Гидротрансформатор устройство и принцип действия

Гидротрансформатор представляет собой гидравлический механизм, включаемый между двигателем и механической силовой передачей автомобиля и обеспечивающий автоматическое изменение передаваемого от двигателя крутящего момента в соответствии с изменениями нагрузки на ведомом валу.

В простейшем гидротрансформаторе имеются три рабочих колеса с лопатками: вращающиеся насосное и турбинное колеса и неподвижное колесо — реактор. Колеса обычно изготовляют путем точного литья из легких прочных сплавов; лопатки делают криволинейными. Изнутри лопатки колес закрыты круглыми стенками, образующими внутри колес малую кольцевую полость круглого сечения небольшого диаметра (тор). Рядом расположенные колеса с лопатками образуют кольцевую замкнутую по окружности полость, в которой циркулирует залитая в гидротрансформатор рабочая жидкость (специальное масло).

Насосное колесо соединено с корпусом (ротором) и через него с коленчатым валом двигателя. Турбинное колесо связано через ведомый вал с силовой передачей автомобиля. Реактор закреплен неподвижно на втулке, соединенной с картером. Ротор гидротрансформатора с расположенными в нем рабочими колесами установлен на подшипниках внутри закрытого картера.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Для того чтобы Масло постоянно заполняло рабочую полость колес, а также в целях охлаждения, масло при работе гидротрансформатора непрерывно нагнетается из масляного резервуара в рабочую полость колес шестеренчатым насосом и сливается обратно в резервуар.

При работе гидротрансформатора масло, нагнетаемое в рабочую полость колес, захватывается лопатками вращающегося насосного колеса, отбрасывается центробежной силой к наружной окру?кности, попадает на лопатки турбинного колеса 3 и вследствие создаваемого при этом напора приводит его в движение вместе с ведомым валом. Далее масло поступает на лопатки неподвижно закрепленного колеса-реактора, изменяющего направление потока жидкости, и затем опять поступает в насосное колесо, непрерывно циркулируя по замкнутому кругу внутренней полости рабочих колес (как указано стрелками) и участвуя в общем вращении с колесами.

Наличие неподвижного колеса-реактора, лопатки которого расположены так, что они изменяют направление проходящего через него потока жидкости, способствует возникновению на лопатках реактора некоторого усилия, вызывающего появление реактивного момента, воздействующего через жидкость на лопатки турбинного колеса дополнительно к моменту, передаваемому на него от насосного колеса.

Таким образом, наличие реактора дает возможность получать на валу турбинного колеса крутящий момент, отличный от момента, передаваемого двигателем.

Чем медленнее вращается турбинное колесо по сравнению с насосным колесом (например, при возрастании приложенной к валу турбинного колеса внешней нагрузки), тем значительнее лопатки реактора изменяют направление проходящего через него потока жидкости и тем больший дополнительный момент передается от реактора турбинному колесу, вследствие чего увеличивается крутящий момент на его валу.

Свойство гидротрансформаторов автоматически изменять (трансформировать) соотношение моментов на валах в зависимости от соотношения чисел оборотов на ведущем и ведомом валах (и, следовательно, от величины внешней нагрузки) является их основной особенностью. Таким образом, действие гидротрансформатора аналогично действию коробки передач с автоматическим изменением передаточных чисел.

Основными показателями, характеризующими свойства гидротрансформатора, являются: отношение моментов на ведомом и ведущем валах, оцениваемое коэффициентом трансформации; отношение чисел оборотов на ведомом и ведущем валах, оцениваемое передаточным отношением, и к. п. д. гидротрансформатора.

Изменение основных показателей гидротрансформатора в зависимости от числа оборотов ведомого вала или в зависимости от величины передаточного отношения i может быть представлено в виде графика, называемого внешней характеристикой гидротрансформатора.

