СИСТЕМА ПОДОГРЕВА АГРЕГАТОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
HEATING SYSTEM FOR VEHICLE MECHANICAL TRANSMISSION UNITS

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройству для тепловой подготовки и поддержания теплового режима коробки перемены передач (КПП) и редукторов ведущих мостов при эксплуатации транспортного средства в зимний период.
Работоспособность транспортного средства в значительной степени определяется стабильностью показателей работы трансмиссии. При увеличении теплоотдачи агрегатами трансмиссии в окружающую среду нарушается их тепловой режим работы, что влечет за собой увеличение внутренних потерь энергии и интенсивности изнашивания поверхностей трения зубчатых зацеплений.
-3
-1
-3
-1
-3
-1
-3
-1
Исследования приспособленности автомобилей ПА3-672, ГА3-66, ГА3-24, М-412, ЗИЛ-130 и др. по тепловому режиму агрегатов показали, что при температуре окружающего воздуха минус 40°С температура масла в картере коробок передач имеет значения от 18 до 33°С, а температура задних мостов составляет от 2 до 43°С (меньшие значения относятся к грузовым автомобилям, большие - к легковым). При этом темп прогрева для коробок передач на стоянке при работающем двигателе равен (18-70)·10 мин, причем минимальные значения относятся к грузовым автомобилям, а максимальные - к легковым. При движении темп прогрева коробок передач увеличивается до (27-99)·10 мин. Для задних мостов грузовых автомобилей темп прогрева составляет (23-63)·10 мин, а для легковых он равен (131-138)·10 мин, т.е. выше примерно в 4 раза [Резник Л.Г. Научные основы приспособленности автомобилей к условиям эксплуатации: автореф. дис. … д-ра техн. наук / Л.Г. Резник.  Тюмень, 1981. - С.16]. При этом оптимальные значения температуры трансмиссионного масла находятся в пределах 60-90°С. На основании приведенных данных можно сделать вывод, что в некоторых случаях эксплуатации трансмиссий транспортных средств в зимних условиях необходимы дополнительные источники тепловой энергии как для увеличения темпа их прогрева, так и для поддержания их теплового режима в процессе движения.
В настоящее время известно несколько устройств для обеспечения теплового режима агрегатов трансмиссии транспортных средств.
Известно устройство для подогрева картера КПП теплом отработавших газов (патент на ПМ №74605 опубликован в БИ №19 10.07.08 г.). Данное устройство позволяет вторично использовать тепло двигателя транспортного средства на подогрев картера КПП. В качестве недостатков данного устройства можно отметить высокую степень пожароопасности, низкий коэффициент полезного действия (КПД), необходимость демонтажа теплообменников картеров редукторов трансмиссии при эксплуатации автомобиля в летний период вследствие ухудшения теплоотдачи в окружающую среду стенками картеров.
Известна система для тепловой подготовки и поддержания оптимального теплового режима агрегатов трансмиссии и элементов подвески (патент на ПМ №119086 опубликован 10.08.2012, Бюл. №22). Система обеспечивает прогрев до рабочей температуры и поддержание теплового режима редукторов трансмиссии, однако жидкость, используемая в качестве теплоносителя, теряет свою скорость в импортирующем теплообменнике из-за спиралевидного расположения ребер, необходимых для увеличения интенсивности теплообмена жидкости и выпускной системы двигателя транспортного средства. Вследствие последовательного соединения экспортирующих теплообменников неизолированными жидкостными магистралями и их низкого КПД жидкость имеет низкую способность теплоотдачи агрегатам трансмиссии.
Известна система автоматического поддержания оптимальных температур рабочих жидкостей и масел в агрегатах и узлах самоходных машин (патент на изобретение №2500899 опубликован 10.12.2013, Бюл. №34). Система обеспечивает подогрев агрегатов и узлов самоходных машин, однако не лишена недостатков. Основным недостатком является сложность подачи масла для его нагрева непосредственно в теплообменнике в силу его начальной высокой вязкости, а также низкая эффективность при наличии большого числа контуров теплопередачи. С точки зрения минимизации затрат энергии на работу системы автоматического поддержания оптимальных температур рабочих жидкостей и масел в агрегатах и узлах самоходных машин более эффективным будет подвод непосредственно жидкости утилизационного контура к агрегатам и системам.
