Принцип дії гідродинамічної передачі      

В автомобілях, тракторах і складних сільськогосподарських машинах часто при передачі енергії між валами, що обертаються з різними і перемінними в процесі роботи частотами обертання, застосовують гідродинамічну передачу.

Гідродинамічною передачею називають сукупність механізмів і систем, що передають механічну енергію від двигуна до споживачаза і допомогою потоку рідини.

Гідродинамічні передачі, як правило, складаються з двох частин: насосної і турбінної.                                      

У насосній частині механічна енергія перетворюється на енергію потоку рідини (динамічний напір). У турбінній частині гідравлічна енергія потоку рідини знову перетворюється на механічну.

У гідродинамічних передачах установлюють лопатеві гідромашини (рис. 3.69).

Гідродинамічні передачі на мобільній техніці використовують як складову частину трансмісії, що встановлюється між валом двигуна внутрішнього згоряння І і вхідним валом коробки зміни передач 6.

Робоча рідина подається лопатевим насосом 2 по нагнітальному трубопроводі 3 до лопатевої турбіни 4 і, пройшовши через неї, по усмоктувальному трубопроводу За повертається до насоса 2. В усмоктувальному трубопроводі За може бути встановлений направляючий апарат 5, що завдяки взаємодії потоку рідини з його лопатками дозволяє змінювати величину крутильного моменту на валу турбіни М _{кр т}, у порівнянні з величиною моменту на насосі М_{кр н}. За рахунок великих втрат енергії на подолання сил тертя в нерухомих корпусах насоса 2 і турбіни 4, а також у трубопроводах 3 і За максимальний ККД гідродинамічної передачі, виконаної за схемою (рис. 3.69), знаходиться в межах η = 0,5...0,65.

 

 

 

Німецький учений проф. Феттінгер запропонував ліквідувати трубопроводи і розташувати насос 2, направляючий апарат і турбіну 4 в одному обертальному кожусі, і назвав цю гідродинамічну передачу гідротрансформатором. При цьому максимальний ККД гідротрансформатора досягає η _гтр ⁼ 0,9...0,92.

Якщо в гідродинамічній передачі вимкнути направляючий апарат, то утворюється гідромуфта, максимальний ККД якої дорівнює η _гм= 0,97...0,98, а крутильний момент на її вторинному валу дорівнює крутильному моменту на первинному.

Основна перевага гідродинамічних передач - це безступінчаста й автоматична зміна частоти обертання ведучого вала в залежності від навантаження на веденому валу.

Інші переваги гідродинамічних передач полягають у швидкохідності і плавності роботи (плавне зрушення з місця і плавний розгін), відсутності тертьових пар (практично відсутній знос в основних деталях), безшумності передачі, відсутності крутильних коливань, можливості здійснення дистанційного й автоматичного керування, експлуатаційної надійності.

У цілому застосування гідродинамічних передач робить зручним керування машинами і підвищує економічність останніх.

Гідродинамічні передачі в машинобудівній практиці застосовуються:

- для регулювання швидкості обертання веденого вала при збереженні постійної швидкості обертання ведучого вала;

- для розгону великих махових мас (наприклад підключення і відключення стартера при запуску газових турбін);

- для відключення пристроїв і апаратів розгону на автомобілях, тракторах і тепловозах;

- для складання потужностей і реверса.

 

 

 

Гідромуфти

Типова конструктивна схема гідромуфти (ГМ) представлена меридіональним перерізом (рис. 3.70).

Переріз гідромуфти площиною, яка проходить через її вісь, називається меридіональним.

Гідромуфта складається з насосного колеса 1, установленого на ведучому валу 5, турбінного колеса 2, насадженого на ведений вал 3, і корпуса 4.

Оскільки гідромуфта не має направляючих апаратів, то момент веденого вала дорівнює моменту ведучого, тобто не відбувається трансформації енергії.

Між торцями насосного 1 і турбінного 2 коліс є деякий зазор. Енергія від насосного колеса 1 на турбінне 2 передається через робочу рідину.                                                

В якості робочих рідин у гідродинамічних передачах застосовуються масла: індустріальне 12, індустріальне 20, турбінне і трансформаторне. Температура робочої рідини повинна знаходитися в межах 55...135 °С.

Щоб уникнути надмірного підвищення тиску в робочій порожнині при нагріванні рідини, гідромуфти заповнюють на 85...87%.

Насосне колесо 1, обертаючись від двигуна, подібно до відцентрового насоса, забирає рідину з турбінного колеса 2, що під впливом відцентрової сили відкидається до периферії, переміщаючи її вздовж лопаток і обертаючи її одночасно з колесом. Унаслідок цього робоча рідина здобуває запас кінетичної енергії й енергії тиску. З насосного колеса рідина потрапляє на лопатки турбінного колеса 2, перетворюючи цей запас енергії на механічну роботу обертання веденого вала.

