4.4. Гидромеханические коробки передач тракторов и автомобилей

Гидромеханические КП состоят из последовательно соединен­ных гидродинамического преобразователя вращающего момента и ступенчатой механической КП.

Простейшей гидродинамической передачей, не преобразующей вращающий момент, является гидродинамическая муфта, состо­ящая из насосного колеса, соединенного с ведущим валом, и турбинного колеса, закрепленного на ведомом валу. Оба колеса име­ют лопатки и заключены в кожух, заполненный маслом. Цирку­лирующее между лопатками насосного и турбинного колеса мас­ло обеспечивает динамическую передачу вращения и вращающе­го момента от насосного к турбинному колесу. При этом всегда частота вращения насосного колеса больше частоты вращения турбинного.

Из-за ряда недостатков гидромуфты не получили применения в трансмиссиях тракторов и автомобилей. Их использование огра­ничивается приводом несильно нагруженных элементов, напри­мер, вращение вентилятора в системе охлаждения двигателя ав­томобиля КамАЗ.

В практике тракторо- и автомобилестроения преобладающее распространение получили гидротрансформаторы.

Гидротрансформаторы обладают рядом достоинств, которые позволяют эффективно использовать их в трансмиссиях современ­ных машин:

• значительное снижение динамических нагрузок и демпфи­рование крутильных колебаний в трансмиссии, что обеспечива­ет повышение надежности и срока службы трансмиссии и дви­гателя;

• бесступенчатое регулирование вращающего момента на вы­ходном валу гидротрансформатора, что дает возможность рабо­тать на наиболее выгодном режиме скорости и тяги;

• повышение производительности за счет улучшения условий труда водителя;

• бесступенчатое автоматическое изменение передаточного чис­ла, позволяющее работать на наиболее выгодном режиме скоро­сти и тяги;

• улучшение условий труда водителя за счет снижения частоты переключения передач;

• повышение проходимости, вследствие эластичности связи двигателя с трансмиссией и возможности длительно работать с очень малыми («ползучими») скоростями движения.

У гидротрансформатора вместе с тем существуют и недостатки:

•  узкий диапазон изменения передаточных чисел;

• пониженное максимальное значение КПД (ηrT = 0,85…0,9) в сравнении с механическими коробками и значительное его сни­жение при изменении режимов работы, что приводит к повыше­нию расхода топлива;

• усложнение конструкции трансмиссии и повышение стоимо­сти машины.

При создании машин возможно последовательное или парал­лельное соединение гидротрансформатора с механической частью трансмиссии. Это в некоторой степени компенсирует его недо­статки.

Соединение гидротрансформатора с механической КП после­довательно в однопоточную трансмиссию обеспечивает расшире­ние диапазона изменения передаточных чисел трансмиссии и со­ответственно диапазона изменения тяговых усилий и скоростей движения машины.

Параллельное соединение гидротрансформатора с механичес­кой КП приводит к некоторому повышению КПД трансмиссии в целом, но сужает диапазон изменения силового и кинематичес­кого передаточных чисел. Этот тип трансмиссии называется двух­поточной.

В однопоточных трансмиссиях вся мощность двигателя после­довательно проходит через агрегаты трансмиссии. От двигателя мощность поступает на насосное колесо гидротрансформатора (при необходимости между ДВС и гидротрансформатором устанавли­вается согласующий редуктор).

Гидротрансформатор (рис. 4.12, а) представляет собой гидро­динамический преобразователь, автоматически плавно изменяю­щий величину передаваемого момента в зависимости от нагрузки. Гидротрансформатор состоит из трех колес с радиально располо­женными криволинейными лопатками: насоса 3, жестко через корпус 8 связанного с коленчатым валом 1 двигателя; турбины 2, соединенной с первичным валом 7 КП; реактора 4, установленного на его пустотелый вал 6 с помощью муфты свободного хода 5. Корпус 8 гидротрансформатора заполнен маловязким маслом.

Гидротрансформатор

Рис. 4.12. Гидротрансформатор:

а — кинематическая схема; б, в — действие сил при работе в режиме соответ­ственно трансформатора и гидромуфты; 1 — коленчатый вал; 2 — турбина; 3 — насос; 4— реактор; 5— муфта свободного хода; 6— пустотелый вал; 7— первич­ный вал; 8 — корпус гидротрансформатора; РP — сила на реакторе; РT — сила на турбине; РH — сила на насосе; ← — направление циркуляции рабочей жидко­сти; ——-→ — направление вращения колес; → — направление действия сил

Гидротрансформатор, реактор которого имеет муфту свобод­ного хода, называется комплексным.