Известна система обеспечения теплового режима редукторов механической трансмиссии транспортного средства, взятая за прототип (патент на ПМ №130058 опубликован 10.07.2013, Бюл. №19). Предложенная авторами конструкция позволяет использовать теплоту отработавших газов для подогрева агрегатов трансмиссии, однако, конструкция импортирующих теплообменников не обеспечивает необходимую рекуперацию теплоты отработавших газов для нагрева промежуточного теплоносителя.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА - повышение эффективности тепловой подготовки и поддержание теплового режима агрегатов трансмиссии при эксплуатации транспортного средства в условиях пониженных температур окружающей среды.
Для достижения технической задачи предлагается система подогрева агрегатов механической трансмиссии транспортного средства, включающая теплоизолированный глушитель-рекуператор для нагрева жидкости системы, например антифриза, без изменения уровня шума отработавших газов на выходе в окружающую среду, выполненный в виде теплообменника типа «труба в трубе», на внутренней трубе которого имеются отверстия для прохождения отработавших газов с внешней стороны вовнутрь трубы, для теплообмена между отработавшими газами и жидкостью системы в глушителе-рекуператоре установлены трубки теплопередачи, жестко и герметично закрепленные между собой торцевыми фланцами при помощи сварного соединения таким образом, что образованные полости между фланцами обеих сторон глушителя-рекуператора соединяют между собой внутренние полости трубок теплопередачи, теплообменники КПП и ведущих мостов, соединенных параллельно и служащих для передачи теплоты от системы к редукторам трансмиссии, причем теплообменник КПП установлен на внутренней стороне стенки КПП, и его форма аналогична форме стенки, а теплообменники ведущих мостов установлены на наружной части картеров главных передач и выполнены аналогично их форме, жидкостный насос для циркуляции жидкости и обмена теплоты между глушителем-рекуператором и теплообменниками системы, теплоизолированный расширительный бак для жидкости, снабженный пробкой с клапанным механизмом, датчик температуры жидкости в системе, соединенный с электронным блоком управления ЭБУ для контроля за тепловым режимом системы подогрева и управления ее электронными элементами, систему теплоизолированных жидкостных магистралей, коробку переключения отработавших газов для подачи отработавших газов в рекуператор или в стандартный глушитель, электромагнит для управления коробкой переключения отработавших газов.
На фиг. 1 представлена система подогрева агрегатов механической трансмиссии транспортного средства в общем виде; на фиг. 2 - конструкция глушителя-рекуператора; на фиг. 3 - блок-схема работы системы в автоматическом режиме.
Основным звеном системы является глушитель-рекуператор 1, установленный на трубе 2 выпускной системы двигателя транспортного средства таким образом, что температура отработавших газов достаточна для нагрева жидкости в глушителе-рекуператоре до величины не менее 95°С. Для контроля теплового состояния жидкости системы на выходе из глушителя-рекуператора установлен датчик температуры 3. Циркуляция нагретой жидкости внутри системы производится при помощи жидкостного насоса 4, работа которого осуществляется от бортовой сети транспортного средства. С целью предотвращения возникновения повышенного давления жидкости в системе в теплоизолированном расширительном баке 5 предусмотрена пробка 6 с клапанным механизмом. Теплопередача от системы подогрева к редукторам трансмиссии производится при помощи теплообменников 7, 8 и 9, установленных в картере КПП и на наружной части корпусов дифференциалов ведущих мостов соответственно. Теплообменник 7 плотно прилегает к внутренней части правой стенки картера КПП, выполнен из материала с высокой теплопроводностью, например из меди, а его форма аналогична форме внутренней поверхности правой стенки картера КПП. Форма теплообменников 8 и 9 аналогична форме картера главной передачи, плотно прилегает к его наружной части и их количество варьируется в зависимости от числа ведущих мостов транспортного средства, тепловой режим которых необходимо поддерживать. Отдельные звенья системы соединяются между собой при помощи системы теплоизолированных жидкостных магистралей 10, тройников 11 и червячных хомутов 12. Изменение направления движения отработавших газов из глушителя-рекуператора (направление а) в штатный глушитель (направление б) осуществляется при помощи коробки переключения отработавших газов 13, например, производства КамАЗ, дополнительно установленной в штатную систему выпуска, управление которой осуществляется электромагнитом 14.
