Гидротрансформатор — это устройство, обычно реализуемое в виде гидромуфты , которое передает вращательную мощность от первичного двигателя , такого как двигатель внутреннего сгорания , к вращающейся ведомой нагрузке. В автомобиле с автоматической коробкой передач гидротрансформатор соединяет первичный двигатель с автоматической зубчатой передачей, которая затем приводит в движение нагрузку. Таким образом, он обычно располагается между гибкой пластиной двигателя и коробкой передач. Эквивалентным устройством в механической коробке передач является механическое сцепление .
Гидротрансформатор служит для увеличения передаваемого крутящего момента при низкой выходной частоте вращения. В варианте с гидромуфтой используется жидкость, приводимая в движение лопатками входного рабочего колеса и направляемая через лопатки неподвижного статора, для приведения в движение выходной турбины таким образом, что крутящий момент на выходе увеличивается, когда выходной вал вращается медленнее, чем входной вал, обеспечивая тем самым эквивалент адаптивного редуктора . Это особенность, превосходящая возможности простой гидромуфты, которая может соответствовать скорости вращения, но не увеличивает крутящий момент. Преобразователи крутящего момента на основе гидромуфты также обычно включают функцию блокировки для жесткого соединения входа и выхода и предотвращения потерь эффективности, связанных с передачей крутящего момента потоком жидкости, когда это позволяют условия эксплуатации.
Безусловно, наиболее распространенной формой гидротрансформатора в автомобильных трансмиссиях является описанное выше гидродинамическое устройство. Существуют также гидростатические системы, которые широко используются в небольших машинах, таких как компактные экскаваторы .
Существуют также механические конструкции гидротрансформаторов, многие из которых аналогичны механическим бесступенчатым трансмиссиям или также способны действовать как таковые. К ним относятся маятниковый гидротрансформатор Constantinesco , дисковая трансмиссия Lambert с фрикционной передачей и Variomatic с раздвижными шкивами и ременной передачей.
Уравнения движения гидротрансформатора определяются уравнением турбомашины Леонарда Эйлера восемнадцатого века :
Уравнение расширяется и включает пятую степень радиуса; в результате свойства гидротрансформатора очень зависят от типоразмера устройства.
Гидравлическая муфта представляет собой двухэлементный привод, не способный увеличивать крутящий момент, тогда как гидротрансформатор имеет как минимум один дополнительный элемент — статор, который изменяет характеристики привода в периоды большого проскальзывания, вызывая увеличение выходного крутящего момента.
В гидротрансформаторе имеется как минимум три вращающихся элемента: крыльчатка, механически приводимая в движение первичным двигателем; турбина, приводящая в движение нагрузку ; и статор, который расположен между рабочим колесом и турбиной и может изменять поток масла, возвращающийся из турбины в рабочее колесо. Классическая конструкция гидротрансформатора требует предотвращения вращения статора при любых условиях, отсюда и термин «статор» . На практике, однако, статор установлен на обгонной муфте , которая предотвращает вращение статора в противоположном направлении относительно первичного двигателя, но допускает вращение вперед.
В базовую трехэлементную конструкцию периодически вносились изменения, особенно в тех случаях, когда требуется увеличение крутящего момента выше обычного. Чаще всего они представляют собой несколько турбин и статоров, каждый из которых предназначен для создания разной степени увеличения крутящего момента. Например, автоматическая коробка передач Buick Dynaflow имела конструкцию без переключения передач и в нормальных условиях для увеличения крутящего момента полагалась исключительно на гидротрансформатор. В Dynaflow использовался пятиэлементный преобразователь для создания широкого диапазона увеличения крутящего момента, необходимого для приведения в движение тяжелого автомобиля.
Хотя это не является строго частью конструкции классического гидротрансформатора, многие автомобильные гидротрансформаторы включают в себя блокировочную муфту для повышения эффективности передачи мощности в крейсерском режиме и снижения нагрева. Применение сцепления фиксирует турбину на рабочем колесе, в результате чего вся передача мощности становится механической, что устраняет потери, связанные с гидравлическим приводом.
Гидротрансформатор имеет три этапа работы:
Ключом к способности гидротрансформатора увеличивать крутящий момент является статор. В классической конструкции гидромуфты периоды сильного проскальзывания приводят к тому, что поток жидкости, возвращающийся от турбины к рабочему колесу, противодействует направлению вращения рабочего колеса, что приводит к значительной потере эффективности и выделению значительного количества отходящего тепла . В тех же условиях в гидротрансформаторе возвращающаяся жидкость будет перенаправлена статором так, что она будет способствовать вращению крыльчатки, а не препятствовать ему. В результате большая часть энергии возвращающейся жидкости восстанавливается и добавляется к энергии, передаваемой к рабочему колесу первичным двигателем. Это действие вызывает существенное увеличение массы жидкости, направляемой в турбину, что приводит к увеличению выходного крутящего момента. Поскольку возвращающаяся жидкость изначально движется в направлении, противоположном вращению рабочего колеса, статор также будет пытаться вращаться в противоположном направлении, заставляя жидкость менять направление, - эффект, который предотвращается односторонней муфтой статора .
