Гидромеханическая передача транспортного средства
HYDROMECHANICAL TRANSMISSION OF VEHICLE

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в гидромеханических трансмиссиях самоходных машин различного назначения.
В трансмиссиях самоходных машин широко применяются гидромеханические передачи, в которых используются одноступенчатые гидродинамические трансформаторы вращающего момента (далее - гидротрансформаторы). Такие гидравлические машины имеют одно насосное колесо, соединенное с входным (ведущим) валом, одно турбинное колесо, соединенное с выходным (ведомым) валом, и один неподвижный реактор (Кочкарев А.Я. Гидродинамические передачи. - Л.: Машиностроение, 1971, с. 80, рис. 33). В одноступенчатых гидротрансформаторах комплексного типа реактор связывается с корпусом передачи через муфту свободного хода с целью реализации режима гидромуфты. Основной недостаток одноступенчатых
гидротрансформаторов - сравнительно узкий диапазон регулирования вращающего момента приводного двигателя и низкий коэффициент полезного действия (КПД) в диапазоне малых передаточных отношений (i<0,6). Максимальное значение коэффициента трансформации вращающего момента для одноступенчатых гидротрансформаторов не превышает K=3,5-4, а у большинства серийных одноступенчатых гидротрансформаторов максимальное значение коэффициента трансформации составляет K=1,8-2,5. Указанный недостаток требует сопряжения одноступенчатого 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 (Филичкин Н.В. Анализ планетарных коробок передач транспортных и тяговых машин. Учебное пособие. Компьютерная версия. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2008). Рост количества ступеней в коробке передач ведет к усложнению кинематической схемы и системы управления трансмиссией, обуславливает увеличение отбора мощности приводного двигателя на осуществление вспомогательных функций и в итоге снижает КПД трансмиссии.
Более высокими преобразующими свойствами обладают многоступенчатые гидротрансформаторы. Максимальные значения коэффициента трансформации вращающего момента в многоступенчатых гидротрансформаторах достигают K=4,5-6 и более. В области малых передаточных отношений многоступенчатые гидротрансформаторы обладают более высоким КПД по сравнению с одноступенчатыми гидротрансформаторами (Лапидус В.И., Петров В.А. Гидромеханические передачи автомобилей. - М.: Машгиз, 1961, с. 106-115).
Многоступенчатые гидротрансформаторы подразделяются на двухступенчатые и трехступенчатые, в которых соответственно две или три турбины одновременно соединены с выходным валом (Кочкарев А.Я. Гидродинамические передачи. - Л.: Машиностроение, 1971, с. 80, рис. 34, 35). Высокое значение (K>4) коэффициента трансформации вращающего момента у многоступенчатого гидротрансформатора позволяет сократить количество ступеней в механической коробке передач и тем самым упростить кинематическую схему трансмиссии и ее систему управления.
Существуют также трансмиссии самоходных машин, которые содержат многоциркуляционные гидромеханические передачи, содержащие несколько гидротрансформаторов (обычно два или три), раздельно работающих при разных режимах и значениях передаточных отношениях трансмиссии (Кочкарев А.Я. Гидродинамические передачи. - Л.: Машиностроение, 1971, с. 80, рис. 36). Такие многоциркуляционные передачи обладают высокой нагрузочной способностью (до 3600 кВт), но характеризуются при этом высокой сложностью конструкции, большими габаритными размерами и массой и поэтому имеют ограниченное применение в трансмиссиях тепловозов и других железнодорожных машин (Маневровые тепловозы. - М.: Транспорт, 1977). В настоящее время в отечественном машиностроении многоступенчатые гидротрансформаторы применяются, в частности, в унифицированных гидропередачах УГП-750/1200 (Гидродинамические передачи: Проектирование, изготовление, эксплуатация. - М.: Машиностроение, 1980, с. 175-181), предназначенных для маневровых тепловозов семейств ТГМ-4 и ТГМ-6 с номинальной мощностью двигателя 750 и 1200 л.с. соответственно (http://www.kalugaputmash.inni.info/produkt/gidroperedachi). Гидропередачи семейства УГП являются многоциркуляционными, с поочередным автоматическим заполнением и опорожнением гидроаппаратов, содержат два гидротрансформатора с различными параметрами и свойствами и имеют два режима работы: маневровый и поездной. Масса гидропередачи УГП-750/1200 в различных исполнениях составляет 5400-5600 кг, что свидетельствует о высокой степени сложности и материалоемкости данной передачи.
