Гидрообъемная трансмиссия что это такое
Устройство автомобилей
Бесступенчатые трансмиссии
Гидрообъемная трансмиссия
Гидрообъемной называют передачу, состоящую из насоса высокого давления, объемного гидродвигателя, соединяющих их трубопроводов и системы подпитки (рис. 1). В гидрообъемных трансмиссиях основными параметрами, влияющими на преобразование и передачу мощности, являются объем и гидростатическое давление подаваемой жидкости.
Общая схема работы гидрообъемной трансмиссии представлена на рис. 1.
Насос высокого давления 2 приводится в действие от двигателя внутреннего сгорания 1. В насосе механическая энергия преобразуется в гидростатическую энергию напора рабочей жидкости. По трубопроводу 3 поток энергии от насоса передается к гидродвигателю 4 и в нем преобразуется в механическую работу.
Для того, чтобы обеспечить не только передачу мощности, но и осуществлять преобразование крутящего момента, гидронасос или гидродвигатель выполняются регулируемыми, т. е. они имеют возможность изменения объема подаваемой жидкости за один оборот приводного вала.
В большинстве случаев регулируемыми выполняют гидронасосы, а гидромоторы – нерегулируемыми.
В качестве насосов и гидродвигателей в гидрообъемных трансмиссиях обычно применяют объемные машины плунжерного типа (аксиально-поршневые, радиально-поршневые и т. п.). Гидромашины этого типа способны работать в режиме насоса и мотора, развивать высокое давление жидкости, но из-за требований точности при изготовлении прецизионных деталей имеют высокую стоимость и относительно небольшой ресурс.
Кроме того, гидромашины плунжерного типа очень чувствительны к качеству и чистоте масла.
Гидрообъемные передачи нашли применение в тяжелой технике – в строительных, грузоподъемных и дорожных машинах, в тракторах, комбайнах и некоторых других сельхозмашинах, а также в маневровых тепловозах.
На автомобилях трансмиссия с активным гидрообъемным приводом иногда применяется на автопоездах для привода колес прицепа.
Факторами, сдерживающими широкое применение гидрообъемных трансмиссий на автомобилях, являются: высокая стоимость, ограниченный ресурс, большие габаритные размеры и масса гидромашин, отсутствие необходимых материалов для производства надежных уплотнений и трубопроводов высокого давления, а также низкий КПД, обусловленный многократным преобразованием энергии.
kedoki
kedokiГибридная феноменология бронетехники
Гидрообъёмные передачи: курим понятие
В одной из недавних статей на примере Tiger (P) Typ 102 я уже описывал принципы работы гидродинамических передач, то есть гидромуфт и гидротрансформаторов. Кроме того, в танкостроении и в гусеничной технике вообще используются и гидростатические передачи, нередко их называют гидрообъёмными (сокращённо ГОП). У них другой принцип действия, свои области применения и так далее. Проблема в том, что в английской терминологии все они называются hydraulic transmission. Из-за этого некоторые темы в танкостроении обросли выдумками и откровенной ерундой. Например, в некоторых статьях авторы на полном серьёзе пишут, что Tiger (P) Typ 102 был оснащён гидрообъёмным приводом для каждой гусеницы. А тут уж есть где фантазии разгуляться. Мол, на экспериментальном Pz.Kpfw.IV гидрообъёмная трансмиссия работала ненадёжно, так что и Тигр с аналогичной конструкцией был обречён.
Штоки поршней крепятся на вращающейся с ними шайбе. Когда шайба находится под прямым углом, то поршни не совершают ход, объёмы жидкости в цилиндрах не изменяются и насос не работает. Если шайбу наклонить, то при вращении барабана поршни будут совершать ход, изменяя объёмы цилиндров, а жидкость в контуре начнёт протекать под давлением. Таким образом, от угла наклона шайбы зависит объём перекачиваемой жидкости и, соответственно, скорость вала гидромотора.
В реальной конструкции поршней и цилиндров намного больше. Посмотреть, как это работает, можно на довольно наглядном видео:
Кроме аксиально-поршневых есть радиально-поршневые насосы. В них поршни (или плунжеры на радиально-плунжерных насосах) располагаются не параллельно, а перпендикулярно к оси вращения вала. Реализаций у радиальных насосов множество, поэтому приведём несколько примеров.
