ГИДРОТРАНСФОРМАТОР
HYDRAULIC TORQUE CONVERTER

Заявляемое изобретение относится к машиностроению и, в частности, к устройствам для передачи вращения. Сущность изобретения: в гидротрансформаторе (далее по тексту - ГТР) энергия передается жидкостью, которая проходит через турбину, двигаясь внутри лопаток турбинного колеса, выполненных в форме закрытого закругленного русла - канала, и находясь с ними в силовом взаимодействии, существующем и научно доказанном, например, в учебнике "Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы" под редакцией Т.М. Башты, изд. "Машиностроение", Москва, 1970, §1.47. "Силы действия потока на стенки канала" - стр.167 и пример 15 - стр.168.
Из научно-технической литературы, например: [1]…[5] известны устройства для передачи вращения - гидромеханические передачи (далее по тексту - ГМП). В качестве прототипа выбрана двухступенчатая ГМП ЛАЗ-НАМИ ([3], стр.206), параметры и характеристики которой приведены в [6]. ГМП ЛАЗ-НАМИ включает в себя основные части: механическую коробку передач (далее по тексту - МКП) и гидротрансформатор (далее по тексту - ГТ), основными составляющими которого являются рабочие колеса: насоса, турбины и реактора.
Недостатками прототипа при его использовании как товарного продукта для трансмиссии машины являются сложность конструкции МКП и саморегулируемость ГТ, которая ограничивает маневренность машины и силу тяги на ведущих колесах машины.
Задачей изобретения является упрощение конструкции трансмиссии, улучшение маневренности машины и увеличение силы тяги на ведущих колесах машины.
Техническим результатом, который может быть получен при реализации и использовании ГТР в качестве товарного продукта для трансмиссии машины является: упрощение конструкции трансмиссии, улучшение маневренности машины и увеличение силы тяги на ведущих колесах машины.
Результат достигается тем, что лопатки турбинного колеса ГТР выполнены в форме закрытого закругленного русла - канала (далее по тексту - лопатки) и установлены подвижно относительно оси вращения ГТР с возможностью изменять величину и направление крутящего момента внешним управлением.
Общие сведения
Существенное различие в характеристиках соответственно и эксплуатационных свойствах ГМП и ГТР определяется принципиальным различием в особенностях рабочих процессов, происходящих в ГМП, а именно в ГТ, и ГТР.
В ГТ при вращении рабочего колеса насоса жидкость (представляет собой одно бесконечное и непрерывное кольцевое звено) проходит из линии подвода (вход в рабочее колесо) в линию отвода (выход из рабочего колеса) последовательно через все рабочие колеса непрерывным потоком, обтекая гидродинамические профили - лопатки рабочих колес и находясь с ними в силовом взаимодействии, и возвращается к входу в насос.
тгтр
В ГТР при подаче в напорную полость турбины, например, центробежным насосом из бака жидкость (не должна обязательно представлять собой одно бесконечное и непрерывное кольцевое звено) проходит из линии подвода (вход в турбинное колесо) в линию отвода (выход из турбинного колеса) непрерывным потоком, двигаясь внутри лопаток турбинного колеса и находясь с ними в силовом взаимодействии, и из сливной полости турбины возвращается в бак. При этом на турбине ГТР образуется крутящий момент М, который определяется по формуле:
Р - сила действия потока на стенки канала лопатки турбины ГТР;
R - расстояние между осью вращения ГТР и вектором Р;
z - количество лопаток.
Особенность рабочего процесса определяет характерные особенности конструкции, свойств, параметров и характеристик ГТР:
тгтр
- для изменения величины и направления М не требуется реактор (опора);
тгтр
тгтр
д
- ГТР не обладает саморегулируемостью, т.е. М не зависит от i - отношения скорости вращения ведомого вала n к скорости вращения ведущего вала n;
- КПД ГТР φ не зависит от i;
тгтр
д
д
2
- при R=Const М=f(n) и пропорционален n ;
тгтр
д
д
- при R=Const n=f(n) и прямо пропорциональна n;
н
н
- φ подобен КПД центробежного насоса ГТР φ и φ=f(φ);
д
тгтр
тгтр
- при n=Const и R≠Const М=f(n) и связаны обратно пропорциональной зависимостью.
Описание устройства и работы
На фиг.1 изображена конструктивная схема ГТР, в которой для снижения потерь энергии насос и турбина установлены соосно и предельно сближены. Положение элементов схемы соответствует работе в установившемся режиме.
