4.5. Гидрообъемные трансмиссии

Гидрообъемная (гидростатическая) трансмиссия — это система агрегатов для передачи мощности двигателя к ведущим колесам машины посредством перемещения замкнутого объема жидкости между насосом и гидро моторами.

В отличие от гидротрансформатора, в котором использован гидродинамический (скоростной) напор в гидрообъемной пер едаче используется гидростатический напор жидкости.

На машинах с гидрообъемной трансмиссией двигатель соединен с валом насоса, который питает гидромотор рабочей жидкостью под высоким давлением.

Гидрообъемные передачи имеют следующие достоинства:

• бесступенчатое, плавное изменение тягового усилия и скорости движения машины;

• простота и удобство компоновки на машине, легкость привода нескольких ведущих колес, а также передачи мощности через гибкий шланг к ведущим мостам активных прицепов;

• удобство управления: одной рукояткой можно начать движение, задать желаемую скорость, изменить направление движения и затормозить машину;

• возможность легкой автоматизации управления;

• простота выполнения монтажа и демонтажа на машине.

Достоинством гидрообъемных передач является также возможность использования единой насосной станции для питания гидромоторведущих колес, а также гидросистемы технологического оборудования, в результате чего снижается вес машины.

Машины с гидрообъемной трансмиссией способны обеспечить более высокую, чем с механическими передачами, производительность за счет бесступенчатого изменения скорости движения и тягового усилия, особенно при работе в тяжелых условиях движения.

Гидрообъемные передачи имеют и некоторые недостатки:

• более низкий, чем у механических передач, КПД из-за объемных потерь в гидравлической системе;

• трудность создания надежных герметичных уплотнений подвижных и неподвижных деталей;

• необходимость прогрева передачи перед работой при пониженной температуре из-за повышенной вязкости рабочей жидкости;

• относительно большая масса на единицу передаваемой м ощности.

Компоновка гидроагрегатов в трансмиссии зависит от типа и назначения машины.

Основными схемами гидрообъемных трансмиссий, характерными для тракторов и автомобилей, являются моноблочная, с раздельным расположением гидроагрегатов, а также с двумя насосами и бортовым приводом ведущих колес.

В моноблочной схеме регулируемый насос 2 (рис. 4.16, а) и регулируемый гидромотор 3 объединены в один блок. Такая гидрообъемная передача устанавливается вместо сцепления и КП и выполняет их функции. Остальные агрегаты механической части трансмиссии остаются без изменений.

Основные схемы гидрообъемных трансмиссий

Рис. 4.16. Основные схемы гидрообъемных трансмиссий:
а — моноблочная; б — с раздельным расположением гидроагрегатов; в — с раздельным расположением гидроагрегатов и возможностью включения свободного хода (наката); г — с двумя насосами и бортовым приводом ведущих колес; 1 — двигатель; 2 — насос; 3 — гидромотор; 4 — рукоятка управления насосом; 5 — кран выключения переднего моста; 6 — конечная передача; 7— кран включения свободного хода (наката)

Схема обеспечивает широкий диапазон регулирования скорости и тяги за счет последовательного или одновременного регулирования насоса и мотора. Однако трансмиссии, выполненные по данной схеме, имеют низкий КПД и лишены компоновочных преимуществ.

В схеме раздельного расположения гидроагрегатов в трансмиссии колесной машины насос 2 (рис. 4.16, б) соединен с двигателем 1, а гидромоторы 3 — с ведущими колесами. В связи с тем что потери при перемещении замкнутого объема жидкости от насоса к гидромотору незначительны, их можно располагать на некотором удалении друг от друга. Это свойство гидрообъемной передачи дает широкие возможности компоновки многоприводных машин с несколькими ведущими мостами и активных прицепов. Изменение скорости движения осуществляется, как правило, регулированием насоса, а требуемый диапазон регулирования с сохранением высоких значений КПД осуществляется последовательным отключением (включением) краном 5 привода каждого моста. Гидромоторы могут быть встроенные в ведущие колеса (мотор-колеса) или установлены вне колес. В первом случае гидромотор непосредственно связан с колесом, во втором между ними установлена конечная передача 6.

Такой гидропривод имеет свойства автомобильного дифференциала, облегчающего поворот. При работе ведущего моста гидромоторы правого и левого колес образуют гидравлический дифференциал, который аналогичен по своему влиянию на проходимость машины механическому дифференциалу. Для повышения проходимости возможна блокировка за счет установки дроссельных клапанов, которые отключают буксующее колесо от нагнетательной ветви,
и весь поток жидкости направляется на небуксующее колесо.

Существует также схема раздельного расположения гидроагрегатов в трансмиссии машины с возможностью включения свободного хода (наката) (рис. 4.16, в). В замкнутом объемном приводе связь между насосом и гидромотором практически жесткая. Движение машины с «накатом» по инерции невозможно. Так как гидромашины привода обратимы, при движении по инерции или буксировке машины ведущие колеса должны быть отключены от гидромотора во избежание торможения машины. Для этого в трансмиссии установлен кран 7 включения свободного хода для соединения между собой нагнетательной и возвратной магистралей или предусмотрены механические устройства для отключения ведущих колес (зубчатые муфты, муфты свободного хода).