Известно, что тип турбины гидротрансформатора оказывает существенное влияние на его свойства (Мазалов Н.Д., Трусов С.М. Гидромеханические коробки передач. - М.: Машиностроение, 1971, с. 53-60). Так, турбина центробежного типа показывает наилучшие свойства в диапазоне малых передаточных отношений (i=0-0,4), турбина осевого типа - в зоне средних передаточных отношений (i=0,4-0,6), а турбина центростремительного типа - в диапазоне высоких передаточных отношений и на режиме гидромуфты (i>0,6). В связи с этими обстоятельствами в транспортном машиностроении получили распространение трехступенчатые гидротрансформаторы типа Лисхольм-Смит (Lysholm-Smith), в которых используются турбинные колеса разных типов (патенты США US 1900118, US 1900119, US 1900120) US 1934936, US 2102635, US 2142199, US 2258684, US 2292385). Аналогичными свойствами обладают также трехступенчатые гидротрансформаторы Твин-Диск (Twin Disc) компании Twin Disc Clutches Company (В.И. Лапидус, Петров В.А. Гидромеханические передачи автомобилей. - М: Машгиз, 1961, с. 112-115, 422). Трехступенчатые гидротрансформаторы типа Лисхольм-Смит и Твин-Диск нашли применение в трансмиссиях тяжелых автомобилей, автобусов, тракторов, танков, тепловозов (Тарнопольский В.М. Гидродинамические и гидромеханические передачи на зарубежных строительных и дорожных машинах. Обзор. - М.: НИИИинфстройдоркоммунмаш, 1965; Гавриленко Б.А., Семичастнов И.Ф. Гидродинамические муфты и трансформаторы, - М.: Машиностроение, 1969, с. 311-315; Сергеев Л.В., Кадобнов В.В. Гидромеханические передачи быстроходных гусеничных машин. - М.: Машиностроение, 1980, с. 63-65). В составе гидромеханических передач транспортных средств многоступенчатые гидротрансформаторы часто комбинировались с двумя управляемыми сцепными муфтами, обеспечивающими передачу вращающего момента на гидротрансформатор или его блокировку (Лапидус В.И. Автомобильные гидротрансформаторы. - М.: Машиностроение, 1971, с. 6-7, рис. 1).
Трехступенчатые гидротрансформаторы, обладая высокими преобразующими свойствами (K>4), характеризуются относительно высокой сложностью конструкции, имеют низкие значения КПД в диапазоне высоких передаточных отношений (i>0,8) и не работают на режиме гидромуфты. Существенным недостатком многоступенчатых гидротрансформаторов является также следующее обстоятельство. В многоступенчатых гидротрансформаторах с каждой турбиной должен быть сопряжен отдельный реактор, чтобы вращающие моменты, возникающие на каждой турбине, имели одинаковое направление. Геометрические параметры и профили лопаток рабочих колес и реакторов многоступенчатого гидротрансформатора выбираются из компромиссных соображений, поскольку все турбинные колеса жестко соединены с выходным валом и вращаются с одинаковой угловой скоростью (Семичастнов И.Ф., Голованов С.С. Выбор гидротрансформаторов и гидромуфт для гидропередач тепловозов. - М.: Машиностроение, 1965).
В качестве прототипа выбрана гидромеханическая передача транспортного средства, содержащая установленные в неподвижном корпусе элементы управления и многоступенчатый гидротрансформатор, содержащий последовательно расположенные в круге циркуляции рабочей жидкости насосное колесо центробежного типа, соединенное с ведущим валом, турбинное колесо первой ступени центробежного типа, турбинное колесо второй ступени осевого типа, турбинное колесо третьей ступени центростремительного типа и реакторы (патент США US2727601, 1955).
Задачей данного изобретения является расширение эксплуатационных возможностей транспортного средства и повышение коэффициента полезного действия гидромеханической передачи транспортного средства во всем диапазоне трансформации вращающего момента приводного двигателя.
