Гидродинамическое нагружающее устройство

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к испытаниям тяговых и тормозных свойств автомобилей, а также к испытаниям двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использована на тягово-тормозных автомобильных стендах и на стендах для ДВС, сочетающих в себе режим обкатки и испытания.
Известен гидродинамический тормоз, содержащий корпус с выполненной в нем цилиндрической рабочей камерой, два диаметрально противоположно расположенных подпружиненных вытеснителя, установленные с возможностью вращения на осях и выполненные в форме криволинейной призмы, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими поверхностями, пересечения которых образуют два ребра вытеснителя, одно из которых - рабочее, крышку, перекрывающую рабочую камеру с торца [патент RU 2513966, В60Т 10/02, F16D 57/00, В60Т 1/087, F16H 41/00, F04C 2/46, опубл. 20.04.2014].
Недостатками данного устройства являются
1. Значительные создаваемые давления в серповидных полостях устройства при блокировке гидродинамического тормоза, что вызовет утечки через уплотнения вращающегося центрального вала и невозможности устройства выполнять заявленные функции создания тормозного момента.
2. Наличие вращающихся овальных элементов конструкции ограничивает частоту вращения центрального вала, что сужает область применения устройства.
3. Отсутствие системы охлаждения рабочей жидкости не позволяет длительную эксплуатацию устройства.
Также известно нагружающее устройство стенда для испытаний инжекторных двигателей внутреннего сгорания, содержащее асинхронный электродвигатель, динамометрическую муфту, датчик количества оборотов вала, муфты для согласования работы двигателя с испытуемым двигателем внутреннего сгорания, частотный преобразователь, подключенный к электрической сети через пассивный фильтр и сетевой дроссель, и блок управления, дополнительно содержит модуль задания управляющего сигнала, соединенный с частотным преобразователем и блоком питания низкого напряжения, соединенного с преобразователем частоты и блоком управления гидромуфтой, соединенного с гидромеханической коробкой передач, соединенной через зубчатую муфту с асинхронным электродвигателем [патент RU 179860, G01M 15/02, G01M 15/04, опубл. 28.05.2018].
Недостатками устройства являются
1. Сложность устройства, например, наличие сервопривода для управления гидромеханической коробкой перемены передач, наличие электронного блока управления и соответствующего программного обеспечения.
2. Наличие гидромеханической коробки перемены передач в составе устройства (в частности, гидромеханической коробки перемены передач модели 4R100-E, устанавливаемой на автомобили Ford, с двигателем мощностью до 120 кВт), что определяет испытание только определенных двигателей внутреннего сгорания, согласованных по техническим параметрам с данной гидромеханической коробкой.
Наиболее близким аналогом к заявленному устройству относится нагрузочное гидравлическое устройство - гидравлический тормозной динамометр (Water Brake Chassis Dynamometer), применяемый на стендах испытания двигателей внутреннего сгорания или на стендах с беговыми барабанами для определения тяговой силы на ведущих колесах автомобиля, например, динамометрический стенд TD-24 производства компании Taylor Dynamometer, США [рекламный проспект. Электронный ресурс URL: https://www.tavlordvno.com/wp-content/uploads/pdfs/SMS3006-TD-24.pdf]. Основой конструкции гидравлического тормозного динамометра являются качающийся статор и ротор, соединяемый с объектом нагружения и передающий усилие на статор через жидкость [Енаев А.А., Мазур В.В., Слепенко Е.А. и др. Автомобили. Теория эксплуатационных свойств: Лабораторный практикум. Братск: БрГУ, 2005. 156 с.]. Ротор и статор представляют собой лопастные колеса, регулирование тормозного момента обеспечивается степенью заполнения внутренней полости устройства жидкостью. Под действием гидравлических сил происходит отклонение статора относительно оси статического равновесия. При этом реактивный момент статора измеряется при помощи гидравлического датчика давления, электрический сигнал с которого поступает на вольтметр, проградуированный в единицах силы. Реактивный момент также может измеряться динамометром сжатия или растяжения.
Недостатком такого нагрузочного устройства является невозможность передачи нагрузочного момента на испытуемый объект (например, для проверки тормозных механизмов автомобиля на роликовом стенде), низкая эффективность работы устройства при малых оборотах ротора и при малом заполнении внутренней полости устройства жидкостью, а также ограничение диапазона создаваемого тормозного момента, что обуславливает создания ряда таких устройств, рассчитанных на свой диапазон нагрузок.
Задачей полезной модели является обеспечение возможности реализовывать режимы нагружения объектов (например, двигателей внутреннего сгорания и роликов тягово-тормозных автомобильных стендов при испытаниях автомобилей) путем создания тормозного момента и передачи нагрузки в широком диапазоне, близких к реальным режимам, возникающим в процессе эксплуатации автомобилей, или близких к режимам испытаний.
Поставленная задача решается за счет того, что гидродинамическое нагружающее устройство содержит гидромуфту с замкнутой системой охлаждения, где основными элементами гидромуфты являются насосное и турбинное колеса, частоты вращения которых определяются с помощью датчиков-тахометров, причем вал насосного колеса соосно соединен с валом объекта нагружения с помощью двух соединительных муфт, между которыми установлен датчик крутящего момента, а вал турбинного колеса, на котором установлен фрикционный колодочный тормоз, с помощью соединительной муфты соосно соединен с электродвигателем, управление которым осуществляется с помощью регулятора частоты вращения и переключателя направления вращения вала.
