Под действием чего изменяется передаточное отношение гидротрансформатора акпп

Дисциплина: Конструкция Автомобилей и тракторов

Тема_3: Гидродинамические передачи

Лекция_3: Гидродинамические передачи (гидротрансформаторы)

Гидротрансформатор (рисунок 3.1) представляет собой гидравлический механизм, который размещен между двигателем и механической коробкой передач. Он состоит из трех колес с лопатками: насосного (ведущего), турбинного (ведомого) и реактора. Насосное колесо 3 закреплено на маховике 1 двигателя и образует корпус гидротрансформатора, внутри которого размещены турбинное колесо 2, соединенное с первичным валом 5 коробки передач и реактор 4, установленный на роликовой муфте 6 свободного хода. Внутренняя полость гидротрансформатора на ¾ своего объема заполнена специальным маслом малой вязкости.

При работающем двигателе насосное колесо вращается вместе с маховиком двигателя. Масло под действием центробежной силы поступает к наружной части насосного колеса, воздействует на лопатки турбинного колеса и приводит его во вращение. Из турбинного колеса масло поступает в реактор, который обеспечивает плавный и безударный вход жидкости в насосное колеса и существенное увеличение крутящего момента. Таким образом, масло циркулирует по замкнутому кругу и обеспечивается передача крутящего момента в гидротрансформаторе.

Рисунок 3.1 – Гидротрансформатор:

а – детали гидротрансформатора; б – схема; 1 – маховик; 2 – турбинное колесо; 3 – насосное колеса; 4 – реактор; 5 – вал; 6 – муфта.

Если бы между насосным и турбинным колесами отсутствовал реактор, то такая конструкция (гидромуфта) осуществляла бы перенос энергии от двигателя к трансмиссии гидравлическим способом, без возможности изменения крутящего момента. Расположенный между колесами гидротрансформатора неподвижный реактор, имеет лопасти специального профиля, которые изменяют направление потока жидкости, выходящей из турбинного колеса, и направляют его под определенным углом на лопасти насосного колеса. Это позволяет значительно увеличить передаваемый от двигателя в трансмиссию крутящий момент. Наибольшее увеличение крутящего момента на турбинном колесе гидротрансформатора получается при трогании автомобиля с места. В этом случае реактор неподвижен, так как заторможен муфтой свободного хода. По мере разгона автомобиля увеличивается скорость вращения насосного и турбинного колес. При этом муфта свободного хода расклинивается, и реактор начинает вращаться с увеличивающейся скоростью, оказывая все меньшее влияние на передаваемый крутящий момент. Когда угловая скорость турбинного колеса приближается к угловой скорости насосного, поток жидкости, поступающей на лопасти реактора изменяет свое направление на противоположное.

Для того чтобы реактор на этом режиме не создавал помех потоку жидкости, его устанавливают на муфте свободного хода, и он начинает свободно вращаться. После достижения реактором максимальной скорости вращения гидротрансформатор перестает изменять крутящий момент и переходит на режим работы гидромуфты. Таким образом происходит плавный разгон автомобиля и бесступенчатое изменение крутящего момента.

Гидродинамические передачи могут иметь разную конструкцию. Нерегулируемая гидромуфта с симметричным кругом циркуляции и радиальными лопатками изображена на рисунке 3.2, а. Круг циркуляции образуют чаши 1 и плоские лопатки колес 2; в некоторых конструкциях дополнительно имеется внутренний тор 3 (рисунок 3.2, б). На схемах направление потока жидкости показано стрелками.

1. По направлению вращения насосного и турбинного колес:

· прямого хода – лопастные колеса по направлению движения потока жидкости в круге циркуляции располагаются в следующем порядке: насосное (Н), турбинное колесо (Т), направляющий аппарат (А) (рисунок 3.2, в);

· обратного хода – колесо направляющего аппарата расположено между насосным и турбинным колесами (рисунок 3.2, ж).

2. По количеству турбинных колес:

· одноступенчатые (с одним колесом);

· многоступенчатые (два и более колес) – после каждого турбинного колеса кроме последнего, расположено колеса направляющего аппарата (рисунок 3.2, е, з). Турбинные колеса такого ГТ обычно жестко соединены (рисунок 3.2, е) внутри тора 2 круга циркуляции. В некоторых конструкциях (рисунок 3.2, з) турбинные колеса соединяются с помощью дифференциального зубчатого механизма Д, повышающего коэффициент трансформации и расположенного внутри полости гидротрансформатора. Такой ГТ называют дифференциальным.