Поставленная задача достигается тем, что в гидромеханической передаче транспортного средства, содержащей установленные в неподвижном корпусе элементы управления и многоступенчатый гидротрансформатор, содержащий последовательно расположенные в круге циркуляции рабочей жидкости насосное колесо центробежного типа, соединенное с ведущим валом, турбинное колесо первой ступени центробежного типа, турбинное колесо второй ступени осевого типа, турбинное колесо третьей ступени и реакторы, причем все турбинные колеса соединены с ведомым валом с помощью индивидуальных управляемых сцепных муфт, количество реакторов равно количеству турбинных колес, реакторы снабжены индивидуальными устройствами включения, соединяющими определенный активный реактор с неподвижным корпусом, и включаемыми одновременно с соответствующей сцепной муфтой определенного турбинного колеса.
На фиг. 1 представлена принципиальная кинематическая схема гидромеханической передачи транспортного средства в варианте с трехступенчатым гидротрансформатором с тремя турбинными колесами центробежного, осевого и центростремительного типов и тремя управляемыми реакторами. На фиг. 2 представлена принципиальная кинематическая схема частного варианта гидромеханической передачи транспортного средства, оснащенной двухступенчатым гидротрансформатором с двумя турбинными колесами осевого и центростремительного типов и двумя управляемыми реакторами.
Элементы гидромеханической передачи транспортного средства по схеме смонтированы в неподвижном корпусе (на схемах не обозначен). Передача, представленная на фиг. 1, содержит трехступенчатый гидротрансформатор 1, соединенный с входным (ведущим) валом 2. Гидротрансформатор 1 содержит насосное колесо 3 центробежного типа, турбинное колесо 4 первой ступени центробежного типа, соединенное с промежуточным валом 5, турбинное колесо 6 второй ступени осевого типа, соединенное с промежуточным валом 7, турбинное колесо 8 третьей ступени центростремительного типа, соединенное с промежуточным валом 9. Промежуточные валы 5, 7, 9 посредством элементов управления - управляемых сцепных муфт 10, 11, 12 соответственно соединяются с выходным (ведомым) валом 13.
Реакторная часть гидротрансформатора 1 состоит из трех реакторов 14, 15, 16. Каждый реактор 14, 15, 16 с помощью элементов управления - управляемых тормозов 17, 18, 19 соответственно механически может быть соединен с неподвижным корпусом гидромеханической передачи транспортного средства. Включение одного из тормозов 17, 18 или 19 означает активацию одного из трех реакторов 14, 15 или 16, и при этом каждый из трех реакторов предназначен для совместной оптимальной работы с каким-либо одним из трех турбинных колес 4, 6 или 8.
Управляемая сцепная муфта 20 предназначена для блокирования гидротрансформатора 1 путем непосредственного соединения входного (ведущего) вала 2 и выходного (ведомого) вала 13 с целью повышения КПД трансмиссии при установившемся движении транспортного средства. Наличие управляемой сцепной муфты 20 в конструкции гидромеханической передачи транспортного средства не является обязательным, и она может отсутствовать.
Работает гидромеханическая передача транспортного средства следующим образом.
Приводной двигатель (на схеме не показан) через входной (ведущий) вал 2 приводит во вращение насосное колесо 3 гидротрансформатора 1, которое создает поток и напор рабочей жидкости. Рабочая жидкость последовательно поступает сначала в турбинное колесо 4 и далее в турбинные колеса 6 и 8. В зоне малых передаточных отношений (i=0-0,3) более эффективно работает турбинное колесо 4 центробежного типа, в зоне средних передаточных отношений (i=0,3-0,6) более эффективно работает турбинное колесо 6 осевого типа, а в зоне высоких передаточных отношений (i=0,6-0,98) и на режиме гидромуфты - турбинное колесо 8 центростремительного типа. Поочередное соединение турбинных колес 4, 6 и 8 с выходным валом 13 в процессе трогания и разгона транспортного средства осуществляют с помощью управляемых сцепных муфт 10, 11 и 12 соответственно при помощи автоматической системы управления. В общем случае при включении какой-либо одной сцепной муфты две другие муфты при этом находятся в выключенном состоянии, что обеспечивает соответствующий алгоритм работы системы управления гидромеханической передачей транспортного средства.