Как видно из внешней характеристики, при уменьшении числа оборотов ведомого вала щ и уменьшения передаточного отношения крутящий момент М2 значительно возрастает с соответственным возрастанием коэффициента трансформации К. При полной остановке ведомого вала из-за значительной перегрузки крутящий момент М2 на ведомом валу и соответственно коэффициент трансформации К достигают максимального значения. Такое протекание момента М2 обеспечивает машине, на которой установлен гидротрансформатор, возможность автоматически приспосабливаться к изменяющимся нагрузкам и преодолевать их, заменяя собой действие коробки передач.

В случае, если изменение нагрузки и крутящего момента М2 на ведомом валу оказывает влияние на величину крутящего момента двигателя Мх и число его оборотов пх и они при разных передаточных числах изменяются, то такой гидротрансформатор называется прозрачным в отличие от непрозрачного гидротрансформатора, у которого изменение внешней нагрузки не оказывает влияния на режим работы двигателя.

На легковых автомобилях применяют в основном прозрачные гидротрансформаторы, так как они при наличии карбюраторного двигателя обеспечивают лучшие тяговые и экономические качества автомобиля при разгоне и уменьшают шум при работе двигателя вследствие падения числа его оборотов при трогании автомобиля с места.

На грузовых автомобилях с дизелями применяют малопрозрачные гидротрансформаторы.

К. п. д. гидротрансформатора, как видно из характеристики, при различных режимах работы не остается постоянным и изменяется от нуля при полном торможении ведомого вала до некоторого максимального значения и снова падает до нуля при полной разгрузке ведомого вала.

Максимальное значение к. п. д. для существующих конструкций гидротрансформаторов колеблется в пределах 0,85—0,92.

Рассмотренный характер изменения к. п. д. гидротрансформатора ограничивает зону его действия с малыми потерями мощности и удовлетворительными значениями к. п. д.

Основным мероприятием, улучшающим протекание к. п. д. гидротрансформатора и увеличивающим диапазон режима работы его при благоприятных значениях к. п. д., является сочетание в одном механизме свойств гидротрансформатора и гидромуфты. Такие гидротрансформаторы называются комплексными.

Особенностью конструкции комплексного гидротрансформатора (рис. 308, б) является то, что реактор в нем закреплен па неподвижной втулке 6 не жестко, а установлен на муфте свободного хода.

При числе оборотов ведомого вала, значительно меньшем числа оборотов ведущего вала, что соответствует повышенной нагрузке на ведомом валу, поток жидкости, выходящий из турбинного колеса, ударяется в лопатки реактора с тыльной (по отношению к направлению вращения) стороны. При этом, стремясь вращать колесо в обратную сторону от общего вращения, поток создаваемым усилием заклинивает реактор неподвижно на муфте свободного хода. При неподвижном реакторе вся система работает как гидротрансформатор, обеспечивая необходимую трансформацию крутящего момента и способствуя преодолению изменяющихся нагрузок.

При снижении нагрузки на ведомом валу и значительном повышении числа оборотов турбинного колеса направление потока жидкости, поступающего с лопаток турбины, изменяется, и жидкость ударяется в лицевую поверхность лопаток реактора, стремясь вращать его в сторону общего вращения. Тогда муфта свободного хода, расклиниваясь, освобождает.реактор, и он начинает свободно вращаться в общем направлении с насосным колесом. При этом, вследствие отсутствия неподвижных лопаток на пути потока жидкости, трансформация (изменение) момента прекращается, и вся система работает как гидромуфта.

В результате сочетания в одном механизме свойств гидротрансформатора и гидромуфты, вступающих в действие в зависимости от соотношения чисел оборотов ведущего и ведомого валов, характеристика комплексного гидротрансформатора представляет собой комбинацию характеристик гидротрансформатора и гидромуфты.

