Что такое гидродинамическая коробка передач

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.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Гидродинамические коробки передач

В настоящее время водителю автомобиля приходится ре­шать гораздо более сложные задачи, чем не­сколько лет назад. Плотный транспортный поток, ограничения скорости, строительные работы и пробки вынуждают водителя часто переключать передачи. Автоматические коробки передач, оснащенные износостойким пусковым механиз­мом и автоматической программой переключе­ния, могут помочь преодолеть трудности, возни­кающие при вождении автомобиля.

Как свидетельствует само название, эти ко­робки передач работают автоматически, то есть самостоятельно. По сравнению с механическими коробками передач они имеют три важных преи­мущества:

Автоматические коробки передач могут быть:

Полностью автоматические коробки передач

Полностью автоматические коробки передач — далее называемые просто автоматическими ко­робками передач — могут иметь до девяти передач переднего хода и одну передачу заднего хода. Ниже описываются только принцип действия, а также конструктивные признаки, типичные для всех со­временных автоматических коробок передач.

Автоматические коробки передач в основном разделяются на три основные группы:

Гидравлическая передача усилия

Коробки передач с гидравлической передачей крутящего момента могут быть двух видов:

В гидростатических коробках передач пере­дача крутящего момента осуществляется за счет усилия (высокое давление, однако мало движе­ния рабочей жидкости).

Примеры аналогичных механизмов

Гидравлический тормоз: высокое давление в системе при торможении в сочетании со слабым движением жидкости.

Рулевое управление с сервоприводом: высо­кое давление (выше 100 бар) в сочетании со сла­бым течением жидкости.

В гидродинамических коробках передач пере­дача крутящего момента осуществляется за счет движения (течения) рабочей жидкости только при низком давлении.

В автоматических коробках передач автомо­билей используется только гидродинамический принцип передачи крутящего момента.

Само название происходит из древнегреческо­го языка:

По конструкции различаются:

Гидродинамическая муфта

Гидродинамические трансформаторы представля­ют собой гидродинамические передачи, которые плавно преобразуют получаемую механическую мощность в частоту вращения и крутящий момент.

Самой простой формой являются гидродина­мические муфты (рис. 1 «Принципиальная схема гидродинамической муфты с насосным колесом«). Так как они не могут поддерживать внешний крутящий момент, они преобразуют только частоту вращения.

Основные узлы гидродинамические муфты:

При установке на автомобили насос и турбина объединяются в одном корпусе. Они состоят из двух расположенных друг напротив друга лопаст­ных колес (рис. 2 «Насос и турбина объединены в одном корпусе«).

Приводящееся извне лопастное насосное ко­лесо ускоряет масло по принципу центрифуги. С наружного края насосного колеса масло пере­дается с высокой энергией на турбинное коле­со. Там оно отдает значительную часть энергии и снова попадает в лопасти насосного колеса. Энергия, переданная с насосного на турбинное колесо, пытается привести турбинное колесо во вращение.

Если переданная энергия выше, чем сопро­тивление на стороне отбора мощности, турбинное колесо начинает вращаться — сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. Автомобиль трога­ется с места и постепенно разгоняется.

При сбрасывании газа оба лопастных колеса начинают действовать в обратном направлении. Турбинное колесо вращается за счет поступа­тельного движения автомобиля и, тем самым, действует как насос. Поток масла попадает на медленно вращающееся насосное колесо и пы­тается заставить его вращаться быстрее. Однако, так как насосное колесо связано с двигателем, происходит торможение.

Внезапная остановка двигателя невозможна, так как на холостом ходу двигатель отдает боль­ше мощности, чем может забрать сцепление или гидротрансформатор.

Недостатком гидродинамической муфты явля­ется системно обусловленное проскальзывание между насосным (привод) и турбинным (отбор мощности) колесами.

Чтобы обеспечить максимально возможный КПД, лопасти должны быть сконструированы та­ким образом, чтобы оптимальное соотношение частоты вращения насосного и турбинного колес — 0,98, достигалось как можно быстрее. Такое соот­ношение соответствует примерно КПД 98%.

Полное отсутствие проскальзывания невоз­можно, так как при одинаковом действии цен­тробежных сил масло не может течь от насоса к турбине, что препятствует передаче мощности.

Так как при трогании с места — турбинное ко­лесо неподвижно — гидродинамическая муфта не вызывает увеличения крутящего момента, она не используется в современных автоматических ко­робках передач.