Вот схема радиального насоса с неподвижными цилиндрами и эксцентриком:
Ось эксцентрика смещена от ос оси вала, поэтому при вращении эксцентрик вжимает одни поршни и отжимает другие. За счёт этого и происходит прокачка жидкости.
Другой вариант с вращающимися поршнями:
Ротор представляет собой барабан с поршнями, в центральной части которого есть две камеры высокого и низкого давления. Картер статора по оси смещён относительно ротора, поэтому при вращении вала поршни то сжимают, то отжимают пружины, соответственно изменяя объём цилиндров. За счёт этого и создаётся давление в контуре. Более наглядная схема:
Есть и другой вариант:
Наглядное видео с объяснением работы радиально-поршневых насосов:
Для регулировки объёма прокачиваемой жидкости и скорости вращения гидромотора нам нужно изменять положение оси эксцентрика относительно оси вращения вала. Это можно сделать смещением статора, как на схеме ниже, или смещения самого эксцентрика в радиальных насосах с неподвижными цилиндрами. В дальнейшем мы разберём такую конструкцию на реальном примере.
Что касается гидравлических моторов, то многие схемы насосов обратимы, то есть могут использоваться и как насосы, и как моторы. Вот пример объединения аксиально-поршневых мотора и насоса в один компактный блок для бесступенчатого изменения скорости:
Другой пример: с двигателем соединён аксиально-поршневой насос, а с ведущими колёсами пластинчатый гидромотор. В нём ось вращения ротора смещена от оси статора, а лопатки-пластины прижимаются к его стенке под действитем пружин или центробежной силы:
Достоинства и недостатки гидрообъёмных передач
Самое главное достоинство гидропередачи, ради которого её обычно и применяют, это возможность бесступенчатой регулировки. Наклоном шайбы или смещением эксцентрика можно изменять скорость вращения ведомого вала, причём крутящий момент тоже будет соответственно уменьшаться или увеличиваться. Нет никаких ступеней, как в коробке передач, передаточное число изменяется вслед за движением рычага или штурвала. Что касается диапазона скоростей, то и с ним всё, как правило, хорошо. Казалось бы, идеальная трансмиссия: гидромотор соединяется с двигателем, а гидронасосы с ведущими колёсами танка. Для каждой гусеницы отдельно можно задавать какую угодно скорость, плавно входя в повороты. Если танк заехал в говны и сопротивление движению увеличилось, то достаточно снизить обороты гидромотора, подняв крутящий момент.
Но не всё так просто. У гидрообъёмных передач есть, скажем, так, один существенный недостаток и одна важная особенность. Эту особенность нельзя однозначно назвать недостатком, потому что в некоторых случаях она является как раз достоинством. Гидрообъёмные передачи требуют качественного изготовления, ведь они работают с большим давлением и быстро движущимися деталями. При работе с большой мощностью требуется обеспечить адекватное охлаждение масла. Как следствие, использовать гидрообъёмный привод в качестве полноценной танковой трансмиссии крайне затруднительно. Вернее, сделать-то его можно, но сразу возникнут вопросы к цене, сложности изготовления, охлаждению и, самое главное, к надёжности. Кроме того, гидрообъёмные трансмиссии хоть и позволяют бесступенчато изменять крутящий момент и скорость в широком диапазоне, но они не делают этого автоматически, без участия человека. Наоборот, гидротрансформаторы сами приспосабливаются к условиям движения, используя мощность оптимальным образом.
Именно поэтому в настоящее время стандартом в танкостроении стала связка гидротрансформатора с планетарной коробкой передач. Но и для гидрообъёмных передач нашлись свои области применения. Они давно и с успехом используются в приводах поворота башни. Вот простая для понимания схема:
Пластинчатый гидромотор регулируется смещением статора вверх или вниз. Наводчик наклоняет рукоятку поворота и этим смещает гайку вперёд или назад. От её смещения, в свою очередь, зависит и смещение статора. Направлениям вверх или вниз соответствует движение башни по часовой или против часовой стрелки, а скорость поворота зависит от величины смещения. Гидромотор устроен сходным образом, только у него статор зафиксирован неподвижно.