До соотношения чисел оборотов ведущего и ведомого валов, определяемого передаточным отношением, равным примерно 0,75—0,85, т. е. до того момента, когда ведомый вал вследствие приложенной к нему нагрузки вращается медленнее ведущего, механизм работает как гидротрансформатор с соответствующим законом протекания к. п. д. При повышении числа оборотов ведомого вала, когда необходимость в трансформации крутящего момента из-за падения нагрузки отпадает, механизм переходит на режим работы гидромуфты с соответствующим законом протекания к. п. д. и возрастанием его при полной разгрузке до значений 0,97—0,98.

Таким образом, у комплексного гидротрансформатора зона действия механизма с высокими значениями к. п. д. значительно расширяется, в результате чего повышается эффективность работы автомобиля, что и является основным преимуществом комплексного гидротрансформатора.

Для еще большего расширения зоны действия высоких значений к. п. д. и сохранения хороших трансформирующих свойств применяют комплексные гидротрансформаторы с двумя реакторами, выключаемыми из работы в определенной последовательности.

Гидротрансформатор с одним турбинным колесом называется одноступенчатым. Применяются также гидротрансформаторы, у которых установлены два турбинных колеса со своими реакторами, что повышает трансформирующие свойства гидротрансформатора, называемого в этом случае двухступенчатым.

Максимальное значение коэффициента трансформации для большинства не сильно усложненных по конструкции (одноступенчатых) гидротрансформаторов не превышает обычно значений 2,0—3,5.

Для большего расширения диапазона передаточных чисел силовой передачи автомобиля гидротрансформатор устанавливают в сочетании с механической двух- или трехступенчатой коробкой передач, обычно планетарного типа и с автоматическим управлением. Это дает возможность также в зависимости от внешней нагрузки автомобиля путем своевременного переключения передач обеспечить работу гидротрансформатора в зоне наиболее благоприятных значений к. п. д., т. е. повысить эффективность работы автомобиля.

Гидротрансформатор – усовершенствованная гидромуфта, механизм увеличения крутящего момента в 2-3 раза, часть гидромеханической трансмиссии. В настоящее время применяется повсеместно на легковых, грузовых автомобилях, автобусах, тракторах и другой транспортной и специальной технике. Обычно работает в паре с планетарной автоматической коробкой передач, но иногда устанавливается на автомобили с бесступенчатой вариаторной трансмиссией.

Устройство и принцип действия

Конструктивно гидротрансформатор идентичен гидромуфте с одним отличием – между насосным и турбинным колесами установлен статор (или роторное колесо). Назначение статора – направить движение жидкости на лопатки турбинного (ведомого) колеса гидротрансформатора и тем самым использовать кинетическую энергию относительного движения жидкости, которое в гидромуфте направлено от центра насосного (ведущего) колеса к его периферии. Гидротрансформатор по сравнению с гидромуфтой имеет более сложное устройство и больший КПД. В массовом производстве детали гидротрансформатора приходится обрабатывать с особой точностью. Но практическая ценность гидротрансформатора по сравнению с гидромуфтой несравнимо выше.

Ротор гидротрансформатора оснащен обгонной муфтой, которая блокирует его вращение при больших оборотах насосного колеса. Этот режим называется стоповым.
Сообщающееся с ведущим валом двигателя насосное колесо внутренними лопатками приводит в движение заполняющая картер гидротрансформатора жидкость. Жидкость совершает два типа движения – переносное, от лопаток насосного колеса к лопаткам турбинного колеса, и относительное, от центра насосного колеса к его периферии (за счет центробежных сил). На малых оборотах вала двигателя отбрасываемая лопатками насосного колеса жидкость попадает на внутреннюю поверхность статора, приводя его во вращение. Лопатки статора направляют жидкость на лопатки турбинного колеса. Благодаря этому используется кинетическая энергия как переносного, так и относительного движения, повышая КПД всего механизма. Часть кинетической энергии жидкости, которая не преобразуется в механическую энергию турбинным колесом, возвращается статором на лопатки насосного колеса. За счет этого достигается эффект трансформации, увеличения крутящего момента, который в стартовом режиме (при трогании автомобиля с места) может возрастать до трех раз. При увеличении оборотов обгонная муфта уменьшает частоту вращения статора, а затем блокирует его. Это происходит при частоте вращения коленчатого вала двигателя примерно в 3/4 от максимальной. Гидротрансформатор переходит в стоповый режим работы, при котором статор не принимает участия в перераспределении движения жидкости. В этом режиме гидротрансформатор работает, как обычная гидромуфта. Коэффициент трансформации крутящего момента равен единице – как при работе гидромуфты.

