Гидродинамическая передача
В настоящее время имеются два типа гидродинамических передач: гидромуфта и гидротрансформатор.
Гидромуфта - самый простой элемент гидропривода. Ее отличительная особенность заключается в том, что крутящий момент на ведущем валу гидромуфты всегда равен моменту на выходном валу. Конструкция гидромуфты очень проста. Она состоит из насосного и турбинного колес примерно одинаковой конструкции, находящихся в заполненном маслом картере (рис.1а и 1б).
Вычислительная модель была протестирована с помощью отключенного контроллера. Сравнение экспериментальных данных с имитацией показано на рисунке. Моделирование позволило динамически реплицировать входной сигнал без значительного времени задержки. В следующем эксперименте контроль был включен и тест проводился при тех же условиях, которые были описаны для первого эксперимента. На рисунке видно, что система автоматически настраивается для поддержания постоянной 24 В, несмотря на входную частоту. Перерегулирование может наблюдаться при значительном изменении частоты; однако напряжение возвращается к уставке внутри и в среднем 15 секунд.
При вращении насосного колеса масло под воздействием центробежной силы начинает двигаться по направляющим лопаткам к периферии, приобретая при этом кинетическую энергию. Из насосного колеса оно попадает в турбинное колесо, где при соприкосновении с лопатками турбины отдает ему часть своей энергии, приводя его, тем самым, во вращение.
Эти перерегулирования могут быть уменьшены, если в систему был добавлен гидравлический аккумулятор или другое устройство хранения энергии. Гидравлический аккумулятор - это устройство, которое захватывает гидравлическую энергию путем хранения жидкости под давлением в сосуде; сосуд под давлением будет увеличивать давление, поскольку в него вталкивается больше жидкости. Аналогично, сжатая энергия высвобождается, когда жидкость откачивается из сосуда. Аккумулятор содержит газовую камеру, которая может изменяться по объему, так что когда жидкость под давлением вливается в аккумулятор, газовая камера сжимается и, следовательно, сохраняет энергию в виде сжатого газа.
При быстром вращении насосного колеса масло совершает сложное движение, состоящее из переносного и относительного движений. Первое возникает за счет вращения масла вместе с насосным колесом. Второе определяется перемещением масла вдоль насосного колеса к периферии. Относительное движение вызвано действием центробежных сил, возникающих в масле в результате вращения вместе с насосным колесом (рис.2) . В результате на выходе из насосного колеса абсолютная скорость потока масла определяется векторной суммой скоростей переносного и относительного движений (рис.3) . Часть энергии потока масла, определяемая его переносной скоростью отдается через лопатки турбинному колесу.
Показывают приблизительно 1% -ное увеличение производства энергии на турбине мощностью 50 кВт, добавляя 60 л. аккумулятор. Они также показали, как можно регулировать мощность, поглощая пики напряжения и падения, добавляя такой гидравлический компонент. Результаты моделирования показывают более низкую величину перерегулирования при изменении частоты, что означает, что смоделированная система не полностью захватила динамические эффекты физической системы.
В лабораторных условиях была построена и протестирована система, способная моделировать небольшую ветротурбинную приводную поездку с бесступенчатой трансмиссией. Новые стратегии управления будут реализованы в тестовой установке для улучшения диапазона скорости ветра и динамического поведения. Наконец, экспериментальные результаты показывают, что добавление устройства накопления энергии может быть эффективным и недорогим методом для поглощения перепадов напряжения, создаваемых порывами ветра и внезапными изменениями направления ветра.
Гидротрансформатор. Принцип действия гидротрансформатора (трансформатора) такой же, как и гидромуфты. Те же самые относительное и переносное движения масла. Но для увеличения крутящего момента на выходном валу трансформатора введен дополнительный элемент – реакторное колесо (реактор, иногда статор). Реактор устанавливается между выходом из турбины и входом в насосное колесо (рис.4) , и предназначен для направления потока масла, выходящего из турбинного колеса, таким образом, чтобы его скорость совпадала с направлением вращения насосного колеса. В этом случае неизрасходованная в турбинном колесе энергия масла используется для дополнительного увеличения частоты вращения насосного колеса, что соответствующем образом увеличивает кинетическую энергию масла. Следствием этого является увеличение крутящего момента на валу турбинного колеса, по сравнению с моментом, подводимым к насосному колесу от двигателя. Следует отметить, что соотношение моментов на насосном и турбинном колесах определяется отношением угловых скоростей этих элементов. Максимальное увеличение крутящего момента происходит при полностью остановленной турбине. Такой режим работы трансформатора называется стоповым . Современные трансформаторы имеют коэффициент трансформации момента на стоповом режиме 2,0-2,5. Под термином “коэффициент трансформации” понимается отношение момента, развиваемого турбинным колесом, к моменту на насосном колесе.