тгтр
ГТР состоит из насоса, например центробежного (далее по тексту - насос), основными элементами проточной части которого являются подвод 1, насосное колесо 2 и отвод 3. Насосное колесо 2 соединено с ведущим валом 4 штифтом 5. Ведомый вал 6 жестко соединен с кожухом 7 турбины, которая также включает в себя жестко связанное с кожухом 7 турбинное колесо, основными элементами которого являются диск 8 и подвижно соединенные с ним лопатки 9 с каналами (см. сечения Б-Б и В-В). Рычаг 10 внешней системы управления шарнирно связан со скобой 11, подвижно соединенной с диском 12, который имеет возможность передвигаться вдоль по ведомому валу 6 и связан с ним шпонкой 13. Диск 12 жестко соединен с гайками 14, которые имеют возможность передвигаться вдоль по участкам с многозаходной резьбой осей вращения лопаток 9. При перемещении диска 12 вдоль по валу 6 гайки 14 вращают лопатки 9, чем обеспечивается изменение величины и направления М.
ГТР работает следующим образом:
тгтр
Перед пуском двигателя внешнее управление (водитель автомобиля, автоматическое устройство и пр.) воздействием через рычаг 10, скобу 11, диск 12, гайки 14 устанавливает лопатки 9 в начальное положение, при котором R=0 (М=0) и кожух 7 перекрывает отверстия каналов (снижается пусковой момент).
д
д
После пуска насос, приводимый во вращение моментом двигателя М с числом оборотов n, подает жидкость производительностью Q и с напором Н из подвода 1 по отводу 3 через каналы лопаток 9 в подвод 1. При этом на каждой лопатке возникает Р, которая при конструкции лопатки в форме отвода с углом поворота 180° определяется (см. выше упомянутый учебник) по формуле:
ρ - плотность жидкости;
V - средняя скорость движения жидкости в канале;
F - площадь сечения канала.
2
тгтр
2
тгтр
Для преодоления момента сопротивления приводимого механизма М внешнее управление вращением лопаток 9 обеспечивает R, при котором М>М и в единицу времени передается энергия - передаваемая мощность N, равная:
Характерные особенности параметров и характеристик ГТР
Характерные особенности параметров и характеристик ГТР определяет их взаимосвязь. Связь между конструктивными и геометрическими параметрами ГТР осуществляется через параметры потока рабочей жидкости (пренебрегая трением в опорах).
При определении взаимосвязи приняты допущения:
- движение жидкости в ГТР имеет турбулентный режим;
- механические, объемные потери, дисковое трение и трение о воздух - пренебрежимо малы;
- гидравлические потери в каналах не зависят от скорости, направления вращения и положения лопаток относительно оси ГТР.
Подставим в (1) выражения (2), (3) и, опуская промежуточные преобразования, получаем:
д
тгтр
д
д
2
Поскольку согласно теории подобия лопастных насосов Q прямо пропорциональна n, то из (5) при R=Const следует: М=f(n) и пропорционален n .
тгтр
Определим n, используя (4):
H
N - энергия, передаваемая жидкости насосным колесом 2 в единицу времени;
П
N - потери энергии в единицу времени при движении жидкости по каналам лопаток;
п
h - потери напора в канале лопатки.
Баланс энергии (напора) потока жидкости между сечениями на входе и выходе канала в лопатке согласно уравнению Бернулли равен:
вх
р - давление на входе в канал;
вых
р - давление на выходе из канала;
вх
вых
от
ξ, ξ, ξ, - коэффициенты сопротивления соответственно входа, выхода и поворота канала;
λ - коэффициент потерь на трение;
l - длина канала;
d - диаметр канала.
При установившемся движении жидкости:
Подставим в (6) выражения (7), (8), (9), (15), (11), (10), (12), (16), (1) и, опуская промежуточные преобразования, получаем:
д
тгтр
д
д
Поскольку согласно теории подобия лопастных насосов Q прямо пропорциональна n, то из (17) при R=Const следует: n=f(n) и прямо пропорциональна n.
Определение φ:
Связь между объемным весом и плотностью жидкости:
Подставим в (18) выражения (4), (5), (17), (19), (8), (15), (11), (10), (12), (16), (2), (3), (13), (3), (20) и, опуская промежуточные преобразования, получаем:
н
н
Поскольку принято ξ=Const, то из (21) следует: φ подобен φ и φ=f(φ).
Определим R из (5) и (17), приравняем правые части уравнений и, опуская промежуточные преобразования, получаем:
д
тгтр
тгтр
Из (5), (17) и (22) при Q=Const, т.е. при n=Const и R≠Const следует: М=f(n) и связаны обратно пропорциональной зависимостью.
нп
Для определения Н=f(Q) подставим в (11) выражения (10),(12), (16),(2),(3),(13),(3),(20) и, опуская промежуточные преобразования, получаем:
Возможность достижения заявленного технического результата
тгтр
тгтр
т
т
т
1
т
ГТР обеспечивает достижение заявленного технического результата, что подтверждает сравнение характеристики М=f(n) на выходном валу привода грузового автомобиля ЗИЛ-130, включающего ГТР и двигатель ЗИЛ-130 (далее по тексту - машины №1), например, с характеристиками М=f(n) и М=f(n) на выходном валу привода грузового автомобиля ЗИЛ-130, включающего тот же двигатель и прототип (далее по тексту - машины №2).