Утративши деяку кількість енергії на подолання опору обертання турбінного колеса 2, рідина по його лопатках направляється до центру гідромуфти, де вона знову переходить на насосне колесо 1, і цикл її руху повторюється.

Таким чином, рідина в гідромуфті циркулює від насосного колеса 1 до турбінного 2 (відносний рух), обертається разом з колесом (переносний рух) і утворює вихрове кільце (абсолютний рух), яке називається кругом циркуляції.

Оскільки вихідний переріз насосного колеса дорівнює вхідному перерізу турбінного колеса і вихідний переріз турбінного колеса дорівнює вхідному перерізу насосного колеса, то крутильний момент насосного колеса дорівнює крутильному моменту на валу турбінного колеса без урахування втрат на тертя повітря й на тертя в підшипниках:

М_{кр н}= М_{кр т}.                (3.141)

При розрахунку гідромуфти потужність на валу насосного колеса і частота обертання двигуна відомі. Насосне колесо від двигуна одержує потужність

,                    (3.142)

де η _н - ККД насосного колеса гідромуфти, η _н = 0,92...0,98; Н і Q — відповідно напір і подача, які створює насосне колесо.

N _н може бути також визначена за формулою

N _н= N _д – N _доп,            (3-143)

де N _д - максимальна потужність двигуна; N _доп - потужність, витрачена на допоміжні механізми:

N _доп=0,1 N _д.                  (3.144)

Коефіцієнт корисної дії гідромуфти

η = ,           (3.145)

де N _т - потужність турбінного колеса; п _н, п _т - частота обертання насосного і турбінного коліс, хв^-1.

Відомо, що М_{кр т} = М_{кр н}, тоді

η = п _т/ п _н= і,              (3.146)

де і - передатне число.

Гідромуфта працює при наявності циркуляції рідини: п _н >  п _т.

Різниця між частотою обертання насосного і турбінного коліс гідромуфти, віднесена до частоти обертання насосного колеса, називається коефіцієнтом ковзання гідромуфти S:

S= .                    (3.147)

З урахування рівняння (3.146) величина ковзання може бути визначена за залежністю

S=1-i.                (3.148)

Ковзання регулюється заповненням гідромуфти робочою рідиною і складає від 2 до 4%.

Гідромуфти виготовляють без тора чи з тором незначної величини. Внутрішнє кільце гідромуфти називається тором, тому що це вихрове кільце має геометричну форму у вигляді порожнього тора.

Тор може бути металевий і повітряний.

Гідромуфти поділяються на регульовані й нерегульовані, постійного і перемінного наповнення.

У регульованій гідромуфті швидкість обертання веденого вала, залежить не тільки від швидкості обертання ведучого вала, але і від положення керованого ззовні регулюючого пристрою. Регульовані гідромуфти дозволяють при п _н = п ₁ = const одержувати різні величини  М_{кр т} і п _т.

У регульованих гідромуфтах передбачається пристрій для керування потоком рідини всередині гідромуфти впливом ззовні.

До нерегульованих належать гідромуфти, в яких при постійній швидкості обертання ведучого вала швидкість обертання веденого вала залежить тільки від навантажувального моменту на веденому валу.

Бувають ще запобіжні ГМ з постійним, але неповним заповненням робочої порожнини. У робочій порожнині таких ГМ установлюють додаткові опори (пороги) чи додаткові камери, що дозволяють при збільшенні ковзання зменшити величину переданого крутильного моменту М_{кр т} і тим самим попередити зупинку двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ).

Для аналізу можливості використання і вивчення властивостей динамічних передач використовують їхні характеристики.

У залежності від збігу параметрів гідродинамічної передачі, наведених на графіках, характеристики бувають: зовнішні, універсальні і приведені.

Зовнішньою характеристикою гідромуфти називається залежність крутильного моменту і ККД від частоти обертання турбінного колеса при постійній частоті обертання насосного колеса.

Вона будується за результатами іспиту гідромуфти при повному чи частковому заповненні її робочою рідиною (якщо об'єм робочої камери заповнений рідиною на 90%, то таке наповнення називається повним, нижче 90% - частковим).

Зовнішню характеристику гідромуфти (рис 3.71) будують так: на осі абсцис відкладають частоту обертання турбінного колеса чи відносну частоту обертання турбіни і _гм = п _т / п _н або величину ковзання S, а на осі ординат - зміну крутильного моменту, значення ККД і потужності. За нормальну розрахункову точку приймається значення крутильного моменту М_{кр гм}= 0 при ковзанні S =2...4% (і=п _т / п _н = 0,96...0,98).