Гидродинамический трансформатор крутящего момента

Гидродинамический трансформатор крутящего момента, основанный на системе Trilok, включает в себя три лопастных колеса:

Принцип действия и конструкция гидродина­мического трансформатора крутящего момента (трансформатор Trilok) в основном идентичны гидродинамической муфте (рис. 3 «Гидротрансформатор крутящего момента, состоящий из насоса, направляющего колеса и турбины«).

В гидродинамической муфте вытекающее из турбины масло движется против направления вращения насоса. В гидротрансформаторе TriTok направление те­чения изменяется с помощью направляющего ко­леса, установленного между насосом и турбиной и способного во время работы изменять частоту своего вращения от максимальных значений до полной остановки.

Направляющее колесо оснащено муфтой сво­бодного хода, основная задача которой состоит в том, чтобы жестко блокировать до полной оста­новки вращение направляющего колеса до тех пор, пока поток масла, проходящий через направ­ляющее колесо, не отклонится.

В результате отклонения потока масла на направляющем колесе возникает крутящий момент, который воздействует также на тур­бинное колесо. Это означает, что в зоне преоб­разования крутящий момент насосного колеса и крутящий момент направляющего колеса суммируются и преобразуются в крутящий мо­мент отбора мощности на турбинном колесе. Соответственно, развиваемый двигателем кру­тящий момент, передающийся на трансмиссию, увеличивается.

Максимальное увеличение крутящего момен­та достигается при трогании автомобиля с места, когда насосное колесо вращается, а турбинное стоит неподвижно. Поток масла отклоняется мак­симально (рис. 4).

При увеличении частоты вращения турбинного колеса угол отклонения потока масла становится менее выраженным. Крутящий момент реактора уменьшается, а вместе с ним и крутящий момент, отданный турбинным колесом на трансмиссию (рис. 5).

При соотношении частоты вращения прим. 1:0,88 между насосным и турбинным коле­сами поток масла перестает отклоняться на­правляющим колесом. Масло попадает только на заднюю сторону лопастей направляющего колеса.

Начиная с этого момента (так называемый момент перехода на режим гидромуфты) направ­ляющее колесо вращается вместе с насосным и турбинным колесами. Увеличение крутящего мо­мента равно 0. Гидротрансформатор крутящего момента работает, как обычная гидродинамиче­ская муфта (рис. 6).

В зависимости от нагрузки на двигатель и ско­рости движения различаются три рабочих диапа­зона (зоны действия) гидротрансформатора:

Зона действия гидротрансформатора

Максимальный крутящий момент (примерно в два раза выше, чем крутящий момент колен­чатого вала двигателя), передается от турбин­ного колеса через первичный вал на подклю­ченную механическую планетарную передачу, если автомобиль и, соответственно, турбинное колесо стоят неподвижно, в то время как дви­гатель с полной мощностью вращает насосное колесо.

При этом двигатель замедляется до опреде­ленной частоты вращения коленчатого вала. Эта частота вращения обозначается как частота вра­щения при торможении до полной остановки (англ.: stall speed).

Когда автомобиль трогается с места, часто­та вращения турбинного колеса начинает уве­личиваться в той же пропорции, что и скорость движения, и постепенно приближается к частоте вращения коленчатого вала двигателя, которая увеличивается в меньшей степени. По мере уве­личения частоты вращения турбинного колеса уменьшается крутящий момент.

Наконец, когда частота вращения турбинного колеса достигает прим. 85% от частоты вращения насосного колеса, крутящий момент перестает увеличиваться. Действие направляющего колеса прекращается. Поток масла проходит через на­правляющее колесо, не опираясь на его лопасти: Момент перехода на режим гидромуфты достигнут.

Зона перехода на режим гидромуфты

При дальнейшем увеличении скорости движе­ния гидротрансформатор работает как обычная гидродинамическая муфта, так как направляю­щее колесо уже не оказывает свое воздействие на поток масла. В момент перехода на режим гидромуфты угол, под которым поток трансмис­сионного масла выходит из турбинного и входит в направляющее колесо, изменяется настолько, что масло попадает на лопасти направляющего колеса с задней стороны, то есть в направлении вращения коленчатого вала двигателя. В резуль­тате муфта свободного хода освобождает от бло­кировки направляющее колесо, которое вращает­ся в потоке масла между насосным и турбинным колесами.