тгтр
тгтр
п
нп
Выходная характеристика М=f(n) является функцией Q, F и z, а Q, в свою очередь, является функцией F, z и h. Для выполнения расчетов требуется характеристика насоса Н=f(Q) и зависимость потребного напора Н=f(Q). За Н=f(Q), ввиду ее отсутствия, принята характеристика аналога (см. фиг.2). Аналогом выбран центробежный насос фирмы "Grundfos" марки NB/NK 150-200: диаметр рабочего колеса Дрк=224 мм, мощность на валу насоса - 106,3 кВт, n=2900 об/мин, наибольший КПД - 85,6% (согласно фирменному каталогу насосов).
н
нв
д
д
н
д
3
С целью совместить работу двигателя на максимальной мощности и работу ГТР с наибольшим φ (φ=85,6%), т.е. чтобы мощность на валу насоса ГТР N=N=116,1 кВт при n=3000 об/мин, характеристика Н=f(Q) пересчитана по формулам подобия лопастных насосов при допущении пренебрежимо малого изменения φ. В результате диаметр рабочего колеса насоса ГТР Дгтр=223 мм и совмещение определяет характерная точка А с параметрами: Q=818 м/час и Н=44,7 м (см. фиг.2). С целью выполнения последующих расчетов фиг.2 дополнена графиками Н=f(Q) при различных n.
Из (23) определяем F:
3
нп
При вычислении F принято: Q=818 м/час и Н=44,7 м (см. параметры точки А), z=20 шт., ξ=0,72 (величина обеспечивается конструктивно и технологически, в том числе, выполнением входного и выходного участков канала в форме соответственно конфузора и диффузора).
нп
График Н=f(Q) представлен на фиг.2.
т
1
т
т
т
k1
М=f(n) подобна М=f(n) при включении понижающей передачи с передаточным числом u=1,79 (см. [6], рис.36 и глава 2, п.2.7).
тгтр
тгтр
т
т
т
1
т
д
д
д
д
e
д
На фиг.3 представлены графики М=f(n), М=f(n) и М=f(n). Для сопоставления фиг.3 дополнена графиками скоростной характеристики М=f(n), N=f(n) и удельного расхода топлива g=f(n) (см. [6], рис.15).
тгтр
д
тгтр
д
н
тгтр
тгтр
нп
д
mac
Особенности параметров и характеристик ГТР наглядно представлены на фиг.4 графиками М=f(n), n=f(n), φ=f(φ) и М=f(n). Координаты точек графиков определены графоаналитическим расчетом с применением (5), (17), (21) и (22), использованием параметров точек пресечения Н=f(Q) с Н=f(Q) при различных n на фиг.2 и R=240 мм.
mac
тгтр
т
т
k1
т
тгтр
д
0
0
3
Величина R определена по (5) из условия М =М =М*u при n=n=0 (см. фиг.3), т.е. при трогании машин и n=3000 об/мин, т.е. Q=818 м/час.
Сравнение выходных характеристик (см. фиг.3) показывает, что при одинаковых эксплуатационных условиях, диаметре шин 1020 мм, передаточном числе главной передачи - 6,32 ([6], табл.3.3), при равных исходных параметрах сравниваемых выходных характеристик и отсутствии МКП:
тгтр
т1
тгтр
тгтр
тср
т
т
т1
тгтр
т1
mac
0
0
0
0
- до скорости n =n (соответствует скорости движения машин 20 км/час) машина №1 разгонится под действием максимального и постоянного момента М  на 18% быстрее, чем машина №2, т.к. М /М=1,18 (принимая уменьшение М на участке М …М по линейной зависимости), кроме того, М  на 45% больше М;
тгтр2
т2
тгтр2
т2
- М на 30% больше М при n=n (соответствует скорости движения машин 70 км/час).
Таким образом, использование ГТР в качестве товарного продукта для трансмиссии машины обеспечивает:
- упрощение конструкции трансмиссии за счет исключения МКП;
- улучшение маневренности машины за счет более высоких разгонных свойств привода с ГТР;
- увеличение силы тяги на ведущих колесах машины за счет передачи приводом с ГТР более высокого крутящего момента.
Источники информации
1. Гидротрансформаторы/А.Н. Нарбут, М.: изд. "Машиностроение", 1966, (стр.63…64).
2. Планетарные и гидромеханические передачи колесных и гусеничных машин/А.В. Петров, изд. "Машиностроение", Москва, 1966 (стр.313…373).
3. Проектирование трансмиссий автомобилей: Справочник/Под общ. ред. А.И. Гришкевича. М.: Машиностроение, 1984. - 272 с. (стр.191…211).
4. Автомобиль: Основы конструирования: Учебник / Н.Н.Вишняков и др. - 2 изд., - М.: Машиностроение, 1986. - 304 с. (стр.108…109).
5. Патенты РФ: №2086427, №2188352, №2294848.
6. Тягово-скоростные качества автомобилей: Справочник/ авт. Бортницкий П.И., Задорожный В.И., Киев, изд. "Вища школа", 1978 (рис.36 и глава 2, п.2.7).