4.1.3. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ

Как было указано выше, при переключении передач водитель обязан прекратить подачу топлива, выключить сцепление, выключить предыдущую передачу, включить последующую передачу, включить сцепление, возобновить подачу топлива. При движении в условиях интенсивного городского движения, что характерно для городских автобусов, выполнять эти действия приходится очень часто. К тому же частые остановки и последующие трогания автобуса заставляют постоянно оперировать сцеплением и педалью подачи топлива, что приводит к значительным физическим и эмоциональным нагрузкам. Это особенно ощутимо при управлении большими и особо большими городскими автобусами. Поэтому сложилась устойчивая практика применять на этих автобусах автоматические трансмиссии в виде гидромеханических передач.

Гидромеханическими называют передачи, в которых последовательно или параллельно установлены гидродинамическое звено (гидротрансформатор) и механический ступенчатый редуктор. Гидротрансформатором называется узел, в котором передача мощности от одного узла к другому осуществляется за счет использования кинетической энергии потока жидкости.

Принцип работы гидротрансформатора. Гидротрансформатор представляет собой связанные в один узел центробежный насос, гидравлическую турбину и неподвижный направляющий аппарат.

Схема гидротрансформатора показана на рис. 4.7. Насосное колесо 3 устанавливается либо непосредственно на валу двигателя, либо соединяется с ним через согласующий редуктор, а турбинное колесо 2 связано с входным валом трансмиссии. Реакторное колесо 4 при работе узла в режиме трансформатора крутящего момента жестко закреплено на картере передачи. Внутренняя полость трансформатора заполнена рабочей жидкостью — специальным маслом.

Схема гидротрансформатора

Рис. 4.7. Схема гидротрансформатора: 1 — блокировочная муфта; 2—турбинное колесо; 3 — насосное колесо; 4 — реакторное колесо; 5 — механизм свободного хода

При вращении насосного колеса валом двигателя элементарные объемы жидкости, заключенные в межлопаточных пространствах насоса, совершают вращение вокруг оси насоса и одновременно под воздействием центробежной силы перемещаются внутри межлопаточного пространства. Жидкость «атакует» лопатки турбины и изменяет направление своего движения. Очевидно, что при постоянном режиме работы насоса величина и направление абсолютной скорости струи жидкости при выходе из турбины зависят от скорости вращения турбины.

Выходя из турбины, жидкость «атакует» лопатки реактора. Поскольку реактор неподвижен, реакция струи жидкости от воздействия на реактор воспринимается турбиной. Следовательно, момент на турбине представляет собой сумму активного момента от воздействия струи жидкости при входе на турбину от насоса и реактивного от давления струи жидкости на реактор. Величина и направление струи жидкости при выходе из реактора являются входными величинами при входе ее на лопатки насоса.

Заметим, что момент на насосном колесе не зависит от режима работы турбины и является функцией частоты вращения насосного колеса.

На турбинном колесе момент зависит как от режима работы насоса, так и от режима работы турбины.

При неподвижной турбине (неподвижный автобус) угол атаки лопаток реактора наибольший и реактивная добавка момента на турбине также наибольшая. С увеличением частоты вращения вала турбины (увеличение скорости движения автобуса) реактивная добавка момента на турбине уменьшается.

Таким образом, гидротрансформатор выполняет две функции — увеличение момента, снимаемого в трансмиссию, в сравнении с моментом, подводимым к гидротрансформатору и уменьшение момента турбины по мере разгона вала турбины (разгона автобуса). Этим объясняется внутренний автоматизм гидротрансформатора.

Характеристики гидротрансформатора. Режим работы гидротрансформатора удобнее всего определить передаточным отношением — отношением частоты вала вращения турбины к частоте вращения вала насоса:

Формула

Преобразующие свойства гидротрансформатора оценивают коэффициентом трансформации, представляющим собой отношение момента, снимаемого с вала турбины к моменту, подводимому к валу насоса:

Формула 1

Очевидно, что максимальное значение коэффициент трансформации имеет при неподвижной турбине, когда передаточное отношение равно 0. Это так называемый «стоповый» режим.

По мере роста значения передаточного отношения коэффициент трансформации уменьшается, зависимость коэффициента трансформации от передаточного отношения обычно определяется экспериментально для каждой конкретной конструкции.