Разница частоты вращения насосного и тур­бинного колес продолжает уменьшается и после прохождения момента перехода на режим гидро­муфты — но при такой же передаче крутящего мо­мента — пока не будет достигнут КПД примерно 96 %.

Для поддержания нормального течения мас­ла всегда должно происходить небольшое про­скальзывание.

Зона торможения

Когда турбинное колесо вращается быстрее, чем насосное, например, при сбрасывании газа в режиме принудительного холостого хода, направ­ление действия гидротрансформатора изменяется на противоположное: турбинное колесо приводит в движение насосное колесо и, тем самым, проис­ходит торможение двигателем. При этом направляющее колесо не оказывает никакого действия.

Муфта блокировки гидротрансформатора крутящего момента

Постоянное ужесточение требований к сни­жению расхода энергии на автомобилях ста­ло причиной все более частого использова­ния муфт блокировки гидротрансформатора, предназначенных для блокировки ограничива­ющего мощность проскальзывания насосного и турбинного колес, друг относительно друга. Муфта блокировки обеспечивает механическое соединение насосного и турбинного колес, де­лающее невозможным гидродинамическую передачу мощности (рис. 7 «Гидродинамический трансформатор с муфтой блокировки«). В результате передача крутящего момента осуществляется без проскальзывания.

Муфта блокировки представляет собой встроенную в гидротрансформатор дисковую муфту с демпфером крутильных колебаний (угол поворота от 40° до 45°). Она жестко соединена с турбинным колесом с помощью зубчатого венца со шпоночными канавками, однако может смещаться в осевом направле­нии. При разъединенной муфте блокировки масло свободно течет через полый первичный вал коробки передач в гидротрансформатор. При этом оно попадает сначала в полость между корпусом гидротрансформатора и дис­ковой муфтой, отжимая ее от корпуса гидро­трансформатора. Когда муфта блокировки соединена, поток масла изменяет направление и течет, как в простом гидротрансформато­ре, между опорной трубой и корпусом гидро­трансформатора, прижимая дисковую муфту к корпусу гидротрансформатора до достиже­ния геометрического замыкания. Давление в полости между дисковой муфтой и корпусом гидротрансформатора падает, прямой поток превращается в обратный. Изменение направления потока масла неразрывно связано с уве­личением давления (5-6 бар) и реализуется с помощью специального электромагнитного клапана в автоматической коробке передач. Подключение муфты блокировки зависит от различных факторов, к примеру, включенной ступени коробки передач, скорости движения, температуры охлаждающей жидкости двига­теля. В современных автоматических короб­ках передач муфта блокировки подключается чаще всего уже на третьей и четвертой пере­дачах.

Использование муфты блокировки гидро­трансформатора ведет к уменьшению расхода топлива и препятствует чрезмерному нагреву масла в коробке передач, так как усилие в гидротрансформаторе передается чисто меха­ническим способом без увеличения крутящего момента.

Муфта блокировки гидротрансформатора крутящего момента с регулировкой проскальзывания

На рисунках 8 «Муфта блокировки гидротрансформатора разъединена» и 9 «Муфта блокировки гидротрансформатора соединена» изображена муфта блокировки гидротрансформатора крутящего момента с регулировкой проскальзывания. В этом режиме муфта блокировки соединена не до полного геометрического замыкания, поэтому между сторонами привода и отбора мощности (насосным и турбинным колеса­ми) всегда имеет место определенное про­скальзывание. Благодаря этому крутильные колебания не передаются в полном объеме от двигателя на коробку передач и, тем са­мым, на всю трансмиссию.

Так как крутиль­ные колебания зависят от типа двигателя, для каждого рабочего состояния предусмотрен набор характеристик, который используется электронным блоком управления коробкой передач для регулировки асинхронной часто­ты вращения путем управления давлением масла. Высокая эффективность этой системы выражается в том, что те ступени коробки пе­редач, которые прежде в целях обеспечения комфорта требовали разъединения муфты блокировки, теперь допускают движение со значительно меньшим механическим про­скальзыванием. Ступени, на которых прежде была возможна полная блокировка, сохраня­ются.

На сегодняшний день все гидротрансформа­торы крутящего момента легковых автомобилей оснащены муфтами блокировки. При этом муф­ты блокировки могут быть однодисковыми или многодисковыми в зависимости от величины крутящего момента.

