Гидравлические передачи в зависимости от принципа работы подразделяются на гидростатические и гидродинамические.
Гидростатические передачи работают на использовании принципа вытеснения или замещения небольших объемов жидкости при больших рабочих давлениях. В этих передачах скорость движения жидкости сравнительно невелика (не превышает 10 м/с), поэтому в них величина потенциальной энергии (энергии статического давления) значительно больше, чем величина кинетической энергии (энергии скоростного напора), что показано на рис. 15.1.
Гидростатические передачи применяются на ряде отечественных тепловозов в качестве привода вентилятора холодильника. Создать такие передачи большой мощности в настоящее время невозможно из-за технологических и конструктивных трудностей, связанных с обеспечением больших давлений при длительной эксплуатации, а также с изготовлением надежных гибких соединений трубопроводов, рассчитанных на высокие давления.
Гидродинамические передачи основаны на принципе использования кинетической энергии потока жидкости, циркулирующей по замкнутому контуру. Эти передачи получили преимуществен-
Рис. 15.1. Схема гидростатической передачи: 1 – ведущий вал; 2 – гидронасос; 3 – вспомогательный насос; 4 – клапан ограничителя давления; 5 – гидромотор; 6 – ведомый вал
ное распространение в качестве звена энергетической цепи тепловозов различной мощности, и их принято называть просто гидравлическими.
Конструктивно гидравлические передачи состоят из ряда узлов, основными из которых являются гидравлическая муфта и гидравлический трансформатор. Технические характеристики этих гидравлических элементов определяют все показатели и свойства гидравлической передачи.
Гидравлическая муфта. Гидравлической муфтой (рис. 15.2) называется устройство, обеспечивающее гибкое соединение ведущего и ведомого валов и передачу вращающего момента без изменения его по величине. По конструкции она представляет собой двухлопастную гидравлическую машину, состоящую из двух основных частей: насосного колеса, жестко связанного посредством ведущего вала с валом двигателя, и турбинного колеса, соединяемого с помощью ведомого вала и механических звеньев с движущими осями. Одно из рабочих колес, чаще всего турбинное, обхватывается кожухом, предназначенным для компоновки приборов питания (трубопроводов, клапанов) и уплотнения. Отличительной конструктивной особенностью обоих рабочих колес является наличие плоских радиальных лопаток. Лопатки сложного профиля применяются редко и только в муфтах специального назначения.
Рис. 15.2. Гидравлическая муфта: а – схема: 1 – турбинное колесо; 2 – кожух; 3 – ведомый вал, 4 – насосное колесо; 5 – ведущий вал; б – внешняя характеристика: лн, лт – частота вращения насосного и турбинного колес; Мн, Мт – момент вращения насосного и турбинного колес; 5" – коэффициент проскальзывания турбинного колеса относительно насосного; Чм – КПД гидромуфты
Кромки лопаток рабочих колес насоса и турбины располагаются в непосредственной близости друг от друга с зазором, необходимым для обеспечения их свободного вращения и теплового расширения. Лопатки с примыкающими к ним частями корпуса колес образуют в совокупности пространство, называемое кругом циркуляции. В рабочем режиме круг циркуляции заполняется рабочей жидкостью.
При вращении насосного колеса жидкость, находящаяся в круге циркуляции, перемещается под действием центробежной силы от центра колеса к периферии, благодаря чему в потоке накапливается кинетическая энергия. Пройдя по каналам между лопатками, жидкость выбрасывается из насосного колеса, перемещается в осевом направлении, попадает на лопатки турбинного колеса и давит на них, заставляя колесо вращаться в сторону вращения насосного колеса. По мере перемещения по лопаткам турбины кинетическая энергия потока жидкости убывает, превращаясь в механическую энергию ведомого вала и частично в потери.
Круговое движение жидкости по лопаткам рабочих колес гидромуфты (циркуляция) становится возможным из-за разности давлений. Действительно, давление жидкости на выходе из насосного колеса больше, чем на входе в турбинное колесо, так как скорость вращения турбинного колеса всегда меньше скорости вращения насосного колеса.
