Гидромеханическая передача
HYDROMECHANICAL TRANSMISSION

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в трансмиссиях самоходных машин различного назначения.
В трансмиссиях самоходных машин широко используются гидромеханические передачи (ГМП), содержащие одноступенчатый комплексный гидродинамический трансформатор вращающего момента (далее - гидротрансформатор), который имеет одно насосное колесо, соединенное с ведущим валом, одно турбинное колесо, соединенное с ведомым валом, и один или два колеса реактора, соединяемые с корпусом ГМП посредством муфт свободного хода. Одним из существенных недостатков одноступенчатых гидротрансформаторов является сравнительно низкий коэффициент полезного действия (КПД). Наиболее низкие значения КПД гидротрансформатор имеет в области низких передаточных отношений (i=0…0,5). Кроме этого, кривая КПД комплексного гидротрансформатора в области перехода на режим гидромуфты обычно круто снижается, образуя снижение ("провал") КПД, связанный с увеличением в этой области углов атаки на входе рабочей жидкости в реактор. Такое падение КПД, наблюдаемое в однореакторных и двухреакторных одноступенчатых комплексных гидротрансформаторах, тоже существенно ухудшает экономичность транспортного средства, поскольку область перехода комплексного гидротрансформатора на режим гидромуфты относится к основным эксплуатационным режимам работы гидропередачи. Снизить указанный провал можно за счет уменьшения углов атаки на этом режиме и увеличения геометрического угла входа рабочей жидкости в реактор, снижая при этом ударные потери при входе рабочей жидкости в насосное колесо гидротрансформатора.
В ГМП Dynaflow, предназначенной для легковых автомобилей, применялся пятиколесный комплексный гидротрансформатор, содержащий насосное и турбинное колеса, и два колеса реактора, установленные на муфтах свободного хода [патент US 2606460, 1952; Автоматические коробки передач. - М.: Машгиз, 1958, с. 76-80, фиг. 71-75]. Насосное колесо у данного гидротрансформатора состоит из основной и вспомогательной частей, соединенных друг с другом посредством муфты свободного хода. Назначение вспомогательного колеса насоса, установленного на выходе из второго реакторного колеса, состоит в уменьшении потерь напора рабочей жидкости при входе в насос при больших углах атаки. Вспомогательный насос в зависимости от направления потока рабочей жидкости, выходящего из второго реакторного колеса, либо вращается свободно, либо с помощью муфты свободного хода заклинивается с основным насосом и вращается с ним как единое целое [Лапидус В.И., Петров В.А. Гидромеханические передачи автомобилей. - М.: Машгиз, 1961, с. 96-99]. Однако такое техническое решение, несмотря на свою конструктивную простоту, оказалось неэффективным вследствие невозможности управления движением вспомогательного рабочего колеса гидротрансформатора. Поэтому в последующих конструкциях ГМП гидротрансформаторы типа Dynaflow уже не применялось.
Известен регулируемый гидротрансформатор, содержащий входные и выходные звенья, реакторы, один из которых кинематически связан с объемной гидромашиной, и объемную гидросистему с гидроаппаратами, в котором с целью расширения диапазона регулирования мощности при высоких значениях КПД, в объемную гидросистему включена с образованием замкнутой схемы дополнительная объемная гидромашина, кинематически связанная с входным звеном [а.с. СССР №804959, F16H 47/04, 1981]. Регулирование данного гидротрансформатора осуществляется путем изменения направления и скорости вращения реактора, установленного перед насосным колесом и связанного с объемной гидромашиной. Недостатком данного устройства является сложность его конструкции, обусловленная наличием двух гидромашин объемного типа и системы направляющих и регулирующих гидроаппаратов. Наличие дополнительной объемной гидросистемы не способствует повышению КПД гидропередачи.
