Гидродинамические передачи: структура, принципы работы и характеристики

Гидродинамические передачи - это гидравлические устройства вращательного движения, в которых крутящий момент передается от ведущего к ведомому валу вследствие изменения момента количества движения масла, проходящего через лопастные колеса. Любая гидродинамическая передача состоит из двух или более лопастных колес.

Лопастное колесо, соединенное с источником энергии (двигателем), называют насосным, а колесо, соединенное с потребителем энергии (ведущими колесами), - турбинным.

В гидродинамической передаче, в дальнейшем - просто гидропередача, бесступенчато и автоматически, в зависимости от изменения внешней нагрузки, изменяется передаточное отношение ее i, т. е. отношение частоты вращения ведомого вала (вала турбинного колеса) n_Т к частоте вращения ведущего вала (вала насосного колеса) n_Н:

i = n_Т / n_Н

Лопастные колеса гидропередачи образуют в плоскости оси вращения круг циркуляции масла (рабочую полость) (рис. 2-1). Круг циркуляции может иметь вид окружности или эллипса, большая ось которого может быть расположена как вдоль оси вращения, так и поперек. Кроме того, круг циркуляции может иметь форму квадрата или прямоугольника, причем в последнем случае длинная сторона прямоугольника может располагаться параллельно оси вращения или под прямым углом к ней. Разумеется, при квадратном или прямоугольном круге циркуляции углы выполняются закругленными. Преимуществом квадратного или прямоугольного круга циркуляции является то, что в этом случае каждая группа лопаток может быть расположена на прямом участке круга циркуляции и лопатки должны иметь кривизну лишь в одной плоскости, что упрощает их изготовление. Недостаток квадратной или прямоугольной формы круга циркуляции заключается в повышенном сопротивлении движению масла и, следовательно, более низком коэффициенте полезного действия (КПД) гидродинамической передачи.





Каждое лопастное колесо гидропередачи состоит из закрепленных на общем основании лопастей, по межлопастным каналам которых движется масло, переходящее под действием развивающихся при вращении колеса центробежных сил из одного лопастного колеса в другое. В большинстве конструкций для снижения потерь мощности выход одного колеса максимально сближают с входом в другое лопастное колесо.

Из теории гидропередач известно, что момент, приложенный к лопастному колесу (насосному или турбинному), определяется зависимостью

M = cn²D_a⁵, (2.1)

где с=γλ;
λ - коэффициент момента лопастного колеса;
n - частота вращения лопастного колеса;
D_a - активный диаметр гидропередачи, соответствующий максимальному диаметру круга циркуляции.

Под термином «характеристика гидропередачи» принято понимать кривую, отражающую зависимость изменения коэффициента момента λ от скоростного передаточного числа i. При построении характеристики используют не сам коэффициент момента λ, а произведение γλ = с.

Полная внешняя характеристика гидропередачи определяется двумя независимыми уравнениями: одно определяет момент, развиваемый насосным колесом М_Н, а второе - момент на турбинном колесе М_Т:





где с_Н и с_Т - коэффициенты момента соответственно насосного и турбинного колеса;

n_Н и n_Т — частота вращения соответственно насосного и турбинного колеса.

В зависимостях (2.2) неизвестными являются значения коэффициентов моментов с_Н и с_Т, которые определяются экспериментальным путем. Для этого на тормозных стендах при постоянных частотах вращения ведущего вала (n_Н=const) изменяют внешнюю нагрузку на ведомом валу и измеряют при этом величины М_Н, М_Т и n_Т.

Коэффициент трансформации момента К (или силовое передаточное отношение) определяется отношением крутящего момента турбинного колеса к крутящему моменту насосного колеса гидропередачи:



Так как коэффициенты с_Н и с_Т лопастных колес являются функциями передаточного отношения i и угла выхода лопаток насосного колеса β_н2 (рис. 2-2), то коэффициент трансформации момента К также зависит от этих параметров.





Коэффициент полезного действия η гидропередачи определяется отношением мощности на ведомом звене к мощности на ведущем звене:



Результаты испытаний по определению характеристик гидропередач на тормозных стендах используются для расчетов подобных по конструкции гидропередач. Для этого строят безразмерную характеристику, представляющую собой графическое изображение функциональной зависимости коэффициентов с_Н, с_Т, К и η от передаточного отношения гидропередачи i.