Устройство автомобилей
Бесступенчатые трансмиссии
Гидродинамические и гидромеханические трансмиссии
В гидродинамической трансмиссии преобразование и передача мощности происходят за счет динамического (скоростного) напора жидкости. Устройством, которое позволяет осуществлять такое преобразование является гидротрансформатор.
Следует отличать гидротрансформатор от гидромуфты – гидротрансформатор способен не только передавать крутящий момент, но и изменять его величину, а гидромуфта лишь передает крутящий момент от ведущего (насосного) колеса ведомому (турбинному) колесу посредством потока жидкости.
Конструктивное отличие гидротрансформатора от гидромуфты заключается в наличии у гидротрансформатора реактора – неподвижного колеса с лопатками, способного изменять направление потока жидкости, передающего крутящий момент от насосного колеса к турбинному.
Гидротрансформатор (рис. 1) состоит из трех колес с радиально расположенными криволинейными лопастями: насосного колеса 4, которое через корпус 2 связано с коленчатым валом 1 двигателя, турбинного колеса 3, соединенного с выходным валом 7, и реактивного колеса 5, установленного на неподвижном пустотелом валу 6. Корпус гидротрансформатора заполнен маловязким маслом.
При вращении коленчатого вала масло, заполнившее промежутки между лопастями насосного колеса, под действием центробежных сил перетекает от внутренних краев лопастей к внешним, и совершая сложное движение, перемещается к турбинному колесу, воздействуя на его лопасти.
Ударяясь о лопасти турбинного колеса, масло отдает часть накопленной кинетической энергии, и поэтому турбинное колесо начинает вращаться в том же направлении, что и насосное.
От турбинного колеса масло поступает к лопастям реакторного колеса, изменяющим направление струй масла, а затем к внутренним краям лопастей насосного колеса.
Таким образом, часть масла циркулирует по замкнутому контуру: насосное колесо – турбинное колесо – реакторное колесо и опять – насосное колесо. При этом угловая скорость турбинного колеса оказывается меньше угловой скорости насосного колеса, поскольку имеет место «проскальзывание» ведущего колеса относительно ведомого, которое тем больше, чем выше нагрузка на выходном валу.
«Проскальзывание» колес гидротрансформатора обусловлено потерями кинетической энергии на трение между слоями масла и при перемещении масла по сложной траектории между колесами.
«Отставание» турбинного колеса от насосного приводит к тому, что поток жидкости начинает отклоняться от круговой траектории после удара о лопатки неподвижного реакторного колеса. При этом направление движения потока масла изменяется, и лопасти турбинного колеса принимают поток жидкости под более крутым углом, т. е. плечо вращающей силы возрастает, следовательно, возрастает и передаваемый гидротрансформатором крутящий момент.
Как только частота вращения насосного и турбинного колес выравниваются, поток жидкости начинает циркулировать по спиральной траектории, и крутящий момент, передаваемый от ведущего колеса к ведомому тоже выравнивается.
Затем опять появляется эффект «проскальзывания» колес и трансформатор начинает работать в режиме увеличения передаваемого крутящего момента.
Очевидно, что увеличение передаточного числа гидротрансформатора напрямую зависит от того, насколько ведомое (насосное) колесо отстает от ведущего (турбинного), т. е. от значения приложенной к выходному валу нагрузки. Таким образом, гидротрансформатор обладает свойством бесступенчатого и автоматического регулирования крутящего момента на выходном валу в зависимости от приложенной к нему нагрузки. При этом двигатель продолжает работать в заданном режиме, или незначительно от него отклоняясь.
Степень увеличения крутящего момента в гидротрансформаторе называется коэффициентом трансформации, а соотношение угловых скоростей валов насосного и турбинного колес называется передаточным отношением гидротрансформатора.
Между двигателем и трансмиссией в такой передаче нет жесткой связи, а лишь гидравлическая связь, поэтому гидротрансформатор сглаживает возникающие динамические нагрузки, благодаря чему значительно повышаются показатели надежности и долговечности деталей и узлов трансмиссии, двигателя и автомобиля в целом.