Известен также регулируемый комплексный гидротрансформатор, содержащий насосное и турбинное колеса, установленный на валу с возможностью свободного вращения реактор, кинематически связанный с насосным колесом при помощи объемной гидромашины, в напорной магистрали которой установлен дроссель, при этом объемная гидромашина выполнена аксиально-поршневого типа и имеет блок цилиндров и наклонный диск, связанные соответственно с насосным колесом и реактором, а последний установлен на валу с при помощи муфты свободного хода [а.с. СССР №973989, F16H 41/18, 1982]. Данный гидротрансформатор обеспечивает повышение КПД в области перехода на режим гидромуфты путем принудительного вращения реакторного колеса в направлении вращения насосного колеса. Принудительное вращение реакторного колеса, установленного перед насосным колесом, позволяет в однореакторных и двухреакторных комплексных гидротрансформаторах растянуть точку резкого перехода на режим гидромуфты на достаточно широкий участок. При этом значительно расширяется область высоких значений КПД гидротрансформатора [Улучшение характеристик комплексных гидротрансформаторов (ГДТ) за счет принудительного вращения реактора / Д.Э. Кацнельсон, А.А. Шимков, Ю.С. Лейтес, И.Г. Стародубцева // Проблемы машиностроения. Киев, 1989. Вып. 32. С. 71-74]. Однако и этот гидротрансформатор имеет сложную конструкцию вследствие наличия специальной объемной машины аксиально-поршневого типа.
В качестве прототипа выбрана гидромеханическая передача по а.с. СССР №983357, F16H 41/18, F16H 47/08, 1982, содержащая гидротрансформатор, с установленными на муфтах свободного хода двумя реакторными колесами зависимого вращения, насосным и турбинным колесами, и трехзвенный дифференциальный механизм, включающий водило с сателлитами, коронную и солнечную шестерни, последняя из которых соединена с реакторным колесом, расположенным со стороны насосного колеса, а реакторное колесо, расположенное со стороны турбинного колеса, соединено с коронной шестерней. Наличие рабочего колеса перед насосным колесом и вращающегося в ту же сторону, что и насосное колесо, позволяет повысить КПД гидротрансформатора за счет снижения ударных потерь напора рабочей жидкости на входе в насосное колесо в зависимости от передаточного отношения гидротрансформатора.
Однако данная гидромеханическая передача обладает тем недостатком, что оба реакторных колеса в процессе работы не имеют неподвижного состояния вплоть до момента перехода гидротрансформатора на режим гидромуфты. Например, рассматриваемый гидротрансформатор переходит на режим гидромуфты при передаточном отношении i=0,8. Тогда при нулевом передаточном отношении гидротрансформатора (i=0) первое реакторное колесо, расположенное со стороны турбинного колеса имеет максимальную угловую скорость, а второе реакторное колесо, расположенное со стороны насосного колеса, также вращается с максимальной угловой скоростью; направления вращения реакторных колес противоположные. По мере увеличения передаточного отношения i от 0 до 0,8 угловая скорость и первого, и второго реакторных колес уменьшается до 0, что соответствует переходу гидротрансформатора на режим гидромуфты; при этом обе муфты свободного хода, связанные с реакторными колесами, находятся в заклиненном состоянии. В момент перехода гидротрансформатора на режим гидромуфты муфты свободного хода расклиниваются, и реакторные колеса начинают свободно вращаться в потоке рабочей жидкости, а дифференциальный механизм в работе гидромеханической передаче не участвует.
Из теории гидродинамических трансформаторов известно, что преобразование вращающего момента осуществляется, пока реактор гидротрансформатора неподвижен [Нарбут А.Н. Гидродинамические передачи. - М.: КНОРУС, 2013]. Поскольку в гидротрансформаторе гидромеханической передачи по а.с. №983357 реакторные колеса не имеют неподвижного состояния, то преобразующие свойства данного гидротрансформатора практически отсутствуют, т.е. максимальное значение коэффициента трансформации вращающего момента близко к 0 (K→0).
Задачей данного изобретения является улучшение динамических свойств самоходной машины путем повышения максимального значения коэффициента трансформации гидромеханической передачи, оснащенной гидротрансформатором с принудительно вращающимся реакторным колесом, расположенным со стороны насосного колеса.
Поставленная задача достигается тем, что в гидромеханической передаче, содержащей ведущий и ведомый валы, трехзвенный дифференциальный механизм, содержащий водило с сателлитами, солнечную и коронную шестерни, гидротрансформатор, содержащий насосное колесо, соединенное с ведущим валом, турбинное колесо, соединенное с ведомым валом, первое колесо реактора, расположенное со стороны турбинного колеса, установленное на муфте свободного хода и связанное с коронной шестерней дифференциального механизма, второе колесо реактора, расположенное со стороны насосного колеса, установленное на муфте свободного хода и связанное с солнечной шестерней дифференциального механизма, причем гидротрансформатор оснащен третьим реакторным колесом, установленным на муфте свободного хода, расположенным между первым и вторым реакторным колесами и связанным с водилом дифференциального механизма.