Гидротрансформатор обладает многими достоинствами, выполняя функции демпфера крутильных колебаний двигателя. Но из-за неизбежных потерь использование гидротрансформатора снижает экономичность автомобиля. Дело в том, что частота вращения насосного колеса всегда выше частоты вращения турбинного колеса. И если в моменты разгона автомобиля гидротрансформатор выполняет полезную работу по увеличению крутящего момента, то при равномерном движении его применение нецелесообразно.
Чтобы избежать повышенного расхода топлива, гидротрансформаторы оснащают автоматической блокировочной муфтой, которая механически жестко связывает насосное и турбинное колеса. Блокировка срабатывает при скорости движения автомобиля примерно в 70 км/ч. Блокировочная муфта расположена в ступице турбинного (ведущего колеса). В отключенном состоянии крутящий момент передается на турбинное колесо через демпфирующие пружины муфты. Во включенном состоянии поршень муфты прижимает нажимной диск к фрикционной накладке, происходит плавное выравнивание вращения ведущего и ведомого валов, а затем полная их блокировка – крутящий момент от двигателя передается на механизмы трансмиссии (коробку передач) напрямую.
Наличие механизма блокировки гидротрансформатора на автомобилях с АКП позволяет реализовать режим торможения двигателем и повышает экономичность. На тракторах с гидромеханической трансмиссией блокировка используется во время работы в стационарном режиме (как стационарного двигателя, электрогенератора и так далее) и для запуска двигателя буксировкой.
В автоматической трансмиссии крутящий момент полностью передается через гидротрансформатор на первой, второй передаче и на передаче заднего хода. На третьей передаче около 40% крутящего момента передается через гидротрансформатор и 60% (то есть после достижения автомобилем скорости в 70 км/ч) напрямую, с выключенным гидротрансформатором. На четвертой передаче гидротрансформатор в передаче крутящего момента не участвует.

Гидротрансформа́тор (турботрансформатор (уст.), преобразователь крутящего момента) — гидравлическое устройство, служащее для преобразования (изменения) крутящего момента от двигателя к трансмиссии. В отличие от гидромуфты гидротрансформатор способен увеличивать момент на ведомом валу в зависимости от действующего на него сопротивления.

Является одним из элементов гидромеханических трансмиссий, в составе которых применяется на транспортных средствах с двигателем внутреннего сгорания от легковых машин до тепловозов. Гидротрансформаторы получили широкое распространение в автомобильной технике, обеспечивая плавное трогание автомобиля с места и уменьшая передачу ударных нагрузок от трансмиссии на вал двигателя. Чаще всего используется с АКП или вариаторами.

Содержание

Принцип действия [ править | править код ]

Любой гидротрансформатор состоит из:

• Осевого лопастного насоса, жестко связанного с корпусом гидротрансформатора. Насос обеспечивает движение жидкости.
• Турбины, жестко соединенной с ведомым валом. Турбина вращается под действием потока жидкости от насоса.
• Так называемого статора (реактора, направляющего аппарата) — специальной крыльчатки, установленной на пути жидкости непосредственно на выходе из турбины. Статор закреплен на обгонной муфте (муфте свободного хода), позволяющей ему свободно вращаться только в одну сторону (в ту же, в какую вращается турбина).

При работе гидротрансформатора жидкость разгоняется насосным колесом и движется по сложной траектории, которую можно разделить на две простые составляющие: относительную (скорость направлена радиально от оси к периферии насосного колеса и от периферии к оси турбинного колеса), переносную (вращение вместе с насосным и турбинным колёсами). В зависимости от соотношения этих составляющих гидротрансформатор может работать на разных режимах.

