12.6. Устройство, принцип действия и рабочие характеристики гидродинамических трансформаторов

Г идротрансформаторы, обладая всеми свойствами гидромуфт, способны автоматически в зависимости от передаточного отношения i преобразовывать момент М₁, приложенный к ведущему валу двига­теля. Если момент сопротивления М₂, приложенный к ведомому валу, превосходит момент двигателя, автоматически снижается частота вращения ведомого вала п₂; если момент М₂ уменьшается, то часто­та вращения п₂ возрастает. Это позволяет автоматически, без пере­ключений, наиболее полно использовать возможности двигателей.

В отличие от гидромуфты гидротрансформатор (рис. 11) имеет три лопаточных колеса: насосное 3, соединенное с ведущим валом 1, турбинное 2, расположенное на ведомом валу 5, и колесо направляющего аппарата (реактора) 4, ко­торое обычно закреплено неподвижно на самостоятельной опоре. Лопатки рабочих колес гидротрансформатора профилированные.

Рабочая жидкость подается на­сосным колесом в турбинное и при­водит его во вращение, а затем, воз­вращаясь из турбинного колеса в на­сосное, проходит через направляющий аппарат, который создает реактивный момент, преобразующий крутящий мо­мент двигателя. Поэтому в уравнение равновесия гидротрансформатора вхо­дят три члена:

М₁ + М₂  М₃ = 0, (2)

М₃ – момент на третьем колесе гидротрансформатора (колесе реактора).

При работе гидротрансформатора в обычном тяговом режиме (ведущий и ведомый валы вращаются в одном нап­равлении) движущий момент М₁ на­соса принимают положительным, а момент М₂ сопротивления тур­бины отрицательным. Тогда уравнение (2) можно переписать так:

М₂ = М₁  М₃. (3)

Выясним, в каких случаях в выражении (3) имеют место знаки плюс или минус. Для примера рассмотрим четыре случая движения автомобиля:

1. Если автомобиль стоит на месте, внешнее сопротивление движению очень большое; при этом турбина неподвижна (n₂ = 0), а насос работает с постоянной частотой вращения (n₁=const). В соответствии с направлением движения потока жидкости располо­жены насосное колесо, за ним турбина, а затем направляющий аппарат (реактор).

Так как направляющий аппарат не вращается, то передачи энергии жидкости в нем не происходит. При вращении колеса насо­са против часовой стрелки на нем возникает крутящий момент +М₁, в то время как крутящий момент реактора будет иметь знак минус (-М₃). При этом на турбине возникает реактивный момент (+M₃), направленный в противоположную сторону, т. е. про­тив часовой стрелки. Поэтому крутящий момент турбины будет ра­вен сумме моментов:

М₂ = М₁ + М₃. (4)

Таким образом, момент М₂ имеет максимальное значение.

2. Когда турбина начинает вращаться, то ее частота вращения по­степенно увеличивается, что соответствует движению автомобиля при уменьшающемся внешнем сопротивлении.

На направляющем аппарате при этом создается отрицательный крутящий момент -М₃, по-прежнему направленный по часовой стрелке, а на турбине возникает реактивный момент +М₃, направленный против часовой стрелки, но несколько меньшего зна­чения.

Момент на турбине, как и в первом случае (4), складывается из моментов M₁ насоса и М₃ направляющего аппарата, но значение момента М₂ будет меньше, чем при неподвижной турбине.

3. В случае, если частота вращения n₂ вала турбины большая, что соответствует концу разгона автомобиля, на реакторе создается крутящий момент +М₃, направленный против часовой стрелки, а на турбине - реактивный момент –М₃, направленный по часовой стрелке. Момент на турбине в этом случае равен разности моментов на насосе и на реакторе, т. е.

М₂ = М₁ - М₃. (5)

4. При определенной частоте вращения турбины переносная ско­рость u₂ может принять такое значение, при котором жидкость не оказывает давления на лопатки реактора, крутящий момент на нем М₃ = 0 и момент М₂ турбины равен моменту М₁ насоса, т. е. гидротрансформатор работает в режиме гидромуфты.

Из рассмотренных примеров работы гидротрансформатора можно сделать следующие выводы:

1. Если турбина неподвижна, крутящий момент гидротрансфор­матора достигает максимального значения и равен сумме момен­тов насоса и реактора.

2. В начале разгона при небольших частотах вращения тур­бины крутящий момент гидротрансформатора также равен сумме моментов насоса и реактора, однако его значение меньше, чем при неподвижной турбине (ведомом вале).

3. По мере разгона ведомого вала крутящий момент турбины постепенно снижается. При большой частоте вращения турбины (в конце разгона) крутящий момент гидротрансформатора равен разности моментов насоса и реактора.

4. При некоторых значениях частоты вращения ведомого вала момент в реакторе равен нулю и гидротрансформатор работает в режиме гидромуфты.

В нешняя характеристика гидротрансформатора, работающего в тяговом режиме (рис. 12), показывает, что трансформатор обеспечивает постоянную нагрузку на двигателе (прямая, соответст­вующая моменту М₁) и автоматическое повышение момента ве­домого вала (прямая М₂) при повышении усилия на рабочем органе и одновременном понижении его частоты вращения n₂. Рассмотрим характерные точки.

Точка 1 - режим холостого хода. Внешняя нагрузка отсутст­вует: N₂ = 0; М₂ = 0; N₁  0; i_х.х.=1;  = 0.

Точка 2 - режим равенства моментов: M₁=M₂; М₃ = 0. В этой точке меняется знак момента на реакторе: правее ее момент на турбине меньше момента на насосе, поэтому коэффициент трансфор­мации К<1, а левее - момент на турбине больше момента на на­сосе, а К>1. Правее точки 2 работу гидротрансформатора можно перевести в режим гидромуфты, что используется в комплексных передачах.

