Гидротрансформатор
TORQUE CONVERTER

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в трансмиссиях самоходных машин различного назначения.
В трансмиссиях самоходных машин широко используются одноступенчатые гидротрансформаторы, которые имеют один насос, соединенный с ведущим валом, одну турбину, соединенную с ведомым валом, и один реактор. Основной недостаток одноступенчатых гидротрансформаторов - сравнительно низкий коэффициент полезного действия (КПД) и узкий диапазон регулирования вращающего момента приводного двигателя. Максимальный коэффициент трансформации вращающего момента в одноступенчатых гидротрансформаторах не превышает K=3,5-4, а у большинства серийных одноступенчатых гидротрансформаторов коэффициент трансформации составляет K=2-3. Указанный недостаток требует сопряжения гидротрансформатора с механической ступенчатой коробкой передач. Количество ступеней в коробках передач гидромеханических трансмиссий самоходных машин достигает 8-9 и имеет тенденцию к увеличению до 12-16. Рост количества ступеней в коробке передач ведет к усложнению системы управления трансмиссией и увеличению отбора мощности приводного двигателя на осуществление вспомогательных функций.
Более высокими преобразующими свойствами в зоне малых передаточных отношений (i=0-0,5) обладают многоступенчатые гидротрансформаторы. Максимальные значения коэффициента трансформации вращающего момента в многоступенчатых гидротрансформаторах достигают K=5-5,5 и более. Многоступенчатые гидротрансформаторы подразделяются на двухступенчатые и трехступенчатые, в которых соответственно две или три турбины одновременно соединены с выходным валом (Стесин С.П., Яковенко Е.А. Лопастные машины и гидродинамические передачи. - М.: Машиностроение, 1990; с. 130, рис. 5.3). Увеличение у многоступенчатого гидротрансформатора максимального значения коэффициента трансформации вращающего момента свыше 4-х позволяет сократить количество ступеней в механической коробке передач и тем самым упростить систему управления трансмиссией.
В многоступенчатых гидротрансформаторах с каждой турбиной сопряжен отдельный реактор, чтобы вращающие моменты, возникающие на каждой турбине, имели одинаковое направление. Таким образом, двухступенчатый гидротрансформатор имеет, как минимум, пять рабочих колес: один насос, две турбины и два реактора. Трехступенчатые гидротрансформаторы имеют как минимум семь рабочих колес: один насос, три турбины и три реактора. Большое число рабочих колес приводит к тому, что в зоне высоких передаточных отношений (свыше 0,5) параметры многоступенчатых гидротрансформаторов резко ухудшаются вследствие повышенного уровня гидравлических потерь. Известны комплексные варианты двухступенчатых гидротрансформаторов, которые способны переходить на режим гидромуфты при передаточных отношениях более 0,8 (Мазалов Н.Д., Трусов С.М. Гидромеханические коробки передач автомобилей. - М.: Машиностроение, 1971, с. 62-63). Однако и на режиме гидромуфты комплексные многоступенчатые гидротрансформаторы также имеют более низкий КПД по сравнению с одноступенчатыми гидротрансформаторами вследствие относительно большого числа вращающихся рабочих колес
В качестве прототипа выбран гидротрансформатор по а.с. СССР №116957, 1959, содержащий насосное колесо, соединенное с ведущим валом, турбинное колесо первой ступени, соединенное с ведомым валом посредством муфты свободного хода, турбинное колесо второй ступени, жестко связанное с ведомым валом, колесо первого реактора, установленное между турбинами первой и второй ступени, колесо второго реактора, установленное между турбинным колесом второй ступени и насосным колесом, и жестко связанное одновременно с колесом первого реактора и с неподвижным валом с помощью муфты свободного хода. Гидротрансформатор имеет следующие особенности. Данный гидротрансформатор является двухступенчатым и содержит пять рабочих колес. Турбинное колесо первой ступени осевого типа эффективно работает в зоне малых передаточных отношений i=0-0,6, а турбинное колесо второй ступени центростремительного типа - в зоне высоких передаточных отношений i=0,6-0,98. Чтобы устранить тормозящее действие турбинного колеса первой ступени при передаточных отношениях свыше 0,6 и на режиме гидромуфты, это колесо соединено с ведомым валом гидротрансформатора посредством муфты свободного хода, что позволяет турбинному колесу первой ступени свободно вращаться в потоке рабочей жидкости, оказывая относительно небольшое гидравлическое сопротивление. Насосное и турбинные колеса расположены симметрично друг относительно друга, что позволяет ему работать на режиме гидромуфты. Данный гидротрансформатор имеет два жестко связанных реакторных колеса, противоположно расположенных в круге циркуляции рабочей жидкости, поэтому для осуществления жесткой связи противоположно расположенных реакторных колее необходим специальный конструктивный элемент. Указанные обстоятельства усложняют в целом конструкцию гидротрансформатора и снижают его КПД как на режиме трансформации вращающего момента, так и на режиме гидромуфты.
