Гидромеханическая передача
HYDROMECHANICAL TRANSMISSION

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в трансмиссиях транспортных и тяговых самоходных и стационарных машин.
Известны гидромеханические передачи, состоящие из последовательно соединенных гидродинамического трансформатора вращающего момента (далее - гидротрансформатор) и двухступенчатой коробки передач, имеющей понижающую и прямую передачи. Необходимость сопряжения гидротрансформатора с коробкой передач обусловлена, что гидротрансформатор обладает относительно низким значением коэффициента трансформации K вращающего момента. Для наиболее распространенных одноступенчатых гидротрансформаторов коэффициент трансформации не превышает 4 (K<4), что во многих случаях является недостаточным для эффективной работы самоходной машины. Недостатком таких гидромеханических передач является необходимость в специальных устройствах, обеспечивающих автоматическое переключение ступеней в коробке передач в зависимости от определенных внешних условий (Лапидус В.И., Петров В.А. Гидромеханические передачи автомобилей. - М.: Машгиз, 1961, гл. VI).
В качестве прототипа выбрана автомобильная гидромеханическая передача Фордоматик (Ford-O-Matic), содержащая последовательно соединенные гидротрансформатор с коэффициентом трансформации K и двухступенчатую планетарную коробку передач с автоматическим переключением понижающей и прямой ступеней при помощи гидравлической системы управления (Лапидус В.И., Петров В.А. Гидромеханические передачи автомобилей. - М.: Машгиз, 1961, §43). Гидротрансформатор содержит насосное и турбинное колеса и реактор. Насосное колесо соединено с входным валом гидромеханической передачи, а турбинное колесо - с ведущим валом коробки передач. Реактор в процессе работы гидротрансформатора может быть неподвижным или вращаться. Кроме трехколесного гидротрансформатора в других реализациях гидромеханической передачи мог применяться четырехколесный гидротрансформатор с двумя колесами реакторов. Коробка передач в данной гидромеханической передаче представляет собой планетарный зубчатый механизм с двумя степенями свободы, ведущее звено которого соединено с турбинным колесом гидротрансформатора, а ведомое звено (водило с установленными на нем сателлитами) соединено с выходным валом передачи. Неподвижное звено планетарного механизма образуется с помощью управляемого тормоза. Внутреннее передаточное отношение планетарного механизма при неподвижном водиле равно U и имеет отрицательное значение. Коробка передач Фордоматик имеет две передачи переднего хода (понижающую и прямую передачи) и одну передачу заднего хода. Для включения понижающей передачи используется первый ленточный тормоз, останавливающий одно из звеньев планетарного механизма. Включение передачи заднего хода осуществляют вручную посредством второго ленточного тормоза, останавливающего другое звено планетарного механизма. Для включения прямой передачи применяется фрикционная муфта, блокирующая планетарный механизм. Выбор режима работы гидромеханической передачи и автоматическое переключение между понижающей и прямой передачами при движении автомобиля передним ходом осуществляется с помощью гидравлической системы управления.
Недостатком наиболее близкого технического решения является сложность конструкции гидромеханической передачи, обусловленной наличием специальной системы автоматического переключения передач переднего хода.
Задача заявляемого технического решения состоит в упрощении гидромеханической передачи с автоматизированным переключением понижающей и прямой передач в двухступенчатой планетарной коробке передач, сопряженной с гидротрансформатором.
Поставленная задача достигается тем, что в гидромеханической передаче, содержащей последовательно соединенные гидротрансформатор с коэффициентом трансформации K, содержащий насосное колесо, соединенное с входным валом, турбинное колесо и реактор, и двухступенчатую коробку передач, обеспечивающую понижающую передачу переднего хода и прямую передачу, и выполненную в виде планетарного механизма, содержащего ведущее звено, соединенное с турбинным колесом гидротрансформатора, ведомое звено, соединенное с выходным валом передачи, неподвижное звено, выполненное в виде водила с установленными на нем сателлитами, и систему управления, отличающаяся тем, что планетарный механизм выполнен с положительным передаточным отношением U при неподвижном звене планетарного механизма, которое соединено с реактором гидротрансформатора, а передаточное отношение U планетарного механизма и коэффициент трансформации K гидротрансформатора связаны между собой соотношением
На фиг. 1 изображен вариант принципиальной кинематической схемы гидромеханической передачи, использующей трехколесный одноступенчатый комплексный гидротрансформатор и планетарный механизм, выполненный с двумя внешними зубчатыми зацеплениями и имеющий положительное передаточное отношение при неподвижном водиле.
Гидромеханическая передача содержит корпус 1, в котором установлен гидротрансформатор 2, содержащий насосное колесо 3, соединенное с входным валом 4, турбинное колесо 5, соединенное с промежуточным валом 6, а также реактор 7. Последовательно с гидротрансформатором 2 соединен планетарный механизм 8. Зубчатое колесо 9 как ведущее звено планетарного механизма 8 соединено с турбинным колесом 5 посредством промежуточного вала 6. Зубчатое колесо 10 как ведомое звено планетарного механизма 8 соединено с выходным валом 11. Роль неподвижного звена планетарного механизма 9 выполняет водило 12, на котором установлены сателлиты 13 и 14. Водило 12 соединено с реактором 7 гидротрансформатора 2 посредством полого вала 15.