Скорость циркуляции, т.е. скорость относительного движения потока жидкости по лопаткам, зависит от соотношения угловых скоростей вращения насосного и турбинного колес. Разность чисел оборотов насосного и турбинного колес называется скольжением.
Скольжение рабочих колес находится в обратной зависимости от их передаточного отношения, т.е. от отношения частоты вращения турбины к частоте вращения насоса. При отсутствии скольжения колес исчезнет перепад давлений и циркуляция жидкости прекратится, что прекратит передачу кинетической энергии с насосного колеса на турбинное, следовательно, вращающий момент будет равен нулю. Иная картина будет в случае, если турбинное колесо неподвижно, а насосное колесо вращается с нормальной скоростью (скольжение 100 %). Перепад давлений будет наибольший, также наибольшими будут скорость циркуляции жидкости и ее воздействие на лопатки турбинного колеса. Передаваемый вращающий момент будет иметь максимальное значение. При промежуточных значениях передаточного отношения гидромуфты скорость циркуляции жидкости и вращающий момент приобретают соответствующие промежуточные значения.
Из характеристик гидромуфты видно, что по своим энергетическим свойствам гидромуфта, отдельно взятая, не отвечает целям тяги. Это объясняется перегружающим воздействием на дизель и низким КПД ее в диапазоне невысоких частот вращения турбинного колеса. Гидромуфта рассчитывается на передачу нормального момента Мнорм и работу при высоких передаточных отношениях с КПД 0,95. 0,98. В этот режим она включается в качестве ступени скорости гидравлической передачи.
Гидравлические преобразователи (гидротрансформаторы). Гидротрансформатором называется устройство, обеспечивающее гибкое соединение валов и передачу мощности с ведущего вала на ведомый с преобразованием вращающего момента и изменением частоты вращения ведомого вала по сравнению с частотой вращения ведущего вала (рис. 15.3).
Гидротрансформатор отличается от гидромуфты наличием третьего неподвижного лопастного колеса, называемого направляющим аппаратом. Насосное колесо, закрепленное на валу, приводится во вращение от дизеля. Частота вращения насосного колеса и вращающий момент на нем равны или, в случае наличия входного редуктора между дизелем и гидротрансформатором, пропорциональны частоте вращения коленчатого вала дизеля и вращающему моменту на нем. Турбинное колесо соединяется с движущими колесами тепловоза посредством механических элементов – системы зубчатых колес и карданных валов. Следовательно, скорость движения и сила тяги тепловоза пропорциональны частоте вращения турбинного колеса и вращающему моменту на нем. Все три рабочих колеса имеют профилированные лопатки, т.е. лопатки, сечение которых имеет сложную гидродинамическую форму.
Лопатки рабочих колес размещаются так, что выходные кромки одних лопаток располагаются в непосредственной близости от
Рис. 15.3. Гидротрансформатор: а – схема: 1 – насосное колесо; 2 – турбинное колесо; 3 – кожух, 4 – направляющий аппарат; 5 – ведущий вал, 6 – внешняя характеристика: пк, пт – частота вращения насосного и турбинного колес; МИ, Мт – момент вращения насосного и турбинного колес; МИ0б – момент вращения насосного колеса с обгонной муфтой, т)„ – КПД насосного колеса, т)^ – КПД гидротрансформатора
входных кромок других лопаток. Между кромками лопаток смежных колес предусматриваются зазоры, необходимые для обеспечения свободного вращения и теплового расширения.
Принцип действия гидротрансформатора аналогичен принципу действия гидромуфты. Насосное колесо закручивает жидкость, создавая в ней запас кинетической энергии вращательного движения. Турбинное колесо, благодаря соответствующему профилю его лопаток, раскручивает жидкость. Запас кинетической энергии потока жидкости используется для преодоления внешних сил сопротивления, приложенных к ведомому валу, а значит и к движущим осям тепловоза.
Наличие в круге циркуляции неподвижных лопаток направляющего аппарата придает гидротрансформатору свойство автоматически изменять вращающий момент на турбинном колесе в зависимости от частоты вращения последнего, т. е. от скорости движения тепловоза. Преобразующее свойство гидротрансформатора оценивается коэффициентом трансформации момента К= Мт/Мн. Для тепловозных трансформаторов значение Л" составляет 3 и более.