Достоинства и недостатки гидромеханической коробки
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Он основан на автомобильном продукте, многие из которых успешно работают. В принципе, это гидротрансформатор в сочетании с четырехступенчатой планетарной коробкой передач. Умная часть состоит в том, что существует параллельный путь передачи крутящего момента между входным валом и коробкой передач - прямым приводом и с помощью гидротрансформатора на первой передаче. Они подключены к редуктору, который управляется, чтобы позволить механическому приводу постепенно переходить от преобразователя крутящего момента, когда скорость ввода увеличивается до момента, когда менее эффективный гидротрансформатор полностью заблокирован из привода.
Затем, в процессе увеличения частоты вращения турбинного колеса, происходит снижение эффективности работы реактора, и крутящий момент на валу турбинного колеса уменьшается. Это вполне объяснимо, поскольку, чем выше частота вращения турбинного колеса, тем меньше влияние переносной скорости потока масла на лопатки этого колеса. В момент, когда частота вращения турбины составит приблизительно 85% частоты вращения насосного колеса, реакторное колесо, благодаря муфте свободного хода, теряет связь с картером трансмиссии и начинает свободно вращается вместе с потоком, не воздействуя на него. В результате этого трансформатор переходит в режим работы гидромуфты, коэффициент трансформации которой равен 1.
Этот принцип разделения мощности на первой передаче позволяет использовать более высокий диапазон для запуска, что исключает вторую ступень редуктора сравнимых передач и в конечном итоге уменьшает количество переключений передач на 50%. Последнее воплощение имело запатентованную интегральную реверсивную передачу, добавленную к задней части коробки передач. Очевидно, что это не требуется в автомобильной версии, так как грузовики и автобусы, как ожидается, не смогут работать на полной скорости в обратном направлении!
Около 150 из этих передач были доставлены. Цель состояла в том, чтобы продемонстрировать, что гидромеханическая передача будет надежной, повысить эффективность и снизить расход топлива по сравнению с установленными в настоящее время передачами. Основным бизнес-драйвером для испытания было сокращение потребления топлива из-за более эффективной передачи, и в результате было достигнуто сокращение максимального расхода топлива на 16 процентов. В зависимости от рабочего цикла конкретного маршрута этот показатель может быть дополнительно увеличен.
Трансформатор обладает несколькими благоприятными свойствами. Его установка приводит к плавному изменению крутящего момента, нагружающего трансмиссию, что увеличивает долговечность агрегатов трансмиссии и снижает затраты на ее ремонт. Плавное изменение крутящего момента самым благоприятным образом сказывается при движении по слабонесущим грунтам и скользкой дороге (лед, снег), поскольку в этом случае снижается вероятность срыва грунта и буксования ведущих колес. Кроме того, трансформатор является превосходным демпфером крутильных колебаний двигателя, которые гасятся маслом и не пропускаются в механическую часть трансмиссии.
Обобщая, чем чаще останавливаются и запускаются, и чем ниже средняя скорость движения поезда, тем лучше улучшается потребление топлива. Это последнее также устраняет необходимость в двух изменениях масла с сопровождающим снижением затрат на рабочую силу.
Принцип работы гидромеханической коробки передач
Это защищает все подключенные компоненты системы от вредных вибраций и тем самым увеличивает их срок службы и доступность. Поезд был выпущен для своей первой основной линии на следующий день, давая общее время для проектных работ всего за 14 дней для возврата к обслуживанию.
Природа любой гидродинамической передачи такова, что в нем всегда имеет место скольжение, т.е. угловая скорость турбинного колеса никогда не равна угловой скорости насосного колеса. Естественно, что это приводит к снижению топливной экономичности автомобиля. Поэтому для улучшения топливно-экономичных характеристик автомобиля в автоматических трансмиссиях предусматривается блокировка трансформатора.
Построение полномасштабного макета всей системы для обеспечения соответствия конечных элементов, когда они были поставлены на ранней стадии проектирования, помогло снизить риск установки. За 12 месяцев, прошедших с начала испытания, производительность была оценена по ряду различных рабочих циклов для проверки моделируемой производительности.