З графіка (рис. 3.71) видно, що гідромуфта належить до передач, в яких кінематичні характеристики залежать від прикладеного навантаження. Максимальний ККД в зоні робочих режимів і _гм = 0,85...0,98 має місце на розрахунковому режимі і дорівнює  = 0,96...0,98. Це основна особливість гідродинамічних передач.

 

Універсальною характеристикою гідромуфти називають залежність її крутильних моментів від частоти обертання турбінного колеса при різних частотах обертання насосного колеса (рис. 3.72).

Універсальну характеристику будують за зовнішніми характеристиками гідромуфти, що одержують у ході випробувань при постійних частотах обертання насосного колеса, приймаючи послідовно п _н = 100%, п′ _н = 90%, п″_н = 80% і т. д.

На універсальній характеристиці будуються графіки залежності крутильних моментів гідромуфти при однакових значеннях ККД, тобто М_{кр гм} = f (п _н, п _т)  при η _гм = const для значення η _гм = 0,1; 0,2; 0,3 і т. д.

Універсальні характеристики гідромуфт використовують для побудови характеристики гідропривода, що відображає спільну роботу передачі і двигуна.

Більш універсальними є наведені характеристики залежностей безрозмірних критеріїв, одержаних на основі теорії подібності, відповідно до основного рівняння лопатевих гідромашин (рівняння Ейлера). Ці характеристики будуються на основі даних, отриманих при побудові зовнішніх характеристик, і дозволяють знайти основні параметри гідродинамічної передачі на різних режимах роботи і при різній частоті обертання вала насоса.

Режим роботи гідромуфти регулюється різними способами.

Регулювання частоти обертання веденого вала і передавального моменту можна виконувати при постійній частоті обертання ведучого вала і при перемінній.

При роботі гідромуфти з постійною частотою обертання ведучого вала регулювання частоти обертання веденого вала можна здійснювати трьома способами: різним ступенем заповнення робочої порожнини; механічною зміною форми робочої порожнини", перевантаженням гідромуфти шляхом прогресуючого збільшення передавального моменту чи навпаки, шляхом зняття навантаження.           

Найбільше поширення одержав рідинний спосіб регулювання - зміна ступеня наповнення рідиною робочої порожнини.

Регулювання зміною частоти обертання ведучого вала двигуна застосовується на транспортних (автомобілі, трактори) і вантажопідйомних машинах. Цей спосіб розглянемо на прикладі автомобіля.

Якщо залишковий момент на валу гідромуфти менше, ніж опір автомобіля при його русі, то машину можна зупинити, не включаючи двигун, а тільки знизивши частоту обертання його вала.

Якщо ж залишковий момент у гідромуфти великий, то для зупинки машини застосовують гальма для ведучих осей.

Гідромуфти, керовані за рахунок зміни форми проточної частини при незмінному ступені заповнення, чи механічно керовані гідромуфти до останнього часу практично не застосовувалися, головним чином, через малу глибину регулювання за моментом.

Механічно керовані гідромуфти за способом впливу їхніх органів керування на потік рідини поділяють на дві групи:

- гідромуфти, регульовані при постійних розмірах робочих коліс;

- гідромуфти, регульовані при зміні розміру одного чи обох робочих коліс.

Дослідження показали, що друга група може дати велику глибину регулювання за моментом.

Глибиною регулювання за моментом називають відношення крутильного моменту при основному робочому режимі веденого вала до мінімального моменту на тому ж валу при зупиненій турбіні.

Глибина регулювання за швидкістю - це відношення номінальної частоти обертання веденого вала до мінімально можливої частоти обертання того ж вала.

Для здійснення рідинного регулювання застосовують кілька систем керування, але вони виконують ту саму задачу - змінюють величину відносного заповнення робочої порожнини гідромуфти.

Ці системи регулювання можуть бути розділені на 3 групи: з регулюванням потоку рідини на вході в гідромуфту; з регулюванням потоку рідини на виході з гідромуфти; з регулюванням потоку рідини при вході в гідромуфту й на виході з неї.

Системи регулювання можуть мати декілька конструктивних розбіжностей в окремих вузлах чи в компонуванні всієї гідромуфти.

Гідротрансформатори

Гідротрансформатор (ГТР) забезпечує перетворення крутильного моменту і плавність його наростання при переході від двигуна до ведучих органів.

На відміну від гідромуфти, гідротрансформатор має третє колесо, що, як правило, закріплене нерухомо, тому він може передавати крутильний момент зі зміною за величиною, а в деяких випадках і за знаком.

 

 

Гідротрансформатори (рис. 3.73) мають робочі колеса трьох найменувань: насосні (ведучі) Н, турбінні (ведені) Т, реакторні (реактивні) Р.

Гідротрансформатори можуть бути виготовлені три-, чотири- і багатоколісними з одноступінчастим насосом, одно-, дво- і триступінчастою турбіною з одним чи декількома реакторами.