Потери энергии в гидротрансформаторе оценивают, как в любом механизме, коэффициентом полезного действия, представляющим собой отношение мощности Рт, снимаемой с турбины, к мощности Рн подводимой к насосу:

Рт / Рн

Поскольку мощность представляет собой произведение крутящего момента и угловой скорости, то коэффициент полезного действия ƞ представляет собой произведение коэффициента трансформации и передаточного отношения:

ƞ=Kтрi

Зависимость коэффициента трансформации и коэффициента полезного действия от передаточного отношения строится по так называемой безразмерной характеристике гидротрансформатора.

При трогании автомобиля вал турбины неподвижен («стоповый» режим работы трансформатора). При этом угол атаки жидкостью лопаток реактора наибольший, давление жидкости на реактор наибольшее и соответственно реактивное воздействие реактора на турбину также максимальное. На безразмерной характеристике это режим, соответствующий нулевому значению передаточного отношения, коэффициент трансформации на этом режиме имеет максимальное значение. Поскольку вал турбины неподвижен, то мощность, снимаемая с турбины на этом режиме, равна 0, следовательно КПД гидротрансформатора на стоповом режиме также равен 0.

По мере разгона автомобиля под действием подведенного к ведущим колесам крутящего момента турбины увеличивается частота вращения вала турбины, что ведет к уменьшению реактивной добавки крутящего момента на турбине и, соответственно, к уменьшению коэффициента трансформации. При определенной скорости вращения вала турбины струя жидкости при выходе с лопаток турбины направлена таким образом, что при входе в реактор она проходит между лопатками реактора, не воздействуя на них. В этом случае реактивная составляющая момента на турбинном колесе становится равной нулю и, следовательно, крутящий момент на турбинном колесе становится равным крутящему моменту, подведенному к насосному колесу. Коэффициент трансформации в этом случае становится равным единице. При дальнейшем увеличении скорости вращения вала турбины струя жидкости будет «атаковать» лопатки реактора с противоположной стороны, реактивная добавка момента изменит свой знак и момент на валу турбины станет меньше момента на валу насоса. При этом однако, не произойдет увеличения скорости вращения вала турбины в сравнении со скоростью вращения вала насоса, поэтому этот режим работы трансформатора характеризуется началом интенсивного падения коэффициента полезного действия и должен быть исключен из области возможных режимов работы гидротрансформатора при установке его на автомобиле. Чаще всего исключе-ние возможности работы гидротрансформатора на режиме, когда момент на турбинном колесе становится меньше момента, подводимого к насосу, достигается установкой реактора на неподвижной опоре на муфте свободного хода, допускающей восприятие момента реактором только в одном направлении. Если струя жидкости начинает «атаковать» лопатки реактора с противоположной стороны, муфта свободного хода расклинивается, колесо реактора начинает свободно вращаться в потоке жидкости, не оказывая на нее воздействия, абсолютная скорость жидкости, выходящей из турбины, становится равной абсолютной скорости жидкости, входящей на лопатки насоса, гидротрансформатор превращается в гидромуфту. У гидромуфты КПД равен значению передаточного отношения, поэтому на режиме работы, когда коэффициент трансформации равен единице, эффективность гидромуфты равна эффективности гидротрансформатора; на больших значениях передаточного отношения КПД гидромуфты становится значительно выше, чем КПД гидротрансформатора. Гидротрансформаторы, у которых колесо реактора установлено на муфте свободного хода и которые на определенном режиме работы превращаются в гидромуфту, называют комплексными. В настоящее время подавляющее число применяемых в массовом автостроении гидротрансформаторов являются комплексными. Исключение составляют отдельные конструкции гидропередач, у которых режим уменьшения момента на турбинном колесе в сравнении с моментом насоса исключен из возможных режимов работы гидротрансформатора путем соответствующей кинематики передачи. Примером может служить гидромеханическая передача Vbith D851.2.

В некоторых случаях для увеличения зоны высоких значений КПД в гидротрансформаторе устанавливают два реактора, каждый на собственной муфте свободного хода. В этом случае в определенной зоне передаточных отношений работает первый реактор, имеющий лучшие показатели по КПД. При достижении определенного значения передаточного отношения первый реактор выключается из работы из-за того, что расклинивается его муфта свободного хода, однако начинает работать второй реактор, причем в этой зоне передаточных отношений КПД трансформатора со вторым реактором выше того, какой имел бы трансформатор с первым реактором, если бы он продолжал работать. При дальнейшем увеличении передаточного отношения выключается из работы и второй реакторы, и гидротрансформатор превращается в гидромуфту. Гидротрансформаторы с двумя реакторами называют четырехколесными комплексными.