При вращении от коленчатого вала двигателя насоса масло, находящееся между лопатками насоса, под действием центробеж­ных сил перетекает от внутренних краев лопаток к внешним. Уда­ряясь о лопатки турбины, масло отдает ей часть накопленной ки­нетической энергии, вследствие чего турбина начинает вращать­ся в том же направлении, что и насос. Из турбины масло перете­кает к лопаткам реактора, изменяющим направление струй мас­ла, а затем — к внутренним краям лопаток насоса.

Таким образом, часть масла циркулирует по замкнутому кон­туру насос —турбина —реактор —насос. Чем больше нагрузка и меньше угловая скорость турбины ωт по сравнению с угловой скоростью насоса ωH, тем большую часть кинетической энергии масла воспринимает турбина и тем больше сила РТ (рис. 4.12, б) и соответственно момент Mт, возникающий при ударе струй масла о лопатки турбины.

В случае остановки турбины под действием внешних сопротив­лений или при трогании машины с места, когда угловая скорость ωт = 0, момент на турбине Mт достигает максимального значения. По мере повышения угловой скорости ωт величина момента Mт уменьшается.

При небольшом значении угловой скорости турбины ωт  в ре­зультате удара струй масла о вогнутые стороны лопаток реактора возникает действующая на него сила Pр (см. рис. 4.12, б), направ­ленная в ту же сторону, что и возникающая от удара струй масла о лопатки насоса сила Pн. Муфта свободного хода 5 при этом за­клинивается, вследствие чего реактор остается неподвижным (не вращается). Сумма вращающих моментов от действующих внешних сил Рн, Pт и Pр на гидротрансформатор равна нулю:

Мн+ МТ+ Мр= 0.

Следовательно, МT = МH + МP, т.е. вращающий момент на тур­бине в этом случае больше вращающего момента двигателя Ме, так как Мн = Ме. В этом случае гидротрансформатор является пре­образователем вращающего момента.

При большом значении угловой скорости турбины вслед­ствие удара струй масла о выпуклые стороны лопаток реактора (рис. 4.12, в) сила Pр изменяет свое направление на противоположное. В результате вращающий момент МТ оказывается равным разности вращающих моментов, действующих на насос и реак­тор: М= МH– МP.

Муфта свободного хода при этом расклинивается, что предот­вращает чрезмерное уменьшение вращающего момента Mт, и ре­актор начинает вращаться в том же направлении, что и турбина. Гидротрансформатор переходит на режим гидромуфты, при этом величина передаваемого вращающего момента от насоса к турбине не изменяется МH = МT, так как при вращении реактора Mр = 0.

Так как между насосом и турбиной нет жесткой связи, гидро­трансформатор имеет два передаточных числа.

Кинематическое передаточное число irT определяется отношени­ем угловой скорости насоса ωн к угловой скорости турбины ωт, или отношением частоты вращения насоса nн к частоте вращения турбины nT.

irT = ωн / ωт = nн / nT

Коэффициент трансформации момента К, т.е. силовое переда­точное число гидротрансформатора, определяется отношением вращающего момента на турбине МТ к вращающему моменту на насосе МH:

K = МТ / МH

КПД гидротрансформатора ηгт это отношение мощности NT, отводимой от турбины, к мощности NH, подведенной к насосу:

формула

Из полученного выражения следует, что по мере увеличения отношения 1/irT от 0 до 1 и уменьшения коэффициента трансфор­мации момента К до 0 КПД гидротрансформатора сначала возра­стает от нуля до максимального значения (рис. 4.13, кривая ηгт), а затем снова уменьшается до нуля, т.е. среднее его значение мень­ше КПД ступенчатой КП.

Рис. 4.13. Внешняя характеристика комплексного гидротрансформатора:
К — коэффициент трансформации момента; формула 2 отношение частоты вращения турбины к частоте вращения насоса; irT — кинематическое передаточное число гидротрансформатора; Мт — вращающий момент турбинного колеса; ηгт, ηгм — КПД гидротрансформатора и гидромуфты; Мh — вращающий момент насосного колеса; А — точка перехода режима трансформатора в режим гидромуфты

Внешняя характеристика комплексного гидротрансформатора

Для получения высокого КПД в более широких пределах в гид­ротрансформатор устанавливают между насосом и турбиной од­нодисковую фрикционную блокирующую муфту или делают его комплексным.

При блокировке гидротрансформатор превращается в механи­ческую передачу, что исключает потерю энергии в гидротранс­форматоре.

Комплексный гидротрансформатор работает при малых кинема­тических передаточных числах в режиме трансформатора, а при больших числах (высокой частоте вращения турбины) в режиме гидромуфты. Это повышает среднее значение КПД.

