Гидродинамические трансформаторы, внутренние и внешние характеристики, свойства гидротрансформатора и показатели его оценка

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………3
Определение гидротрансформатора…………………………………..4
Принцип работы гидротрансформатора ……………………………..6
Внутренние и внешние характеристики гидродинамических трансформаторов……………………………………………………………….9
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………..14
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………...15

ВВЕДЕНИЕ
Впервые принцип передачи крутящего момента посредством рециркуляции жидкости между двумя лопастными колесами без жесткой связи был запатентован немецким инженером Германом Феттингером в 1905 году. Устройства, работающие на основе данного принципа, получили название гидромуфта. В то время развитие судостроения требовало от конструкторов найти способ постепенной передачи крутящего момента от парового двигателя к огромным судовым винтам, находящимся в воде. При жесткой связи вода тормозила резкий ход лопастей при запуске, создавая чрезмерную обратную нагрузку на двигатель, валы и их соединения. Впоследствии модернизированные гидромуфты стали использоваться на лондонских автобусах и первых дизельных локомотивах в целях обеспечить их плавное трогание с места. А еще позже гидромуфты облегчили жизнь и водителям автомобилей. Первый серийный автомобиль с гидротрансформатором, Oldsmobile Custom 8 Cruiser, сошел с конвейера завода General Motors в 1939 году.
Определение гидротрансформатора
Существует два типа гидродинамических передач, применяемых на тракторах: гидродинамические муфты (гидромуфты) и гидродинамические трансформаторы (гидротрансформаторы).
Гидромуфты получили ограниченное распространение на универсальных сельскохозяйственных тракторах средней и высокой мощности, используемых на энергоемких операциях, на транспорте, на пересеченной местности, на легких лесозаготовительных работах, т.е. там, где приходится часто менять направление движения или сильно меняется сопротивление движению МТА.
Гидротрансформаторы получили широкое распространение на тракторах промышленного назначения, для которых характерна высокая динамичность тяговой нагрузки и работа в зоне максимальных тяговых усилий.
Гидротрансформатор представляет собой закрытую камеру тороидальной формы, внутри которой вплотную друг к другу соосно размещены насосное, реакторное и турбинное лопастные колеса. Является одним из элементов гидромеханических трансмиссий, в составе которых применяется на транспортных средствах с двигателем внутреннего сгорания от легковых машин до тепловозов.
Внутренний объем гидротрансформатора заполнен циркулирующей по кругу, от одного колеса к другому, жидкостью для автоматических трансмиссий. Насосное колесо выполнено в корпусе гидротрансформатора и жестко соединено с коленчатым валом, т.е. вращается с оборотами двигателя. Турбинное колесо жестко связано с первичным валом автоматической коробки передач. Между ними находится реакторное колесо, или статор. Реактор установлен на муфте свободного хода, которая позволяет ему вращаться только в одном направлении. Лопасти реактора имеют особую геометрию, благодаря которой поток жидкости, возвращаемый с турбинного колеса на насосное, изменяет свое направление, тем самым увеличивая крутящий момент на насосном колесе. Этим различаются гидротрансформатор и гидромуфта. В последней реактор отсутствует, и соответственно крутящий момент не увеличивается.
Рис. 1 - Устройство гидротрансформатора
Любой гидротрансформатор состоит из:
Осевого лопастного насоса, жестко связанного с корпусом гидротрансформатора. Насос обеспечивает движение жидкости.
Турбины, жестко соединенной с ведомым валом. Турбина вращается под действием потока жидкости от насоса.
Так называемого статора (реактора, направляющего аппарата) — специальной крыльчатки, установленной на пути жидкости непосредственно на выходе из турбины. Статор закреплен на обгонной муфте (муфте свободного хода), позволяющей ему свободно вращаться только в одну сторону (в ту же, в какую вращается турбина).