Багатоколісні ГТР в залежності від кількості турбінних коліс бувають:

одноступінчасті (одне турбінне колесо), двоступінчасті (два турбінних колеса) і т. ін. За напрямком обертання насоса і турбіни розрізняють ГТР прямого ходу, зворотного ходу, реверсивні.

Найпростіший гідротрансформатор - триколісний (рис. 3.73) - складається з насосного колеса 2, турбінного колеса 4 й нерухомого реактора 3 (направляючого агрегату). Всі колеса встановлені в корпусі 1.

Вал насосного колеса 2 з'єднаний з валом двигуна, а вал турбіни - з механізмом трансмісії, який передає крутильний момент на ведучі колеса (гусениці) трактора.

Принцип дії гідротрансформатора полягає в наступному. У процесі роботи гідротрансформатора лопатки насосного колеса 2 впливають на рідину, змушуючи її не тільки обертатися разом з колесом, але і переміщатися вздовж лопаток у напрямку від входу до виходу. При цьому потенціальна енергія тиску лопаток насоса на рідину під дією відцентрових сил перетвориться на кінетичну енергію руху рідини. Вийшовши з насосного колеса 2, потік рідини потрапляє в розташоване за ним турбінне колесо 4 і, вдаряючись об лопатки його колеса, зменшує свою швидкість. При русі потоку по міжлопатевих каналах його напрямок змінюється відповідно до профілю лопаток.

Кінетична енергія потоку рідини зменшується, і на лопатках колеса турбіни виникає крутильний момент, який дорівнює крутильному моменту М_крн прикладеному до вала насоса. При перетіканні по міжлопатевих каналах колеса реактора, які звужуються, швидкість потоку рідини зростає, а напрямок потоку збігається з напрямком обертання насосного колеса 2. На лопатках реактора створюється реактивний момент М_{кр р}, який сприймається корпусом 1.

У кожному робочому колесі рідина протікає суцільним потоком від входу до виходу, обтікаючи лопатки й знаходячись з ними в силовій взаємодії.

Коло циркуляції рідини в гідротрансформаторах по меридіанній площині може відбуватися за двома схемами: а - насос-турбінареактор (НТР); б - насос-реактор-турбіна (НРТ). До особливості робочого процесу гідротрансформаторів відносять наступне:

1. Силові і кінематичні зв'язки між робочими колесами здійснюються через робочу рідину.

2. Робоча рідина являє собою одну нескінченну і безупинну кільцеву ланку, що знаходиться в силовій взаємодії одночасно з усіма робочими колесами без існування жорстких кінематичних зв'язків між ними.

Існування силових зв'язків між робочими колесами (коло циркуляції) можливо тільки при обертанні хоча б одного робочого колеса.

Гідротрансформаториза характером взаємодії з двигуном поділяються на прозорі і непрозорі. Прозорі гідротрансформатори мають властивість змінювати режим роботи двигуна в залежності від зміни навантаження опору руху машини. Непрозорі гідротрансформатори ізолюють двигун від впливу на нього постійно мінливих зовнішніх опорів.

Регулювання гідротрансформаторів здійснюється такими способами:

- зміною частоти обертання насосного колеса;

- зміною наповнення кола циркуляції;

- механічним впливом на потік робочої рідини в колі циркуляції;

- заміною робочих коліс.

Зміна частоти обертання насосного колеса можлива тоді, коли двигун регулюється за частотою обертання. Цей спосіб регулювання найбільш економічний і широко застосовується на транспортних машинах з дизелями (автомобілі, трактори, екскаватори).

Момент насосного й момент турбінного колеса змінюються при такому регулюванні пропорційно квадрату частоти обертання насосного колеса, а ККД при цьому залишається таким, як і до регулювання.

Регулювання зміною наповнення при зливі рідини з кола циркуляції приводить до різкого падіння вторинного моменту і до значного зменшення ККД гідротрансформатора. Цей метод регулювання неекономний і застосовується дуже рідко.

Регулювання механічним впливом на потік робочої рідини в колі циркуляції може здійснюватися двома способами: поворотом лопаток коліс гідротрансформатора й застосуванням дросельних заслінок.

У більшості конструкцій поворотні лопатки встановлюються в насосному колесі чи в реакторі. Цей спосіб більш економний, ніж регулювання зміною наповнення. Наприклад, при зменшенні переданої гідротрансформатором потужності до половини від номінальної максимальне значення ККД знижується всього до 15% проти максимального значення ККД при повній потужності. При регулюванні наповненням для подібного режиму ККД знижується на 50%.

Регулювання дросельною заслінкою здійснюється перекриттям потоку рідини в насосному колесі.

У нерегульованих двигунах найбільш стійке регулювання гідротрансформаторів досягається механічним способом.