В схеме с двумя насосами и бортовым приводом ведущих колес (рис. 4.16, г) двигатель вращает два насоса, питающие два гидромотора отдельно для каждой стороны машины. Изменяя частоту вращения колес одного из бортов, можно осуществлять плавные повороты, а при необходимости изменять направление движения одного из бортов для поворота на месте. Такие системы привода ведущих колес машин способствуют повышению весьма ценного качества — маневренности. Кроме того, параллельность работы магистралей двух насосов повышает надежность трансмиссии в целом.

Такая схема обеспечивает поворот гусеничного трактора под любым радиусом. Устройство ее сложнее, чем предыдущих схем. При применении таких схем на колесных машинах один насос используется для питания гидромотора передних колес, адругой — для питания гидромотора задних колес. Возможны также другие комбинации гидроагрегатов.

Наибольшее распространение в гидрообъемных трансмиссиях машин получили аксиально-поршневые гидромашины. Данные гидромашины обратимы, т.е. могут работать в режиме как мотора, так и насоса. Эти машины работают при давлениях до 40 МПа и частоте вращения до 2500 мин-1 . Они имеют диапазон момента регулирования 2,5…3, объемный КПД η0= 0,97…0,98 и механический КПД ηм= 0,92…0,95. Отклонение от номинальных режимов ведет к снижению объемного КПД.

Из всех существующих способов регулирования гидроприводов на отечественных и зарубежных машинах получили распространение два вида машинного управления: изменением рабочих объемов насоса и мотора. Кроме того, возможно управление изменением частоты вращения коленчатого вала ДВС, приводящего в работу объемный насос. Наиболее распространен способ регулирования гидроприводов изменением рабочего объема насоса.

Регулирование изменением рабочего объема насоса имеет следующие достоинства, обеспечившие широкое применение этого способа в трансмиссиях транспортных машин:

• плавное регулирование подачи насоса и частоты вращения выходного вала от нуля до максимума;

• возможность изменять на противоположное направление движения выходного вала;

• возможность тормозить выходной вал;

• возможность работать при переменном давлении, что обеспечивает долговечность передачи;

• простой привод управления ввиду расположения насоса у двигателя.

Подача аксиально-поршневого насоса, л/мин:

формула 2

где qH — постоянная насоса, или рабочий объем насоса, т.е. объем жидкости, вытесняемой поршнями насоса за один оборот вала, см3/об.; nн — частота вращения насоса, мин-1.

Пренебрегая утечками, из равенства qнnн = qмnм получим кинематическое передаточное число гидрообъемной передачи

формула 2

где qГМ — постоянная гидромотора, см3/об; nrM — частота вращения гидромотора, мин-1.

Величина qн регулируемого насоса изменяется от 0 до qнmах, следовательно, при таком способе регулирования частота вращения выходного вала гидромотора nrM, мин-1, будет находиться в пределах

формула 1

При регулируемом гидромоторе в знаменателе этого выражения будет минимальная величина постоянной насоса qнmin. Мощность, потребляемая насосом от двигателя, кВт:

формула 3

где р — давление, развиваемое насосом.

При изменении производительности насоса и постоянстве мощности приводного двигателя и частоты вращения его вала необходимо соблюдение условия pq = const, т.е. давление в системе, а следовательно, и вращающий момент на валу гидромотора изменяются по закону гиперболы в зависимости от изменения qH. При такой зависимости в случае qH →0 момент на валу ведущего колеса машины Mк→ 0 (так как р → ). При трогании с места транспортной системы значение Mк в трансмиссии может существенно превысить момент, реализуемый по сцеплению двигателя с дорогой. Чтобы этого не произошло, в систему управления включают предохранительные клапаны, отрегулированные на максимально допустимое расчетное давление Pmax. Таким образом, верхняя часть на внешней характеристике гидрообъемной трансмиссии (рис. 4.17) отсекается горизонтальной линией, соответствующей Pmax, и на участке АВ трансмиссия не передает всей мощности двигателя. Участок ВС характеризуется работой с постоянной мощностью двигателя. С увеличением частоты вращения давление в системе будет снижаться до величины Pmin, соответствующей qH = qHmax. Тогда регулирование прекращается. Свойство гидропривода повышать вращающий момент на ведущих колесах с ростом сопротивления движению машины является основным достоинством этого типа привода. Кривая регулирования давления р в гидросистеме в масштабе силы тяги Рк (момента Mк) и скорости машины ua представляет собой тяговую характеристику машины с гидрообъемной трансмиссией. формула 5

Силовой диапазон передачи ограничивается прочностью деталей привода и КПД передачи. Чем выше максимальное давление в гидросистеме, тем шире диапазон регулирования. Окончательный диапазон регулирования определяется назначением и конкретными условиями эксплуатации, при этом основной целью является обеспечение высокой производительности машины.

Внешняя характеристика гидрообъемной трансмиссии

Рис. 4.17. Внешняя характеристика гидрообъемной трансмиссии:
Mк — вращающий момент на валу ведущего колеса; Pk — сила тяги на колесе; NH — мощность, потребляемая насосом; р — давление, развиваемое насосом; Pmax — максимальное давление в системе; Pmin — минимальное давление в системе; qH — рабочий объем насоса; qHmax — максимальное значение рабочего объема насоса; qHmin— минимальное значение рабочего объема насоса; ua, — скорость машины; АВ — участок, на котором трансмиссия не передает всей мощности двигателя; ВС — участок работы трансмиссии с постоянной мощностью двигателя NH