Не было проблем с надежностью, а расход топлива соответствовал прогнозам. Вкратце. этот проект четко продемонстрировал преимущества внедрения современных и более эффективных трансмиссий в качестве концепции ретро-пригодности. Очевидно, что эти преимущества доступны и для новой сборки.
Методы блокировки трансформатора. Блокировочная муфта позволяет обойти гидротрансформатор и напрямую соединить двигатель с входным валом коробки передач. Таким образом, устраняется скольжение между насосным и турбинным колесом, что приводит к повышению топливной экономичности автомобиля.
Типичная конструкция блокировочной муфты трансформатора показана на рис.5 . Ступица нажимного диска (рис.6) шлицами соединяется со ступицей турбинного колеса. Между нажимным диском и ступицей расположены пружины, выполняющие роль демпфера крутильных колебаний (рис.6) . В процессе блокировки поршень совершает колебания относительно ступицы, деформируя пружины, которые поглощают крутильные колебания, возбуждаемые двигателем. Механическая энергия проходит через пружинный демпфер и попадает на выходной вал трансформатора.
В результате количество гидромеханических передач на рынке растет. Схема гидромеханической трансмиссии концептуально проста с двумя параллельными путями мощности. Гидравлический тракт состоит из насоса и двигателя, называемых здесь «вариатором». Механическая траектория обычно представляет собой вал, возможно, шестерню или два. Эти пути взаимосвязаны с обычными механическими компонентами передачи, такими как шестерни, валы, муфты и, по меньшей мере, одна планета. Существует очень много возможностей объединения.
В данном проекте именно детали этих взаимосвязей составляют основную часть интеллектуальной собственности и пригодность для приложения целевой машины. В механических тракторах в течение длительного времени имеются гидромеханические трансмиссии. Они являются стандартными или предлагаются в качестве опции.
Для улучшения работы блокировочной муфты к внутренней поверхности кожуха трансформатора или нажимного диска прикрепляется фрикционная накладка (рис.7) .
Блокировочные муфты всех трансформаторов имеют однотипные конструкции нажимного диска, и для их управления обычно используются одинаковые гидравлические схемы. На рисунках и упрощенно показан один из вариантов управления муфтой трансформатора. В выключенном состоянии масло подается между картером и нажимным диском. Это предохраняет муфту от самопроизвольного включения. Масло, перед тем, как попасть в трансформатор, проходит между диском и кожухом, и далее из трансформатора поступает в систему охлаждения.
До сих пор гидромеханические трансмиссии вообще не были доступны в землеройном оборудовании. Примеры на рисунке 3 были анонсированы и доступны сейчас или будут представлены в ближайшее время. Три вещи различают данный дизайн. Во-первых, это конструкция вариатора и его расположение, например насос с переменной скоростью смещения, двигатель с неподвижным смещением с изогнутой осью, встроенный. Хотя сведения об этой номенклатуре выходят далеко за рамки этой статьи, она обычно описывает, подключен ли входной или выходной валы передачи напрямую через передаточное отношение к одному из валов вариатора. Третье - это количество диапазонов или режимов. Это число различных механических взаимосвязей между механическим и гидравлическим трактами путем включения и выключения любых муфт в редукторных системах. Обратите внимание, что тип соединения не обязательно одинаковый для каждого диапазона или режима.
- Во-вторых, тип сцепления.
- Общие термины - входные, связанные с выходом и составные.
- В случае разделения соединений ни вал вариатора не подключен напрямую.
Для блокировки трансформатора клапан управления переключает контур, и давление подается к поршню с другой стороны. Масло, находящееся ранее между поршнем и кожухом трансформатора сливается через вал турбины, что обеспечивает плавность включения муфты. Турбинное колесо теперь соединено с валом двигателя и трансформатор заблокирован.
Вертикальная ось - мощность двигателя, а горизонтальная ось - частота вращения двигателя. Пик каждого контура указывает максимальную мощность двигателя для этой топливной скорости. Локус этих пиков определяет лучшую скорость двигателя для минимального расхода топлива.
Рассмотрим силовую схему, описанную на рисунке 5. График в нижней части рисунка показывает, что для любой заданной скорости грунта возможна только одна или две скорости двигателя. Маловероятно, чтобы одна из этих скоростей попала на линию минимального расхода топлива по фиг. 4.
Иногда управление блокировкой трансформатора осуществляет через коробку передач. Четырехскоростная автоматическая коробка передач AOD (Ford) имеет вспомогательный входной вал, который напрямую, через пружинный демпфер, связан с двигателем (рис.10) . На третьей и четвертой передачах этот вал через блокировочную муфту включения повышающей передачи соединяется с планетарной коробкой передач. На третьей передаче 60% мощности двигателя передается механически и 40% через трансформатор. На четвертой передаче все 100% мощности двигателя передаются механически через этот вал. На первой, второй и передаче заднего хода весь поток мощности проходит через гидротрансформатор.
