На автомобилях гидротрансформатор впервые появился в 1948 г. Фирма Buick использовала его при разработке трансмиссии с автоматической коробкой передач Dynaflow. Начиная с этого времени, гидротрансформатор стал неотъемлемой частью трансмиссий с АКПП.
Рис. 2-12
Как уже отмечалось в главе 1, типовой гидротрансформатор состоит из трех основных элементов (см. рис. 2-12):
- насосного колеса;
- турбинного колеса;
- реакторного колеса.
Реакторное колесо имеет жесткую связь с картером и служит для поворота вектора скорости выходящего из турбинного колеса потока масла таким образом, чтобы он совпадал с направлением вектора скорости вращения насосного колеса. В этом случае часть энергии, которой обладает поток масла после выхода из турбинного колеса, отдается насосному колесу, и следовательно, увеличивается кинетическая энергия масла, находящегося между лопаток насосного колеса. За счет этого возникает эффект увеличения момента на турбинном колесе по сравнению с тем моментом, который подводится к насосному колесу от двигателя.
Устройство и принцип работы гидротрансформатора подобны принципу работы и устройству гидравлической муфты. Насосное колесо также является ведущим и приводится во вращение двигателем. Масло, находящееся между лопатками насосного колеса, под действием центробежной силы устремляется к его периферийной части и за счет специального профиля поперечного сечения насосного колеса попадает в турбинное колесо. В турбинном колесе масло отдает часть своей энергии, способствуя тем самым его вращению. На выходе из турбинного колеса масло сразу же попадает в реакторное колесо, где с помощью лопаток, имеющих специальный профиль, изменяет направление движения. На выходе из реакторного колеса масло вновь попадает в насосное колесо.
Так же, как и в гидромуфте, в гидротрансформаторе для увеличения эффективности встроено направляющее кольцо (см. рис. 2-12). Оно предназначено для сглаживания вихревых потоков, возникающих в относительном потоке масла, что способствует увеличению КПД гидропередачи.
Особенностью конструкции гидротрансформатора является специальная форма лопаток насосного и турбинного колес (рис. 2-13). Изогнутая в обратном направлении форма лопаток насосного колеса придает дополнительное ускорение маслу в момент ее отрыва от лопатки. В то же время форма турбинных лопаток разработана так, чтобы поглотить как можно большую часть энергии масла и снизить потерю энергии за счет резкой смены направления движения при входе масла в турбинное колесо.
Рис. 2-13
По принятой в теории гидропередач терминологии гидротрансформаторы разделяются на непрозрачные и прозрачные. У первых изменение момента на ведомом валу Мт и связанное с этим изменение частоты вращения МТ не вызывает изменения момента на ведущему валу МН и частоты вращения этого вала nН. Безразмерная характеристика непрозрачного гидротрансформатора представлена на рис. 2-14.
Рис. 2-14
На этой характеристике для заданного угла выхода лопаток насосного колеса приведены кривые зависимости коэффициентов насосного сН и турбинного сТ колес, а также кривая изменения КПД в зависимости от передаточного отношения гидротрансформатора i. В некоторых случаях на- безразмерной характеристике гидротрансформатора приводится еще и кривая коэффициента трансформации момента К. Как видно из рис. 2-14, коэффициент сН (или МН при nН=const) остается постоянным во всем диапазоне изменения i, в результате изменение нагрузки на турбинном колесе никак не сказывается на загрузке двигателя.
У прозрачного гидротрансформатора, безразмерная характеристика которого показана на рис. 2-15, изменение момента и частоты вращения ведомого вала вызывают соответствующее изменение момента и частоты вращения насосного колеса. Коэффициент сН для таких гидротрансформаторов непостоянен и зависит от передаточного отношения i.
Рис. 2-15
Если при увеличении передаточного отношения i происходит уменьшение коэффициента сН, то гидротрансформатор имеет прямую прозрачность, в противном случае гидротрансформатор обладает обратной прозрачностью. На рис. 2-15 представлена безразмерная характеристика гидротрансформатора с прямой прозрачностью.
Степень прозрачности гидротрансформатора характеризуется коэффициентом прозрачности П. При монотонном изменении сН под коэффициентом прозрачности понимают отношение момента насосного колеса на «стоповом» режиме работы (i=0) к моменту при К=1
При равномерном режиме работы система лопастных колес гидротрансформатора находится в равновесии под действием трех внешних моментов:
Изменение трех крутящих моментов в зависимости от передаточного отношения i при nН=const показано на рис. 2-16. На этих графиках символ «М» относится к характеристикам гидромуфты, а «ТР» - к характеристикам гидротрансформатора.
Рис. 2-16
На графика видно, что в гидротрансформаторе есть режим работы, для которого МР=0. Слева от этой точки момент турбинного колеса МТ увеличивается, поскольку момент реактора совпадает по направлению с моментом насосного колеса (+МР); справа - направление момента реактора изменяется на противоположное (-МР), и момент турбинного колеса оказывается меньше момента насосного колеса.
Характеристики гидротрансформатора и гидромуфты совпадают только на одном режиме, когда передаточное отношение i=iм. Левее этого гидротрансформатор по сравнению с гидромуфтой обладает более высоким КПД. Правее - гидротрансформатор уступает гидромуфте по экономичности вследствие уменьшения КПД.
К гидропередачам, используемым в трансмиссиях транспортных средств, предъявляют определенные требования и прежде всего к диапазону передаточного отношения, при котором возможна длительная работа гидропередачи с КПД не ниже того предела, на который рассчитана система охлаждения трансмиссии.
Рис. 2-17
При проектировании трансмиссий транспортных машин выделяют рабочую зону гидропередачи, которая ограничивается минимальным значением КПД (ηmin=0,75-0,90). На характеристике гидротрансформатора (рис. 2-17) рабочая зона обозначена пунктирными линиями. Гидротрансформаторы могут обеспечить рабочий диапазон изменения передаточного отношения (скоростной рабочий диапазон):
порядка 1,74-2,3 и такой же по величине рабочий диапазон изменения коэффициента трансформации (силовой рабочий диапазон):
На режимах работы гидротрансформатора в пределах рабочей зоны его средний КПД (ηср) составляет 0,78-0,85.
Ранее предпринимались попытки расширения рабочего диапазона гидротрансформатора за счет использования нескольких реакторов, которые автоматически при помощи обгонных муфт при определенных значениях передаточное отношения i поочередно, за исключением последнего, отключались. При этом график КПД на безразмерной характеристике гидротрансформатора имеет несколько максимумов (соответственно числу реакторов) и область высоких средних значений КПД получается более «растянутой» (рис. 2-18).
Рис. 2-18