Принцип работы гидротрансформатора
Рабочий процесс в гидротрансформаторе сопровождается изменением скорости движения жидкости и давления в различных местах системы. При этом могут возникнуть нежелательные явления, как, например, кавитация, вибрация и др. Чтобы избежать кавитации и связанного с ней изнашивания и поломки рабочих поверхностей колес, рабочая жидкость в системе питания гидротрансформатора поддерживается под избыточным давлением, значение которого зависит от места подвода рабочей жидкости, типа гидротрансформатора и режима его работы. Давление рабочей жидкости для большинства гидротрансформаторов составляет 0,15...0,7 МПа.
Для обеспечения необходимых условий работы и контроля за работой гидротрансформатора систему питания оснащают дополнительными агрегатами: питающим насосом, радиаторами охлаждения жидкости, фильтрами, манометрами и другими устройствами. Существуют много конструктивных схем систем питания гидротрансформаторов.
Так как гидродинамический трансформатор нерегулируемый, его нельзя использовать в качестве механизма поворота в гусеничных машинах. Поэтому в силовой передаче гусеничных машин дополнительно должен быть механизм поворота.
Наряду с механическими и гидродинамическими трансформаторами в приводах рабочих органов машин и механизмов находят применение гидродинамические муфты и гидрообъемные трансформаторы.
Для нормальной работы гидродинамического трансформатора необходимы следующие условия: полное заполнение рабочей полости жидкостью; отсутствие зон с пониженным давлением во избежание кавитации; температура жидкости должна быть ниже допускаемой для предотвращения ее разложения и сохранения смазывающих свойств.
Важным случаем использования гидродинамических трансформаторов, регулируемых за счет изменения заполнения, являются судовые установки с дизелями, где на передачу, как правило, возлагается задача включения и выключения.  
Особенность физических свойств гидродинамического трансформатора заключается в том, что все его параметры, характеризующие преобразование энергии, переменны и зависят от скоростного и нагрузочного режимов.Принцип работы гидротрансформатора основан на передаче крутящего момента от двигателя к трансмиссии посредством рециркулирующего потока жидкости, без жесткой связи. Ведущее насосное колесо, соединенное с вращающимся коленчатым валом двигателя, создает поток жидкости, который попадает на лопасти расположенного напротив турбинного колеса. Под воздействием жидкости оно приходит в движение и передает крутящий момент на первичный вал трансмиссии.
Рис. 2 - Гидротрансформатор — принцип работы
С повышением оборотов двигателя увеличивается скорость вращения насосного колеса, что приводит к нарастанию силы потока жидкости, увлекающей за собой турбинное колесо. Кроме того, жидкость, возвращаясь через лопасти реактора, получает дополнительное ускорение. Поток жидкости трансформируется в зависимости от скорости вращения насосного колеса. В момент выравнивания скоростей турбинного и насосного колес реактор препятствует свободной циркуляции жидкости и начинает вращаться благодаря установленной муфте свободного хода. Все три колеса вращаются вместе, и система начинает работать в режиме гидромуфты, не увеличивая крутящий момент. При увеличении нагрузки на выходном валу скорость турбинного колеса замедляется относительно насосного, реактор блокируется и снова начинает трансформировать поток жидкости.
Работу гидротрансформатора оценивают по:
Передаточному отношению угловых скоростей его колес;
Коэффициенту трансформации, который показывает степень увеличения крутящего момента;
Коэффициенту полезного действия, определяющему энергетические свойства и экономичность;
Коэффициенту прозрачности.
Трансформация Кт зависит от диаметра «бублика», плотности масла АКПП и крутящих моментов на колесах. Максимальное значение Кт=2,5—3,0 достигается, когда турбина неподвижна. Чем выше передаточное отношение, тем ниже коэффициент трансформации. В режиме гидромуфты крутящие моменты на валах колес равны, поэтому трансформации не происходит Кт=1.