Различают три режима работы гидротрансформатора:

• Режим трансформации крутящего момента. Соотношение переносной и относительной скоростей потока выходящего с турбинного колеса такое, что абсолютная скорость направлена на вогнутую поверхность лопаток реактора. На реакторе создаётся крутящий момент, стремящийся провернуть его в сторону заклинивания муфты свободного хода. Реактор оказывается неподвижным. При этом лопатки реактора разворачивают относительную составляющую потока с турбинного колеса так, что его кинетическая энергия добавляется к кинетической энергии переносного движения, что создаёт увеличенный крутящий момент на турбинном колесе. Частный случай – стоп-режим, когда неподвижно и турбинное колесо. При этом в потоке, выходящем с турбинного колеса практически отсутствует переносная составляющая. При увеличении частоты вращения турбинного колеса возрастает центробежная сила, препятствующая перемещению потока с периферии к оси турбинного колеса. Кинетическая энергия относительной составляющей потока, выходящего с турбинного колеса, уменьшается. При этом уменьшается коэффициент трансформации. Когда он становится близок к единице, гидротрансформатор переходит в режим гидромуфты.
• Режим гидромуфты. Соотношение относительной и переносной составляющих становится таким, что абсолютная скорость потока, выходящего с турбинного колеса, направлена на выпуклую поверхность лопаток реактора. При этом создаётся крутящий момент, проворачивающий реактор в направлении расклинивания муфты свободного хода. Реактор вращается вместе с турбинным колесом и не изменяет направление относительной составляющей потока. Крутящий момент с насосного колеса на турбинное передаётся без изменения.
• Режим блокировки. Система управления подаёт сигнал на блокировку фрикционной муфты гидротрансформатора. Насосное и турбинное колеса жёстко соединяются и вращаются как одно целое. У потока жидкости при этом отсутствует относительная составляющая.

Описание принципа работы гидротрансформатора можно посмотреть в этом видео Гидротрансформатор АКПП. Вся правда о принципе работы.

Устройство [ править | править код ]

Все детали собраны в общем корпусе, расположенном, как правило, на маховике двигателя машины. Хотя, бывают и исключения. Например, в трансмиссиях автобуса ЛиАЗ-677 и трактора ДТ-175С передача крутящего момента от двигателя к гидротрансформатору происходит через карданный вал. Гидротрансформатор наполнен маслом, которое активно перемешивается при его работе.

Насосное колесо жёстко связано с корпусом гидротрансформатора, при вращении вала двигателя оно создаёт внутри гидротрансформатора поток масла, который вращает колесо статора (реактора) и турбину.

Конструктивным отличием гидротрансформатора от гидромуфты является наличие статора (реактора). Статор установлен на обгонной муфте. При значительной разнице оборотов насоса и турбины статор (реактор) автоматически блокируется и передаёт на насосное колесо больший объём жидкости. Благодаря статору (реактору) происходит увеличение крутящего момента до трёх раз [1] при старте с места.

Турбина жёстко связана с валом АКП.

Благодаря тому, что передача крутящего момента внутри гидротрансформатора происходит без жёсткой кинематической связи, исключаются ударные нагрузки на трансмиссию и автомобиль приобретает большую плавность хода. Негативным эффектом гидротрансформатора является «проскальзывание» турбинного колеса по отношению к насосному — это приводит к повышенному выделению тепла (в некоторых режимах гидротрансформатор может выделять больше тепла, чем сам двигатель) и увеличению расхода топлива.

Блокировка гидротрансформатора [ править | править код ]

Для повышения топливной экономичности в конструкцию современных гидротрансформаторов вводится механизм блокировки, позволяющий жёстко связать насос и турбину. При заблокированном гидротрансформаторе АКП работает в режиме жёсткой кинематической связи двигателя и трансмиссии аналогично МКП. В электронно-управляемых АКП момент включения блокировки определяет компьютер, поэтому она может быть включена практически в любой момент согласно управляющей программе.