По конструктивным особенностям гидротрансформаторы подразделяются:
на одноступенчатые и многоступенчатые, если в круге циркуляции имеется соответственно один или несколько рядов (ступеней) лопаток турбинного колеса;
одноциркуляционные и многоциркуляционные, если в их состав входит соответственно один или несколько кругов циркуляции;
простые и комплексные, если они не обладают или, наоборот, обладают свойством гидромуфты.
В отечественном тепловозостроении имеются примеры выполнения и применения всех названных выше конструктивных видов гидротрансформаторов. Наряду с разделением гидротрансформаторов по конструктивным особенностям существует разделение их по так называемому свойству прозрачности: непрозрачные и прозрачные. Под прозрачностью гидротрансформатора понимается его свойство оказывать влияние на режим нагрузки дизеля при изменении внешнего сопротивления движению поезда.
В непрозрачном гидротрансформаторе момент насосного колеса при постоянной частоте вращения не изменяется при всех значениях момента турбинного колеса и его частоте вращения. Это свидетельствует о том, что изменение внешней нагрузки не оказывает влияния на нагрузку дизеля. Если же момент насосного колеса изменяется с изменением момента турбинного колеса, то характеристика гидротрансформатора называется прозрачной.
В тепловозных гидропередачах применяют непрозрачные или близкие к ним гидротрансформаторы, так как они обеспечивают постоянный режим работы дизеля при изменении сопротивления движению поезда.
Из характеристики гидротрансформатора видно, что отдельно взятый гидротрансформатор не отвечает требованиям, предъявляемым к тепловозной передаче. Если при трогании и разгоне турбинного колеса КПД гидротрансформатора низкий, то этот недостаток окупается реализацией необходимых тяговых свойств. Такой режим составляет относительно небольшой период времени работы гидротрансформатора.
Режим высокой частоты вращения турбинного колеса, характеризуемый также низким КПД, неприемлем для длительной работы тепловоза, поэтому гидротрансформаторы применяются в качестве ступеней скорости гидропередачи. Скоростной диапазон работы каждой ступени определяется по передаточным отношениям гидротрансформатора, при которых его КПД не ниже 80%.
Комплексные гидротрансформаторы. Стремление реализовать положительные свойства гидротрансформатора и гидромуфты в одном гидроаппарате привело к созданию комплексных гидротрансформаторов. Комплексный гидротрансформатор представляет собой устройство, обеспечивающее автоматический переход с режима гидротрансформатора на режим гидромуфты и наоборот в зависимости от условий работы.
Особенностью конструкции комплексного гидротрансформатора (рис. 15.4) является то, что его направляющий аппарат, выполненный в виде одного или двух рядом стоящих лопастных колес, укрепляется на неподвижном валу с помощью муфт свободного хода, называемых автологами. Муфты свободного хода представляют собой различного рода храповой механизм. В тепловозных гидротрансформаторах применены роликовые муфты свободного хода. Неподвижная, жестко закрепленная внутренняя обойма охватывается наружной обоймой, которая жестко связана с направляющим аппаратом. Наружная обойма имеет пазы с наклонными плоскостями; между внутренней обоймой и наклонными плоскостями обоймы установлены ролики, которые поджимаются пружинами. В зависимости от изменения направления потока масла, прошедшего через турбинное колесо, и, следовательно, от того, с какой стороны лопатки направляющего аппарата давит поток масла, направляющий аппарат либо вращается, либо стоит на месте.
Полное заклинивание обеих ступеней направляющего аппарата происходит при работе гидротрансформатора с малыми передаточными отношениями (ят/ян, здесь пг и пИ – соответственно частота вращения турбинного и насосного колес), когда направление абсолютной скорости выхода жидкости из турбинного колеса таково, что обе ступени направляющего аппарата отжимаются потоком в сторону, противоположную направлению вращения турбинного колеса. Колеса направляющего аппарата заклиниваются роликами муфты свободного хода, тем самым обеспечивая режим работы гидротрансформатора.
