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.
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: МT = 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:
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; 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
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.
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.
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.