Источник

Что такое гидравлическая трансмиссия

Гидротранмиссию также называют гидравлической передачей. Как правило в гидравлической трансмиссии происходит передача энергии посредством жидкости от насоса к гидромотору (турбине).

В зависимости от типа насоса и мотора (турбины) различают гидростатическую и гидродинамическую трансмиссии.

Гидростатическая трансмиссия

Гидростатическая трансмиссия представляет собой объемный гидропривод.

В представленном ролике в качестве выходного звена использован гидродвигатель поступательного движения. В гидростатической трансмиссии используется гидродвигатель вращательного движения, но принцип работы, по-прежнему остается основанным на законе гидравлического рычага. В гидростатическом приводе вращательного действия рабочая жидкость подается от насоса к мотору.

В зависимости от рабочих объемов гидромашин могут изменяться момент и частота вращения валов. Гидравлическая трансмиссия обладает всеми достоинствами гидравлического привода: высокой передаваемой мощностью, возможностью реализации больших передаточных чисел, осуществления бесступенчатого регулирования, возможностью передачи мощности на подвижные, перемещающиеся элементы машины.

Способы регулирования в гидростатической трансмиссии

Регулирование скорости выходного вала в гидравлической трансмиссии может осуществлять путем изменения объема рабочего насоса (объемное регулирование), или с помощью установки дросселя либо регулятора расхода (параллельное и последовательное дроссельное регулирование). На рисунке показана гидротрансмиссия с объемным регулированием с замкнутым контуром.

Гидротрансмиссия с замкнутым контуром

Гидравлическая трансмиссия может быть реализована по замкнутому типу (закрытый контур), в этом случае в гидросистеме отсутствует гидравлический бак, соединенный с атмосферой.

В гидравлических системах замкнутого типа регулирование скорости вращения вала гидромотора может осуществляться путем изменения рабочего объема насоса. В качестве насос-моторов в гидростатической трансмиссии чаще всего используют аксиально-поршневые машины.

Гидротрансмиссия с открытым контуром

Открытой называют гидравлическую систему соединенную с баком, который сообщается с атмосферой, т.е. давление над свободной поверхностью рабочей жидкости в баке равно атмосферному. В гидротрасмиссиях отрытого типа возможно реализовать объемное, параллельное и последовательное дроссельное регулирование. На следующем рисунке показана гидростатическая трансмиссия с отрытым контуром.

Где используют гидростатические трансмиссии?

Гидростатические трансмиссии используют в машинах и механизмах где необходимо реализовать передачу больших мощностей, создать высокий момент на выходном валу, осуществлять бесступенчатое регулирование скорости.

Гидродинамическая трансмиссия

В гидродинамических трансмиссиях для передачи мощности используются динамические насосы и турбины. Рабочая жидкость в гидравлических трансмиссиях подается от динамического насоса к турбине. Чаще всего в гидродинамической трансмиссии используются лопастные насосное и турбинное колесо, расположенные непосредственно друг напротив друга, таким образом, что жидкость поступает от насосного колеса сразу к турбинному минуя трубопроводы. Такие устройства объединяющие насосное и турбинное колесо называются гидромуфтами и гидротрансформаторами, которые не смотря на некоторые похожие элементы в конструкции имеют ряд отличий.

Гидромуфта

Гидродинамическую передачу, состоящую из насосного и турбинного колеса, установленных в общем картере называют гидромуфтой. Момент на выходном валу гидравлической муфты равен моменту на входном валу, то есть гидромуфта не позволяет изменить вращающий момент. В гидравлической трансмиссии передача мощности может осуществляться через гидравлическую муфту, которая обеспечит плавность хода, плавное нарастание крутящего момента, снижение ударных нагрузок.

Гидротрансформатор

Гидродинамическая передача, в состав которой входят насосное, турбинное и реакторное колеса, размещенные в едином корпусе называется гидротрансформатором. Благодаря реактору, гидротрасформатор позволяет изменить вращающий момент на выходном валу.

Гидродинамическая передача в автоматической коробке передач

Самым известным примером применения гидравлической передачи является автоматическая коробка передач автомобиля, в которой может быть установлены гидромуфта или гидротрансформатор. По причине более высоко КПД гидротрансформатора (по сравнению с гидромуфтой), он устанавливается на большинство современных автомобилей с автоматической коробкой передач.

Источник