Рис. 15.4. Комплексный гидротрансформатор: а – схема гидротрансформатора: 1 – насосное колесо; 2, 3 – ступени направляющего аппарата; 4 – неподвижный вал; 5- автологи; 6 – турбинное колесо; 6 – схема автолога: 1 – внутренняя обойма; 2 – наружная обойма; 3 – лопатки направляющего аппарата; 4 – пружина; 5 – ролик
По мере увеличения передаточного отношения, что соответствует разгону тепловоза, изменяется направление абсолютной скорости выхода жидкости из турбинного колеса. При определенном передаточном отношении воздействие потока на лопатки направляющего аппарата совпадет с направлением его возможного вращения на муфтах свободного хода.
При дальнейшем увеличении передаточного отношения колесо направляющего аппарата первой ступени начинает вращаться в одну сторону вместе с турбиной, а гидротрансформатор переходит на работу с одной неподвижной ступенью направляющего аппарата. Этому режиму соответствует участок его характеристики, на котором КПД возрастает, а момент Мт изменяется более плавно.
При большом значении передаточного отношения направление скорости выхода жидкости из турбинного колеса совпадает с направлением выходных кромок лопаток второй ступени направляющего аппарата, муфта свободного хода расклинивается давлением потока, а колесо направляющего аппарата начинает вращаться вместе с турбинным колесом. Гидротрансформатор переходит на режим гидромуфты. На этом участке характеристики происходит дальнейшее увеличение КПД и снижение моментов Мт = = Мн с ростом передаточного отношения.
Таким образом, последовательное автоматическое расклинивание двух ступеней направляющего аппарата, установленных на муфтах свободного хода, позволяет реализовать в одном гидроаппарате три режима: два режима гидротрансформатора и режим гидромуфты. Каждому режиму соответствует определенный участок характеристики. Как видно на характеристике, диапазон работы гидротрансформатора с высоким КПД за счет этого расширяется.
Комплексные гидротрансформаторы по сравнению с простыми имеют более сложную конструкцию. Надежность их в длительной эксплуатации снижается за счет трущихся элементов муфты свободного хода. В тепловозных гидропередачах комплексные гидротрансформаторы находят ограниченное применение.
Рабочие жидкости. Надежность и экономичность работы гидропередачи зависят от сорта и качества рабочей жидкости. Объемная масса жидкости влияет на размеры гидропередачи. Жидкости большей объемной массы позволяют создавать гидропередачи меньшего размера и массы. В гидравлических передачах в качестве рабочей жидкости может служить турбинное, веретенное масло или их смесь, которая одновременно является смазкой для трущихся частей. Минеральное масло, применяемое в качестве рабочей жидкости для тепловозных гидропередач, должно удовлетворять следующим требованиям.
1. Масло должно иметь определенную вязкость, при которой достигаются наименьшие потери и необходимые смазочные свойства. В градусах по шкале условной вязкости при температуре 50 "С масло должно иметь 2. 3 °ВУ. Вязкость масла характеризуется также кинематическим коэффициентом вязкости, измеряемым в сто-ксах (1 см2/с). В качестве основной характеристики в ГОСТах его обычно указывают в сантистоксах (сотая доля стокса или 10
2 см2/с). Вязкость зависит от температуры. Существуют формулы и таблицы для пересчета градусов условной вязкости (°ВУ,) в единицы кинематической вязкости при различной температуре.
2. Температура замерзания масла должна быть возможно более низкой, а температура вспышки ее паров – возможно более высокой. Для тепловозных гидропередач рекомендуется масло с температурой вспышки не ниже +160 ° С. Вязкость масла в интервалах крайних состояний не должна резко изменяться.
3. Масло должно быть химически чистым и однородным. Не допускается наличие в масле кислот и щелочей, так как они способствуют его разложению и вызывают коррозию деталей. В масле не должно содержаться мылообразующих жиров, которые служат причиной устойчивого пенообразования, а значит и снижения передаваемой мощности. Для борьбы с пенообразованием в масло вводят специальные жидкости, точно так же для предотвращения кислотности к маслу добавляют антиокислители.