На современных автобусах для повышения их топливной экономичности предусматривается принудительная блокировка гидротрансформатора. Блокировка выполняется обычно управляемой фрикционной муфтой.

Колесо реактора по ходу жидкости в круге циркуляции может располагаться как между насосным и турбинным колесами, так и между турбинным и насосным колесами. В случае установки реактора по ходу жидкости в круге циркуляции между турбинным и насосным колесами направление вращения турбинного колеса всегда такое же, как и насосного. Такие трансформаторы называют трансформаторами прямого хода. В случае расположения реактора между насосом и турбиной по ходу жидкости в круге циркуляции можно за счет соответствующего профилирования колес реактора и турбины добиться изменения направления вращения колеса турбины относительно направления вращения колеса насоса. Такие трансформаторы называют трансформаторами обратного хода. На современных автобусах в подавляющем большинстве случаев применяют трансформаторы прямого хода. Трансформаторы обратного хода иногда применяют в гидромеханической передаче Voith D851.2.

При наличии гидротрансформатора двигатель автомобиля не имеет жесткой механической связи с трансмиссией. Нагрузку двигателю создает только насосное колесо гидротрансформатора. Момент на насосном колесе является функцией частоты вращения вала насоса, что позволяет использовать гидротрансформатор в качестве сцепления при трогании автомобиля.

Конструкция гидротрансформатора. Следует выделить следующие элементы конструкции гидротрансформатора:

• рабочие колеса;

• опоры колес;

• уплотнения вращающихся деталей;

• механизм свободного хода

Рабочие колеса представляют собой установленные на ступицах чаши с закрепленными в них лопатками и торовыми кольцами. Колеса изготовляются литыми или штампованными, в последнем случае лопатки крепятся к чаше либо с помощью специальных усиков, вставляемых в пазы чаши и загибаемых, либо с помощью загнутых под 90° кромок, привариваемых затем к чаше точечной сваркой. В некоторых случаях лопатки штампуют заодно с шипами, которые вставляются в отверстия чаши и затем расклепываются. Литые колеса отливаются из алюминиевого сплава или из специальных пластмасс. Колеса направляющего аппарата (реактора) чаще всего выполняются литыми.

Опорами рабочих колес являются подшипники качения (радиальные, радиально-упорные или конические) или подшипники скольжения (металлокерамические или бронзографитовые втулки).

Поскольку внутренняя полость гидротрансформатора заполнена жидкостью, для предотвращения ее утечки из полости гидротрансформатора применяют уплотнения в виде прокладок, резиновых шнуров, самоподжимных сальников и др. Между скользящими деталями применяют лабиринтные уплотнения или маслосгонные резьбы. Широкое применение нашли уплотнительные кольца, чаще всего изготовляемые из серого чугуна.

Муфты свободного хода в современных гидротрансформаторах применяют в основном роликового типа. Угол наклона рабочей поверхности обычно выбирают в пределах 6…9°. Ролики изготавливают из шарикоподшипниковой стали, рабочие кольца — из цементируемой стали.

На первый взгляд, гидротрансформатор обладает достаточным диапазоном регулирования, если под ним понимать отношение максимального коэффициента трансформации к коэффициенту трансформации на режиме гидромуфты, т. е. к единице. Действительно, существуют конструкции гидротрансформаторов с максимальным коэффициентом трансформации 3,5…4 и даже выше. Однако попытки создания автомобилей с гидродинамической трансмиссией (т. е. с трансформацией крутящего момента только с помощью гидротрансформатора) окончились неудачей. Причина этого — работа гидротрансформатора на малых значениях передаточного отношения с низкими КПД при движении автомобиля с повышенными значениями силы тяги в диапазоне малых и средних скоростей.

Невысокие значения КПД гидротрансформатора на режиме трогания автомобиля с места не являются недостатком, так как и при механической трансмиссии задача плавного соединения вращающегося вала двигателя и невращающегося вала трансмиссии решается работой сцепления в режиме буксования, так что КПД механической трансмиссии в этом случае тоже мал. Однако при выполнении автомобилем транспортной работы допустимо использование гидротрансформатора только в зоне достаточно высоких КПД. Для этого за гидротрансформатором устанавливается механический редуктор с переменными передаточными числами.