КПД гидротрансформатора зависит от соотношения мощностей, подаваемых к турбине и насосу. Показатель может достигать 97% в режиме гидромуфты, когда передаточное отношение оптимально — 0,7—0,8. В среднем КПД составляет 70—80%.
Коэффициент прозрачности П определяет, насколько ГДТ нагружает двигатель в момент изменения режима работы турбины. Для определения прозрачности нужно соотнести моменты насосного колеса при остановленной турбине и при трансформации Кт=1.
При П=1 гидротрансформатор непрозрачен. Крутящий момент турбины не влияет на работу двигателя, который находится в постоянном нагрузочном режиме. У прозрачного ГДТ П>1. Изменение нагрузки на турбинном колесе отражается на мощности двигателя. Прозрачность позволяет использовать тяговые характеристики мотора для улучшения динамики автомобиля.
Внутренние и внешние характеристики гидродинамических трансформаторов
Гидродинамические трансформаторы дают возможность 1) трансформировать передаваемый момент 2) автоматически изменять передаточное отношение в зависимости от преодолеваемого сопротивления.
Гидродинамический трансформатор является непрерывным и автоматическим, но нерегулируемым. Вследствие этого он полностью не удовлетворяет требованию 2. Не удовлетворяет он и требованию 1, так как имеет, как правило, прозрачную характеристику. Правда, отдельные типы трансформаторов имеют почти непрозрачную характеристику.
У гидротрансформаторов с непрозрачной характеристикой при изменении крутящего момента на турбинном колесе не изменяется крутящий момент на насосном колесе, которое связано с валом двигателя. В результате двигатель работает в постоянном нагрузочном режиме.
У гидротрансформатора с прозрачной характеристикой при изменении крутящего момента на турбинном колесе меняется крутящий момент на насосном колесе. Следовательно, при установке на трактор гидротрансформатора с прозрачной характеристикой режим работы двигателя меняется с изменением нагрузки на валу турбины. Это является положительным свойством прозрачного гидротрансформатора, так как он позволяет использовать преобразующие свойства двигателя (изменять крутящий момент при изменении нагрузки на его валу).
Таким образом, при установленной подаче топлива с возрастанием внешней нагрузки двигатель переходит в режим повышенного момента и наоборот. Это улучшает динамические качества трактора, имеющего необходимый запас крутящего момента двигателя.
Если у гидротрансформатора с прозрачной характеристикой при увеличении момента на валу турбины увеличивается и момент на валу насосного колеса, то его называют гидротрансформатором с прямой прозрачностью, а если момент уменьшается - то гидротрансформатором с обратной прозрачностью.
Степень прозрачности гидротрансформатора оценивают коэффициентом прозрачности П, равным отношению крутящего момента МН на валу насосного колеса при nТ = 0 к крутящему моменту на валу насосного колеса при МН = МТ.
При коэффициенте П = 1 трансформатор называют непрозрачным, при П > 1 - прозрачным. На рис. 4.7 представлена внешняя характеристика непрозрачного гидротрансформатора.
Гидротрансформаторы, применяемые на тракторах, обычно имеют коэффициент прозрачности П = 1,2...2,0.
Особенность физических свойств гидродинамического трансформатора заключается в том, что все его параметры, характеризующие преобразование энергии, переменны и зависят от скоростного и нагрузочного режимов. Программное изменение выходной мощности гидродинамического трансформатора может совершаться четырьмя способами: изменением числа оборотов двигателя, изменением степени заполнения его рабочей полости, изменением формы проточной части и комбинацией первого способа с другими двумя.
По внешней безразмерной характеристике гидродинамического трансформатора определяют величины коэффициента трансформации крутящего момента k и т гт.
Гидротрансформаторы получили распространение в технике, где наиболее часто применяются совместно с двигателями внутреннего сгорания в составе различных машин (автомобилей, тракторов, тепловозов и т.д.). Широкая область машиностроения, в которой используются гидротрансформаторы, привела к появлению весьма большого разнообразия их конструкций.
