Гидромеханическая передача
HYDROMECHANICAL TRANSMISSION

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 гидродинамические трансформаторы вращающего момента (далее - гидротрансформаторы) (Кочкарев А.Я. Гидродинамические передачи. - Ленинград: Машиностроение, 1971). Наиболее широко в трансмиссиях самоходных машин используются гидротрансформаторы прямого хода, для которых направления вращения ведущего (входного) и ведомого (выходного) валов совпадают. С целью получения в трансмиссии режима обратного (заднего) хода самоходной машины, которая приводится от нереверсивного двигателя, гидротрансформатор прямого хода сопрягается с механическим реверс-редуктором или коробкой передач, при помощи которых обеспечивают режимы переднего и заднего хода самоходной машины.
Известные также гидромеханические передачи, в которых режим заднего хода самоходной машины осуществляется за счет реверсирования выходного вала гидротрансформатора путем изменения соединения рабочих колес гидротрансформатора с выходным валом (патенты США №№2456328, 2590472, 2695533, 2890602, 3030823; а.с. СССР №№126751, 138494, 249889, 669136). Недостатки различных гидромеханических передач с реверсируемыми гидротрансформаторами состоят в отсутствии унификации с серийными разработками, отсутствии соосности ведущего и ведомого валов, усложнении конструкции в целом, отсутствии режима гидромуфты, необходимом для автомобильных трансмиссий.
Существуют также трансмиссии самоходных машин, которые содержат многоциркуляционные гидромеханические передачи, содержащие несколько гидротрансформаторов (Кочкарев А.Я. Гидродинамические передачи. - Ленинград: Машиностроение, 1971, с. 80, рис. 36). На наземных самоходных машинах нереверсивные многоциркуляционные гидромеханические передачи используются, в частности, на тепловозах совместно с реверс-редуктором и характеризуются высокой сложностью, большими габаритными размерами и массой (Маневровые тепловозы. - Москва: Транспорт, 1977).
Среди многоциркуляционных гидромеханических передач существуют устройства, содержащие два гидротрансформатора - прямого и обратного хода. В гидротрансформаторах обратного хода направление вращения ведомого вала противоположно направлению вращения ведущего вала. Реверсирование трансмиссии с гидротрансформаторами прямого и обратного хода осуществляется путем активации того или иного гидротрансформатора. Подобные устройства нашли ограниченное применение в судостроении (Хуршудян Г.М. Гидравлические преобразователи крутящего момента. - Ленинград: Судпромгиз, 1963; Судовые энергетические установки. Судовые дизельные энергетические установки / Румб В.К. [и др.]. - Санкт-Петербург: СПбГМТУ, 2007). Судовые реверсивные гидромеханические передачи также характеризуются высокой сложностью, большими габаритными размерами и массой.
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 осевого типа и турбинное колесо второй ступени центростремительного типа, соединенные с ведомым валом с помощью индивидуальных управляемых сцепных муфт, и реакторы, причем насосное колесо и турбинное колесо расположены симметрично друг относительно друга, количество реакторов равно количеству турбинных колес, реакторы расположены симметрично друг относительно друга и снабжены индивидуальными устройствами включения (патент RU 2716378, фиг. 2). Поскольку в устройстве-прототипе используется гидротрансформатор прямого хода, то для реверсирования выходного вала устройства-прототипа требуется дополнительное реверсирующее устройство.
Задачей данного изобретения является возможность унифицировать конструкцию трансмиссии самоходной машины, приводимой от нереверсируемого приводного двигателя, за счет применения гидромеханической передачи, содержащей один универсальный гидротрансформатор (т.е. один круг циркуляции рабочей жидкости).
Поставленная задача достигается тем, что в гидромеханической передаче, 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 осевого типа и турбинное колесо второй ступени центростремительного типа, соединенные с ведомым валом с помощью индивидуальных управляемых сцепных муфт, отличающаяся тем, что насосное колесо центробежного типа и турбинное колесо второй ступени центростремительного типа расположены напротив друг относительно друга и снабжены индивидуальными устройствами включения реакторов, количество которых равно количеству турбинных колес, турбинное колесо осевого типа первой ступени связана с проницаемым для рабочей жидкости колесом с отверстиями, установленным между реакторами и соединенным с промежуточным валом и тормозом.
На фиг. 1 представлена принципиальная кинематическая схема гидромеханической передачи.
Элементы гидромеханической передачи смонтированы в неподвижном корпусе (на схеме не обозначен). Гидромеханическая передача содержит двухступенчатый гидротрансформатор 1, соединенный с входным (ведущим) валом 2. Гидротрансформатор 1 содержит насосное колесо 3 центробежного типа, турбинное колесо 4 первой ступени осевого типа, соединенное с промежуточным валом 5, турбинное колесо 6 второй ступени центростремительного типа, соединенное с промежуточным валом 7. Насосное колесо 3 центробежного типа и турбинное колесо 6 второй ступени центростремительного типа установлены симметрично друг относительно друга с целью обеспечения эффективной работы гидротрансформатора на режиме гидромуфты. Промежуточные валы 5 и 7 посредством элементов управления - управляемых сцепных муфт 8 и 9 соответственно соединяются с выходным (ведомым) валом 10.
Реакторная часть гидротрансформатора 1 состоит из двух реакторов 11 и 12. Каждый реактор 11 и 12 с помощью элементов управления -управляемых тормозов 13 и 14 соответственно механически может быть соединен с неподвижным корпусом гидромеханической передачи транспортного средства. Включение одного из тормозов 13 или 14 означает активацию одного из реакторов 11 или 12, и при этом каждый из двух реакторов предназначен для совместной оптимальной работы с либо с турбинным колесом 4 первой ступени осевого типа, либо турбинным колесом 6 второй ступени центростремительного типа.
