Тягово-скоростные свойства и топливная экономичность автомобиля

С ГИДРОПЕРЕДАЧЕЙ

В настоящее время на автомобилях широкое применение нахо­дят гидравлические передачи, которые устанавливают в транс­миссии автомобиля.

Гидравлические передачи облегчают управление автомобилем, повышают безопасность движения и проходимость автомобиля. Кроме того, они увеличивают долговечность двигателя. Однако гидравлические передачи несколько ухудшают тягово-скоростные свойства автомобиля и снижают топливную экономичность.

На автомобилях используют два типа гидравлических передач: гидромуфты и гидротрансформаторы. Гидромуфты как самостоя­тельные механизмы применяют ограниченно. Наибольшее распро­странение получили гидротрансформаторы, которые при опреде­ленных условиях переходят на режим работы гидромуфты.

В гидромуфтах и гидротрансформаторах крутящий момент пе­редается от двигателя к трансмиссии с помощью жидкости (масла малой вязкости) под действием гидродинамического (скоростно­го) напора.

Гидромуфта

Гидромуфту устанавливают на автомобиле совместно с фрик­ционным сцеплением и ступенчатой механической коробкой пе­редач.

В гидромуфте (рис. 5.1) ведущей частью является насосное ко­лесо (насос) 3,которое жестко связано с коленчатым валом 1 двигателя. Турбинное колесо (турбина) 2 — ведомая часть гидро­муфты. Оно жестко соединено с первичным валом 4 коробки пе­редач. Насос и турбина имеют радиально расположенные лопатки. Внутренняя полость гидромуфты заполнена маслом.

Принцип действия гидромуфты таков. При вращении коленча­того вала двигателя масло под действием центробежной силы по­ступает к наружной части насоса, воздействует на лопатки турби­ны и приводит ее во вращение.

Из турбины масло снова поступает в насос, создавая при этом круг его циркуляции, чем и обеспечивается передача крутящего момента от двигателя к трансмиссии.

Для гидромуфты характерно то, что она не изменяет значе­ние крутящего момента при его передаче от двигателя к трансмис­сии.

Режим работы гидромуфты характеризует ее передаточное от­ношение

Рис. 5.1. Схема гидромуфты: 1 — коленчатый вал двигателя; 2 — турбинное колесо; 3 — насосное ко­лесо; 4 — первичный вал коробки передач

где ω_т, ω_н — угловые скорости соответственно турбины и гидро­насоса гидромуфты.

Обязательным условием рабо­ты гидромуфты является наличие в ней скольжения. Его величину S _гм ,%, определяют по формуле

.

При неподвижной турбине S _гм = 100 %, что отвечает случаю полного скольжения. При возрастании угловой скорости турбины скольжение уменьшается, и его наименьшая величина составляет 2...3%.

Рис. 5.2. Тяговые характеристики автомобилей с гидромуфтой (сплошные линии) и без нее (штриховые линии): I —III — передачи

Вследствие наличия скольжения кривая крутящего момента ско­ростной характеристики двигателя при наличии гидромуфты сме­щается в область меньших угло­вых скоростей коленчатого вала. На рис. 5.2 представлена тяго­вая характеристика автомобиля с гидромуфтой. Для сравнения штриховыми линиями на рисун­ке приведена тяговая характерис­тика автомобиля без гидромуфты. Из рисунка видно, что тягово-скоростные свойства автомобиля при наличии гидромуфты изме­няются только в области малых значений угловой скорости колен­чатого вала и во время трогания автомобиля с места. Следователь­но, гидромуфта позволяет исполь­зовать большое значение крутяще­го момента двигателя в начале раз-

гона или при движении с очень малой скоростью. Это обеспечивает плавное трогание автомобиля с места на любой передаче и исклю­чает прекращение работы двигателя при остановке автомобиля с невыключенным сцеплением.

Гидротрансформатор

Гидротрансформатор устанавливают в трансмиссии автомоби­ля обычно совместно с планетарной коробкой передач.

Ведущая часть гидротрансформатора (рис. 5.3) — насос 2,же­стко соединенный с коленчатым валом 6 двигателя, а ведомая часть — турбина 1 — с валом трансмиссии 3. Между насосом и турбиной гидротрансформатора на муфте свободного хода 4 уста­новлен реактор 5, обеспечивающий плавный и безударный вход масла из турбины в насос и существенное увеличение передавае­мого крутящего момента.

