Гидродинамическая передача

Гидродинамические передачи, используемые в транспортных машинах, разделяются на гидромуфты, гидротрансформаторы и комплексные передачи. Комплексные передачи обладают на одних режимах работы свойствами гидротрансформатора, а на других - гидромуфты.

Основное различие между гидромуфтой и гидротрансформатором состоит в том, что первая позволяет плавно изменять угловую скорость ведомого вала и передавать крутящий момент без его изменения, а второй в зависимости от внешней нагрузки и соотношения частот вращения ведущего и ведомого валов автоматически изменяет крутящий момент на ведомом валу.

Гидромуфта состоит из насосного и турбинного колес, расположенных в заполненном маслом общем кожухе (рис.1). Насосное колесо крепится к валу двигателя, а турбинное соединено с ведомым валом гидромуфты. Между двумя этими колесами жесткая кинематическая связь полностью отсутствует, а мощность передается с помощью масла, которое циркулирует между насосным и турбинным колесом.

Рис.1

Гидротрансформаторы автоматически и непрерывно изменяют в значительных пределах крутящий момент на ведомом валу.

В отличие от гидромуфты, в гидротрансформаторах между насосным и турбинным колесами устанавливается дополнительное реакторное колесо (рис.2), которое жестко соединено с картером. Реакторное колесо устанавливается между выходом из турбинного колеса и входом в насосное колесо и предназначено для изменения направления движения потока масла таким образом, чтобы оно совпало с направлением вращения насосного колеса. При этом неизрасходованная энергия масла не тормозит насосное колесо, как это происходит в гидромуфте, а, наоборот, помогает его вращению, что позволяет сообщать насосному колесу дополнительную энергию..

Рис.2 Рис.3

Комплексная гидропередача объединяет в одном агрегате гидромуфту и гидротрансформатор (рис.3). Она состоит из также, как и гидротрансформатор, из насосного, турбинного и реакторного колес. Однако, реакторное колесо, в отличие от гидротрансформатора, соединяется с картером не жестко, а через обгонную муфту. Такое решение обеспечивает автоматический переход гидродинамической передачи с режима гидротрансформатора на режим гидромуфты и обратно.

Принцип работы гидромуфты

Насосное колесо гидромуфты приводится во вращение двигателем, с которым оно соединяется через маховик или специальный гибкий диск. Турбинное колесо соединяется с ведущим валом коробки передач.

Гидромуфта постоянно заполнена маслом. При вращении насосного колеса масло, находящееся между его лопатками, под действием центробежной силы устремляется к периферийной части, и, благодаря изогнутой форме поперечного сечения насосного колеса выходит из него и сразу же попадает в турбинное колесо (рис.4), где оно, воздействуя на лопатки, отдает турбинному колесу часть своей энергии. В результате турбинное колесо начинает вращаться.

Находясь в насосном и турбинном колесах, масло совершает сложное движение: переносное, вращаясь вместе с насосным колесом, и относительное, двигаясь между лопатками от его внутренней части к периферии (рис.4).

Рис.4

Величина крутящего момента на турбинном колесе определяется кинетической энергией переносного движения масла, величина которой в свою очередь пропорциональна квадрату частоты вращения насосного колеса или двигателя.

Очевидно, что, кинетическая энергия переносного движения масла не может быть передана турбинному колесу без наличия относительного движения масла. Однако появление вектора относительной скорости приводит к тому, что масло воздействует на лопатки турбинного колеса не под прямым углом, а под некоторым иным углом. Величина и направление вектора абсолютной скорости масла изменяются в зависимости от соотношения угловых скоростей насосного и турбинного колес гидромуфты (рис.5).

Рис.5

Следует отметить одно весьма важное обстоятельство. Если угловая скорость одного из колес гидромуфты намного больше угловой скорости другого колеса, то, как показывают исследования, поток масла в круге циркуляции становится турбулентным (рис.6), что приводит к значительному снижению КПД гидромуфты. Возникновение такого потока нежелательно, поэтому в конструкцию гидромуфты вносятся конструктивные элементы, предотвращающие возникновение турбулентного потока. Один из способов ограничить вероятность возникновения в гидромуфте турбулентного потока – установка направляющего кольца (рис.6). Использование такого кольца внутри гидромуфты способствует формированию сглаженного (близкого к ламинарному) потока масла и, соответственно, повышению КПД гидромуфты.

Рис.6

Рассмотрим работу гидромуфты в процессе разгона автомобиля. В начале движения насосное колесо, жестко соединенное с коленчатым валом двигателя, вращается, а турбинное колесо остается неподвижным, это состояние соответствует, нулевому значению передаточного отношения гидромуфты (i = 0). Такой режим работы любой гидропередачи принято называть «стоповым» режим работы. На «стоповом» режиме неподвижная турбина, практически, не создает никакого сопротивления маслу в его относительном движении, но препятствует его переносному движению, забирая при этом от масла часть энергии. Но эффективность гидромуфты на этом этапе разгона еще не очень высока, поскольку суммарная скорость потока масла направлена к поверхности лопаток под углом далеким от 90° (рис.7).