Одновременно с включением одной из муфт 10, 11 или 12 происходит включение в работу одного из реакторов 14, 15 или 16, предназначенных и оптимизированных для совместной работы с одним определенным турбинным колесом. Например, реактор 14 работает совместно с турбинным колесом 4, реактор 15 - с турбинным колесом 6, а реактор 16 - с турбинным колесом 8. Активацию того или иного реактора осуществляют путем включения одного тормозов 17, 18 или 19. Например, при включении муфты 10 одновременно автоматически включается тормоз 17, при включении муфты 11 одновременно включается тормоз 18, а при включении муфты 12 одновременно включается тормоз 19. В результате при включении какого-либо одного тормоза два других тормоза при этом находятся в выключенном состоянии. Таким образом, в процессе трогания и разгона транспортного средства по мере увеличения передаточного отношения гидротрансформатора 1 происходит последовательное включение и отключение турбинных колес 4, 6, 8 с одновременным включением в работу соответствующих им реакторов 14, 15, 16. После разгона транспортного средства и выхода его на режим установившегося движения гидротрансформатор 1 блокируется с помощью управляемой сцепной муфты 20.
Для осуществления режима гидромуфты включается муфта 12, муфты 10 и 11 находятся в выключенном состоянии, тормоза 17, 18, 19 при этом выключены. В передаче движения на этом режиме участвуют только насосное колесо 3 и турбинное колесо 8. Возможно также одновременное включение всех муфт 10, 11 и 12, в результате которого все турбинные колеса блокируются в единое турбинное колесо, либо одновременное включение муфт 11 и 12, соединяющих в единое целое турбинные колеса 6 и 8.
Согласованное автоматическое включение и выключение сцепных муфт 10, 11 и 12 и тормозов 17, 18 и 19 осуществляют с помощью системы управления гидромеханической передачей транспортного средства.
На фиг. 2 представлена кинематическая схема частного варианта гидромеханической передачи транспортного средства, которая является упрощенным вариантом исходной гидромеханической передачи транспортного средства, представленной на фиг. 1. Гидромеханическая передача транспортного средства по фиг. 2 также содержит неподвижный корпус (на схеме не показан) и двухступенчатый гидротрансформатор 1, в котором кроме входного (ведущего) вала 2 и насосного колеса 3 центробежного типа, присутствуют турбинное колесо 6 первой ступени осевого типа и турбинное колесо 8 второй ступени центростремительного типа и, соответственно, два переключаемых реактора 15 и 16. Турбинные колеса 6 и 8 соединены с промежуточными валами 7 и 9 соответственно. Данный вариант гидромеханической передачи транспортного средства содержит две управляемые сцепные муфты 11 и 12, которые соединяют промежуточные валы 7 и 9 и, соответственно, турбинные колеса 6 и 8 с выходным (ведомым) валом 13, и два управляемых тормоза 17 и 18 для активации реакторов 15 и 16 соответственно. Реакторы 15 и 16 гидротрансформатора 1 могут быть соединены с неподвижным корпусом посредством муфт свободного хода (на схеме не показаны), обеспечивающих автоматическое выключение реакторов при переходе гидротрансформатора на режим гидромуфты с симметричным расположением насосного колеса 3 и турбинного колеса 8. Элементы исходной гидромеханической передачи транспортного средства, обозначенные на фиг. 1 как 4, 5, 10, 14, 19, на фиг. 2 отсутствуют вследствие упрощения кинематической схемы исходной гидромеханической передачи транспортного средства.
Работа частного варианта гидромеханической передачи транспортного средства принципиально не отличается от работы исходной гидромеханической передачи транспортного средства, рассмотренной выше. В диапазоне передаточных отношений от 0 до 0,6 работает турбинное колесо осевого типа, а в диапазоне передаточных отношений выше 0,6 и на режиме гидромуфты - турбинное колесо центростремительного типа. Система управления гидромеханической передачей транспортного средства одновременно включает, например, муфту 11 и тормоз 18 либо одновременно включает муфту 12 и тормоз 17. Блокирование гидротрансформатора 1 на установившемся режиме движения транспортного средства также осуществляется с помощью управляемой сцепной муфты 20.
Таким образом, предлагаемая гидромеханическая передача транспортного средства по сравнению с прототипом обладает более широкими эксплуатационными возможностями. Независимая работа турбинных колес первой, второй и третьей ступеней и соответствующих им трех реакторов позволяет оптимальным образом спрофилировать их лопатки и тем самым обеспечить более высокие значения КПД во всем диапазоне передаточных отношений трансмиссии транспортного средства. По сравнению с многоциркуляционными гидромеханическими передачами предлагаемая гидромеханическая передача транспортного средства при прочих равных условиях характеризуется уменьшенными габаритными размерами и массой.