Преобразующие свойства гидротрансформатора определяет внешняя характеристика, которая представляет собой графики зависимостей коэффициента трансформации момента K (силово­го передаточного числа), вращающих моментов турбинного Mт и насосного Мн колес, и КПД гидротрансформатора ηгт от величи­ны отношения 1/iгт.

Внешняя характеристика комплексного гидротрансформатора показана на рис. 4.13, она представляет собой характеристику про­стого гидротрансформатора и совмещенную с ней характеристи­ку гидромуфты. Переход работы комплексного гидротрансформа­тор из режима трансформатора на режим гидромуфты происходит при отношении частоты вращения nТ/nн (около 0,7), соответству­ющем точке А на графике КПД гидротрансформатора.

По степени влияния на двигатель гидротрансформаторы де­лятся на «непрозрачные» и «прозрачные».

«Непрозрачным» называют такой гидротрансформатор, у ко­торого изменение нагрузки и частоты вращения турбины не вли­яет на режим работы насоса и связанного с ним двигателя. У «про­зрачного» гидротрансформатора режим работы соединенного с насосом двигателя меняется с изменением нагрузки на валу тур­бины аналогично изменению его при механической передаче. В трансмиссиях тракторов обычно применяют «слабопрозрачные» гидротрансформаторы, а в трансмиссиях автомобилей — «про­зрачные».

В качестве механических ступеней в гидромеханических КП используются планетарные или обычные ступенчатые механичес­кие КП с переключением передач с разрывом или без разрыва потока мощности. В случае применения ступенчатых КП, у кото­рых переключение передач связано с разрывом потока мощно­сти, необходимо сохранить в гидромеханической трансмиссии фрикционное сцепление.

Механические КП обычно имеют от двух до четырех передач. Управление переключением передач может быть ручным или ав­томатическим.

Гидравлическая схема управления гидромеханической плане­тарной КП с переключением передач без разрыва потока мощно­сти колесного трактора приведена на рис. 4.14. Переключение пе­редач проводится гидрофрикционными муфтами Ф1 —Ф5.

Гидравлическая схема управления гидромеханической планетарной коробкой передач колесного трактора

Рис. 4.14. Гидравлическая схема управления гидромеханической планетарной коробкой передач колесного трактора:
1 — масляный насос; 2 — клапан давления подпитки; 3 — гидротрансформатор; 4 — радиатор; 5 — клапан давления смазывания подшипников; 6 — трехскоростная планетарная механическая коробка передач; 7 — золотник выбора направления; 8 — золотник выбора передачи; 9 — клапан выключения гидрофрикционных муфт при торможении; Ф1 — гидрофрикционная муфта включения ЗХ; Ф2 — гидрофрикционная муфта включения переднего хода; Ф3, Ф4, Ф5 — гидрофрикционные муфты включения соответственно I, II и III передач; Н — нейтральное положение; I, II, III — положения золотника, при которых включаются соответствующие передачи; — направление перемещения золотника; — направление циркуляции масла

Гидравлическая схема управления планетарной коробкой пе­редач работает следующим образом: масляный насос 1 под давле­нием подает масло через клапан 2 давления подпитки в гидро­трансформатор 3. Далее масло, охлажденное в радиаторе 4, посту­пает к золотникам выбора направления 7 и выбора передачи 8. Перемещением золотников 7 и 8 осуществляется выбор режимов движения трактора. В случае торможения давление из системы тор­мозов передается на клапан 9 выключения гидрофрикционных муфт и происходит автоматическое отключение передачи.

Рассмотрим подробнее конструкцию гидромеханической КП автомобиля, показанную на рис. 4.15. Она состоит из одноступен­чатого комплексного гидротрансформатора и дополнительной трехступенчатой планетарной коробки.

Гидромеханическая коробка передач автомобиля

Рис. 4.15. Гидромеханическая коробка передач автомобиля:

1 — картер; 2 — турбина; 3 — крышка; 4 — реактор; 5 — муфта свободного хода; 6 — коленчатый вал; 7, 27 — первичный и вторичный валы; 8 — ступица; 9 — диск; 10— корпус гидротрансформатора; 11 — лопатки насоса; 12 — пустотелый вал реактора; 13— манжета; 14— ступица; 15, 25— передний и задний масляные насосы; 16 — картер; 17 — гидроцилиндр; 18 — многодисковое сцепление; 19, 22 — передний и задний ленточные тормоза; 20, 21 — передний и задний плане­тарные ряды; 23 — фланец; 24 — крышка; 26 — центробежный регулятор; 28 — фланец; 29— поддон картера; 30— маслоприемник; 31 — клапаны управления; 32 — редукционный клапан