АКП, произведённые в XX веке, включали блокировку гидротрансформатора только при достижении достаточно большой скорости (более 70 км/ч). Современные АКП включают блокировку гидротрансформатора с достаточно низких скоростей (от 20 км/ч), что позволяет экономить топливо не только при движении по шоссе, но и при городской эксплуатации автомобиля. Также блокировка гидротрансформатора применяется, подобно МКПП, для торможения двигателем. В этом случае подача топлива в двигатель прекращается на время блокировки, вал двигателя вращается за счёт движения автомобиля. На тракторах блокировка гидротрансформатора используется для запуска двигателя трактора «с толкача» либо когда трактор работает в стационарном режиме.

Необходимо отметить, что хотя блокировка гидротрансформатора приносит ощутимую экономию топлива, она имеет некоторые недостатки:

• прямая кинематическая связь способствует передаче ударных нагрузок между двигателем и трансмиссией;
• частое включение блокировки приводит к износу фрикционов АКП;
• загрязнение масла АКП продуктами износа фрикционов блокировки;
• ухудшение плавности хода при переключении передач АКП.

Применение [ править | править код ]

Гидротрансформаторы широко используются на транспорте: от легковых автомобилей и лёгких вилочных погрузчиков до сверхтяжёлых специальных грузовых шасси. Чаще всего работают с планетарными коробками передач, хотя встречаются и сочетания с обычными двух- и трёхвальными конструкциями. Популярность снабжённых гидротрансформатором машин в зависимости от региона может очень сильно различаться. Так, на конец XX века в Западной Европе около 20 % легковых автомобилей имели гидротрансформатор. Подавляющее большинство гидротрансмиссий средней и большой мощности в Европе разработано и строится фирмой Voith в Германии.

В то же время в США их доля составляла порядка 80 %. В последние годы из легкового автомобилестроения гидротрансформаторы вытесняются автоматизированными или «роботизированными» механическими коробками передач.

В СССР, а позднее в СНГ использовались в гидродинамических трансмиссиях автомобилей «Волга», «Чайка» и ЗИЛ, многоцелевых тягачах МЗКТ и КЗКТ, семействе БелАЗ, автобусах ЛАЗ-695Ж и ЛиАЗ-677, на тракторах ДТ-175С и Т-330 и на ряде маневровых тепловозов (ТГМ3, ТГМ6, ТГК2) и магистральных локомотивов — ТГ102, ТГ16, ТГ22. Кроме того, гидротрансформаторы используются в трансмиссиях некоторых типов подъёмных кранов и экскаваторов с канатным приводом рабочих органов, в приводах рудничных и карьерных ленточных конвейеров. Также гидротрансформаторы устанавливались в привод гребных винтов самого мощного в СССР речного буксира-толкача Маршал Блюхер, что позволяло двигателям теплохода-гиганта эффективно работать на малых скоростях без применения гребных винтов регулируемого шага (реализация которых на речных судах весьма затруднительна).

Двухмашинный гидротрансформатор [ править | править код ]

В системах объёмного гидропривода встречаются агрегаты, носящие название гидравлических трансформаторов, но не имеющие по конструкции ничего общего с гидродинамическими трансформаторами. Пример — агрегат НС53, стоящий на самолёте Ан-124 «Руслан» и некоторых других, состоит из двух одинаковых гидромашин (мотор-насосов) с общим валом, каждая из которых подключена к своей автономной гидросистеме. В какой из систем больше давление — машина той системы вращает вал и передаёт механическую энергию другой машине, которая создаёт давление в своей системе. Такая конструкция позволяет передавать энергию из системы в систему без обмена жидкостью, что при разгерметизации или загрязнении одной гидросистемы исключает отказ другой. На самолётах Airbus аналогичный агрегат называется power transfer unit (PTU).