4. Масло должно быть механически чистым и однородным. Содержание асфальтовых и смолистых веществ в масле нежелательно, так как они при высоких температурах выделяются и оседают на стенках трубопроводов, тем самым нарушая нормальную работу гидравлических элементов автоматики. Механические примеси в масле вызывают засорение отверстий в органах управления и интенсивное изнашивание подшипников. Поэтому в гидропередачу подают масло, прошедшее через фильтры.
Гидравлические машины и передачи
4.1. Гидродинамические передачи
4.1.1. Гидравлические муфты
4.1.1.1. Устройство и рабочий процесс гидромуфты
4.1.1.2. Характеристики гидромуфты
Гидравлические трансформаторы
Устройство и рабочий процесс гидравлического трансформатора
Гидродинамические передачи
Гидропередача – это устройство для передачи механической энергии посредством потока жидкости. В состав гидропередачи входят насос, гидравлический двигатель и соединительные трубопроводы с рабочей жидкостью. Гидропередачи, использующие динамические гидромашииы, называются гидродинамическими.
В гидродинамических передачах применяют лопастные насосы и, в качестве гидравлических двигателей, лопастные турбины. В реальных конструкциях лопастный насос и гидравлическая турбина предельно сближены и располагаются соосно в общем корпусе. Так как эти две гидромашины имеют общий корпус, то в дальнейшем насос будем называть насосным колесом, а турбину – турбинньм колесом. В такой конструкции отсутствуют трубопроводы, поэтому жидкость из насосного колеса сразу попадает на лопатки турбинного колеса, а из турбинного – вновь на лопатки насосного колеса.
Гидродинамические передачи, применяемые в машиностроении, подразделяют на гидравлические муфты (гидромуфты) и гидравлические трансформаторы (гидротрансформаторы).
Гидромуфты, состоящие из насосного и турбинного колес, служат для передачи энергии без изменения крутящего момента, т. е. моменты на входном и выходном валах гидромуфты практически одинаковы.
Гидротрансформаторы, кроме насосного и турбинного колес, имеют хотя бы одно дополнительное колесо. Оно на большинстве режимов работы неподвижно, т.е. является неактивным (реактивным), и поэтому его принято называть реактором. Включение в состав гидротрансформатора реактора позволяет ему изменять (трансформировать) передаваемый крутящий момент. Таким образом, моменты на входном и выходном валах гидротрансформатора на большинстве режимов работы различны.
На современных транспортных и самоходных машинах получили широкое применение комплексные гидротрансформаторы. Комплексным называют гидротрансформатор, который в широком диапазоне изменения своих передаточных отношений работает как гидротрансформатор, а при больших значениях передаточных отношений переходит в режим гидромуфты и работает как гидромуфта. Это позволяет существенно повысить его коэффициент полезного действия.
Гидравлические муфты
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. 4.1 приведена схема одной из возможных конструкций гидромуфт. На осевом разрезе гидромуфты (рис. 4.1,а) показаны насосное колесо Н, турбинное колесо Т и корпус гидромуфты К. У большинства муфт конструкция лопастных колес однотипна и представляет собой половину торообразной полости с плоскими радиально расположенными лопатками
Рис. 4.1. Конструктивная схема гидромуфты: а) осевой разрез; б) развертка лопастной системы
Насосное колесо Н приводится во вращение двигателем с угловой скоростью w1. Жидкость, находящаяся в межлопастном 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. 4.1, а). Участвуя во вращательном движении вместе с насосным колесом, частицы жидкости приобретает кинетическую энергию и скорость в направлении движения этого колеса. Далее в окрестностях точки 2 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 его вращаться с угловой скоростью w2. 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. 4.1, 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 массовым расходом Q’m,
Учитывая, что описанный рабочий процесс имеет сложную пространственную траекторию движения частиц жидкости, для его пояснения на рис. 4.1, б приведена условная развертка колес гидромуфты. На этой развертке показана траектория движения одной частицы жидкости. На рис. 4.1, б видно, как 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 турбинного 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.
Характеристики гидромуфты
Для анализа характеристик гидромуфты рассмотрим ее работу на установившемся режиме. В этом случае сумма моментов, приложенных к гидромуфте извне, должна равняться нулю, т.е.