Характерной особенностью гидротрансформатора является из­менение значения крутящего момента при его передаче от двигате­ля к трансмиссии. Свойства гидротрансформатора оцениваются его безразмерной характеристикой, которая представлена на рис. 5.4 (для сравнения штриховыми линиями показана характеристика гидромуфты).

Безразмерная характеристика представляет собой зависимости коэффициента полезного действия η_гт, коэффициента трансфор­мации k _гти коэффициента крутящего момента насоса λ_н от пере­даточного отношения гидротрансформатора i _гт.

Безразмерная характеристика гидротрансформатора определяет­ся экспериментально. При этом коэффициенты полезного дей­ствия, трансформации и крутя­щего момента насоса используют в безразмерном виде.

Режим работы гидротрансфор­матора определяется его переда­точным отношением

Рис. 5.3. Схема гидротрансформа­тора: 7 — турбина; 2 — насос; 3 — вал трансмиссии; 4 — муфта свободного хода; 5 — реактор; 6 — коленчатый вал двигателя

где ω_т — угловая скорость турби­ны; ω_н — угловая скорость насоса. Коэффициент трансформации характеризует степень увеличения крутящего момента, передаваемо­го гидротрансформатором:

В указанном выражении

M _тур= λ_тρ_жω_т² D _гт⁵ — крутящий момент на валу турбины;

M _н= λ_нρ_жω_н² D _гт⁵ — крутящий момент на валу насоса,

где D _гт — активный (наибольший) диаметр гидротрансформатора; ρ_ж — плотность жидкости (масла) в гидротрансформаторе; λ_н — коэффициент крутящего момента насоса; λ_т — коэффициент кру­тящего момента турбины.

Для гидромуфты коэффициент трансформации k _гм= 1, так как крутящие моменты на валах насоса и турбины равны (М _н= М _тур).

Коэффициент полезного действия гидротрансформатора харак­теризует его энергетические свойства:

где N _н — мощность, подводимая к насосу; N _тур — мощность на валу турбины гидротрансформатора.

Основным недостатком гидротрансформаторов является то, что они имеют значительно меньший КПД, чем ступенчатые механи­ческие коробки передач. Так, наибольшие значения КПД гидро­трансформатора (0,85...0,92) достижимы только при оптималь­ном передаточном отношении (0,7...0,8). При других передаточ­ных отношениях, больших или меньших оптимального, КПД гид­ротрансформатора быстро уменьшается.

КПД гидромуфты

.

Следовательно, при возрас­тании угловой скорости турби­ны КПД гидромуфты увеличи­вается прямо пропорционально ее передаточному отношению, что видно на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Безразмерные характерис­тики гидротрансформатора (сплош­ные линии) и гидромуфты (штри­ховые линии)

Коэффициент крутящего момента насоса гидротрансформато­ра λ_нопределяет прозрачность гидротрансформатора, т. е. его свой­ство изменять нагрузку на валу насоса в зависимости от нагрузки на валу турбины.

Гидротрансформаторы могут быть прозрачными и непрозрач­ными.

При использовании непрозрачного гидротрансформатора изме­нение сопротивления движению автомобиля не влияет на режим работы двигателя (λ_н = const). В этом случае режим работы двигате­ля зависит только от качества горючей смеси, поступающей в его цилиндры.

У непрозрачного гидротрансформатора коэффициент транс­формации составляет 3...4, т.е. передаваемый крутящий момент увеличивается в 3 — 4 раза. Это преимущество непрозрачных гид­ротрансформаторов способствует их широкому применению на грузовых автомобилях большой грузоподъемности и на автобу­сах.

В случае применения прозрачного гидротрансформатора изме­нение сопротивления движению автомобиля вызывает изменение режима работы двигателя даже при постоянном количестве горю­чей смеси, поступающей в цилиндры (λ_н ≠const). При увеличении сопротивления движению угловая скорость насоса прозрачного гидротрансформатора и, следовательно, угловая скорость колен­чатого вала двигателя автоматически уменьшаются, а крутящий момент двигателя возрастает. При уменьшении сопротивления дви­жению угловая скорость коленчатого вала и скорость движения автомобиля с прозрачным гидротрансформатором автоматически увеличиваются.

У прозрачных гидротрансформаторов коэффициент трансфор­мации составляет 2,2...3,0, т.е. передаваемый крутящий момент возрастает в 2 — 3 раза. Поэтому прозрачные гидротрансформато­ры получили большее распространение на легковых автомобилях.