Точка 3 — режим синхронного вращения насоса и турбины: п₁=n₂, i=1; i_х.х.>1. Этот режим используется для блокирования насоса и турбины и обеспечения плавного соединения ведущего и ве­домого валов.

Точка 4 - оптимальный режим, соответствующий максимальному КПД или минимальным потерям.

Точка 5 - стоповый режим: i = 0;  = 0; M₂ = М_mах; М₁  0. Этот режим является самым напряженным в тепловом отношении.

Из рассмотренной характеристики видно, что моменты на ведомом и ведущем валах не зависят друг от друга. Это свойство, называемое непрозрачностью внешней характеристики, позволяет надежно предохранять двигатель от перегрузок.

Из графика также видно, что гидротрансформатор имеет мак­симальный КПД только в одном режиме (точка 4). Но если уменьшение КПД в зоне малой частоты вращения турбины можно считать оправданным, так как при этом улучшаются тяговые каче­ства машины, то уменьшение КПД с увеличением частоты враще­ния турбины нежелательно, так как условия работы машины в этом режиме хорошие благодаря снижению сопротивления ведомого вала. Чтобы исключить эту зону с низким КПД, блокируют турбину с насосом и переводят гидротрансформатор в режим работы гидро­муфты.

Гидротрансформаторы, которые при небольших значениях i рабо­тают как гидротрансформатор, а при больших - как гидромуфта, называют комплексными.

В комплексном гидротранс­форматоре (рис. 13) насосное колесо 3 соединено с ведущим ва­лом 1 (валом двигателя), а тур­бинное колесо 2 - с ведомым ва­лом 7. Колесо направляющего аппарата 5 соединено с кар­тером 4 через механизм свобод­ного хода 6. Этот механизм до­пускает холостое вращение колеса направляющего аппарата только в направлении вращения насоса и турбины и препятствует вращению в обратном направлении. При не­больших значениях i колесо нап­равляющего аппарата не вращается и гидропередача работает в режиме гидротрансформатора. При больших передаточных отношениях (правее точки 2 на рис. 12) на­правляющий аппарат начинает вра­щаться. Следовательно, при боль­ших значениях i гидродинамическая передача работает в режиме гидро­муфты.

Переход с режима работы гидро­трансформатора на режим работы гидромуфты происходит при переда­точных отношениях, соответствующих коэффициенту трансформации крутя­щего момента К = 1. Указанное пе­редаточное отношение выбирают та­ким, чтобы КПД передачи при работе в режиме гидротрансформатора был равен 0,85-0,88, а в режиме гидро­муфты - более 0,90.

Таким образом, сочетание высо­кого КПД гидромуфты с непроз­рачностью характеристики гидротран­сформатора делает комплексный гид­ротрансформатор универсальной гидропередачей, имеющей самое широкое применение.

При больших передаточных числах (3-5) конструкция гидро­трансформатора отличается от представленной на рисунке 13. В этом случае число ступеней турбины увеличивается до двух, а при более высоких i - до трех и даже до четырех. Одновремен­но увеличивается количество колес реактора, причем оно принимает­ся равным числу турбинных колес или на единицу меньше в за­висимости от последовательности их расстановки.

Гидротрансформаторы могут быть реверсивными. В этом случае за насосным колесом располагается направляющий аппарат, ко­торый изменяет направление движения потока жидкости на обратное. Для выравнивания нагрузки в реверсивных гидротрансформаторах направляющий аппарат иногда ставят и перед насосным колесом.

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое гидропривод и гидропередача?

2. Как классифицируются гид­роприводы?

3. Какие жидкости применяют в гидроприводе в качестве рабочего тела и какие требования к ним предъявляют?

4. Назовите основные достоинства гид­ропривода.

5. Что такое объемный гидропривод и как он устроен? Нари­суйте основные схемы объемного гидропривода.

6. Что называется следящим гид­роприводом и где он применяется?

7. Что такое гидродинамические передачи и на какие виды они подразделяются?

8. Назовите преимущества гидроди­намических передач перед механическими.

9. Перечислите основные параметры гидродинамических передач.

10. Что такое гидродинамическая муфта и как она устроена?

11. Что называется скольжением гидромуфты?

12. Чему равны мощ­ность и моменты на ведущем и ведомом валах гидромуфты?

13. Начертите внеш­нюю характеристику гидромуфты и расскажите о ней.

14. Что такое гидродинамический трансформатор и как он устроен?

15. Объясните, как происходит авто­матическое увеличение крутящего момента ведомого вала гидротрансформатора.

16. Начертите внешнюю характеристику гидротрансформатора и расскажите о ней.

17. Что называется непрозрачностью внешней характеристики гидротрансформатора?

18. Что такое комплексная гидропередача и как она устроена?

19. Назовите примерные значения КПД гидромуфты, гидротрансформатора и комплексной пе­редачи.

Примерные темы рефератов

1. Гидропривод и его использование в машиностроении.

2. Применение гидро­приводов и гидропередач в отечественных автомобилях.

3. Применение гидроприводов и гидропередач в отечественных тракторах и сельскохозяйственных машинах.

4. Гидро­усилители и их применение в автомобилях и тракторах.

5. Следящие гидроприводы и их применение в металлорежущих станках.

6. Гидродинамические муфты и их применение в технике.

7. Гидродинамические трансформаторы и их применение в различных машинах.

8. Комплексные гидродинамические передачи: устройство, прин­цип работы, область применения.

17