Отличительными признаками являются
электродвигатель с возможностью изменения частоты вращения и изменения направления вращения вала с помощью подключенных к электродвигателю регулятора частоты вращения и переключателя направления вращения вала, причем изменение частоты вращения вала возможно в любом направлении;
гидромуфта с вращающимися насосным и турбинным колесами с полностью заполненным внутренним пространством жидкостью, с подключенной замкнутой системой охлаждения, где насосное колесо соединено с объектом нагружения, а турбинное колесо - с электродвигателем;
установленный на валу гидромуфты со стороны электродвигателя колодочный фрикционный тормоз.
Заявленная полезная модель поясняется фигурой, на которой изображена структурная схема гидродинамического нагружающего устройства.
A
Б
Гидродинамическое нагружающее устройство содержит гидромуфту 1 с замкнутой системой охлаждения 2, где основными элементами гидромуфты являются насосное и турбинное  колесо, датчик измерения частоты вращения 3 насосного колеса и датчик измерения частоты вращения 4 турбинного колеса, соединительные муфты 5, 6 и 7, датчик крутящего момента 8, фрикционный колодочный тормоз 9, электродвигатель 10 с подключенными к нему регулятором частоты вращения 11 (РЧВ) и переключателем направления вращения 12 (ПНВ).
Устройство работает следующим образом.
Устройство нагружения предусматривает два принципиально разных режима работы - режим отбора мощности (режим нагружения) и режим генерации мощности (режим привода). Конкретный режим нагружения определяется оператором испытаний в зависимости от методики проведения испытаний на стенде. Например, согласно ГОСТ 10448-2014 порядок проведения испытаний двигателей внутреннего сгорания определяется программой испытаний путем последовательного увеличения (или уменьшения) нагрузки двигателя в диапазоне от холостого хода до максимальной мощности при соответствующей частоте вращения. При испытаниях автомобилей на тяговых стендах, согласно ГОСТ 26899-86, конструкция нагружающего устройства должна обеспечивать тормозной момент, соответствующий максимальному усилию машины на прямой передаче, и поглощение мощности в режиме, соответствующем режиму максимальной мощности двигателя машины за время диагностирования. Известно, что принцип действия тормозных стендов основан на измерении реактивного момента на нагрузочном устройстве стенда, возникающего при торможении колес автомобиля в процессе принудительного вращения колес диагностируемой оси автомобиля от опорных роликов.
В режиме нагружения полезная модель работает следующим образом.
А
Б
A
Б
Б
Б
Б
A
Лопастное колесо  гидромуфты 1, соосно соединенное с помощью муфт 5 и 6 с валом объекта нагружения (например, двигатель внутреннего сгорания или ролик тягового стенда), вращается с определенной частотой вращения, измеряемой тахометром 3, определяемой условиями испытаний. Лопастное колесо  гидромуфты 1, соосно соединенное с валом электродвигателя 10, в начале проведения испытаний вращается с такой же частотой вращения, что и лопастное колесо . Частота вращения лопастного колеса  устанавливается регулятором частоты вращения 11 и контролируется тахометром 4. Создание тормозного момента осуществляется снижением частоты вращения лопастного колеса . Величина тормозного момента, определяемая изменением частоты вращения лопастного колеса , контролируется датчиком крутящего момента 8. Система охлаждения 2 обеспечивает поддержание температуры рабочей жидкости, циркулирующей во внутренней полости гидромуфты 1, в определенном диапазоне. Для увеличения тормозного момента лопастное колесо  может вращаться в противоположном направлении вращению лопастного колеса . Реверсирование вращения вала электродвигателя 10 осуществляется с помощью переключателя направления вращения 12. Фрикционный колодочный тормоз 9 необходим для перехода от одного направления вращения лопастных колес гидромуфты 1 к противоположным направлениям вращения.
В режиме привода полезная модель работает следующим образом.
Б
Б
А
Б
Л
Лопастное колесо  гидромуфты 1, соединенное соосно с помощью муфты 7 с валом электродвигателя 10, вращается от электродвигателя с частотой вращения, определяемой методикой проведения испытаний на тормозном стенде. Частота вращения лопастного колеса  контролируется тахометром 4. Лопастное колесо  гидромуфты 1, соосно соединенное с помощью муфт 5 и 6 с валом объекта нагружения (например, ролик тормозного стенда) вращается за счет гидродинамического воздействия жидкости, находящейся во внутренней полости гидромуфты 1 и образованное вращением лопастного колеса . При возникновении тормозного момента со стороны объекта нагружения на валу лопастного колеса  возникает реактивный момент, величина которого измеряется датчиком крутящего момента 8. В данном режиме работы лопастные колеса гидромуфты 1 вращаются в одном направлении.
Использование гидродинамического нагружающего устройства позволяет проводить испытания двигателей внутреннего сгорания в режимах обкатки и максимального нагружения, а также испытание трансмиссий и тормозных свойств автомобилей на универсальных тягово-тормозных стендах.