где M1 – момент на валу насосного колеса; М2 – момент на валу турбинного колеса; Мс – момент сопротивления.
Момент сопротивления Мс вызван трением в узлах гидромуфты. Наибольшее влияние на него оказывает трение вращающихся колес о воздух (в ряде конструкций вращающимся является также корпус). В большинстве эксплуатационных режимов момент Mc мал, и им можно пренебречь. Тогда
Зависимость (4.1) подтверждает равенство моментов на насосном и турбинном колесах.
Передаваемый гидромуфтой момент M1, изменяется в зависимости от соотношения угловых скоростей насосного w1 и турбинного w2 колес. На рис. 4.2 приведены два варианта (I и II) зависимости передаваемого момента M от передаточного отношения i гидромуфты
. (4.2)
Рис. 4.2. Характеристика гидромуфты
Из анализа графиков M = f (i) на рис. 4.2 следует, что при больших передаточных отношениях i величина передаваемого момента M уменьшается, а при i ® 1 резко падает до нулевой величины.
Приведённая зависимость M = f(i) при w1 =const называется характеристикой гидромуфты.
Характеристика гидромуфты, кроме М = f(i), включает также зависимость ее КПД от передаточного отношения h =f(i). КПД найдем из отношения выходной мощности на турбинном колесе N2 к входной – на насосном колесеN1. Тогда с учетом зависимостей (4.1) и (4.2) получим
. (4.3)
Таким образом, пренебрегая величиной момента сопротивления Mс, можно считать, что КПД гидромуфты равен ее передаточному отношению. Зависимость h =f(i) нанесена на рис. 4.2.
Формула (4.3) получена при допущении, что момент сопротивления Mс мал, и поэтому им можно пренебречь. Это является целесообразным в широком диапазоне изменения передаточного отношения i (участок ОЕ зависимости h= f (i) на рис. 4.2). Но при i 1 это недопустимо, так как в области больших i резко падает передаваемый момент, а при i = iP он становится соизмеримым с моментом сопротивления Мс. В этом случае формула (4.3) становится неприемлемой, а КПД гидромуфты из-за момента сопротивления Mс резко падает – участок EF на зависимости h = f (i).
Режим максимального КПД гидромуфты (95 – 98 % – точка Е на рис. 4.2) принято считать расчетным. Момент МP и передаточное отношение iр, соответствующие этому режиму, также считают расчетными.
Гидромуфты.
Гидродинамические муфты (гидромуфты) нашли широкое применение в качестве составной части привода различных машин. Трудно назвать какую-либо отрасль промышленности и техники, в которых не использовались бы гидромуфты. В первую очередь это относится к горнорудной, химической, металлургической, нефтедобывающей и лесотехнической промышленности. Гидромуфты используются также в приводах широкого класса машин строительной, строительно-дорожной и транспортной техники.
Гидромуфты составляют неотъемлемую часть таких машин как ленточные, цепные скребковые и пластинчатые конвейеры, элеваторы, осевые вентиляторы и дымососы, питательные насосы и газовые турбины, дробилки и мельницы различных типов, роторные экскаваторы, дорожные катки, бетоносмесители, барабанные сушилки и центрифуги. Нельзя не упомянуть автомобили, трактора и железнодорожные локомотивы, в которых гидромуфты входят в состав гидромеханических коробок.
В 1910г. профессор Феттингер (Германия) предложил изъять направляющий аппарат из им же созданного гидротрансформатора. Таким образом, был сделан шаг от более сложной гидродинамической передачи к более простой, что и явилось началом создания гидромуфт. Несмотря на многообразие появившихся позднее конструкций гидромуфт, принципиально их рабочая часть сохранилась в том виде, в каком предложил ее Феттингер.
