Гидротрансформатор

Модель гидротрансформатора в разрезе

Гидротрансформа́тор  — 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.

Основные параметры гидротрансформатораПравить

  • Активный диаметр — наибольший диаметр рабочей полости. [1]
  • Коэффициент трансформации крутящего момента (далее — КТ) — отношение крутящего момента на ведомом звене к крутящему моменту на ведущем звене. [2]
    В информационных материалах о гидротрансформаторе обычно упоминается максимально возможное значение коэффициента трансформации, хотя при работе гидротрансформатора его КТ на разных режимах работы разный.
  • Передаточное отношение — отношение частоты вращения ведомого звена к частоте вращения ведущего звена (всегда меньше единицы). [3]

Принцип действияПравить

 
Принципиальная схема гидротрансформатора
  Внешние видеофайлы
  Как работает гидротрансформатор

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.

УстройствоПравить

 
Гидротрансформатор в разрезе. Слева виден «бублик» насоса и турбины, между ними виден светло-серый реактор и его подшипник с обгонной муфтой. Справа сцепление блокиратора.

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[4] 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 гидротрансформатораПравить

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.

ПрименениеПравить

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 гидротрансформаторПравить

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).

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. ГОСТ, 1974, p. 8.
  2. ГОСТ, 1974, p. 10.
  3. ГОСТ, 1974, p. 11.
  4. Работа гидротрансформатора (недоступная ссылка). Дата обращения 24 октября 2009. Архивировано 7 января 2010 года.

ЛитератураПравить

  • Государственный стандарт. ГОСТ 19587-74. Передачи гидродинамические; термины и определения. — официальное. — Москва: ИПК Издательство стандартов, 1974. — 37 p.
  • Лепешкин А.В., Михайлин А.А., Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод: Учебник, ч.2. Гидравлические машины и гидропневмопривод. — Москва: РИЦ МГИУ, 2003. — 352 p. — ISBN 5-276-00380-7.
  • Гейер В.Г., Дулин В.С., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод: Учебник для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп.. — Москва: Недра, 1991. — 333 p. — ISBN 5-247-01007-8.
  • Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б., Байбаков О.В., Кирилловский Ю.Л. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов. — 4-е изд., стереотипное, перепечатка со 2-го издания. — Москва: Издательский Дом «Альянс», 2010. — 423 p. — ISBN 5-903-03488-8.
  • Самолёт Ан-124-100: Руководство по технической эксплуатации. Книга 5, раздел 029 — гидравлический комплекс.

СсылкиПравить

Обучающее видеоПравить