Роль трансмиссии в машине
Рассмотрим силовую схему на рисунке 6. График в нижней части рисунка показывает, что при заданной скорости движения земли возможно почти любая частота вращения двигателя и, следовательно, может соответствовать минимальной частоте вращения двигателя, показанной на рисунке 4. Частота вращения двигателя линии из графика на фиг. 5 приведены для справки.
Хотя информация в этой статье может не подготовить вас к разработке гидромеханической передачи, это позволит вам с большей легкостью признать их и их потенциальные преимущества. При работе на высокой скорости передача работает почти полностью в механическом режиме, что обеспечивает значительную эффективность и отличную высокую скорость. Конструкция обеспечивает передачу с очень высокой плотностью мощности.
Что может выйти из строя в трансформаторе? В первую очередь муфта свободного хода реактора. Здесь возможны два варианта:
- ролики муфты из-за износа начинают проскальзывать, и муфта не может в этом случае полностью передавать на картер момент, воспринимаемый реактором;
- ролики могут заклиниться, и в муфте будет отсутствовать режим свободного хода, что не позволит трансформатору переходить на режим работы гидромуфты.
Иногда выходит из строя блокировочная муфта. Чаще всего это происходит из-за значительного износа фрикционной накладки.
Сильные и слабые стороны гидромеханики
Конструкция обеспечивает очень высокую передачу плотности мощности. Эта передача спроектирована вокруг необходимости мобильности существующих транспортных средств с ограничениями в ограничении пространства. Наши гидромеханические бесступенчатые трансмиссии обеспечивают транспортные средства с равной скоростью как вперед, так и назад. Кроме того, там, где это необходимо, они обеспечивают экстремальные возможности скорости ползучести без необходимости высокой теплоотдачи.
Использование гибридной гидромеханической бесступенчатой трансмиссии позволяет проектировщикам транспортных средств использовать функции гидравлики для тормозов замедленного действия, а также для управления двигателем. Привод автоматически уравновешивает производительность по сравнению с требованиями привода и гарантирует, что двигатель остается экономичным. Предотвращение работы двигателей в их «сладком месте» помогает снизить износ, вызванный типичной перегрузкой и недостаточной нагрузкой, вызванными сменными передачами с переключением передач, которые не могут разумно справляться с потребностями в электропитании с учетом требований оператора и местности.
Во всех отмеченных выше случаях ремонт трансформатора возможен только в специализированных сервисных центрах.
Редко, но бывает, в трансформаторе оказываются поврежденными лопатки насосного, турбинного или реакторного колес. В этом случае замена трансформатора неизбежна.
Традиционное устройство автомобиля включает в себя в качестве обязательного элемента его конструкции такие узлы, как сцепление и КПП. Однако меняющийся стиль и образ современной жизни, с уклоном в сторону обеспечения все большего комфорта, приводит к изменению этих традиционных узлов машины. Им на смену зачастую приходит гидромеханическая трансмиссия.
Трансмиссия? А это что такое и зачем?
Для автомобиля трансмиссией будет всё, что обеспечивает поступление крутящего момента к колёсам от двигателя, в том числе КПП и сцепление. В классическом транспортом средстве это было именно так. Но, как уже отмечалось выше, в современных легковых автомобилях им на смену приходит АККП. В этом случае управление машиной значительно упрощается – не надо пользоваться сцеплением и переключать вручную КПП. Педаль сцепления просто-напросто отсутствует, а переключения выполняются автоматически.
Происходит это благодаря гидромеханической коробке передач. Чтобы понять, что это такое, лучше всего вспомнить о двух основных моментах, возникающих во время управления автомобилем:
- необходимости отключения от двигателя трансмиссии при переключении передач;
- изменении значения крутящего момента, передаваемого от мотора к колесам при изменении дорожных условий.
В обычной автомашине это происходит при нажатии на сцепление и переключении ручки коробки передач . Однако в машинах с АКПП подобное действие во многих случаях выполняет гидромеханическая коробка передач.
Об устройстве гидромеханической коробки
Говоря про устройство применяемой в составе легкового автомобиля гидромеханической коробки передач, надо отметить ее основные узлы:
- гидротрансформатор;
- управляющие механизмы;
Про гидротрансформатор
Основой гидромеханического автомата является гидротрансформатор. Фактически в гидромеханической АКПП он выполняет роль, аналогичную сцеплению в обычном автомобиле – передает момент от двигателя к коробке.