3. По способу установки колес направляющего аппарата:

· простые – колеса направляющего аппарата жестко крепятся к картеру передачи (рисунок 3.2, е, ж);

· комплексные – колеса направляющего аппарата установлены на муфте свободного хода (рисунок 3.2, в…д). В некоторых конструкциях колесо направляющего аппарата разделено на две части, установленные последовательно (рисунок 3.2, г), что позволяет расширить зону работы с высоким КПД. Дифференциальный ГТ (рисунок 3.2, з) также является комплексным. В комплексных ГТ широко применяются фрикционные муфты Ф_б (рисунок 3.2, д), позволяющие блокировать насосное и турбинное колеса и получать при этом прямую передачу. При этом существенно повышается КПД (на 10…12%) и максимальная скорость движения. В некоторых конструкциях применяются муфты свободного хода 4, блокирующие вал турбины с входным валом передачи при изменении направления передачи крутящего момента, это улучшает тормозные характеристики автомобиля.

Рисунок 3.2 Схемы гидродинамических передач

Гидротрансформатор автоматически устанавливает необходимое передаточное число между коленчатым валом двигателя и ведущими колесами автомобиля. Это обеспечивается следующим образом: с уменьшением скорости вращения ведущих колес автомобиля при возрастании сопротивления движению возрастает динамический напор жидкости от насоса на турбину, что приводит к росту крутящего момента на турбине и, следовательно, на ведущих колесах автомобиля.

Имея небольшие размеры и массу, гидротрансформатор обеспечивает:

· плавное трогание автомобиля с места и отсутствие рывков;

· гашение крутильных колебаний и снижение ударных нагрузок в трансмиссии автомобиля, в результате чего долговечность двигателя и трансмиссии увеличиваются почти в два раза;

· повышение проходимости автомобиля в тяжелых дорожных условиях в результате непрерывного подвода мощности и крутящего момента к ведущим колесам и достижения минимальной устойчивой скорости движения (1,5 км/ч);

· легкость управления автомобилем и повышение безопасности движения благодаря меньшей утомляемости водителя.

Однако гидротрансформатор имеет и недостатки:

· более низкий КПД, чем у ступенчатых коробок передач, вследствие чего несколько снижаются тягово-скоростные свойства и топливная экономичность автомобиля;

· сложную конструкцию и высокую стоимость.

Кроме того, гидротрансформатор невозможно использовать на автомобиле в качестве самостоятельного (автономного) механизма вследствие небольшого диапазона передач (Д=2. 3).

В автомобильных ГМП применяются преимущественно комплексные гидротрансформаторы с симметричным кругом циркуляции (рисунок 3.3, а, б), обладающие достаточно высоким коэффициентом трансформации, широкой зоной передаточных отношений с высоким КПД и прозрачностью, позволяющей обеспечить оптимальную совместную работу с любым типом автомобильного двигателя.

Рисунок 3.3 – Конструкции гидротрансформаторов

а – комплексных гидротрансформатор ЗИЛ; б – комплексный гидротрансформатор ЛГ-340.

Гидротрансформатор представляет собой, как правило, разборную конструкцию и размещается в отдельном картере 7, имеющем торцевые фланцы для соединения с картером маховика двигателя с одной стороны и с картером коробки передач с другой. Картер гидротрансформатора может быть сухим; герметичность достигается применением уплотнительных резиновых колец (рисунок 3.3, б) или сварной неразъемной конструкции (рисунок 3.3, а), а также манжетных уплотнений 14. Для улучшения охлаждения гидротрансформатора на наружной поверхности насосного колеса Н (рисунок 3.3, б) выполнены радиальные лопатки, обеспечивающие интенсивную циркуляцию воздуха в полости картера; для этой же цели в стенках картера имеются окна, закрытые сеткой, и устанавливается направляющий кожух 22.

Неразборная конструкция гидротрансформатора целесообразна в тех случаях, когда гарантируется высокая надежность всех его элементов. При этом снижается стоимость изготовления, размеры и масса изделия. Такие конструкции применяются на легковых автомобилях.

Привод насосного колеса может осуществляться различными способами. В конструкции гидротрансформатора (рисунок 3.3, а) штампованная крышка 6 соединена сваркой с насосным колесом Н и крепится болтами к тонкому стальному диску 4. Этот диск с установленным на нем зубчатым венцом 5 для пуска двигателя жестко соединен с фланцем 1 коленчатого вала двигателя. Привод гидротрансформатора городского автобуса (рисунок 3.3, б) осуществляется с помощью упругой втулочно-пальцевой муфты. Пальцы 26 муфты установлены в крышке 6, соединенной болтами с насосным колесом, а резиновые втулки — в маховике двигателя.