Задачей данного изобретения является упрощение конструкции гидротрансформатора и повышение коэффициента полезного действия (КПД) во всем диапазоне трансформации вращающего момента и на режиме гидромуфты.
Поставленная задача достигается тем, что в гидротрансформаторе, содержащем насосное колесо центробежного типа, соединенное с ведущим валом, турбинное колесо первой ступени осевого типа, соединенное с ведомым валом посредством муфты свободного хода, турбинное колесо второй ступени центростремительного типа, колесо реактора, установленное между турбинным колесом второй ступени и насосным колесом и связанное с неподвижным валом с помощью муфты свободного хода, причем колесо турбины второй ступени соединено с ведомым валом с помощью муфты свободного хода.
На Фиг. 1 представлена кинематическая схема гидротрансформатора в варианте двумя турбинами и одним колесом реактора.
Гидротрансформатор 1 содержит насосное колесо 2 центробежного типа, соединенное с ведущим валом 3, турбинное колесо 4 первой ступени осевого типа, соединенное с помощью муфты свободного хода 5 с ведомым валом 6, турбинное колесо 7 второй ступени центростремительного типа, соединенное с помощью муфты свободного хода 8 с ведомым валом 6, реакторное колесо 9, установленное между турбинным колесом 7 и насосным колесом 2. Реакторное колесо 9 с помощью муфты свободного хода 10 соединено с неподвижным валом 11, которое соединено с корпусом 12. Необязательная сцепная муфта 13 предназначена для блокирования гидротрансформатора 1 путем соединения ведущего вала 3 и ведомого вала 6 с целью повышения КПД трансмиссии при установившемся движении самоходной машины.
Работает предлагаемый гидротрансформатор следующим образом.
Приводной двигатель (на схеме не показан) через ведущий вал 3 приводит во вращение насосное колесо 2, которое создает поток и напор рабочей жидкости. Рабочая жидкость поступает сначала в турбинное колесо 4, а затем поступает в турбинное колесо 7. В зоне малых передаточных отношений (i=0-0,6) более эффективно работает турбинное колесо 4 осевого типа, которое имеет более высокие КПД и коэффициент трансформации вращающего момента по сравнению с турбинным колесом 7 центростремительного типа (Мазалов Н.Д., Трусов С.М. Гидромеханические коробки передач. - М.: Машиностроение, 1971; с. 53-60). Рабочая жидкость, выходя из турбинного колеса 4 и поступая в турбинное колесо 7, создает на турбинном колесе 7 отрицательный вращающий момент. Чтобы устранить тормозящее действие турбинного колеса 7 на ведомый вал 6, муфта свободного хода 8 отключает турбинное колесо 7 от ведомого вала. Вращающий момент при этом создается только турбинным колесом 4.
По мере разгона самоходной машины и увеличения передаточного отношения гидротрансформатора 1 знак вращающего момента на турбинном колесе 7 становится положительным и оно также вступает в работу. В зоне больших передаточных отношений (i>0,6) и на режиме гидромуфты турбинное колесо 7 центростремительного работает типа более эффективно, чем турбинное колесо 4 осевого типа. При этом турбинное колесо 4 вращается быстрее турбинного колеса 7 и отключается от ведомого вала 6 с помощью муфты свободного хода 5.
Переход гидротрансформатора 1 на режим гидромуфты осуществляется с помощью муфты свободного хода 10, разрывающей связь реакторного колеса 9 с неподвижным валом 11 в зоне больших передаточных отношений (i>0,8). С целью повышения КПД трансмиссии гидротрансформатор 1 может быть заблокирован с помощью муфты 13.
Таким образом, рассматриваемый гидротрансформатор по сравнению с прототипом обладает более простой конструкцией за счет удаления из конструкции реакторного колеса между турбинными колесами первой и второй ступеней и, как следствие, повышенным КПД. Дополнительная муфта свободного хода является унифицированным элементом и не усложняет лопаточную систему гидротрансформатора. Независимая работа турбинных колес первой и второй ступеней позволяет оптимальным образом спрофилировать их лопатки и тем самым обеспечить более высокие значения КПД во всем диапазоне передаточных отношений. Использование в конструкции предлагаемого гидротрансформатора симметрично расположенных насосного колеса центробежного типа и турбинного колеса центростремительного типа обеспечивает работу на режиме гидромуфты; это обстоятельство также позволяет заимствовать элементы лопаточных систем от серийных одноступенчатых гидротрансформаторов. По сравнению с двухтурбинными гидротрансформаторами у предлагаемого гидротрансформатора отсутствует суммирующая механическая передача, что также является его преимуществом.