В отличие от радиально прямых лопаток, используемых в простой гидромуфте, в турбине и статоре гидротрансформатора используются наклонные и изогнутые лопатки. Форма лопастей статора меняет путь жидкости, заставляя его совпадать с вращением рабочего колеса. Соответствующая кривая лопаток турбины помогает правильно направить возвращаемую жидкость к статору, чтобы последний мог выполнять свою работу. Форма лопастей важна, поскольку незначительные изменения могут привести к значительным изменениям в характеристиках преобразователя.
Во время фаз останова и ускорения, когда происходит увеличение крутящего момента, статор остается неподвижным благодаря действию своей односторонней муфты. Однако по мере приближения гидротрансформатора к фазе сцепления энергия и объем жидкости, возвращающейся из турбины, будут постепенно уменьшаться, в результате чего давление на статор также уменьшится. На этапе соединения возвращающаяся жидкость изменит направление и теперь будет вращаться в направлении рабочего колеса и турбины, что приведет к попытке вращения статора вперед. В этот момент муфта статора отпустится, и рабочее колесо, турбина и статор (более или менее) начнут вращаться как единое целое.
Неизбежно часть кинетической энергии жидкости будет потеряна из-за трения и турбулентности, в результате чего конвертер будет выделять отходящее тепло (во многих приложениях рассеивается за счет водяного охлаждения). Этот эффект, часто называемый потерями накачки, будет наиболее выражен в условиях срыва или вблизи него. В современных конструкциях геометрия лопаток минимизирует скорость масла при низких скоростях рабочего колеса, что позволяет останавливать турбину на длительное время с небольшой опасностью перегрева (например, когда автомобиль с автоматической коробкой передач останавливается по сигналу светофора или в пробке во время движения). еще в работе).
Гидротрансформатор не может достичь 100-процентного КПД сцепления. Классический трехэлементный гидротрансформатор имеет кривую эффективности, напоминающую ∩: нулевой КПД при остановке, обычно увеличивающийся КПД на этапе ускорения и низкий КПД на этапе сцепления. Потеря эффективности при входе преобразователя в фазу соединения является результатом турбулентности и помех потока жидкости, создаваемых статором, и, как упоминалось ранее, обычно устраняется путем установки статора на одностороннюю муфту.
Даже несмотря на преимущества односторонней статорной муфты, преобразователь не может достичь того же уровня эффективности на этапе сцепления, что и гидромуфта эквивалентного размера. Некоторые потери происходят из-за наличия статора (даже если он вращается как часть узла), поскольку он всегда создает некоторую поглощающую энергию турбулентность. Однако большая часть потерь вызвана изогнутыми и расположенными под углом лопатками турбины, которые не поглощают кинетическую энергию массы жидкости, а также радиально прямыми лопатками. Поскольку геометрия лопаток турбины является решающим фактором в способности преобразователя увеличивать крутящий момент, компромисс между увеличением крутящего момента и эффективностью сцепления неизбежен. В автомобильной промышленности, где постоянное улучшение экономии топлива было предписано рыночными силами и постановлением правительства, почти повсеместное использование муфты блокировки помогло исключить гидротрансформатор из уравнения эффективности во время движения.
Максимальное увеличение крутящего момента, создаваемое преобразователем, сильно зависит от размера и геометрии лопаток турбины и статора и генерируется только тогда, когда преобразователь находится в фазе сваливания или около нее. Типичные коэффициенты увеличения крутящего момента при срыве варьируются от 1,8:1 до 2,5:1 для большинства автомобильных применений (хотя многоэлементные конструкции, используемые в Buick Dynaflow и Chevrolet Turboglide, могут дать больше). Специализированные преобразователи, предназначенные для промышленных, железнодорожных или тяжелых морских систем передачи энергии, способны выполнять умножение до 5,0:1. Вообще говоря, существует компромисс между максимальным увеличением крутящего момента и эффективностью: преобразователи с высоким коэффициентом срыва имеют тенденцию быть относительно неэффективными при скорости сцепления, тогда как преобразователи с низким коэффициентом срыва имеют тенденцию обеспечивать менее возможное увеличение крутящего момента.