На рис.1 схематично в меридиональном сечении показана гидромуфта , имеющая ведущее лопастное насосное колесо центробежного типа 1(насос) и ведомое лопастное колесо, выполняющее функцию реактивной турбины 2(турбина). Оба колеса имеют, как правило, плоские радиальные лопатки 3 и 4. К насосу 1 присоединен вращающийся при работе корпус 5. Диски 6 и 7 насоса и турбины выполнены в виде чаш с криволинейными образующими. В сововокупности с межлопастными каналами торообразная часть полости гидромуфты, заключенная между чашами насоса и турбины, является рабочей полостью. Между торцами колес имеется небольшой осевой зазор, благодаря чему возможно вращение одного колеса относительно другого. Замкнутая полость гидромуфты заполняется рабочей жидкостью (РЖ), в качестве которой используются чаще всего минеральные маловязкие масла. В пожароопасных условиях применяются вода и водные эмульсии, а также трудновоспламеняемые синтетические масла.
В приводном блоке насос соединяется валом 8 с двигателем, а турбина валом 9 с механической передачей. При включении двигателя насос своей лопастной системой увлекает во вращение РЖ и, отбрасывая к периферии рабочей полости, направляет ее на лопатки турбины. В турбине кинетическая энергия РЖ, запасенная в насосе, преобразуется в механическую энергию вращения, необходимую для преодоления сил сопротивления движению и инерции маховых масс машины. РЖ, протекая в направлении оси вращения вдоль лопаток, воздействует на них и, отдав энергию, всасывается насосом на его наименьшем радиусе. И вновь РЖ "заряжается" в насосе новой порцией энергии. Процесс передачи и преобразования энергии от насоса к турбине происходит при работе гидромуфты непрерывно, и замкнутая циркуляция РЖ постоянно обеспечивает при этом силовую связь между колесами.
В гидромуфте (гидропередача без внешней опоры) момент на турбине всегда равен моменту на насосе, но передача энергии в ней происходит с определенными потерями, характеризуемыми в рабочем режиме значением К.П.Д. Поскольку моменты колес раны, то К.П.Д. численно равен отношению частоты вращения турбины n2 к частоте вращения насоса n1, т.е. передаточному отношению i ( i= n2/n1). Крутящий момент гидромуфты передается всегда при некотором отставании скорости турбины от скорости насоса. Это значит, что гидромуфта работает со скольжением Sг = (n1–n2)/ n1= 1-i. Скольжение отображает долю потерь мощности, идущих на нагрев РЖ и деталей гидромуфты.
Основные функциональные особенности гидромуфт.
При использовании гидромуфт привод машин приобретает целый ряд положительных свойств, из которых наиболее важными являются:
– страгивание с места с нулевыми значениями начального момента и ускорения, а также плавный разгон машин до рабочей скорости,
– предохранение приводного двигателя и механической трансмиссии от недопустимых перегрузок при резком торможении и пуске,
– возможность замены сложных электродвигателей с фазным ротором на простые и более надежные короткозамкнутые двигатели с обеспечением благоприятных условий их пуска под нагрузкой, в том числе и при большом моменте инерции машины,
– суммирование мощности нескольких двигателей, работающих на общий исполнительный орган при равномерном распределении нагрузки на эти двигатели, и возможность их поочередного запуска,
– стабильность и автоматичность срабатывания при заданном значении предельного момента и самовосстанавливаемость рабочего режима при устранении перегрузки,
– возможность гидродинамического и генераторного торможения машины, а также ее торможения противовращением при реверсировании двигателя,
– демпфирование и гашение крутильных колебаний крутящего момента и скорости вращения широкого спектра частот, имеющих место при работе многих машин.
К этому целесообразно добавить также такие особенности как высокий К.П.Д. гидромуфты (0,96-0,98), простота конструкции и настройки, отсутствие силовых пар трения, передающих крутящий момент. Изменение наполнения РЖ и введение в полость гидромуфты простого дросселирующего диска позволяют расширить диапазон передаваемой мощности.
Гидромуфты подразделяются на регулируемые и замкнутые.
