stringtranslate.com

Гидротрансформатор

Разрез гидротрансформатора ZF
Разрезная модель гидротрансформатора

Гидротрансформатор — это устройство, обычно реализуемое как тип гидромуфты , которое передает вращающуюся мощность от первичного двигателя , например, двигателя 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 трансмиссией. Эквивалентным устройством в механической коробке передач является механическое сцепление .

Гидротрансформатор служит для увеличения передаваемого крутящего момента , когда выходная скорость вращения низкая. В варианте исполнения с гидромуфтой он использует жидкость, приводимую в движение лопатками входного рабочего колеса и направляемую через лопатки фиксированного статора, для приведения в действие выходной турбины таким образом, что крутящий момент на выходе увеличивается, когда выходной вал вращается медленнее входного вала, тем самым обеспечивая эквивалент адаптивного редуктора . Это функция, выходящая за рамки того, что обеспечивает простая гидромуфта, которая может соответствовать скорости вращения, но не умножает крутящий момент. Гидротрансформаторы на основе гидромуфты также обычно включают функцию блокировки для жесткого соединения входа и выхода и избегания потерь эффективности, связанных с передачей крутящего момента потоком жидкости, когда позволяют условия эксплуатации.

Гидравлические системы

Наиболее распространенной формой гидротрансформатора в автомобильных трансмиссиях является гидродинамическое устройство, описанное выше. Существуют также гидростатические системы, которые широко используются в небольших машинах, таких как компактные экскаваторы .

Механические системы

Существуют также механические конструкции для гидротрансформаторов, многие из которых похожи на механические бесступенчатые трансмиссии или способны действовать как таковые. К ним относятся гидротрансформатор Constantinesco на основе маятника , фрикционная передача Lambert с дисковым приводом и Variomatic с раздвижными шкивами и ременным приводом.

Использование

Функция

Теория работы

Уравнения движения гидротрансформатора подчиняются уравнению турбомашины Леонарда Эйлера , выведенному в восемнадцатом веке :

Уравнение расширяется, включая пятую степень радиуса; в результате свойства гидротрансформатора сильно зависят от размера устройства.

Математические формулы для гидротрансформатора доступны у нескольких авторов. [1] [2]

Хроват вывел уравнения насоса, турбины, статора и сохранения энергии. Четыре дифференциальных уравнения первого порядка могут определить производительность гидротрансформатора.

где


Более простую корреляцию предлагает Котвицкий.

Элементы гидротрансформатора

Гидромуфта представляет собой двухэлементный привод, неспособный увеличивать крутящий момент, в то время как гидротрансформатор имеет по крайней мере один дополнительный элемент — статор, который изменяет характеристики привода в периоды сильного проскальзывания, что приводит к увеличению выходного крутящего момента .

В гидротрансформаторе есть по крайней мере три вращающихся элемента: рабочее колесо, которое механически приводится в движение первичным двигателем; турбина, которая приводит в движение нагрузку ; и статор, который вставлен между рабочим колесом и турбиной, чтобы он мог изменять поток масла, возвращающийся от турбины к рабочему колесу. Классическая конструкция гидротрансформатора диктует, что статор должен быть защищен от вращения 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 прямое вращение.

Периодически в базовую трехэлементную конструкцию вносились изменения, особенно в приложениях, где требовалось большее, чем обычно, увеличение крутящего момента. Чаще всего они принимали форму нескольких турбин и статоров, каждый из которых был разработан для создания различных величин увеличения крутящего момента. Например, автоматическая коробка передач Buick Dynaflow была непереключаемой и в обычных условиях полагалась исключительно на преобразователь для увеличения крутящего момента. Dynaflow использовал пятиэлементный преобразователь для создания широкого диапазона увеличения крутящего момента, необходимого для приведения в движение тяжелого транспортного средства.

Хотя это и не является строго частью классической конструкции гидротрансформатора, многие автомобильные гидротрансформаторы включают в себя блокировочную муфту для повышения эффективности передачи мощности на крейсерском режиме и снижения нагрева. Применение муфты блокирует турбину с рабочим колесом, делая всю передачу мощности механической, тем самым устраняя потери, связанные с гидроприводом.

Фазы эксплуатации

Гидротрансформатор имеет три этапа работы:

Ключ к способности гидротрансформатора увеличивать крутящий момент лежит в статоре. В классической конструкции гидромуфты периоды сильного проскальзывания приводят к тому, что поток жидкости, возвращающийся от турбины к рабочему колесу, движется в направлении, противоположном направлению вращения рабочего колеса, что приводит к значительной потере эффективности и образованию значительного количества отработанного тепла . При тех же условиях в гидротрансформаторе возвращающаяся жидкость будет перенаправлена ​​статором так, чтобы она помогала вращению рабочего колеса, а не препятствовала ему. В результате большая часть энергии возвращающейся жидкости восстанавливается и добавляется к энергии, прилагаемой к рабочему колесу первичным двигателем. Это действие вызывает существенное увеличение массы жидкости, направляемой к турбине, что приводит к увеличению выходного крутящего момента. Поскольку возвращающаяся жидкость изначально движется в направлении, противоположном вращению рабочего колеса, статор также попытается вращаться в противоположном направлении, заставляя жидкость менять направление, эффект, который предотвращается односторонней муфтой статора .