Степень прозрачности гидротрансформатора определяется сле­дующим отношением:

где λ_{н mах} — максимальное значение коэффициента крутящего мо­мента насоса; λ ' _н — значение коэффициента крутящего момента насоса при λ_гт= 1.

Если П= 1,0... 1,2, то гидротрансформатор непрозрачный. При П > 1,2 гидротрансформатор прозрачный.

Гидромуфта и ступенчатая механическая коробка передач яв­ляются прозрачными, так как полностью передают на коленча­тый вал двигателя момент силы сопротивления, приложенный к трансмиссии.

5.3. Показатели тягово-скоростных свойств автомобиля

с гидропередачей

Расчет показателей тягово-скоростных свойств автомобиля с гидропередачей более сложен, чем с механической трансмиссией, из-за отсутствия жесткой связи между коленчатым валом двигате­ля и трансмиссией автомобиля.

Для расчета показателей тягово-скоростных свойств автомоби­ля с гидропередачей необходимо определить область совместной работы двигателя и гидротрансформатора. Поэтому расчет обычно выполняют графоаналитическим способом в такой последователь­ности:

• строят нагрузочную характеристику системы двигатель—гид­ротрансформатор (рис. 5.5). С этой целью задают какое-либо значе­ние передаточного отношения гидротрансформатора i _гти по без­размерной характеристике гидротрансформатора определяют соот­ветствующий коэффициент крутящего момента насоса λ_н. Затем задают несколько значений угловой скорости насоса ω_н и по фор­муле для крутящего момента на валу насоса М _нопределяют его значения для выбранного передаточного отношения гидротранс­форматора. По найденным значениям строят кривую крутящего мо­мента насоса на графике скоростной характеристики двигателя. Ана­логично строят кривые крутящего момента насоса для других пере­даточных отношений гидротрансформатора. Точки пересечения кри-

Рис. 5.5. Нагрузочная характеристика системы двигатель —гидротранс­форматор:

i _гт ' – i _гт ''' – значения передаточных отношений гидротрансформатора; ω ' _н – ω_н ''' – значения угловой скорости насоса гидротрансформатора; M _н ''' — значение крутя­щего момента на валу насоса гидротрансформатора, соответствующее ω '''

вых крутящих моментов насоса и двигателя определяют область со­вместной работы двигателя и гидротрансформатора;

• используя значения угловой скорости ω_н и момента М _н,отве­чающие точкам пересечения кривых моментов насоса М _ни двига­теля М _е,по соответствующим формулам определяют угловые ско­рости ω_т и крутящие моменты М _турна валу турбины. При этом
значения коэффициента трансформации k _гтберут из безразмер­ной характеристики гидротрансформатора для соответствующих
передаточных отношений;

• определив значения угловой скорости ω_т и крутящего момен­та М _тур, находят мощность на валу турбины по формуле

;

• строят график выходной характеристики системы двигатель—
гидротрансформатор (рис. 5.6);

• пользуясь этим графиком, проводят расчеты показателей тя-
гово-скоростных свойств автомобиля с гидропередачей так же,
как и для автомобиля без гидропередачи, т. е. по тем же формулам
с той лишь разницей, что вместо угловой скорости ω_е и крутяще­го момента М_е двигателя в формулы подставляют угловую ско­рость ω_т и крутящий момент М _туртурбины. Например, скорость
автомобиля с гидропередачей, км/ч:

.

Тяговая сила на ведущих колесах автомобиля с гидропередачей

.

Определив значения тяговой силы на ведущих колесах автомобиля с гидропередачей при различных ско­ростях движения на разных переда­чах, строят его тяговую характерис­тику.

Рис. 5.6. Выходная характерис­тика системы двигатель — гидротрансформатор

Динамическая характеристика, ускорение, время и путь разгона ав­томобиля с гидротрансформатором рассчитывают по тем же формулам, что и для автомобиля с механичес­кой трансмиссией. Однако в их фор­мулы вместо М_е и ω_е двигателя вво­дят соответственно М _тури ω_т турби­ны гидротрансформатора.

Определение показателей тягово-скоростных свойств автомо­биля с гидромуфтой выполняют по той же методике, что и для автомобиля с гидротрансформатором. В связи с тем что коэффи­циент трансформации гидромуфты k _гт = 1, расчеты оказываются проще, чем для автомобиля с гидротрансформатором. Однако они сложнее, чем для автомобиля с механической ступенчатой транс­миссией.