Рис.7

Поскольку турбина начинает вращаться с постоянно увеличивающейся угловой скоростью, то скорость относительного потока постепенно уменьшается, что вызвано возникновением в турбинном колесе под действием все той же центробежной силы встречного потока масла (рис.8). При этом угол между вектором абсолютной скорости потока и поверхностью лопаток становится близким к 90° (рис.9). В итоге, при передаточном отношении I близком к единице, в гидромуфте под воздействием двух стремящихся навстречу друг другу потоков масла формируются гидравлический замок, и масло, практически, перестает циркулировать. При этом насосное и турбинное колесо вращаются почти синхронно, с некоторым только лишь рассогласованием.

Рис.8 Рис.9

Переход гидромуфты из состояния скольжения в состояние передачи полного крутящего момента происходит весьма быстро и эффективно.

Гидротрансформатор

Более сложной гидропередачей является гидротрансформатор (рис.2), который способен непрерывно и, самое главное, автоматически изменять коэффициент трансформации К в зависимости от сопротивления на его ведомом валу.

На автомобилях гидротрансформатор впервые появился в 1948 году. Фирма Buick использовала его при разработке трансмиссии с автоматической коробкой передач Dynaflow. Начиная с этого времени, гидротрансформатор стал неотъемлемой частью трансмиссий с АКПП.

Реакторное колесо имеет жесткую связь с картером и служит для поворота вектора скорости выходящего из турбинного колеса потока масла, таким образом, чтобы он совпадал с направлением вектора скорости вращения насосного колеса. В этом случае часть энергии, которой обладает поток масла после выхода из турбинного колеса, отдается насосному колесу и, следовательно, увеличивается кинетическая энергия масла, находящегося между лопаток насосного колеса. За счет этого возникает эффект увеличения момента на турбинном колесе, по сравнению с тем моментом, который подводится к насосному колесу от двигателя.

Устройство и принцип работы гидротрансформатора подобны принципу работы и устройству гидравлической муфты. Насосное колесо также является ведущим и приводится во вращение двигателем. Масло, находящееся между лопатками насосного колеса под действием центробежной силы устремляется к его периферийной части и за счет специального профиля поперечного сечения насосного колеса попадает в турбинное колесо. В турбинном колесе масло отдает часть своей энергии, способствуя тем самым его вращению. На выходе из турбинного колеса масло сразу же попадает в реакторное колесо, где с помощью лопаток имеющих специальный профиль изменяет направление движения. На выходе из реакторного колеса масло вновь попадает в насосное колесо.

Так же как и в гидромуфте, в гидротрансформаторе для увеличения КПД встроено направляющее кольцо. Оно предназначено так же, как и в гидромуфте, для сглаживания турбулентного потока масла.

Особенностью конструкции гидротрансформатора является специальная форма лопаток насосного и турбинного колес (рис.10). Изогнутая в обратном направлении форма лопаток насосного колеса придает дополнительное ускорение маслу в момент ее отрыва от лопатки. В то же время форма турбинных лопаток разработана так, чтобы поглотить как можно большую часть энергии масла и снизить потерю энергии за счет резкой смены направления движения при входе масла в турбинное колесо.

Рис.10

По принятой в теории гидропередач терминологии гидротрансформаторы разделяются на непрозрачные и прозрачные. У первых изменение момента на ведомом валу МT и связанное с этим изменение частоты вращения nT не вызывает изменения момента на ведущему валу МH и частоты вращения этого вала nH.

У прозрачного гидротрансформатора изменение момента и частоты вращения ведомого вала вызывают соответствующее изменение момента и частоты вращения насосного колеса.

Комплексная гидропередача

Как уже отмечалось, для расширения зоны высоких значений КПД гидротрансформатора предлагались конструкции и с несколькими турбинными колесами и несколькими реакторами, но все они, в конце концов, оказывались либо очень сложными, либо ненадежными. В конечном счете, фирмой Ford был разработан достаточно простой проект гидропередачи с тремя элементами, который и стал в дальнейшем типовым.

Разработчики в одной агрегате объединили две гидропередачи - гидротрансформатор и гидромуфту. Такие совмещенные агрегаты стали называться комплексной гидропередачей. При этом ее конструкция мало, чем отличается от гидротрансформатора. Единственное изменение заключается в том, что реактор комплексной гидропередачи соединен с картером не жестко, а через обгонную муфту (рис.3). Автоматическое отключение этого реактора от картера, обеспечиваемое обгонной муфтой, при выключении которой происходит переход комплексной гидропередачи из режима работы гидротрансформатора в режим работы гидромуфты