В отличие от радиально прямых лопаток, используемых в простой гидромуфте, турбина и статор гидротрансформатора используют наклонные и изогнутые лопатки. Форма лопаток статора изменяет путь жидкости, заставляя ее совпадать с вращением рабочего колеса. Соответствующая кривая лопаток турбины помогает правильно направлять возвращающуюся жидкость к статору, чтобы последний мог выполнять свою работу. Форма лопаток важна, поскольку незначительные изменения могут привести к значительным изменениям в производительности гидротрансформатора.

Во время фаз срыва и ускорения, в которых происходит умножение крутящего момента, статор остается неподвижным из-за действия его 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. Оказавшись в фазе сцепления, возвращающаяся жидкость изменит направление и теперь будет вращаться в направлении рабочего колеса и турбины, эффект, который будет пытаться вращать статор вперед. В этот момент муфта статора отпустится, и рабочее колесо, турбина и статор будут (более или менее) вращаться как единое целое.

Неизбежно, часть кинетической энергии жидкости будет потеряна из-за трения и турбулентности, заставляя преобразователь генерировать отработанное тепло (рассеиваемое во многих приложениях водяным охлаждением). Этот эффект, часто называемый насосными потерями, будет наиболее выражен в условиях остановки или около них. В современных конструкциях геометрия лопастей минимизирует скорость масла при низких скоростях импеллера, что позволяет турбине останавливаться на длительные периоды времени с небольшой опасностью перегрева (например, когда автомобиль с автоматической коробкой передач останавливается на светофоре или в пробке на дороге, все еще находясь на передаче).

Эффективность и увеличение крутящего момента

Гидротрансформатор не может достичь 100-процентной эффективности сцепления. Классический трехэлементный гидротрансформатор имеет кривую эффективности, напоминающую ∩: нулевая эффективность при остановке, обычно увеличивающаяся эффективность во время фазы ускорения и низкая эффективность в фазе сцепления. Потеря эффективности при переходе гидротрансформатора в фазу сцепления является результатом турбулентности и помех потока жидкости, создаваемых статором, и, как упоминалось ранее, обычно устраняется путем установки статора на одностороннюю муфту.

Даже с преимуществом односторонней статорной муфты преобразователь не может достичь того же уровня эффективности в фазе сцепления, что и гидромуфта эквивалентного размера. Некоторые потери обусловлены наличием статора (даже если он вращается как часть узла), поскольку он всегда создает некоторую поглощающую мощность турбулентность. Однако большая часть потерь вызвана изогнутыми и наклонными лопатками турбины, которые не поглощают кинетическую энергию от массы жидкости, а также радиально прямыми лопатками. Поскольку геометрия лопаток турбины является решающим фактором в способности преобразователя увеличивать крутящий момент, компромиссы между увеличением крутящего момента и эффективностью сцепления неизбежны. В автомобильных приложениях, где устойчивые улучшения в экономии топлива были предписаны рыночными силами и правительственным указом, почти повсеместное использование блокировочной муфты помогло исключить преобразователь из уравнения эффективности во время крейсерской эксплуатации.

Максимальное количество умножения крутящего момента, производимое преобразователем, сильно зависит от размера и геометрии турбины и лопаток статора и генерируется только тогда, когда преобразователь находится в фазе срыва или около нее. Типичные коэффициенты умножения 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 производить больше). Специализированные преобразователи, разработанные для промышленных, железнодорожных или тяжелых морских систем передачи энергии, способны к умножению до 5,0:1. Вообще говоря, существует компромисс между максимальным умножением крутящего момента и эффективностью — преобразователи с высоким коэффициентом срыва, как правило, относительно неэффективны около скорости сцепления, тогда как преобразователи с низким коэффициентом срыва, как правило, обеспечивают меньшее возможное умножение крутящего момента.

Характеристики гидротрансформатора должны быть тщательно подобраны под кривую крутящего момента источника питания и предполагаемое применение. Изменение геометрии лопастей статора и/или турбины изменит характеристики крутящего момента-срыва, а также общую эффективность агрегата. Например, в автоматических трансмиссиях для дрэг-рейсинга часто используются гидротрансформаторы, модифицированные для получения высоких скоростей срыва, чтобы улучшить крутящий момент на холостом ходу и быстрее войти в диапазон мощности двигателя. В транспортных средствах для шоссейных дорог обычно используются гидротрансформаторы с более низким срывом, чтобы ограничить выработку тепла и обеспечить более устойчивое ощущение характеристик транспортного средства.