Турбинное колесо 4 первой ступени осевого типа связано также с колесом 15, которое установлено между реакторами 11 и 12 и связано с промежуточным валом 16. Промежуточный вал 16 связан также с управляемым тормозом 17, соединяющим колесо 15 и связанное с ним турбинное колесо 4 первой ступени с неподвижным корпусом. Колесо 15 выполнено с отверстиями, необходимыми для прохода потока рабочей жидкости.
Управляемая сцепная муфта 18 предназначена для блокирования гидротрансформатора 1 путем непосредственного соединения входного (ведущего) вала 2 и выходного (ведомого) вала 10 с целью повышения КПД трансмиссии при установившемся движении самоходной машины передним ходом. Наличие управляемой сцепной муфты 18 в конструкции гидромеханической передачи не является обязательным, она может отсутствовать.
Гидромеханическая передача имеет два основных режима работы - режимы прямого и обратного хода - и работает следующим образом.
В исходном состоянии все элементы управления гидромеханической передачей находятся в выключенном состоянии, вращение от приводного двигателя на ведомый вал не передается.
На режиме переднего хода приводной двигатель (на схеме не показан) через входной (ведущий) вал 2 приводит во вращение насосное колесо 3 центробежного типа гидротрансформатора 1, которое создает поток и напор рабочей жидкости. Рабочая жидкость последовательно поступает сначала в турбинное колесо 4 первой ступени осевого типа и далее в турбинное колесо 6 второй ступени центростремительного типа. В зоне малых передаточных отношений (0-0,4) более эффективно работает турбинное колесо осевого типа, а в зоне средних и больших передаточных отношений (0,4-0,9) и на режиме гидромуфты - турбинное колесо центростремительного типа. Поочередное соединение турбинного колеса 4 первой ступени и турбинного колеса 6 второй ступени с выходным валом 10 в процессе трогания и разгона самоходной машины осуществляют с помощью управляемых сцепных муфт 8 и 9 соответственно при помощи автоматической системы управления. В общем случае при включении какой-либо одной сцепной муфты другая сцепная муфта при этом находится в выключенном состоянии, что обеспечивает соответствующий алгоритм работы системы управления гидромеханической передачей.
Одновременно с включением одной из управляемых сцепных муфт 8 или 9 происходит включение в работу одного из реакторов 11 или 12, в общем случае предназначенных и оптимизированных для совместной работы с одним определенным турбинным колесом. Например, реактор 11 работает совместно с турбинным колесом 4 первой ступени осевого типа, а реактор 12 - с турбинным колесом 6 второй ступени центростремительного типа. Активацию того или иного реактора осуществляют путем включения одного из управляемых тормозов 13 или 14. Например, при включении сцепной муфты 8 одновременно автоматически включается тормоз 13, при включении сцепной муфты 9 одновременно включается тормоз 14. В результате при включении какого-либо одного тормоза другой тормоз при этом находится в выключенном состоянии. Таким образом, в процессе трогания и разгона самоходной машины по мере увеличения передаточного отношения гидротрансформатора 1 происходит последовательное включение и отключение турбинного колеса 4 первой ступени и турбинного колеса 6 второй ступени с одновременным включением в работу соответствующих им реакторов 11 и 12. После разгона самоходной машины и перехода ее на режим установившегося движения тормоза 13 и 14 отключаются, сцепная муфта 8 остается в отключенном состоянии, а сцепная муфта 9 остается во включенном состоянии, в результате чего гидротрансформатор 1 переходит в режим гидромуфты. Если гидротрансформатор 1 оснащен управляемой сцепной муфтой 18, то на режиме установившегося движения самоходной машины в благоприятных дорожных условиях сцепная муфта 9 также отключается, и гидротрансформатор 1 блокируется с помощью управляемой сцепной муфты 18.
Автоматическое управление сцепными муфтами 8 и 9 и тормозами 13 и 14 осуществляют с помощью системы управления гидромеханической передачей.
На режиме обратного хода выключается сцепная муфта 8, включаются сцепная муфта 9 и тормоз 17. Тормоз 17 останавливает промежуточный вал 16 и связанные с ним колесо 15 и турбинное колесо 4 первой ступени. Неподвижное турбинное колесо 4 первой ступени осевого теперь играет роль реактора, благодаря чему турбинное колесо 6 второй ступени центростремительного типа получает вращение, направление которого противоположно направлению вращения насосного колеса 3 центробежного типа. Обратное вращение турбинного колеса 6 второй ступени через промежуточный вал 7 и включенную сцепную муфту 9 передается на ведомый вал 10. При этом состояние тормозов 13 и 14 в общем случае - выключенное. Если в гидромеханической передаче присутствует управляемая сцепная муфта 18, то она тоже выключена.
Предлагаемая гидромеханическая передача по сравнению с прототипом обладает более широкими эксплуатационными возможностями. По сравнению с многоциркуляционными гидромеханическими передачами, оснащенных гидротрансформаторами прямого и обратного хода, предлагаемая гидромеханическая передача при прочих равных условиях характеризуется уменьшенными габаритными размерами и массой. Симметричное расположение рабочих колес позволяет унифицировать с существующими разработками конструкцию гидротрансформатора и гидромеханической передачи в целом. Гидромеханическая передача может найти применение, в частности, в трансмиссиях транспортно-погрузочных машин, оснащенных двигателями внутреннего сгорания.