Сочетание гидротрансформатора с механической ступенчатой коробкой передач называют гидромеханической передачей. На механический редуктор в гидромеханической передаче, кроме вышеизложенного, возлагаются также функции организации передачи заднего хода и нейтральной передачи, при которой можно было бы увеличивать частоту вращения вала двигателя (например при прогреве) при неподвижном автомобиле. При выборе схемы механической части гидромеханической передачи большое значение имеет число передач. С одной стороны, чем больше число передач в механической коробке, тем в более узком диапазоне передаточных отношений (а значит и с большим КПД) будет работать гидротрансформатор. С другой стороны, увеличение числа передач ведет к усложнению конструкции гидромеханической передачи. Кроме того, следует учитывать то обстоятельство, что переключение передач в механической коробке гидромеханической передачи лучше производить автоматически. Дело в том, что при механической трансмиссии одним из наиболее информативных параметров для водителя при выборе момента переключения передач является частота вращения вала двигателя. При наличии в трансмиссии гидротрансформатора двигатель мало меняет частоту вращения своего вала или не меняет вовсе. Отсутствие очевидной информации о необходимости смены передачи вводит малоопытного водителя в заблуждение, и автомобиль может двигаться на передаче, при которой гидротрансформатор работает в зоне низких КПД, что, в свою очередь, может существенно ухудшить топливно-экономические показатели автобуса. При большом числе ступеней в механической коробке передач существенно усложняется система автоматического переключения передач.

Обычно для гидромеханических передач автобусов выбирают число передач 2..4.

Переключение передач в ступенчатой коробке передач гидромеханической передачи может осуществляться либо зубчатыми муфтами, как в обычных ступенчатых коробках передач, либо фрикционными устройствами.

При переключении передач зубчатыми муфтами необходимо в процессе переключения разорвать поток мощности, поэтому в этом случае после гидротрансформатора устанавливается обычное фрикционное сцепление, размыкаемое в процессе переключения передач. Сочетание гидротрансформатора, фрикционного сцепления и ступенчатой коробки передач с переключением передач зубчатыми муфтами называют диапазонной гидромеханической передачей. В зарубежной технической литературе такие передачи называют гидромеханическими передачами типа ГСК (гидротрансформатор — сцепление — коробка передач). Следует отметить, что процесс переключения передач в диапазонных передачах автоматизируется с определенными сложностями — в процессе переключения необходимо автоматически прекратить подачу топлива, выключить сцепление, выключить предыдущую передачу и включить последующую передачу. Поэтому в подавляющем случае диапазонные гидромеханические передачи выполняют с ручным (неавтоматическим) переключением передач.

Выше указывалось, что правильный выбор момента переключения передач при наличии гидротрансформатора представляет определенную трудность, поэтому диапазонные гидромеханические передачи применяют на транспортных средствах, где предполагается наличие высококвалифицированных водителей (в основном на специальных автомобилях). На массовых автомобилях конструкторы предпочитают применять гидромеханические передачи с автоматическим переключением передач, поэтому механическая часть обычно представляет собой коробку передач с переключением передач фрикционными устройствами.

Фрикционное устройство, как правило, представляет собой многодисковое сцепление, образованное набором чередующихся дисков с внутренними и наружными шлицами. Диски, имеющие внутренние шлицы, устанавливаются на шлицы одного из соединяемых валов; диски, имеющие наружные шлицы, устанавливаются в шлицы барабана, закрепленного на втором из соединяемых валов. Сжимается пакет дисков, как правило, гидравлическим поршнем, цилиндром для которого является барабан, в части которого образованы пазы для дисков с наружными шлицами. Таким образом, процесс включения многодисковой фрикционной муфты сводится к подаче жидкости под давлением в канал, ведущий к цилиндру фрикциона.

Коробки передач с фрикционным включением передач могут выполняться как с неподвижными осями, так и планетарными, у которых оси отдельных шестерен могут совершать вращательное движение (рис. 4.8). При выборе механической коробки передач с неподвижными осями с переключением передач фрикционными муфтами при числе передач больше двух конструктор сталкивается с проблемой больших осевых размеров коробки при создании последней по традиционной двух- или трехвальной схеме. Поэтому в таких случаях часто идут на применение многовальной схемы, позволяющей сократить размеры коробки передач.