Конструктивной особенностью, когда-то встречавшейся в некоторых автоматических трансмиссиях General Motors , был статор с переменным шагом, в котором угол атаки лопаток мог изменяться в ответ на изменения скорости двигателя и нагрузки. Эффект этого заключался в изменении величины умножения крутящего момента, производимого преобразователем. При нормальном угле атаки статор заставлял преобразователь производить умеренное количество умножения, но с более высоким уровнем эффективности. Если водитель резко открывал дроссель, клапан переключал шаг статора на другой угол атаки, увеличивая умножение крутящего момента за счет эффективности.

Некоторые гидротрансформаторы используют несколько статоров и/или несколько турбин для обеспечения более широкого диапазона усиления крутящего момента. Такие многоэлементные гидротрансформаторы более распространены в промышленных условиях, чем в автомобильных трансмиссиях, но также существовали и такие автомобильные приложения, как Buick 's Triple Turbine Dynaflow и Chevrolet 's Turboglide . Buick Dynaflow использовал характеристики умножения крутящего момента своего планетарного ряда 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 была низкая эффективность, и в конечном итоге эти трансмиссии были сняты с производства в пользу более эффективных трехскоростных агрегатов с обычным трехэлементным гидротрансформатором. Также было обнаружено, что эффективность гидротрансформатора максимальна на очень низких скоростях.

Блокирующиеся гидротрансформаторы

Как описано выше, потери на тягу в гидротрансформаторе снижают эффективность и генерируют ненужное тепло. В современных автомобильных приложениях эта проблема обычно устраняется с помощью блокировочной муфты , которая физически связывает рабочее колесо и турбину, фактически превращая гидротрансформатор в чисто механическое соединение. Результатом является отсутствие проскальзывания и фактически отсутствие потери мощности.

Первым автомобильным применением принципа блокировки стала трансмиссия Ultramatic компании Packard , представленная в 1949 году, которая блокировала преобразователь на крейсерской скорости, разблокируя его, когда дроссельная заслонка была нажата для быстрого ускорения или когда автомобиль замедлялся. Эта функция также присутствовала в некоторых трансмиссиях Borg-Warner, выпущенных в 1950-х годах. В последующие годы она вышла из моды из-за своей дополнительной сложности и стоимости. В конце 1970-х годов блокирующие муфты начали появляться снова в ответ на требования по улучшению экономии топлива и теперь являются почти универсальными в автомобильных приложениях.

Мощность и виды отказов

Как и в случае с базовой гидромуфтой, теоретическая крутящая способность преобразователя пропорциональна , где - массовая плотность жидкости (кг/м 3 ), - скорость вращения рабочего колеса ( об/мин ), а - диаметр ( м ). [3] На практике максимальная крутящая способность ограничивается механическими характеристиками материалов, используемых в компонентах преобразователя, а также способностью преобразователя рассеивать тепло (часто посредством водяного охлаждения). В целях повышения прочности, надежности и экономичности производства большинство корпусов автомобильных преобразователей имеют сварную конструкцию. Промышленные агрегаты обычно собираются с помощью болтовых корпусов, конструктивная особенность которых 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 прочной связи между лопатками, ступицами и кольцевым кольцом(ями). Поскольку процесс пайки в печи создает небольшой радиус в точке, где лопатка встречается со ступицей или кольцевым кольцом, произойдет теоретическое снижение турбулентности, что приведет к соответствующему повышению эффективности.

Перегрузка преобразователя может привести к нескольким видам отказов, некоторые из которых потенциально опасны:

Производители

Текущий

Прошлое

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Хроват, Д.; Тоблер, В. (1985). «Моделирование графа связей и компьютерное моделирование автомобильных преобразователей крутящего момента». Журнал Института Франклина . 319 : 93–114. doi :10.1016/0016-0032(85)90067-5.
  2. ^ Котвицкий, А. Дж. (1982). «Динамические модели для транспортных средств, оборудованных гидротрансформатором». Серия технических документов SAE . doi : 10.4271/820393.
  3. ^ Гидродинамические муфты и преобразователи . Автомобильный справочник (3-е изд.). Роберт Бош . 1993. стр. 539. ISBN 0-8376-0330-7.
  4. ^ "Espacenet - Оригинальный документ". Worldwide.espacenet.com. 1933-03-07 . Получено 2014-07-21 .
  5. ^ "Mekydro Transmission | InterTrains.co.uk". Архивировано из оригинала 2010-03-02 . Получено 2009-10-31 .
  6. ^ "The Sydney Morning Herald - Поиск в архиве новостей Google". Архивировано из оригинала 2016-05-12.

Внешние ссылки