Соосность гидротрансформатора и вала двигателя достигается с помощью центрирующего пояска фланца 21, входящего в отверстие коленчатого вала.

В крышке гидротрансформатора (рисунок 3.3, б) размещается блокировочная муфта, соединяющая при включении насосное и турбинное колеса. При этом обеспечивается передача мощности двигателя напрямую, минуя гидротрансформатор.

Основными элементами конструкции гидротрансформатора являются: лопастные колеса, опоры колес, муфты свободного хода, блокировочная фрикционная муфта. Лопастные колеса состоят из чаши 8, лопаток 9, тора 10 и ступицы 3, 13. Направляющий аппарат А устанавливается на трубчатой опоре 17 с помощью муфты свободного хода 11.

Чаша насосного колеса 2 (рисунок 3.3, а) отлита из легкого сплава, а лопатки 3 и тор 4 изготовлены штамповкой из стальной ленты. Соединение лопаток с тором осуществлено с помощью отгибных усиков 1 а с чашей — с помощью выступов 5, входящих в соответствующие пазы на внутренней поверхности чаши. Дополнительно все лопатки удерживаются в чаше стопорным кольцом 6.

Опоры лопастных колес образуются с помощью ступиц, выполненных; заодно с колесом или отдельно, и подшипников скольжения или качения. Могут применяться одновременно опоры различных типов. Ступица 3 (см. рисунок 3.3) служит для соединения турбины с валом 18.

В гидротрансформаторе (см. рисунок 3.3, а) турбинное Т и насосное Н колеса установлены на подшипниках скольжения, воспринимающих как радиальные (2, 15), так и осевые нагрузки (2, 19). Осевая сила, создаваемая потоком жидкости в направляющем аппарате Л, передается на ступицу 13 насосного колеса с помощью упорного подшипника 12.

В гидротрансформаторе типа ЛГ-340 вал турбины 18 и насосное колесо Н устанавливаются на подшипниках качения 23, 28 (см. рисунок 3.3, б), а колеса направляющего аппарата имеют опоры в виде подшипников скольжения. Осевые силы воспринимаются бронзовыми шайбами 19, а радиальные нагрузки, возникающие из-за дисбаланса колес аппарата, передаются внутренней поверхностью обоймы муфты свободного хода (рис. рисунок 3.3, б, 14). Для снижения трения указанная поверхность покрывается тонким слоем антифрикционного материала (баббитом). В гидротрансформаторах большой мощности осевые нагрузки передаются на опору направляющего аппарата 11 с помощью радиально-упорных подшипников 7.

Ступица насосного колеса 13 (см. рисунок 3.3), как правило, используется для привода переднего масляного насоса 20. Привод осуществляется с помощью торцевых шлицев, выполненных на ступице и входящих в соответствующие пазы ведущей шестерни 16 насоса.

Подача рабочей жидкости в круг циркуляции гидротрансформатора из системы охлаждения осуществляется по кольцевому каналу Б (см. рисунок 3.3, а), образованному ступицей насосного колеса и трубчатой опорой направляющего аппарата. Далее масло через упорный подшипник поступает на вход в насосное колесо. Отвод масла для охлаждения производится на выходе из турбины по радиальным пазам в ступице турбины и далее по каналу В между валом турбины и опорой направляющего аппарата 17 и каналу в стенке картера к радиатору.

Установка колес направляющих аппаратов на муфтах свободного хода обеспечивает работу на режиме гидромуфты. Переход на этот режим и обратно на режим трансформации осуществляется автоматически при определенном значении передаточного отношения.

В гидротрансформаторах чаще всего применяются роликовые муфты свободного хода, обладающие высокой нагрузочной способностью и износостойкостью (см. рисунок 3.3, б). Наружные обоймы 9, соединенные со ступицами направляющих аппаратов А₁ и А₂ с помощью заклепок 10, имеют пазы с профилированной поверхностью, в которых размещаются ролики 13 и пружины 15. Внутренняя обойма с цилиндрической рабочей поверхностью крепится болтами 8 к неподвижной опоре 12.

Блокировочная муфта представляет собой дисковое фрикционное устройство, размещаемое, как правило, в крышке гидротрансформатора. Число поверхностей трения обычно не превышает 2. 4. Нажимное усилие на поверхностях трения создается давлением рабочей жидкости на поршень.