Автоматическая коробка передач для больших автобусов

Рис. 4.8. Автоматическая коробка передач для больших автобусов: 1 — гидротрансформатор с блокировочной муфтой; 2 — гидродинамический замедлитель; 3 — 5-ступенчатая планетарная передача; 4 — гидронасос; 5 — система управления коробкой передач

Процесс переключения в коробке передач с фрикционным управлением сводится к изменению подачи давления жидкости от одного фрикциона к другому. При этом процесс выключения фрикциона предыдущей передачи и включения последующей передачи можно организовать таким образом, что в течении определенного промежутка времени будут включены фрикционы обеих передач (это называют перекрытием передач) . Перекрытие передач исключает рывок автобуса при переключении и обеспечивает движение автомобиля в процессе переключения без разрыва потока мощности на ведущих колесах, что положительно сказывается на эксплуатационных качествах автобуса.

Планетарная передача 3 (см. рис. 4.8) представляет собой либо один планетарный ряд, либо сочетание нескольких планетарных рядов. Планетарный ряд состоит из соосно расположенных солнечной и эпициклической шестерен. Солнечная шестерня имеет наружный зубчатый венец, эпициклическая шестерня — внутренний зубчатый венец. С солнечной и эпициклической шестернями зацеплены расположенные по окружности сателлиты, сидящие на осях, закрепленных в общем элементе — водиле. Само водило также может вращаться вокруг общей с солнечной и эпициклической шестернями оси. Таким образом, оси сателлитов и сателлиты вращаются, как планеты солнечной системы, что и дало название таким передачам. Остановка одного из элементов планетарной передачи меняет соотношение частот вращения остальных элементов.

При применении планетарного редуктора в механической части гидромеханической передачи обычно для получения трех и более ступеней применяют либо полуторный (для трех ступеней и заднего хода), либо двойной планетарный ряд (для трех и четырех ступенчатых передач с передачей заднего хода).

Схемы планетарных механизмов могут быть самые разнообразные, но принцип работы во всех случаях остается один.

Рассмотрим работу коробки передач с планетарными редукторами на примере гидромеханической передачи Voith D851.2, применяемой на части выпуска больших городских автобусов ЛиАЗ-5256. Конструкция передачи показана на рис.4.9, а кинематическая схема — на рис. 4.10. Коробка передач трехступенчатая, с передачей заднего хода. Особенностью является так называемая двухпоточная схема. В этом случае при работе с гидротрансформатором поток мощности от входного вала идет двумя путями — в одном из них работает гидротрансформатор, в другом часть мощности передается только механическим путем.

Конструкция коробки передач Voith

Рис. 4.9. Конструкция коробки передач Voith: А – привод; Б – входной дифференциал; В — гидротрансформатор; Г — дополнительная передама; Д — выходная масть; 1 — входной вал; 2 — демпфер крутильных колебаний; 3 — входное сцепление;4 — разделительное сцепление; 5 — тормоз насоса; 6 — насосное колесо; 7 — турбиное колесо; 8 – реактор; 9 — блокирующее сцепление; 10 — тормоз з. х.; 11— выходной вал; 12 — теплообменник; 13 — планетарный редуктор передами з. х. и дифференциала; 14 – механизм турбины; 1 5 — масляный поддон; 1 6 – насос; 1 7 — солнечная шестерня; 18 — сателлиты; 1 9 — водило

Кинематическая схема коробки передач Voith

Рис. 4.10 Кинематическая схема коробки передач Voith

Как видно из иллюстрации, передача состоит из привода А, входного дифференциала Б, гидротрансформатора В, дополнительной передачи Г и выходной части Д.

Привод А включает в себя демпфер крутильных колебаний 2, который необходим в данной передаче при включении блокировки гидротрансформатора. Входной дифференциал представляет собой одинарный планетарный ряд с двумя многодисковыми сцеплениями — входным сцеплением 3 и разделительным сцеплением 4.

Гидротрансформатор состоит из насосного колеса 6, турбинного колеса 7 и реактора 8.

Дополнительная передача состоит из выходного дифференциала, также представляющего собой одинарный планетарный ряд с блокирующим сцеплением 9 и дополнительного планетарного ряда с многодисковым тормозом заднего хода 10, обеспечивающего возможность движения автобуса задним ходом и возможность использования гидротрансформатора в качестве гидравлического замедлителя.