Регулируемые гидромуфты предназначены, как правило, для относительно неглубокого (до 30-40%) регулирования частоты вращения ведомого вала привода. Наиболее экономичным такое регулирование является лишь для машин, у которых мощность нагрузки в процессе работы изменяется пропорционально кубу частоты вращения турбины, т.е. N2=(i 3 ) Nн (Nн- номинальная мощность при полной скорости и n1=const.). К таким машинам относятся мощные (до15тыс.квт) центробежные насосы, турбогенераторы, вентиляторы. Менее экономичным регулирование с помощью гидромуфт является в случае, когда мощность изменяется пропорционально квадрату частоты вращения ,т.е. N2=(i 2 ) Nн. Максимальные потери мощности Nпот. в первом случае составляют Nпот.= 0,148 Nн при i=0,666, а во втором случае 0,25 Nн- при i=0,5. Для многих лопастных машин регулирование гидромуфтой имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами регулирования скорости.
Гидротрансформатор
Гидродинамический трансформатор (гидротрансформатор, ГДТ) является частью гидромеханической трансмиссии, которая на современных автомобилях имеет электронное управление гидравликой и в обиходе называется автоматической.
Первый гидротрансформатор был запатентован в 1902 году Г. Феттингером и установлен через пять лет на быстроходном судне. В автомобилестроении это устройство первой применила в 1928 году шведская фирма "Лисхольм-Смит" для городских автобусов. В 1940 году гидротрансформатором стали оснащаться Oldsmobile, а затем и Cadillac.
Buick Roadmaster в 1947 году стал первым серийным легковым автомобилем с гидротрансформатором.
ГДТ находится между двигателем и автоматической коробкой перемены передач (АКПП), которая принципиально отличается устройством от простых механических. Он выполняет без вмешательства водителя две функции. Первая – функция сцепления, т. е. обеспечение передачи крутящего момента двигателя на АКПП. Вторую можно назвать функцией "дополнительной бесступенчатой коробки передач". Это образное выражение можно применить, исходя из особенностей работы гидротрансформатора, который, изменяя передаваемый им крутящий момент, позволяет увеличивать передаточные числа АКПП (см. "Работа ГДТ на автомобиле").
Устройство ГДТ
Схематично ГДТ (см. рисунок) можно представить в виде трех лопастных колес (насосное, турбинное и колесо реактора), вращающихся соосно и находящихся в одном корпусе (фото 1), заполненном рабочей жидкостью.
Насосное колесо (насос) жестко соединено с корпусом ГДТ, который приводится во вращение коленчатым валом двигателя.
Турбинное колесо (турбина) имеет шлицевое соединение с первичным валом коробки передач.
Колесо реактора (реактор) соединено с корпусом коробки передач через муфту свободного хода, что позволяет ему быть неподвижным или вращаться относительно насоса и турбины в зависимости от режима работы ГДТ.
Рабочая жидкость – жидкость для гидромеханических трансмиссий, нагнетаемая специальным насосом (не путать с насосным колесом) во внутреннюю полость корпуса ГДТ.
Принцип работы ГДТ
Коленчатый вал двигателя вращает корпус гидротрансформатора, который жестко связан с маховиком. Насосное колесо, конструктивно объединено с его корпусом и всегда имеет число оборотов, равное оборотам двигателя.
При вращении коленчатого вала насосное колесо начинает вращаться вместе с жидкостью, полностью заполняющей корпус ГДТ. Лопасти насосного колеса устремляют рабочую жидкость на лопасти турбины. Вслед за движением насосного колеса, под действием жидкости начинает двигаться турбинное. При малом числе оборотов происходит отставание вращения турбинного колеса от насосного. По мере увеличения числа оборотов проскальзывание уменьшается, к.п.д. ГДТ возрастает.
Между насосным и турбинным колесами расположен реактор. На современных моделях ГДТ он устанавливается на обгонной муфте, которая позволяет расклинивать его (см. устройство) и тем самым еще больше увеличивать к.п.д ГДТ.
Жидкость, от насосного колеса попадая через лопасти турбины на реактор, может передать больший момент, чем развивает двигатель. Этот эффект и определил название гидротрансформатора, т.е. он трансформирует (передает, усиливает) крутящий момент. Неподвижный реактор нужен только до тех пор, пока скорость вращения турбины отстает от скорости вращения насосного колеса на 15-25%. При выравнивании скоростей колес реактор становится помехой и снижает к.п.д. ГДТ, поэтому муфта свободного хода разблокирует его и он будет вращаться.
Источник: