Гидротрансформатор

Гидравлическая муфта, передающая вращательную мощность от первичного двигателя к вращающейся ведомой нагрузке

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 гибким диском 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

• Автоматические трансмиссии на автомобилях , таких как легковые автомобили, автобусы и грузовые автомобили для шоссейных и внедорожных перевозок.
• Экспедиторы и другие большегрузные транспортные средства.
• Судовые двигательные установки.
• Промышленная силовая передача, такая как приводы конвейеров , почти все современные погрузчики, лебедки , буровые установки , строительное оборудование и дизель-гидравлические железнодорожные локомотивы .

Функция

Теория работы

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

${\displaystyle \tau =\sum \left[r\times {\frac {d}{dt}}\left(m\cdot v\right)\right]}$

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.

${\displaystyle I_{i}{\dot {\omega _{i}}}+\rho S_{i}{\dot {Q}}=-\rho (\omega _{i}R_{i}^{2}+R_{i}{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{i}}-\omega _{s}R_{s}^{2}-R_{s}{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{s}})Q+\tau _{i}}$

${\displaystyle I_{t}{\dot {\omega _{t}}}+\rho S_{t}{\dot {Q}}=-\rho (\omega _{t}R_{t}^{2}+R_{t}{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{t}}-\omega _{i}R_{i}^{2}-R_{i}{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{i}})Q+\tau _{t}}$

${\displaystyle I_{s}{\dot {\omega _{s}}}+\rho S_{s}{\dot {Q}}=-\rho (\omega _{s}R_{s}^{2}+R_{s}{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{s}}-\omega _{t}R_{t}^{2}-R_{t}{\frac {Q}{A}}\tan {\alpha _{t}})Q+\tau _{s}}$

${\displaystyle \rho (S_{p}{\dot {w_{p}}}+S_{t}{\dot {w_{t}}}+S_{s}{\dot {w_{s}}})+\rho {\frac {L_{f}}{A}}{\dot {Q}}=\rho (R_{p}^{2}w_{p}^{2}+R_{t}^{2}w_{t}^{2}+R_{s}^{2}w_{s}^{2}-R_{s}^{2}w_{p}w_{s}-R_{p}^{2}w_{t}w_{p}-R_{t}^{2}w_{s}w_{t})+w_{p}{\frac {Q}{A}}\rho (R_{p}\tan {a_{p}}-R_{s}\tan {a_{s}})+w_{t}{\frac {Q}{A}}\rho (R_{t}\tan {a_{t}}-R_{p}\tan {a_{p}})+w_{s}{\frac {Q}{A}}\rho (R_{s}\tan {a_{s}}-R_{t}\tan {a_{t}})-P_{L}}$

где

• ${\displaystyle \rho }$это плотность
• ${\displaystyle A}$это площадь потока
• ${\displaystyle R_{p}}$радиус насоса
• ${\displaystyle R_{t}}$радиус турбины
• ${\displaystyle R_{s}}$радиус статора
• ${\displaystyle a_{p}}$угол выхода насоса
• ${\displaystyle a_{t}}$угол выхода турбины
• ${\displaystyle a_{s}}$угол выхода статора
• ${\displaystyle I}$это инерция
• ${\displaystyle L_{f}}$длина инерции жидкости

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 нормальных 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:

• Stall . Первичный двигатель подает мощность на рабочее колесо, но турбина не может вращаться. Например, в автомобиле эта стадия работы может возникнуть, когда водитель включил передачу, но не дает автомобилю двигаться, продолжая нажимать на тормоза . При остановке гидротрансформатор может производить максимальное умножение крутящего момента, если приложена достаточная входная мощность (результирующее умножение называется отношением останова ). Фаза останова фактически длится в течение короткого периода, когда нагрузка (например, транспортное средство) изначально начинает двигаться, поскольку будет очень большая разница между скоростью насоса и турбины.
• Ускорение . Нагрузка ускоряется, но все еще сохраняется относительно большая разница между скоростью вращения рабочего колеса и турбины. При этом условии преобразователь будет производить умножение крутящего момента, которое меньше того, что можно было бы достичь в условиях остановки. Величина умножения будет зависеть от фактической разницы между скоростью вращения насоса и турбины, а также от различных других конструктивных факторов.
• Муфта . Турбина достигла приблизительно 90 процентов скорости рабочего колеса. Умножение крутящего момента по существу прекратилось, и гидротрансформатор ведет себя подобно простой гидромуфте. В современных автомобильных приложениях обычно на этом этапе работы применяется блокировочная муфта, процедура, которая имеет тенденцию повышать топливную экономичность .

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 угловые 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 того, как гидротрансформатор приближается к фазе сцепления, энергия и объем жидкости, возвращающейся из турбины, будут постепенно уменьшаться, заставляя давление на статор также уменьшаться. 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. На шоссейных транспортных средствах 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 увеличения 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 увеличения 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 прекращены в пользу более эффективных трехскоростных агрегатов с обычным трехэлементным гидротрансформатором. Также 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 крыльчатки ( 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. ${\displaystyle r\,N^{2}D^{5}}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle D}$

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:

• Перегрев : Постоянно высокие уровни проскальзывания могут подавить способность гидротрансформатора рассеивать тепло, что приведет к повреждению эластомерных уплотнений , которые удерживают жидкость внутри гидротрансформатора. Ярким примером для легковых автомобилей может быть застревание в снегу или грязи и необходимость раскачивать автомобиль вперед и назад, чтобы набрать обороты, переключаясь с передачи на передачу заднего хода, используя значительную мощность. Трансмиссионная жидкость быстро перегреется, не говоря уже о повторяющихся ударах по муфте статора (следующая тема). Кроме того, перегрев трансмиссионной жидкости приводит к потере вязкости и повреждению трансмиссии. Такое злоупотребление может в редких случаях привести к утечке гидротрансформатора и, в конечном итоге, к прекращению его работы из-за нехватки жидкости.
• Заклинивание муфты статора : внутренние и внешние элементы односторонней муфты статора постоянно блокируются вместе, тем самым предотвращая вращение статора во время фазы сцепления. Чаще всего заклинивание ускоряется сильной нагрузкой и последующей деформацией компонентов муфты. В конечном итоге происходит истирание сопряженных деталей, что вызывает заклинивание. Преобразователь с заклинившей муфтой статора будет демонстрировать очень низкую эффективность во время фазы сцепления, а в автомобиле расход топлива резко возрастет. Перегрев преобразователя в таких условиях обычно происходит, если попытаться продолжить работу.
• Поломка муфты статора : очень резкое приложение мощности, например, при переводе трансмиссии в нейтральное положение и увеличении оборотов двигателя перед включением передачи (обычно называемое «нейтральным стартом»), может вызвать ударную нагрузку на муфту статора, что приведет к поломке. Если это произойдет, статор будет свободно вращаться в противоположном направлении от направления насоса, и передача мощности практически не будет происходить. В автомобиле эффект аналогичен серьезному случаю проскальзывания трансмиссии, и транспортное средство практически не сможет двигаться самостоятельно.
• Деформация и фрагментация лопаток : При резкой нагрузке или чрезмерном нагреве преобразователя лопатки насоса и/или турбины могут деформироваться, отделиться от своих ступиц и/или кольцевых колец или могут развалиться на фрагменты. По крайней мере, такой отказ приведет к значительной потере эффективности, вызывая симптомы, похожие (хотя и менее выраженные) на те, которые сопровождают отказ муфты статора. В крайних случаях произойдет катастрофическое разрушение преобразователя.
• Раздувание : Длительная работа при чрезмерной нагрузке, очень резкое приложение нагрузки или работа гидротрансформатора на очень высоких оборотах может привести к физическому искажению формы корпуса гидротрансформатора из-за внутреннего давления и/или напряжения, вызванного инерцией. В экстремальных условиях раздувание приведет к разрыву корпуса гидротрансформатора, что приведет к сильному разбросу горячего масла и металлических фрагментов по большой площади.

Производители

Текущий

• Aisin AW , используется в автомобилях
• Трансмиссия Allison , используемая в автобусах, мусоровозах, пожарных, строительных, распределительных, военных и специальных приложениях.
• BorgWarner , используется в автомобилях
• Exedy, используется в автомобилях
• Isuzu , используется в автомобилях
• Jatco , используется в автомобилях
• LuK USA LLC производит гидротрансформаторы для Ford, GM, Allison Transmission и Hyundai.
• Subaru , используется в автомобилях
• Twin Disc , используется в транспортных средствах, на морских судах и в нефтяной промышленности
• Valeo , производит гидротрансформаторы для Ford, GM, Mazda, Subaru
• Турботрансмиссии Voith , используемые во многих тепловозах и дизель-поездах
• ZF Friedrichshafen , автомобили , лесозаготовительные машины, популярны в городских автобусах

Прошлое

• Lysholm-Smith, названный в честь своего изобретателя Альфа Лисхолма [ ^4], производился компанией Leyland Motors и использовался в автобусах с 1933 по 1939 год, а также в некоторых дизельных поездах British Rail Derby Lightweight и Ulster Transport Authority.
• Mekydro ^[5] используется в локомотивах British Rail Class 35 Hymek .
• Packard , используемый в автомобильной трансмиссии Ultramatic
• Rolls-Royce (Twin Disc) , используется в некоторых дизельных электропоездах British United Traction
• Виккерс-Коутс ^[6]

Смотрите также

• Схватить
• Гидромуфта
• Сервомеханизм
• Усилитель крутящего момента
• Трансмиссия (механика)
• Водяной тормоз

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

• Статья HowStuffWorks о гидротрансформаторах
• Видео YouTube о гидротрансформаторах