Эпициклическая шестерня входного дифференциала через входное сцепление 3 связана с ведущим валом. Сателлиты установлены на осях, закрепленных в водиле. Ступица водила установлена на шлицах на выходном валу передачи. Солнечная шестерня установлена на валу насосного колеса 6 гидротрансформатора. Разделительное сцепление 4 служит для получения возможности жесткой связи эпициклической шестерни входного дифференциала с его водилом.

Как уже указывалось, насосное колесо установлено на общем валу с солнечной шестерней входного дифференциала. На валу насоса установлен многодисковый тормоз 5 насоса. Реактор 8 гидротранформатора постоянно остановлен, таким образом гидротрансформатор в передаче Voith не комплексный, а простой. Турбина гидротрансформатора установлена на валу, общим с солнечной шестерней выходного дифференциала. Водило выходного дифференциала установлено на шлицах на выходном валу передачи, а эпициклическая шестерня может быть остановлена многодисковым сцеплением 9.

Солнечная шестерня второго планетарного ряда дополнительной передачи Г жестко связана с эпициклической шестерней выходного дифференциала, эпицикл может быть остановлен многодисковым сцеплением, а водило установлено на шлицах выходного вала передачи. Как указывалось выше, передача Voith является двухпоточной. Во входном дифференциале мощность разветвляется на два потока, в одном из которых встроены элементы с постоянным передаточным числом, в другой ветви встроена гидродинамическая передача. Суммирование потоков мощности обеих ветвей осуществляется вторым дифференциалом на выходном валу. Наличие двух дифференциалов дало второе название таким передачам — «дифференциальные передачи». При разделении общей мощности на два потока через гидродинамическую передачу проходит только часть общей, передаваемой дифференциальной передачей мощности. В этом случае преобразующие свойства гидродинамической передачи реализуются в меньшем объеме мощности.

В связи с уменьшением общего объема мощности, проходящего через гидродинамическую передачу, уменьшаются потери в этой передаче. Это приводит к повышению КПД дифференциальной передачи в сравнении с полнопоточным гидротрансформатором.

При включенной первой передаче замкнуты входное сцепление 3 и тормоз эпицикла выходного дифференциала.

Мощность, приходящая в передачу от двигателя, делится в переднем дифференциале на два потока. Часть мощности через солнечную шестерню входного дифференциала подводится к насосному колесу гидротрансформатора, а другая часть через вал водила попадает на выходной вал передачи. Момент насоса преобразуется в гидротрансформаторе и с вала турбины попадает на солнечную шестерню выходного дифференциала. Поток мощности со второго дифференциала снимается с вала водила и попадает на выходной вал передачи, где суммируется с потоком мощности, попадающего на выходной вал с водила первого дифференциала. Таким образом, через гидротрансформатор в рассматриваемой передаче проходит только часть общей мощности двигателя, а другая ее часть проходит на выходной вал с водила первого дифференциала, минуя гидротрансформатор. Заметим, что соотношение мощностей, проходимых на выходной вал через гидротрансформатор и через механические звенья, непрерывно меняется в зависимости от соотношения частот вращения отдельных звеньев дифференциалов.

В том случае, когда суммарный момент, снимаемый с выходного вала передачи меньше момента сопротивления движению, приведенного к выходному валу передачи, движение автомобиля невозможно. В этом случае в заднем дифференциале остановлены два звена — водило и эпициклическая (коронная) шестерня. Следовательно, остановлена и солнечная шестерня, а значит остановлена турбина гидротрансформатора, т.е. он работает в «стоповом» режиме. В переднем дифференциале остановлено водило, эпициклическая (коронная) и солнечная шестерни вращаются в противоположных направлениях.

