Устройство и рабочий процесс гидромуфты

Основными элементами гидравлической муфты являются два соосно установленных лопастных колеса – насосное и турбинное, а также корпус, подшипники и другие детали. На рис. 17.1 приведена схема одной из возможных конструкций гидромуфты. На осевом разрезе гидромуфты (см. рис. 17.1, а) показаны насосное колесо Н, турбинное колесо Т и корпус гидромуфты К. У большинства муфт лопастные колеса имеют однотипную конструкцию, представляющую собой половину торообразной полости с плоскими радиально расположенными лопатками (см. рис. 17.1, в).

Насосное колесо Н приводится во вращение двигателем с угловой скоростью о1. Жидкость, находящаяся в межлопасном пространстве насосного колеса, раскручивается вместе с ним и центробежными силами отбрасывается от оси вращения к периферии колеса (от точки 1 к точке 2 на рис. 17.1, б). Участвуя во вращательном движении вместе с насосным колесом, частицы жидкости приобретают кинетическую энергию и скорость в направлении движения этого колеса. далее в окрестностях точки 2 (см. рис. 17.1, а) жидкость перемещается с насосного колеса Н на турбинное колесо Т.

В межлопаточном пространстве турбинного колеса Т частицы жидкости оказывают воздействие на его лопатки и заставляют вращаться с угловой скоростью ω₂. Вращаясь вместе с турбинным колесом, частицы жидкости постепенно отдают ему кинетическую энергию, полученную в насосном колесе. При этом они перемещаются

от периферии колеса к его оси вращения (от точки 2 к точке 1 на рис. 17.1, а). В окрестностях точки 1 жидкость переходит с турбинного колеса Т на насосное колесо Н. далее рабочий процесс повторяется, т.е. жидкость циркулирует в межлопаточном пространстве колес по замкнутому контуру с расходом Q.

Учитывая, что в описанном рабочем процессе частицы жидкости имеют сложную пространственную траекторию движения, для его пояснения на рис. 17.1, б приведена условная развертка колес гидромуфты. На этой развертке показана траектория движения одной частицы жидкости. Эта частица перемещается вдоль плоской лопатки насосного колеса от точки 1 к точке 2. В точке 2 она «срывается» с насосного колеса, имея абсолютную скорость v₂ и с такой же скоростью v₂ «ударяет» в точке 2’ по лопатке турбиною колеса. далее частица жидкости перемещается вдоль лопатки турбинного колеса от точки 2’ до точки 1’ и в точке 1’ уходит с турбинного колеса, имея абсолютную скорость v₁. В точке 1 эта частица попадает в межлопаточное пространство насосного колеса с такой же абсолютной скоростью v₁. далее рабочий процесс повторяется.

В подразд. 17.1 было отмечено, что гидромуфта не изменяет передаваемого момента, т.е. вращающие моменты М₁ на насосном и М₂ на турбинном колесах у нее всегда одинаковы. Действительно, с учетом момента сопротивления М_с можно записать, что сумма моментов, приложенных к гидромуфте извне, должна равняться нулю:

Момент сопротивления М_с вызван трением в узлах гидромуфты. Наибольшее влияние на него оказывает трение вращающихся колес о воздух (в ряде конструкций вращающимся является также корпус). На большинстве эксплуатационных режимов момент М_с мал и им можно пренебречь. Тогда

что подтверждает равенство моментов на насосном и турбинном колесах.

Передаваемый гидромуфтой момент М изменяется в зависимости от соотношения угловых скоростей ω₂ насосного и ω₂ турбинного колес. На рис. 17.2 приведены два варианта (I и II) зависимости передаваемого момента М от передаточного отношения гидромуфты

Из анализа графиков М = f(i) на рис. 17.2 следует, что при малых i передаваемые моменты значительны, причем зависимость М = f(i) может иметь максимум (см. линию II на рис. 17.2) или не

иметь его (линия I). При больших передаточных отношениях i передаваемый момент М уменьшается, а при i → 1 резко падает до нуля.

Приведенная зависимость М = f(i) при ω₁ = const называется характеристикой гидромуфты. Характеристика гидромуфты, кроме М = f(i), включает в себя также зависимость ее КПД от передаточного отношения, т.е. η = f(i). КПД найдем из отношения выходной мощности N₂ на турбинном колесе к входной N₁ на насосном колесе. С учетом зависимостей (17.1) и (17.2) получим

Таким образом, пренебрегая моментом сопротивления М_с, можно считать, что КПД гидромуфты равен ее передаточному отношению. Зависимость η = f(i) показана на рис. 17.2.

Формула (17.3) получена при допущении, что момент сопротивления М_с, мал и поэтому им можно пренебречь. Такое допущение справедливо для широкого диапазона изменения передаточного отношения i (участок 0 Е зависимости η = f(i) на рис. 17.2). Но при i → 1 оно неприемлемо, так как в области больших i резко падает передаваемый момент (см. рис. 17.2) и при i=i_р он оказывается соизмеримым с моментом сопротивления М_с. В этом случае зависимость (17.3) становится неверна, а КПД гидромуфты из-за момента сопротивления М_с резко падает – участок ЕF на графике η = f(i) (см. рис. 17.2).

Режим максимального КПД гидромуфты (95…98 % – точка Е на рис. 17.2) принято считать расчетным. Момент сопротивления М_р и передаточное отношение i_p, соответствующие этому режиму, также будем считать расчетными.

Кроме рассмотренных ранее параметров, при анализе работы гидродинамических передач применяется также безразмерный кинематический параметр, который получил название скольжение. Он определяется отношением разности угловых скоростей насосного и турбинного колес к скорости первого из них:

Этот параметр широко используется при анализе работы гидромуфт, эксплуатируемых на режимах со значительной разностью частот вращения насосного и турбинного колес.