Работает гидромеханическая передача следующим образом.
Входной вал 4 получает вращение от приводного двигателя (на схеме не показан), насосное колесо 3 гидротрансформатора 2 создает поток и напор рабочей жидкости, которая приводит во вращение турбинное колесо 5, на котором возникает отрицательный вращающий момент, несовпадающий по направлению с положительным вращающим моментом, возникающем на насосном колесе 3. Вращающий момент от турбинного колеса 5 далее передают на промежуточный вал 6. В процессе пуска и разгона гидромеханической передачи рабочая жидкость, выходящая из турбинного колеса 5, проходит через реактор 7. Положительный вращающий момент, возникающий на реакторе 7, передают через полый вал 15 на неподвижное звено (водило) 12 и препятствует его движению.
Величина момента на турбинном колесе и реакторах гидротрансформатора определяется соотношениями:
р
Н
где М - момент на реакторе 7; М - момент на насосном колесе 3; K - коэффициент трансформации гидротрансформатора 2.
Предположим, что K=3, тогда  По условию статического равновесия сумма вращающих моментов приложенных к гидротрансформатору 2 равна нулю. Если частота вращения насосного колес 3 и турбинного колеса 5 совпадают по знаку (т.е. по направлению) имеем следующее соотношение:
H
T
P
H
H
H
+ M-M+M=+M-M⋅K+M(K-1) = 0.
12
Вращающий момент от турбинного колеса 5 передается далее через промежуточный вал 6 на зубчатое колесо 9, далее на сателлиты 13 и 14 и потом на зубчатое колесо 10, размещенное на выходном валу 11. На водило 12 также действует положительный вращающий момент М, возникающий в процессе работы планетарного механизма 8 и определяемый соотношением:
12
T
M=M⋅(U-1),
где U - передаточное отношение планетарного механизма 8 рассчитываемое по формуле:
9
10
13
14
где Z, Z, Z, Z - числа зубьев колес 9 и 10, сателлитов 13 и 14.
Предположим, что , т.е. при неподвижном водиле 12 планетарный механизм 8 увеличивает вращающий момент в 1,67 раза. Тогда на неподвижном водиле 12 возникает вращающий момент:
max
Максимальное передаточное отношение гидромеханической передачи I тогда равно
.
Таким образом, для нормальной работы гидромеханической передачи необходимо, чтобы вращающий момент, возникающий на неподвижном звене планетарного механизма 8, полностью компенсировался вращающим моментом, возникающим на реакторе 7 гидротрансформатора 1. Другими словами, чтобы обеспечить гарантированную неподвижность водила 12 планетарного механизма 8 должно выполняться условие:
p
12
M≥М,
из которого вытекает условие работоспособности гидромеханической передачи:
K>U,
означающее, что для нормальной работы гидромеханической передачи коэффициент трансформации K гидротрансформатора 2 должен быть на определенное значение больше передаточного отношения понижающей передачи планетарного механизма 8 при неподвижном звене (водиле) 12. Исходя из данного условия, соотношение между величинами K и U должно быть следующим:
,
max
где U - максимально возможное передаточное отношение сопряженного с гидротрансформатором 2 планетарного механизма 8 при неподвижном звене (водиле) 12.
Например, если K = 3, то передаточное отношение U планетарного механизма 8 при неподвижном водиле 12 должно быть .
Если же K = 2,5, то имеем .
По мере увеличения угловой скорости выходного вала 11 момент на реакторе 7 уменьшается до 0 и меняет свой знак. Происходит переход гидротрансформатора 2 на режим гидромуфты. Ранее неподвижное водило 12 начинает вращаться в направлении вращения насосного колеса 3 и турбинного колеса 5. В результате происходит динамическое блокирование планетарного механизма 8 вследствие вращения с одинаковой угловой скоростью турбинного колеса 5, реактора 7 и водила 12 с сателлитами 13 и 14. Передаточное отношение планетарного механизма 8 и всей гидромеханической передачи при этом становится равным 1.
При снижении скорости выходного вала 11 вследствие увеличения нагрузки на гидромеханическую передачу происходят обратные процессы. Вращающий момент на реакторе 7 меняет свой знак и останавливает водило 12. В результате планетарный механизм 8 переходит в режим понижающей передачи, увеличивая вращающий момент, исходящий от турбинного колеса 5. После преодоления внешней нагрузки реактор снова 7 получит вращение, планетарный механизм 8 заблокируется, и описанные выше процессы повторяются.
Применение предлагаемого технического решения позволяет упростить гидромеханическую передачу с автоматизированным изменением передаточного отношения в зависимости от внешней нагрузки без использования специальной системы управления. Предлагаемая гидромеханическая передача может быть реализована на основе серийно изготавливаемого унифицированного гидротрансформатора комплексного типа, имеющего необходимое значение коэффициента трансформации.