Однако у гидротрансформаторов относительно низкий максимальный КПД (0,85..0,9) и незначительный коэффициент трансформации (2…4). Поэтому в некоторых конструкциях с целью резкого повышения КПД предусматривается блокировка гидротрансформатора, при которой насосное и турбинное колесо жестко соединяются друг с другом во время работы.
Кроме того при отклонении нагрузки от номинальной значение КПД гидротрансформатора резко снижается.
Чтобы компенсировать эти недостатки и во время работы использовать зону наибольшего значения КПД, а также повысить передаваемый момент, гидротрансформатор комбинируют с элементами механической трансмиссии – сцеплением и ступенчатой коробкой передач или только с многоступенчатой коробкой.
Дальнейшая передача крутящего момента на ведущие колеса автомобиля осуществляется посредством карданной передачи и ведущими мостами. Такая комбинированная трансмиссия называется гидромеханической.
Автомобили с гидромеханической трансмиссией имеют значительно лучшую проходимость за счет плавного изменения силы тяги ан колесах при движении и, особенно, при трогании с места. Существенным преимуществом автомобилей с гидромеханической трансмиссией является возможность движения с очень малыми скоростями и даже полной остановки машины с работающим двигателем и включенной передачей.
Гидромеханическую трансмиссию применяют в машинах, работающих при значительных и частых изменениях нагрузки, например, городских автобусах. Но сложность конструкции, значительные масса и габариты, а также стоимость таких передач ограничивают применение гидромеханических трансмиссий в конструкциях автомобилей.
ТРАНСМИССИИ МИНИ-ТРАКТОРОВ. Гидрообъемные трансмиссии
Рассмотренные конструкции трансмиссий мини-тракторов предусматривают ступенчатое изменение их скорости движения и тягового усилия. Для более полного использования тяговых возможностей, особенно микротракторов и микропогрузчиков, большой интерес представляет применение бесступенчатых передач и, в первую очередь гидрообъемных трансмиссий. Такие трансмиссии имеют следующие преимущества [6]:
1) высокую компактность при небольшой массе и габаритных размерах, что объясняется полным отсутствием или применением меньшего числа валов, шестерен, муфт и других механических элементов. По массе, приходящейся на единицу мощности, гидравлическая трансмиссия мини-трактора соизмерима, а при высоких рабочих давлениях превосходит механическую ступенчатую трансмиссию (по данным работы [3], 8-10 кг/кВт для механической ступенчатой и 6-10 кг/кВт для гидравлической трансмиссии мини-тракторов);
2) возможность реализации больших передаточных чисел при объемном регулировании;
3) малую инерционность, обеспечивающую хорошие динамические свойства машин; включение и реверсирование рабочих органов может осуществляться на доли секунды, что приводит к повышению производительности сельскохозяйственного агрегата;
4) бесступенчатое регулирование скорости движения и простую автоматизацию управления, что улучшает условия труда водителя;
5) независимое расположение агрегатов трансмиссии, позволяющее наиболее целесообразно разместить их на машине: мини-трактор с гидравлической трансмиссией может быть скомпонован наиболее рационально с точки зрения его функционального назначения;
6) высокие защитные свойства трансмиссии, т. е. на-дежное предохранение от перегрузок основного двигателя и системы привода рабочих органов благодаря установке предохранительных и переливных клапанов.
Недостатками гидробъемной трансмиссии являются: меньший, чем у механической трансмиссии, коэффициент полезного действия; более высокая стоимость и необходимость использовать качественные рабочие жидкости с высокой степенью чистоты. Однако применение унифицированных сборочных единиц (насосов, гидромоторов, гидроцилиндров и т. д.), организация их массового про-изводства с использованием современной автоматизированной технологии позволяют снизить себестоимость гидрообъемной трансмиссии.
Поэтому сейчас увеличивается переход на массовый выпуск тракторов с гидрообъемной трансмиссией, и прежде всего садово-огородных, предназначенных для работы с активными рабочими органами сельскохозяйственных машин. В трансмиссиях микротракторов уже более 15 лет используются как простейшие схемы гидрообъемных трансмиссий с нерегулируемыми гидромашинами и дроссельным регулированием скорости, так и современные передачи с объемным регулированием.
