

    Безразмерная характеристика такого ГТ приведена на рисунке 6.5, б. При передаточном отношении i'''_ГТ (близком к 1) валы турбины и насоса ГТ бло-кируются (жёстко соединяются) с помощью специального фрикциона Ф (рису-нок 6.4, б), что соответствует на рисунке 6.5, б точке В. После блокировки валов КПД гидротрансформатора возрастает до единицы, т.е. η_ГТ   = 1.