Глушитель-рекуператор 1 представляет собой теплообменник типа «труба в трубе», состоящий из внутренней трубы 15 с отверстиями 16 для прохождения отработавших газов с внешней стороны вовнутрь трубы, внешней трубы 17, служащей кожухом для глушителя-рекуператора, трубок теплопередачи 18 для теплообмена между отработавшими газами и жидкостью системы, жестко и герметично закрепленных между собой торцевыми фланцами 19, 20 и 21 при помощи сварного соединения таким образом, что образованные полости между фланцами 19 и 20, 21 и 22 соединяют между собой внутренние полости трубок теплопередачи. Для подвода и отвода жидкости системы имеются штуцеры 23, для подвода отработавших газов имеется входной патрубок 24. Стоит отметить, что глушитель-рекуператор 1 выполнен по противоточной схеме движения теплоносителей, при этом сопротивление движению отработавших газов, создаваемое глушителем-рекуператором 1, не превышает сопротивления штатного глушителя.
Система подогрева работает следующим образом.
При работе двигателя транспортного средства отработавшие газы, движущиеся по трубе выпускной системы 2 двигателя, направляются в глушитель-рекуператор 1 при помощи коробки переключения газов 13. Теплота отработавших газов посредством теплоотдачи передается трубкам теплопередачи, внутри которых находится жидкость, а уровень шума отработавших газов снижается за счет потери скорости при обтекании трубок теплопередачи и прохождения через отверстия 16. Нагретая жидкость циркулирует по системе подогрева и подается к теплообменникам 7, 8 и 9 за счет давления, создаваемого жидкостным насосом 4, в результате чего происходит нагрев масла в редукторах трансмиссии.
При температуре жидкости в системе подогрева ниже 80°С датчик температуры жидкости 3 подает сигнал на ЭБУ 25, питающиеся от бортовой сети 26 транспортного средства. ЭБУ 25 воздействует на электромагнит 14, одновременно включает жидкостный насос 4, и отработавшие газы поступают из системы выпуска в глушитель-рекуператор 1, при этом часть жидкости подается в теплообменник 7 КПП, другая часть - к теплообменникам 8 и 9 ведущих мостов, таким образом обеспечивается параллельное движение жидкости по системе: «глушитель-рекуператор 1 - теплообменник 7 КПП» и «глушитель-рекуператор 1 - теплообменники 8 и 9 ведущих мостов». При достижении температуры жидкости системы подогрева значения 95°С ЭБУ 25 направляет отработавшие газы из глушителя-рекуператора 1 в штатный глушитель (на фиг. 1 не указан), т.е. меняет направление движения газов с а на 6, предотвращая тем самым перегрев жидкости системы подогрева и масла редукторов трансмиссии. Учитывая, что трансмиссионное масло современных автомобилей работоспособно до 120°С, работа системы подогрева не изменит его работоспособность путем нагрева до 95°С. Стоит отметить, что теплообменники 7 КПП, 8 и 9 ведущих мостов монтируются при установке системы подогрева на автомобиль и не снимаются при эксплуатации в летний период, т.к. теплоотдача в окружающую среду стенками агрегатов трансмиссии практически не уменьшается.
Предлагаемая система повышает эффективность тепловой подготовки редукторов трансмиссии в первые минуты работы транспортного средства, а также обеспечивает поддержание теплового режима в процессе их работы.