2.17. Тягово-скоростные свойства автомобиля с гидродинамической передачей

На автомобилях разных марок широкое применение находят трансмиссии с гидромеханическими передачами (ГМП). Такие передачи состоят из гидротрансформатора и механической коробки передач.

Гидротрансформатор имеет насосное, турбинное и реакторное колеса, находящиеся в общем картере, заполненное маслом (рис. 2.12). Гидротрансформатор работает следующим образом При вращении коленчатого вала 1 вращается колесо насоса, жестко связанное с ним. Жидкость, находящаяся в межлопаточном пространстве насоса, под действием центробежных сил начинает двигаться по так называемому кругу циркуляции: из насоса 1 в турбину 2, из турбины – в реактор 3, а из реактора снова в колесо насоса. Часть энергии жидкости с колеса турбины передается на вал турбины 2, связанный с первичным валом коробки передач. Реактор через муфту свободного хода соединен с неподвижной втулкой 4 и обеспечивает плавное, без ударов, поступление жидкости в насос.

Рис. 2.12. Кинематическая схема гидротрансформатора

Крутящий момент на колесе турбины равен сумме крутящих моментов на колесах насоса и реактора:

М_т = М_н + М_р..

Наибольший крутящий момент на колесе турбины будет при трогании автомобиля с места, когда турбина остановлена. По мере разгона ее крутящий момент М_р на колесе реактора уменьшается, что приводит к уменьшению момента турбины. При некоторой частоте вращения турбины жидкость, вытекающая из нее, свободно проходит между лопатками реактора, не создавая на нем крутящего момента, т.е. М_р = 0 и М_т = М_н. Дальнейшее увеличение частоты вращения турбины приводит к изменению знака момента на реакторе и к расклиниванию муфты свободного хода. Реактор начинает вращаться в направлении вращения колес насоса и турбины, гидротрансформатор переходит на режим гидромуфты, при этом М_т ≈ М_н. Если реактор не установлен на муфте свободного хода, то при изменении знака момента М_р крутящий момент на турбине меньше крутящего момента насоса, т.е. М_т = М_н – М_р.

Различают три характеристики гидротрансформатора: безразмерную, нагрузочную и внешнюю.

Безразмерная характеристика представляет собой зависимости коэффициента полезного действия (КПД) , коэффициента трансформации К_тр и коэффициента насоса (первичного момента) от передаточного отношения гидротрансформатора i_тр (рис.2.13). Поскольку представляет собой отношение мощности турбины к мощности насоса, то

, (2.65)

где п_н и п_т – соответственно частоты вращения колес насоса и турбины; К = М_т/М_н – коэффициент трансформации; i = п_т/п_н – передаточное отношение гидротрансформатора.

Рис. 2.13. Безразмерная характеристика гидротрансформатора

При увеличении передаточного отношения гидротрансформатора КПД гидротрансформатора (кривая Оаbc) вначале возрастает, достигает максимума (точка а), а затем уменьшается. Если гидротрансформатор комплексный, т.е. реактор установлен на муфте свободного хода, то в точке b муфта свободного хода расклинивается и гидротрансформатор переходит на режим гидромуфты. Этот режим характеризуется равенством М_т ≈ М_н. Из (2.13) видно, что при М_т = М_н., ή = і. Следовательно, зависимость КПД гидромуфты от передаточного отношения представляет прямую Оbd , выходящую из начала координат. Однако при малых величинах передаточных отношений і_тр коэффициент полезного действия гидромуфты меньше гидротрансформатора, поэтому используют режим работы последнего. В точке b КПД гидромуфты достигает КПД гидротрансформатора и при дальнейшем увеличении і_тр превышает его. Наличие режима гидромуфты расширяет диапазон работы гидродинамической передачи в трансмиссии автомобиля. Максимальные значения КПД гидротрансформатора достигают 0,8 – 0,9, а гидромуфт 0,97 – 0,98.

Коэффициент трансформации К_тр имеет максимальное значение при трогании автомобиля с места, когда колесо турбины неподвижно (рис. 2.13). По мере увеличения частоты вращения турбины, а следовательно и і_тр, коэффициент трансформации уменьшается, а на режиме, соответствующем точке b, становится близким к единице (К_тр ≈ 1). Максимальные величины коэффициентов трансформации гидротрансформаторов, применяемых на автомобилях, колеблются в пределах 2,0 – 4,5. Гидротрансформаторы с меньшими значениями К_max используют на легковых автомобилях, а с большими – на грузовых и автобусах. Приведенные величины К_max показывают, что гидротрансформатор без механической коробки передач не сможет обеспечить нужного диапазона передаточных чисел, а значит, и удовлетворительной динамичности. Кроме того, установка механической коробки передач улучшает топливную экономичность автомобиля.