Главным конструктивным признаком гидротрансформатора, отличающего его от гидромуфты, является наличие хотя бы одного реактивного колеса. Большинство конструкций гидротрансформаторов, кроме наружной торовидной поверхности, имеют также внутренний тор. Это обеспечивает более устойчивую циркуляцию рабочей жидкости. В конструкциях гидромуфт внутренний тор используются достаточно редко. В гидротрансформаторах с большим количеством рабочих колес классическая форма тора "деформируется".
В большинстве конструкций современных гидротрансформаторов реактор устанавливается после насосного колеса, перед турбиной. Существуют гидротрансформаторы и с установкой реакторного колеса за турбинным колесом, перед насосным. Такие гидротрансформаторы позволяют обеспечить реверс колес, т.е. разное направление вращения насоса и турбины. Гидротрансформаторы могут иметь три и более рабочих колеса. Конструкции с несколькими насосными колесами практически не используются, но получили широкое применение гидротрансформаторы с несколькими турбинными и несколькими реактивными колесами.
По числу турбинных колес гидротрансформаторы подразделяются на одно-, двух- и трехступенчатые. Важным для характеристик гидротрансформатора является тип используемого турбинного колеса. Они могут быть центробежными (жидкость через турбину движется от оси вращения к периферии – колесо Т1), центростремительными (жидкость через турбину движется от периферии к оси вращения) и осевыми (направление жидкости через турбину практически параллельно оси вращения колеса).
Одноступенчатые гидротрансформаторы просты и экономичны и их применяют почти на всех типах тракторов. Однако, как было отмечено выше, максимальное КПД гидротрансформатора не превышает 0,92. При этом область работы передачи по частоте вращения турбинного колеса с высоким КПД очень узкая.
Поэтому с целью расширения области работы передачи с высоким КПД реакторное колесо устанавливают на муфту свободного хода. При этом передача может работать в режиме гидротрансформатора при неподвижном реакторном колесе и переходит в режим гидромуфты при его вращении.
С целью расширения зоны высокого КПД комплексные гидропередачи иногда выполняют с двумя реакторами. Характеристика такого гидротрансформатора состоит из трех характеристик: гидротрансформатора с высокими преобразующими свойствами, гидротрансформатора с низкими преобразующими свойствами и гидромуфты.
В случае, когда при применении одного турбинного колеса не удается получить необходимых свойств гидродинамической передачи, применяют двух- и трехступенчатые гидротрансформаторы.
Многоступенчатые гидротрансформаторы могут иметь два и более реактора, каждый из которых устанавливается перед своим турбинным колесом. Кроме того, комплексные гидротрансформаторы также могут иметь несколько реакторов, что позволяет существенно повышать их КПД. Гидротрансформатор практически любого типа может быть комплексным, если его оборудовать муфтами свободного хода. И наоборот, любой комплексный гидротрансформатор может быть переоборудован в простой. С изменением типа турбинного колеса меняется положение колеса реактора.
На современных тракторах применяются только гидротрансформаторы с центростремительной турбиной.
В двухступенчатых и трехступенчатых гидротрансформаторах различные ступени турбинных колес выполняют центробежными и центростремительными.
В зависимости от направления потока жидкости при ее относительном движении вдоль лопаток турбины различают гидротрансформаторы с центростремительной, осевой и центробежной турбинами.У гидротрансформаторов с центростремительной турбиной поток рабочей жидкости вдоль лопаток турбинного колеса направлен от периферии к центру. Центростремительная турбина расположена в рабочей полости гидротрансформатора строго напротив насосного колеса.
Осевые турбинные колеса располагаются по периферии рабочей полости так, что поток рабочей жидкости в них направлен примерно параллельно оси вращения ведомого и ведущего валов гидротрансформатора.
Центробежные турбинные колеса расположены над насосными и поток жидкости движется по ним, как и в насосных колесах, от центра к периферии.