На Фиг. представлена принципиальная кинематическая схема гидромеханической передачи.
Гидромеханическая передача содержит корпус 1, ведущий 2 и ведомый 3 валы, гидротрансформатор 4 и трехзвенный дифференциальный механизм 5. Гидротрансформатор 4 содержит насосное колесо 6, соединенное с ведущим валом 2, турбинное колесо 7, соединенное с ведомым валом 3, первое реакторное колесо 8, установленное стороны турбинного колеса 7 и установленное на муфте свободного хода 9, второе реакторное колесо 10, установленное стороны насосного колеса 6 и установленное на муфте свободного хода 11. Дифференциальный механизм 5 включает в себя коронную шестерню 12, солнечную шестерню 13, водило 14 с сателлитами 15. Муфта свободного хода 9 соединена с коронной шестерней 12 дифференциального механизма 5, муфта свободного хода 11 соединена с солнечной шестерней 13 дифференциального механизма 5. Водило 14 дифференциального механизма 5 соединено с корпусом 1.
Между первым 8 и вторым 10 реакторными колесами расположено третье (среднее) реакторное колесо 16, установленное на муфте свободного хода 17, соединенной с водилом 14 дифференциального механизма 5 и, соответственно, с корпусом 1.
Работает предлагаемая гидромеханическая передача следующим образом.
Приводной двигатель (на схеме не показан) через ведущий вал 2 приводит во вращение насосное колесо 6, которое создает поток и напор рабочей жидкости. Рабочая жидкость поступает далее в турбинное колесо 7. Рабочая жидкость, выходя из турбинного колеса 7, создает на первом реакторном колесе 8 отрицательный вращающий момент, который через заклиненную муфту свободного хода 9 передается на коронную шестерню 12. Реакторное колесо 8 вращается в сторону, противоположную направлению вращения насосного колеса 6, и посредством ускоряющего дифференциального механизма 5 вращает реакторное колесо 10 в сторону вращения насосного колеса 6. Вращение реакторного колеса 10 способствует снижению энергоемкости насосного колеса за счет снижения ударных потерь напора рабочей жидкости на входе в насосное колесо 6, что приводит к повышению КПД гидротрансформатора и гидромеханической передачи в целом.
В процессе разгона самоходной машины и увеличения передаточного отношения гидротрансформатора 4 третье реакторное колесо 16 неподвижно, так как муфта свободного хода 17, связанная с неподвижным водилом 14, заклинена. Таким образом, рассматриваемый гидротрансформатор работает как обычный одноступенчатый трехколесный комплексный гидротрансформатор.
По мере разгона самоходной машины и увеличения передаточного отношения гидротрансформатора 4 происходит саморегулирование скорости вращения реакторных колес 8 и 10 в сторону их уменьшения, в дальнейшем их остановке. При переходе гидротрансформатора 4 на режим гидромуфты все реакторные колеса 8, 10, 16 вращаются в сторону вращения насосного 6 и турбинного 7 колес вследствие расклинивания муфт свободного хода 9, 11, 17. На режиме гидромуфты насосное и турбинное колеса могут блокироваться с целью обеспечения максимального КПД передачи при установившемся движении самоходной машины.
Оптимальный режим вращения реакторного колеса 10 определяют путем подбора соответствующего передаточного отношения дифференциального механизма 5.
Предлагаемая гидромеханическая передача по сравнению с прототипом обладает более высокими преобразующими свойствами за счет дополнительного реакторного колеса. Использование предлагаемой гидромеханической передачи позволяет улучшить динамические свойства самоходной машины путем повышения максимального значения коэффициента трансформации гидромеханической передачи. При реализации данной гидромеханической передачи может быть заимствована лопаточная система от унифицированного трехколесного автотракторного гидротрансформатора для изготовления насосного и турбинного колес, а также третьего (среднего) реакторного колеса гидротрансформатора.