Нагрузочная характеристика гидротрансформатора представляет собой зависимости крутящего момента на колесе насоса от частоты вращения коленчатого вала двигателя при различных значениях передаточного отношения і_тр гидротрансформатора. Крутящий момент на колесе насоса выражает следующая зависимость:

М_н = λ₁γп_н² D_а⁵, (2.66)

где М_н – крутящий момент, который необходимо приложить к валу насоса, чтобы вращать его с частотой п_н; γ удельный вес жидкости, залитой в гидротрансформатор; D_а - наибольший диаметр круга циркуляции, называемый активным диаметром круга циркуляции; λ₁ коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом насоса или первичного момента. Если λ₁ = const, т. е. не зависит от передаточного отношения і_тр, то такой гидротрансформатор называю непрозрачным, если же λ₁ изменяется с изменением і_тр, то гидротрансформатор – прозрачный. У непрозрачного гидротрансформатора зависимость М_н от п_н выражается лишь одной кривой (рис. 2.14), а у прозрачного – семейством кривых.

Рис. 2.14. Нагрузочная характеристика гидротрансформатора.

Каждой величине передаточного отношения гидротрансформатора соответствует своя кривая М_н = f(п_н). При п_min крутящий момент двигателя М_е больше крутящего момента М_но, необходимого для вращения колеса насоса с частотой п_min, поэтому коленчатый вал двигателя будет интенсивно разгоняться, пока не наступит равенство М_е = М_н, что соответствует частоте вращения п^´_е. Если гидротрансформатор непрозрачный, то дальнейшего возрастания частоты вращения коленчатого вала не произойдет, и независимо от увеличения передаточного отношения двигатель будет работать на этом режиме. Если гидротрансформатор прозрачный, то возрастание передаточного отношения приведет к увеличению частоты вращения коленчатого вала до частот п^"_е, п^"´_е и т.д. при сохранении равенства М_е = М_п.

Внешняя характеристика гидротрансформатора представляет собой зависимость крутящего момента М_т на валу турбины от частоты вращения п_т турбины (рис. 2.15). Эту характеристику можно построить по данным нагрузочной характеристики (см. рис. 2.14), взяв из нее координаты точек пересечения кривых М_е и М_н, т.е. зависимость М_е = М_н от п_е = п_н.

Рис. 2.15. Внешняя характеристика гидротрансформатора.

На внешней характеристике кривая аb соответствует режиму работы гидротрансформатора, а кривая bс – режиму работы гидромуфты.

Имея внешнюю характеристику гидротрансформатора, можно рассчитать данные, необходимые для построения тяговой характеристики автомобиля с гидромеханической трансмиссией. Так как вал турбины жестко соединен с первичным валом механической коробки передач, то для расчета Р_к и V_а достаточно в формула (2.4) и (2.6) заменить М_е и п_е соответственно на М_т и п_т. Тогда

(2.67)

(2.68)

По формулам (2.67) и (2.68) найдем Р_k и V_а и построим тяговую характеристику автомобиля с гидромеханической трансмиссией (рис. 2.16). При составлении дифференциального уравнения движения автомобиля с гидромеханической трансмиссией нужно учитывать, что коэффициент учета вращающихся масс при этом возрастает.

Рис.2.16. Тяговая характеристика автомобиля с ГМП

Кривые аb и bс относятся соответственно к режимам гидротрансформатора и гидромуфты на первой передаче, а кривые dе и еі – на второй. Вертикальная прямая сd – переключение с первой на вторую передачу при постоянной скорости.

Установка гидромеханической трансмиссии облегчает управление автомобилем особенно если имеется автоматическая коробка передач, улучшает плавность разгона при трогании, так как двигатель не может заглохнуть даже при скатывании автомобиля назад на подъеме, повышает проходимость из-за того, что ведущие колеса могут вращаться малой скоростью, предохраняет трансмиссию и двигатель от пиковых перегрузок. Недостатками ГМП являются ее большая сложность и стоимость, сравнительно низкий кпд, что влияет на топливную экономичность и ремонтопригодность автомобиля.