Входящая в конструкцию гидротрансформатора (рисунок 3.3, б) блокировочная муфта состоит из корпуса, выполненного в крышке 6, двух ведущих и одного ведомого дисков 27, поршня 25 и ступицы ведомого диска 24. Ведущие диски с помощью прямобочных шлицев соединены с крышкой, а ведомый диск — эвольвентными шлицами со ступицей, установленной на валу 18 турбинного колеса. Поршень 25 создает нажимное усилие на поверхностях дисков под давлением масла, которое поддерживается внутри гидротрансформатора системой подпитки и охлаждения. Наружная и внутренняя цилиндрические поверхности поршня уплотняются чугунными кольцами. От проворачивания поршень удерживается с помощью торцевых зубьев, входящих в те же шлицевые пазы крышки, которые используются для соединения с ведущими дисками.

Выключение муфты осуществляется подводом более высокого давления, чем давление подпитки гидротрансформатора, по системе каналов, выполненных в стенке картера и в опоре направляющего аппарата, и далее по радиальному и осевому отверстиям в вал 18 турбинного колеса через передний подшипник 28 во внутреннюю полость муфты. Ход поршня при выключении ограничивается упорным диском, установленным и закрепленным на пальцах 21 упругой муфты привода гидротрансформатора.

В некоторых конструкциях блокировочных муфт давление подпитки используется для возвращения поршня в исходное положение, а управляющее давление — для включения муфты.

Параметры оценки гидротрансформатора

Основными параметрами, по которым оценивают гидротрансформатор, являются: передаточное отношение i; коэффициент трансформации K; КПД η; коэффициент момента на валу насоса λ_Н; коэффициент прозрачности П.

Изменение этих параметров при постоянной угловой скорости насоса и при постоянном моменте насоса показано на типовом графике безразмерной характеристики гидротрансформатора, который представлен на рисунке 3.4 (штриховыми линиями показана для сравнения характеристика гидромуфты).

Безразмерная характеристика представляет собой зависимость коэффициента полезного действия η_гт коэффициента трансформации k_гт и коэффициента крутящего момента насоса λ_н от передаточного отношения гидротрансформатора і_гт.

Рисунок 3.4 – Безразмерная характеристика гидротрансформатора.

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

Передаточное отношение гидротрансформатора. Оно представляет собой отношение угловых скоростей валов турбины и насоса:

где ω_т – угловая скорость турбины; ω_н – угловая скорость насоса.

Коэффициент трансформации. Характеризует степень увеличения крутящего момента, передаваемого гидротрансформатором:

В указанном выражении – крутящий момент на валу турбины; – 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.

Максимальное значение коэффициента трансформации соответствует остановленной турбине (i=0) и лежит в пределах (в зависимости от конструкции гидротрансформатора) К₀=2…4. По мере увеличения передаточного отношения коэффициент трансформации снижается.

Для гидромуфты коэффициент трансформации =1, так как крутящие моменты на валах насоса и турбины равны.

Коэффициент полезного действия гидротрансформатора. Характеризует его энергетические свойства и определяет экономичность работы гидротрансформатора:

где – мощность, подводимая к насосу; – мощность, подводимая к турбине.

Основным недостатком гидротрансформаторов является то, что они имеют значительно меньший КПД, чем ступенчатые механические коробки передач. Так, наибольшие значения КПД гидротрансформатора (η_гт = 0,85…0,92) достигается только при оптимальном передаточном отношении (i_гт = 0,7…0,8). При других передаточных отношениях, больших или меньших оптимального, КПД гидротрансформатора быстро уменьшается (рисунок 3.4).

Коэффициент полезного действия гидромуфты:

Следовательно, при возрастании угловой скорости турбины КПД гидромуфты увеличивается прямо пропорционально ее передаточному отношению (рисунок 3.4).

Коэффициент момента насоса.Для определения нагрузки на лопастное колесо насоса в зависимости от активного диаметра и угловой скорости используют безразмерный коэффициент момента насоса:

Коэффициент прозрачности.Свойство гидротрансформатора нагружать двигатель можно характеризовать отношением коэффициента момента насоса при остановленной турбине (ω_т = 0) к коэффициенту момента насоса при коэффициенте момента насоса при коэффициенте трансформации К = 1, которое называют коэффициентом прозрачности П.

В зависимости от конструкции гидротрансформатора возможны три варианта.

Непрозрачный гидротрансформатор (П = 1) – при изменении режима работы турбины не изменяется нагрузочный режим насоса, а следовательно, двигателя.

Гидротрансформатор с прямой прозрачностью (П > 1) – увеличение нагрузки турбины влечет за собой рост нагрузки двигателя. Для автомобильных гидротрансформаторов обычно П=1,2…2,5. В ряде случаев это позволяет использовать приспособляемость двигателя (изменение крутящего момента при изменении угловой скорости коленчатого вала) для преодоления повышенного сопротивления движению.

Гидротрансформаторы с обратной прозрачностью (П

Источник