Характеристики гидротрансформатора должны быть тщательно согласованы с кривой крутящего момента источника питания и предполагаемым применением. Изменение геометрии лопаток статора и/или турбины приведет к изменению характеристик крутящего момента и общего КПД агрегата. Например, в автоматических трансмиссиях для дрэг-рейсинга часто используются преобразователи, модифицированные для обеспечения высоких скоростей сваливания, чтобы улучшить крутящий момент на холостом ходу и быстрее войти в диапазон мощности двигателя. В дорожных транспортных средствах обычно используются преобразователи крутящего момента с меньшим холостым ходом, чтобы ограничить выделение тепла и обеспечить более четкое ощущение характеристик автомобиля.
Конструктивной особенностью некоторых автоматических трансмиссий General Motors был статор с изменяемым шагом, в котором угол атаки лопастей можно было изменять в зависимости от изменения частоты вращения и нагрузки двигателя. Результатом этого было изменение степени увеличения крутящего момента, создаваемого преобразователем. При нормальном угле атаки статор заставлял преобразователь производить умеренное умножение, но с более высоким уровнем эффективности. Если бы водитель резко открыл дроссельную заслонку, клапан переключил бы шаг статора на другой угол атаки, увеличивая приращение крутящего момента за счет эффективности.
В некоторых гидротрансформаторах используются несколько статоров и/или несколько турбин для обеспечения более широкого диапазона увеличения крутящего момента. Такие многоэлементные преобразователи более распространены в промышленных условиях, чем в автомобильных трансмиссиях, но также существовали автомобильные приложения, такие как Triple Turbine Dynaflow от Buick и Turboglide от Chevrolet . Buick Dynaflow использовал характеристики увеличения крутящего момента своей планетарной передачи в сочетании с гидротрансформатором для пониженной передачи и обходил первую турбину, используя только вторую турбину по мере увеличения скорости автомобиля. Неизбежным компромиссом при такой компоновке был низкий КПД, и в конечном итоге эти трансмиссии были сняты с производства в пользу более эффективных трехступенчатых агрегатов с обычным трехэлементным гидротрансформатором. Также установлено, что эффективность гидротрансформатора максимальна на очень низких скоростях.
Как описано выше, движущие потери внутри гидротрансформатора снижают эффективность и выделяют отходящее тепло. В современных автомобильных приложениях этой проблемы обычно можно избежать за счет использования муфты блокировки , которая физически связывает крыльчатку и турбину, эффективно превращая преобразователь в чисто механическую муфту. В результате отсутствует проскальзывание и практически отсутствует потеря мощности.
Первым автомобильным применением принципа блокировки была трансмиссия Packard Ultramatic , представленная в 1949 году, которая блокировала гидротрансформатор на крейсерских скоростях и разблокировалась, когда дроссельная заслонка была полностью закрыта для быстрого ускорения или при замедлении автомобиля. Эта функция также присутствовала в некоторых трансмиссиях Borg-Warner , выпущенных в 1950-х годах. В последующие годы он вышел из моды из-за своей сложности и стоимости. В конце 1970-х годов муфты блокировки начали появляться снова в ответ на требования повышения экономии топлива, и теперь они почти универсальны в автомобильной технике.
Как и в случае с базовой гидромуфтой, теоретическая крутящая способность гидротрансформатора пропорциональна , где – массовая плотность жидкости (кг/м 3 ), – скорость рабочего колеса ( об/мин ) и – диаметр ( м ). [1] На практике максимальный крутящий момент ограничивается механическими характеристиками материалов, используемых в компонентах преобразователя, а также способностью преобразователя рассеивать тепло (часто за счет водяного охлаждения). В целях повышения прочности, надежности и экономичности производства большинство корпусов автомобильных преобразователей имеют сварную конструкцию. Промышленные агрегаты обычно собираются в корпусах с болтовым соединением, что упрощает процесс проверки и ремонта, но увеличивает стоимость производства преобразователя.
В высокопроизводительных, гоночных и тяжелых коммерческих преобразователях насос и турбина могут быть дополнительно усилены с помощью процесса, называемого пайкой в печи , при котором расплавленная латунь втягивается в швы и соединения для создания более прочного соединения между лопатками, ступицами и кольцевым кольцом. с). Поскольку процесс пайки в печи создает небольшой радиус в точке, где лопасть встречается со ступицей или кольцевым кольцом, теоретически произойдет уменьшение турбулентности, что приведет к соответствующему увеличению эффективности.
Перегрузка преобразователя может привести к нескольким видам отказов, некоторые из которых потенциально опасны по своей природе:
![{\displaystyle \tau =\sum \left[r\times {\frac {d}{dt}}\left(m\cdot v\right)\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3c44e201dd311dedd1992e3cf9931aaac57b4765)