Примером простейшей гидропередачи служит трансмиссия микротрактора «Кейс» схема компоновки которой на машине показана на рис. 2.13. Насос 5 шестеренного типа с постоянным рабочим объемом (нерегулируемый подачей) крепится непосредственно к дизелю микротрактора. В качестве гидромотора 3, куда устремляется через клапанно-распределительное регулирующее устройство 10 нагнетаемый насосом 5 поток масла, используется одновинтовая (роторная) гидромашина оригинальной конструкции. Винтовые гидромашины выгодно отличаются от зубчатых тем, что обеспечивают почти полное отсутствие пульсации гидравлического потока, имеют малые размеры при больших подачах, а кроме того, бесшумны в работе.
Винтовые гидромоторы при небольших размерах способны раз-вивать большие вращающие моменты на малых скоростях вращения и высокие скорости при малых нагрузках. Однако широкого применения винтовые гидромашины в на-стоящее время не имеют из-за низкого КПД и вы-соких требований к точ-ности изготовления.
Гидромотор 3 крепится через двухступенчатую коробку передач 2 к заднему мосту / микротрактора. Коробка передач обеспечивает два режима движения машины: транспортный и рабочий. Внутри каждого из режимов скорость микротрактора бесступенчато изменяется от О до максимума при помощи рычага 4, который служит также для реверсирования машины. При перемещении рычага 4 из нейтрального положения от себя микротрактор увеличивает скорость, двигаясь вперед, при повороте в обратном направлении обеспечивается движение задним ходом.
При нейтральном положении рычага 4 масло не поступает в трубопроводы, а следовательно, в гидромотор 3. Масло направляется от регулирующего устройства 10 непосредственно в трубопровод 8 и далее в масляный радиатор 7, масляный бак 6 с фильтром, а затем по трубопроводу 9 возвращается в насос 5. При нейтральном положении рычага 4 ведущие колеса 12 микротрактора не вращаются, так как гидромотор 3 отключен.
При повороте рычага 4 в обратном направлении перепуск масла в регулирующем устройстве прекращается, а направле-ние его потока в трубопроводах // меняется на обратное. Этому соответствует обратное вращение гидромотора 3, а следовательно, и движение микротрактора задним ходом. В микротракторах «Боуленс-Хаски» (Bolens-Husky, США) для управления гидрообъемной трансмиссией используется двухконсольная ножная педаль (рис. 4.17). В этом случае нажатию педали носком ноги соответствует движение микротрактора вперед (положение П), а пят-кой — движение назад (положение 3). Среднее фикси-рованное положение Н является нейтральным, а скорость машины (вперед и назад) увеличивается по мере увеличения угла поворота педали от ее нейтрального положения.
На рис. 4.18 представлен внешний вид заднего веду-щего моста микротрактора «Кейс» со вскрытой крышкой двухступенчатой коробки передач, совмещенной с главной передачей и трансмиссионным тормозом 6. К совмещенному картеру 12 заднего моста с двух сторон закреплены кожухи левой / и правой 7 полуосей, на концах которых расположены фланцы 8 крепления колес. Перед левой боковой стенкой картера 12 установлен гидромотор 2, выходной вал которого соединен с первичным валом коробки передач.
На внутренних концах полуосей находятся полуосевые цилиндрические шестерни 9 и 11 с прямыми зубьями, входящими в зацепление с зубьями шестерен 4 и 5 коробки передач. Между шестернями 9 к 11 размещен механизм блокирования полуосей между собой. Переключение режимов работы гидрообменной трансмиссии (передач в коробке передач) осуществляется от механизма 3, который позволяет установить либо рабочий режим, вводя в зацепление шестерни 5 и 9, либо транспортный, вводя в зацепление шестерни 4 и 11. При замене масла опорожнение совмещенного картера производится через спускное отверстие, закрываемое пробкой 10.
Упрощенная (с одним гидромотором) принципиальная гидравлическая схема гидропривода с замкнутой циркуляцией жидкости и объемным регулированием приведена на рис. 4.19. Основой системы являются регулируемый насос 2 и нерегулируемый гидромотор 9. Насос и гидромотор — аксиально-поршневого типа. Насос 2 подае’1 жидкость по магистральным трубопроводам 1 к гидромотору 9. Давление в магистрали слива поддерживается при помощи системы подпитки, состоящей из вспомогательного насоса 3, фильтра 5, переливного клапана 6 и обратных клапанов 7. Насос 3 забирает жидкость из гидробака 4.