Вся мощность двигателя затрачивается на преодоление внутренних потерь в гидротрансформаторе. Момент турбины гидротрансформатора создает реакцию в зацеплении солнечной шестерни с сателлитами, на оси водила реализуется реакция, создающая момент на выходном валу передачи, который суммируется с моментом, снимаемым на выходном валу с водила переднего дифференциала. Когда суммарный момент на выходном валу передачи превысит приведенный к этому валу момент сопротивления движению, автомобиль начнет движение. Заметим, что после начала движения направление вращений насосного и турбинного колес гидротрансформатора противоположны, т.е. в данном случае применен гидротрансформатор обратного хода. После начала движения мощность попадает на выходной вал передачи двумя путями — через водило переднего дифференциала, минуя гидротрансформатор и через водило заднего дифференциала после преобразования в гидротрансформаторе. При этом по мере разгона автомобиля уменьшается частота вращения насосного колеса гидротрансформатора и часть мощности, проходящей на выходной вал через гидротрансформатор, также уменьшается. Такая схема передачи позволяет полностью использовать трансформирующие свойства гидротрансформатора в момент трогания с места, а по мере разгона автомобиля уменьшение части мощности, проходящей через гидротрансформатор, позволяет уменьшить потери, свойственные полнопоточной гидродинамической передаче.

После разгона автобуса на I передаче до скорости, составляющей 33…35 % от максимальной скорости автобуса (в зависимости от настройки системы управления), включается II передача. При этом включено входное сцепление 3 входного дифференциала и включается тормоз насоса входного дифференциала. Включение тормоза насоса останавливает вал солнечной шестерни входного дифференциала и соответственно останавливает насосное колесо гидротрансформатора. В этом случае входной дифференциал работает, как планетарный редуктор, частота вращения выходного вала передачи, на шлицах которого установлено водило входного дифференциала, меньше частоты вращения входного вала, с которым связана эпициклическая шестерня этого дифференциала. В выходном дифференциале сцепление 3 выключено, сателлиты на осях, закрепленных в водиле выходного дифференциала, свободно обкатываются по солнечной шестерне, связанной с турбиной гидротрансформатора. Заметим, что при включенной II передаче гидротрансформатор в передаче и трансформации крутящего момента не участвует, передача превращается в механическую с планетарным редуктором. После разгона автобуса на II передаче до скорости, составляющей 44…60 % от максимальной в зависимости от настройки системы управления, автоматически включается III передача.

При включении III передачи выключается входное сцепление 3 входного дифференциала, включается разделительное сцепление 4 входного дифференциала и тормоз 5 насоса. При включенном разделительном сцеплении 4 жестко связываются эпициклическая шестерня и водило входного дифференциала, весь дифференциал блокируется, чем обеспечивается прямая передача. Заметим, что третья передача также чисто механическая, гидротрансформатор в передаче и трансформации крутящего момента не участвует.

При включении заднего хода включены входное сцепление с входного дифференциала и многодисковый тормоз 10 заднего хода. Крутящий момент с солнечной шестерни входного дифференциала поступает на насосное колесо гидротрансформатора, с турбинного колеса гидротрансформатора — на солнечную шестерню выходного дифференциала, с эпициклической шестерни выходного дифференциала — на солнечную шестерню планетарной передачи заднего хода. Включение в цепь передачи крутящего момента дополнительного планетарного ряда заднего хода изменяет направление вращения выходного вала передачи на обратное.

Таким образом, передача Voith является гидромеханической только при включении I передачи и заднего хода, при включении II и III передач Voith представляет собой механическую передачу с третьей прямой ступенью.

Дополнительная система гидромеханической передачи должна обеспечить нормальное функционирование гидротрансформатора. Гидротрансформатор, поглощая на определенных режимах значительную часть энергии двигателя (на стоповом режиме — всю энергию двигателя) вызывает значительный нагрев рабочей жидкости. Предельно допустимая температура рабочей жидкости составляет 120… 130 °С. Для предотвращения перегрева жидкости выше допустимой нормы применяют проточную систему циркуляции рабочей жидкости, при которой часть жидкости после турбинного колеса отбирается и отводится в специальный теплообменник 12, откуда сливается в картер. Из картера вспомогательным насосом масло возвращается к входу в насосное колесо. Система подпитки одновременно обеспечивает поддержание в рабочей полости минимального давления 0,3…0,5 МПа. Это необходимо для предотвращения сильного пенообразования и кавитационных явлений на входе в насосное колесо.

В гидромеханических передачах с фрикционным переключением передач необходимо наличие системы, обеспечивающей работу управляющих фрикционных элементов. Поскольку практически все гидромеханические передачи применяют гидравлическое управление фрикционными элементами, гидромеханическая передача должна иметь соответствующую гидравлическую систему, обеспечивающую функционирование системы переключения передач, смазывание деталей, подпитку и охлаждение гидротрансформатора.