Гидротрансформатор соединен с коленчатым валом 6 двигате­ля. На корпусе 10 гидротрансформатора закреплены лопатки 11 насоса. Внутри корпуса 10 расположены турбина 2 и реактор 4. Турбина прикреплена к ступице 8, установленной на шлицах пер­вичного вала 7 планетарной коробки, а реактор — к наружной обойме роликовой муфты 5 свободного хода. Внутренняя обойма муфты связана с пустотелым валом 12 реактора, жестко соеди­ненным с картером 16. Приваренная к корпусу 10 гидротрансфор­матора крышка 3 болтами соединена с диском 9, укрепленным на коленчатом валу. Сзади корпуса 10 установлена ступица 14, опор­ная шейка которой вставлена во втулку корпуса переднего масля­ного насоса 15 и уплотнена манжетой 13.

Гидротрансформатор расположен в картере 1, закрепленном на картере двигателя. Корпус 10 заполнен маслом, находящимся под давлением, которое создает передний масляный насос 15. Масло, охлаждая гидротрансформатор, стекает в поддон 29 кар­тера коробки через водомаслоохладитель, встроенный в систему охлаждения двигателя.

В картере 16, укрепленном на корпусе гидротрансформатора, расположены первичный 7 и вторичный 27 валы, многодисковое сцепление 18 с гидроцилиндром 17, передний 20 и задний 21 пла­нетарные ряды с передним 19 и задним 22 ленточными тормозами и гидроцилиндрами, задний масляный насос 25, центробежный регулятор 26, клапаны 31 управления и редукционные клапаны 32. В поддоне 29 картера находится маслоприемник 20 переднего 15 и заднего 25 масляных насосов. К фланцу 28, установленному на шлицах вторичного вала, присоединяется карданная передача. Сза­ди картера 16 прикреплены фланец 23 и крышка 24.

Передачи в планетарной коробке переключают без разрыва потока мощности с помощью переднего 19 и заднего 22 ленточ­ных тормозов и многодискового сцепления 18. Для этого коробка имеет гидравлическую систему автоматического управления. Сис­темой управляют с помощью педали изменения подачи топлива и рукояткой управления коробкой, находящейся в одном из поло­жений Н, Д, П и ЗХ.

При включенном положении Н (нейтральное) оба ленточных тормоза (передний 19 и задний 22) и многодисковое сцепление 18 выключены, первичный 7 и вторичный 27 валы разобщены меж­ду собой, и поток мощности не передается. Передачи включают, затормаживая или блокируя элементы планетарных рядов 20 и 21, т.е. останавливая их или соединяя между собой.

Перед работой автомобиля в обычных дорожных условиях пе­реводят рукоятку управления коробкой в положение Д {движение). В этом случае переход на разные режимы движения проводят пе­далью управления подачей топлива и педалью тормоза. Так, на­пример, в начале разгона автомобиля с места или с небольшой скорости, когда подача топлива незначительна, автоматически включаются передний ленточный тормоз 19 и, следовательно, I передача. В конце разгона, когда подача топлива значительна, в КП при определенной скорости (28…29 м/с) автоматически вы­ключается передний ленточный тормоз 19 и одновременно вклю­чается многодисковое сцепление 18. В результате блокируются сол­нечные шестерни, и все элементы переднего20 и заднего 21 пла­нетарных рядов, а также вторичный вал 27 вращаются как одно целое, т.е. включается II (прямая) передача. В этом случае переда­точное число гидромеханической коробки изменяется гидротранс­форматором в пределах 1—2,4. Если в результате увеличения на­грузки скорость уменьшается до 4 м/с, то автоматически выклю­чается многодисковое сцепление 18 и одновременно включается передний ленточный тормоз 19 и I передача.

Чтобы преодолеть повышенное сопротивление движению ав­томобиля, например, на крутом подъеме, включают I передачу, переводя рукоятку управления коробкой в положение П (понижа­ющая передача). Тем самым включают передний ленточный тор­моз 19, при этом затягивается его лента, которая затормаживает солнечную шестерню переднего планетарного ряда 20. Передаточ­ное число гидромеханической КП может изменяться в пределах 1,72-4,13.

Переводя рукоятку управления КП в положение ЗХ (задний ход), включают задний ленточный тормоз 22. Оси сателлитов заднего 21 планетарного ряда при этом затормаживаются, а солнечная шес­терня и входящие с ней в зацепление сателлиты вращают корон­ную шестерню и вторичный вал 27 в обратном направлении.