Гидротрансформаторы применяются также в трансмиссиях тракторов. Назначение выпускаемых тракторов весьма разнообразно – от выполнения транспортных функций (универсальные тракторы) до строительных работ (бульдозеры). Поэтому в их трансмиссиях могут использоваться как комплексные двух- и трехколесные гидротрансформаторы, так и многоколесные.
Кроме отмеченных областей использования, гидротрансформаторы применяются на тепловозах, водных судах, бурильных установках и т. д. На тепловозах используются многоциркуляционные гидропередачи, в которых несколько гидропередач работают параллельно и являются единым устройством. На судовых установках также применяются сложные комбинированные гидропередачи. В состав этих установок, как правило, входит и гидротрансформатор обратного хода для обеспечения реверса гребного винта. В бурильных установках используются гидротрансформаторы с поворотными лопатками.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Гидротрансформаторы широко используются на транспорте: от легковых автомобилей и лёгких вилочных погрузчиков до сверхтяжёлых специальных грузовых шасси. Чаще всего работают с планетарными коробками передач, хотя встречаются и сочетания с обычными двух- и трёхвальными конструкциями. Популярность снабжённых гидротрансформатором машин в зависимости от региона может очень сильно различаться. Так, на конец XX века в Западной Европе около 20 % легковых автомобилей имели гидротрансформатор. Подавляющее большинство гидротрансмиссий средней и большой мощности в Европе разработано и строится фирмой Voith в Германии.
В то же время в США их доля составляла порядка 80 %. В последние годы из легкового автомобилестроения гидротрансформаторы вытесняются автоматизированными или «роботизированными» механическими коробками передач.
В СССР, а позднее в СНГ использовались в гидродинамических трансмиссиях автомобилей «Волга», «Чайка» и ЗИЛ, многоцелевых тягачах МЗКТ и КЗКТ, семействе БелАЗ, автобусах ЛАЗ-695Ж и ЛиАЗ-677, на тракторах ДТ-175С и Т-330 и на ряде маневровых тепловозов (ТГМ3, ТГМ6, ТГК2) и магистральных локомотивов — ТГ102, ТГ16, ТГ22. Кроме того, гидротрансформаторы используются в трансмиссиях некоторых типов подъёмных кранов и экскаваторов с канатным приводом рабочих органов, в приводах рудничных и карьерных ленточных конвейеров. Также гидротрансформаторы устанавливались в привод гребных винтов самого мощного в СССР речного буксира-толкача Маршал Блюхер, что позволяло двигателям теплохода-гиганта эффективно работать на малых скоростях без применения гребных винтов регулируемого шага (реализация которых на речных судах весьма затруднительна).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Гейер В. Г., Дулин В. С., Заря А. Н. Гидравлика и гидропривод: Учебник для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1991.
Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод: учеб. Г464 пособие для студ. высш. учеб. заведений / [Т. В. Артемьева, Т.М.Лысенко, А. Н.Румянцева, С.П.Стесин] ; под ред. С. П. Стесина. — 3-е изд., стер. — М. : Издательский центр «Академия», 2007. — 336 с.
Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов/ Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов и др. — 2-е изд., перераб. — М.: Машиностроение, 1982.
Лепешкин А. В., Михайлин А. А., Шейпак А. А. Гидравлика и гидропневмопривод: Учебник, ч.2. Гидравлические машины и гидропневмопривод. / под ред. А. А. Шейпака. — М.: МГИУ, 2003. — 352 с.
Теория движения автомобиля: монография / Е. В. Волков. – Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2018. - 204 с.
Электронный ресурс. Характеристики гидротрансформатора [от 18.01.20]. Режим доступа: ttps://helpiks.org/6-86054.htmlЭлектронный ресурс. Большая энциклопедия нефти и газа [от 17.01.20]. Режим доступа: https://www.ngpedia.ru/id522715p2.htmlЭлектронный ресурс. Характеристики трансформатора [от 18.01.20]. Режим доступа: https://studfile.net/preview/3828896/page:26/