Принципиальная магистральных гидролиний жидкость отводится через переливной клапан 11 обратно в гидробак 14. Обратимые аксиально-поршневые гидромашины (насос-моторы) бывают двух видов: с наклонным диском и с наклонным блоком. Конструкция первой из этих гидромашин показана на рис. 4.20. В гидро-машинах с наклонным диском 1 блок цилиндров 3 не только вращается в корпусе насоса 4 соосно с валом 5, но поршни 2 в цилиндрах 3 совершают возвратно — поступательное движение. Варьирование передаточного числа достигается плавным изменением рабочего объема насоса.
Поршни 2 упираются торцами в диск 1, который может поворачиваться вокруг оси 16. За половину оборота вала 5 Поршень 2 переместится в одну сторону на полный ход. Рабочая жидкость от гидромоторов 13 (по линии всасывания 6) входит в цилиндры 3. За следующую половину оборота вала 5 жидкость будет поршнями 2 вытолкнута в напорную магистраль 7 к гидромоторам 13. Подпиточный насос 10 восполняет утечки, собираемые в баке 14.
Изменяя угол р наклона диска 1, меняют производи-тельность насоса при неизменной скорости вращения вала5. Когда диск 1 находится в вертикальном положении (показано на рис. 4.20 штриховыми линиями), гидронасос не перекачивает жидкость (режим его холостого хода). При наклоне диска 1 в другую сторону от вертикального положения изменяется на обратное направление потока жидкости: магистраль 6 становится напорной, а магистраль 7 — всасывающей.
Обратимая гидромашина (насос-мотор) (рис. 4.21, см. вклейку) состоит из качающего узла, установленного внутри корпуса /. Корпус закрыт передней 3 и задней 15 крышками. Разъемы уплотнены резиновыми кольцами 2 и 14. Качающий узел гидромашины установлен в корпусе и зафиксирован стопорными кольцами 4, 5 и 17. Он состоит из приводного вала 6, вращающегося в подшипниках 7 и 8, семи поршней 10 с шатунами 9, блока цилиндров 12, центрируемого сферическим распределителем 13 и центральным шипом И. Поршни 10 завальцованы на шатунах 9 и установлены в цилиндры блока 12.
Шатуны укреплены в сферических гнездах фланца приводного вала. Блок цилиндров вместе с центральным шипом отклонен на угол 25 ° относительно оси приводного вала, поэтому при синхронном вращении блока и приводного вала поршни совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах, всасывая и нагнетая рабочую жидкость через каналы в распределителе (при работе в режиме насоса). Распределитель неподвижно установлен и зафиксирован относительно задней крышки штифтом.
Каналы распределителя 13 совпадают с каналами 16 крышки. За один оборот приводного вала каждый поршень совершает один двойной ход, при этом поршень, выходящий из блока, засасывает рабочую жидкость, а при движении в обратном направлении вытесняет ее. Количество рабочей жидкости, нагнетаемое насосом (подача насоса), зависит от частоты вращения приводного вала. При работе гидромашины в режиме гидромотора жидкость поступает из гидросистемы через каналы 16 в крышке 15 и распределителе 13 в рабочие камеры блока цилиндров.
Давление жидкости на поршни передается через шатуны на фланец приводного вала. В месте контакта шатуна с валом возникают осевая и тангенциальная составляющие силы давления. Осевая составляющая воспринимается радиально-упорными подшипниками 8, а тангенциальная создает вращающий момент на валу. Вращающий момент пропорционален рабочему объему и давлению гидромотора.
При изменении количества рабочей жидкости или направления ее подачи изменяются частота и направление вращения вала гидромотора. Аксиально-поршневые гидромашины рассчитаны на высокие значения номинального и максимального давлений (до 32 МПа), поэтому они имеют незначительную удельную металлоемкость (до 0,4 кг/кВт). Полный КПД достаточно высок (до 0,92) и сохраняется при снижении вязкости рабочей жидкости до 10 мм2/с. Недостатками аксиально-поршневых гидромашин являются высокие требования к чистоте рабочей жидкости и точности изготовления цилиндропоршневой группы.