Как видно из рисунка, устройство гидротрансформатора довольно простое и включает в себя три колеса специальной формы:
- насосное, осуществляющее связь между двигателем и гидротрансформатором;
- турбинное, выполняющее связь с валом (первичным) коробки передач;
- реакторное, предназначенное для усиления крутящего момента.
Все эти турбины закрыты специальным корпусом и на три четверти погружены в масло, заполняющее внутренний объем. Гидромеханический привод работает таким образом – насосное колесо, на которое поступает вращающий момент от двигателя, вращаясь, направляет на турбинное колесо поток масла, которое им раскручивается и предает усилие на вал коробки передач.
Происходит циркуляция масла по сложной траектории – с внешней части насосного кольца на внешнюю часть турбинного, а затем через центр устройства обратно к насосному. Следствием такого движения является гидромеханическая передача момента к коробке передач от мотора.
Такой гидромеханический привод обладает особенностью – из-за присутствия третьего, реакторного колеса, возможно усиление передаваемого момента. Происходит это благодаря его расположению в центре гидротрансформатора.
Когда осуществляется гидромеханическая передача момента, поток масла от турбинного колеса направляется к центру устройства и затем возвращается обратно к насосному. Однако на его пути расположено реакторное колесо, и поток, оказывая на него давление, вызывает с его стороны ответную реакцию, которая, воздействуя на турбину, усиливает момент, переданный от насосного колеса.
Такое дополнительное воздействие, возникающее, когда происходит гидромеханическая передача мощности от мотора, приводит к тому, что она увеличивается. Величина усиления зависит от разности скоростей межу колесами гидротрансформатора, чем она больше, тем более значительным оно будет. Это особенно полезно при начале движения, когда выполняется гидромеханическая передача мощности от двигателя, работающего на холостом ходу, к неподвижной трансмиссии.
Очень полезным фактом являет то, что гидравлический привод автоматически устанавливает нужное передаточное число между колесами и двигателем, благодаря изменению величины напора жидкости при ее передаче между напорным и турбинным дисками.
Однако диапазон такого изменения достаточно небольшой, и при этом отсутствует возможность, используя гидромеханический привод, разорвать связь между трансмиссией и мотором, поэтому гидротрансформатор работает последовательно с планетарной коробкой, позволяющей устранить отмеченные недостатки.
Про планетарную коробку
В гидромеханической АКПП чаще всего используется планетарный механизм, устройство которого понятно из приведённого ниже рисунка.
В самом простейшем варианте крутящий момент поступает на солнечную шестерню 6, с которой шестерни-сателлиты 3 находятся в постоянном зацеплении, они свободно вращаются на своих осях. На них установлено водило 4, соединенное с валом 5, сателлиты 3 постоянно находятся в зацеплении с шестерней 2, на внутренней поверхности которой имеются зубья.
Когда коронная шестерня 2 заторможена, момент через водило 4 поступает на ведомый вал, а когда шестерня расторможена, то сателлиты передают момент на нее, а ведомый вал остается неподвижным.
В АКПП используются фрикционные муфты сцепления и ленточные тормоза, а управление ими осуществляется с помощью гидромеханической системы, представляющей собой различные каналы, пружины и насос для создания давления масла.
Достоинства и недостатки гидромеханической коробки
В соответствии с приведенным описанием конструкцию гидромеханической коробки передач можно представить как последовательное соединение гидротрансформатора, коробки передач (обычно планетарной) с фрикционами, а также гидравлической системой управления.
Достоинством такой АКПП считаются:
- исключение ручного переключения передач;
- обеспечение передачи мощности без прерывания и рывков, особенно при начале движения.
Однако такая АКПП обладает и своими недостатками. Один из них – потеря крутящего момента, вызванная тем, что в состав автоматизированной коробки входит гидротрансформатор.
По данным проведенных замеров, эффективность подобной АКПП не превышает восьмидесяти шести процентов, тогда как у обычной механической коробки она составляет девяносто восемь процентов.
Однако это самый простой вариант гидромеханической АКПП, разрабатываются и устанавливаются на легковые автомашины новые, значительно более совершенные варианты подобной коробки.
Гидромеханическая коробка позволяет освободить водителя от их переключения при движении автомашины, что особенно актуально для начинающих водителей, повысить безопасность движения и обеспечить при этом дополнительный комфорт.