Охлаждение рабочей жидкости гидромеханической передачи производится в радиаторах, которые принципиально не отличатся от радиаторов системы охлаждения двигателя или узлов трансмиссии. Охлаждающей средой может быть воздух или жидкость системы охлаждения двигателя.

Гидравлическая система включает в себя насосную установку (число насосов может быть от одного до четырех) с элементами регулирования рабочего давления. Чаще всего применяются шестеренчатые насосы с внешним или внутренним зацеплением, обеспечивающие создание в гидравлической системе давление до 2…2,5 МПа. Основной насос получает вращение от входного вала гидротрансформатора. Часто в системе предусматривается второй насос, получающий вращение от выходного вала гидромеханической передачи, что обеспечивает подачу масла в гидросистему при движении накатом с выключенным двигателем или при запуске двигателя буксировкой автомобиля. Подпитка гидротрансформатора может осуществляться специальным насосом, но чаще производится из основной гидравлической системы.

При автоматическом управлении ступенчатой коробкой передач гидромеханической передачи система управления может быть гидравлической, электрогидравличекой или электронногидравлической. В первом случае автоматическое управление обеспечивается элементами гидроавтоматики, во втором — аналоговыми электрическими датчиками и гидравлической системой исполнения, в третьем — электронной системой (микропроцессором) и гидравлическим исполнительным механизмом.

На рис. 4.11 показана блок-схема электронного управления коробкой передач Voith. Входные сигналы от датчика нагрузки, индуктивного датчика, ручного выключателя тормоза-замедлителя и тормозной педали электронный модуль коробки передач преобразует в выходные сигналы, которые с помощью магнитных клапанов блока управления управляют коробкой передач.

Блок-схема электронного управления коробкой передач Voith

Рис. 4.1 1. Блок-схема электронного управления коробкой передач Voith

При автоматическом управлении ступенчатой коробкой передач выбор момента включения той или иной передачи обеспечивается с учетом минимум трех информационных параметров — нагрузки двигателя, скорости движения автомобиля и передачи, включенной к моменту переключения. Очевидно, что число информационных параметров определяет число необходимых датчиков в системе управления.

Датчик нагрузки представляет собой прибор, преобразующий угловое перемещение рычага управления подачей топлива в соответствующий электрический сигнал (рис 4.12).

Датчик нагрузки

Рис. 4.12. Датчик нагрузки: 1 — датчик нагрузки; 2 — упор рычага датчика нагрузки; 3 — рычаг датчика нагрузки; 4 — гайка; 5 — стяжка; 6 — компенсатор; 7 — тяга; 8 -рычаг управления; А, Б — ограничители хода рычага датчика нагрузки

Датчик скорости — это установленный на выходном валу передачи индуктивный датчик частоты вращения. На вторичном валу закреплен диск с зубьями, которые при вращении выходного вала проходят мимо индуктивного датчика, при этом частота возникновения сигналов в индуктивном датчике пропорциональна скорости движения автобуса. Сигналы датчика в электронном блоке преобразуются в непрерывный электрический сигнал, подающийся в электронный блок управления.

Кроме этого, в системе управления коробкой передач Voith предусмотрена возможность коррекции закона переключения передач в зависимости от развиваемого автобусом ускорения. При высоких ускорениях, определяемых малой загрузкой автобуса или малым сопротивлением движению, переключение передач производится при меньших значениях скорости автобуса, что обеспечивает экономию топлива. При низких ускорениях, соответствующих полностью загруженному автобусу или повышенному сопротивлению движению, переключение передач производится при более высоких значениях скорости, что обеспечивает возможность выхода двигателя автобуса на режим максимальной мощности. Определение ускорения производится на основе электронного анализа сочетания скорости движения автобуса и степени нажатия на педаль подачи топлива. Степень нажатия на педаль подачи топлива определяется соответствующим датчиком, расположенным на оси педали (рис. 4.13.). При нажатии педали управления подачей топлива за пружинный ограничитель (кик-даун) максимальная скорость автобуса возрастает на 10 %.

Датчик управления подачи топлива

Рис. 4.13. Датчик управления подачи топлива: L1 – частичное ускорение; L2 – полное ускорение; L 3 — нажатие за пружинный ограничитель (кик-даун)

Плавность переключения передач обеспечивается подбором соответствующего материала накладок фрикционных элементов, необходимой вязкости масла и соответствующим подбором диаметров золотников гидросистемы.