Классификация бесступенчатых передач

Бесступенчатые передачи, возможные для применения в транс­миссии автомобиля, можно классифицировать по принципу работы и по способу управления. По принципу работы бесступенчатые передачи можно разделить на:

- гидродинамические;

—объемные гидропередачи;

— электрические;

—импульсные;

—фрикционные.

По принципу управления передачи можно разделить на управ­ляемые вручную и автоматические. Автоматические передачи в свою очередь можно разделить на передачи, обладающие внутренним автоматизмом, и передачи, требующие наличия внешнего автома­тического регулятора.

Следует отметить, что из всего многообразия возможных бес­ступенчатых передач в массовом автостроении применяются в ос­новном гидродинамические передачи в сочетании со ступенчатой коробкой передач, получившие название гидромеханических пере­дач, и фрикционные передачи (с непосредственным контактом или с гибкой связью).

Гидродинамические передачи

Гидродинамическими называют передачи, в которых передача мощности от одного узла к другому осуществляется за счет ис­пользования кинетической энергии потока жидкости.

Из многообразия гидродинамических передач в автостроении нашли применение в основном два гидродинамических устройства — гидромуфта и гидротрансформатор. Принцип работы и конструкция гидромуфт рассмотрены выше.

Принцип работы гидротрансформатора

Гидротрансформатор представляет собой объединенные в один узел центробежный насос, гидравлическую турбину и неподвижный направляющий аппарат.

Принцип работы гидротрансформатора вытекает из уравнения момента на лопаточном колесе при взаимодействии его со струей жидкости, изложенного еще Леонардом Эйлером.

Согласно этому уравнению, момент на лопаточном колесе при взаимодействии со струей жидкости равен разности моментов ко­личества движения струи жидкости до удара в лопатку и после.

Рассмотрим взаимодействие струи жидкости с прямой лопаткой

(рис. 1 а).

Здесь V₁ — вектор скорости струи жидкости до удара в лопатку; г₁ — радиус действия струи жидкости относительно опоры лопа­точного колеса до удара в лопатку.

Тогда момент количества движения струи жидкости до удара в лопатку равен:

где (Q— секундный расход жидкости; р— плотность жидкости.

Рис. 1. Взаимодействие струи жидкости с лопаточным колесом

а — непрофилированное лопаточное колесо; б— профилированное лопаточное колесо

Очевидно, что после взаимодействия с плоской лопаткой сум­марная скорость потока жидкости будет равна 0, а значит, и момент количества движения струи жидкости после удара в лопатку также будет равен 0.

Тогда в соответствии с уравнением Эйлера момент на лопаточном колесе Л/лк будет равен моменту количества движения жидкости до удара в лопатку

Такое воздействие струи жидкости на лопаточное колесо можно назвать активным.

Рассмотрим теперь взаимодействие струи жидкости с профи­лированной лопаткой (рис. 1 б).

Здесь vi и г{ — то же, что и на рис. 1 а; V2— вектор скорости струи жидкости после удара в лопатку; г2 — радиус действия струи

жидкости относительно опоры лопаточного колеса после удара в лопатку.

Момент количества движения струи жидкости до удара в лопатку, аналогично предыдущему случаю, будет равен:

Момент количества движения струи жидкости после удара в лопатку будет равен (с соблюдением знака действия момента):

Момент на лопаточном колесе Млк в этом случае будет равен разности моментов количества движения струи жидкости до удара в лопаточное колесо и после удара:

Рис. 2. Схема гидро­трансформатора

Увеличение крутящего момента на профилированном лопаточном колесе, вызванное поворотом струи жидкости (величина М>), называют реактивным воздействием струи жидкости на лопаточное колесо.

С учетом вышеизложенного рассмотрим принцип работы про­стейшего гидротрансформатора.

Схема гидротрансформатора показана на рис. 2. Насосное колесо Я устанавливается либо непосредственно на валу двигателя, либо соединяется с ним через согласующий ре­дуктор, а турбинное колесо Г связано с вход­ным валом трансмиссии. Реакторное колесо Р при работе узла в режиме трансформатора крутящего момента жестко закреплено на картере передачи. Внутренняя полость транс­форматора заполнена рабочей жидкостью — жидким маслом.

При вращении насосного колеса валом двигателя элементарные объемы жидкости, заключенные в межлопаточных пространст­вах насоса, совершают вращение вокруг оси насоса и одновременно под воздействием центробежной силы перемещаются внутри межлопаточного про­странства. Таким образом, на выходе из насоса элементарный объем жидкости имеет абсолютную скорость Кн2, представляющую собой геометрическую сумму двух скоростей — переносной Жн2, опреде­ляемой частотой вращения элементарного объема жидкости вокруг оси насоса и радиусом расположения элементарного объема, и от­носительной [1н2, вызванной движением жидкости в круге цирку­ляции, центром которого является средняя линия тора, образован­ного колесами гидротрансформатора. Очевидно, что обе скорости -и переносная и относительная — являются функциями частоты вра­щения насосного колеса, а следовательно, и абсолютная скорость элементарного объема жидкости при выходе из насоса также является функцией частоты вращения насоса. Если пренебречь потерями энергии в межлопаточном пространстве, что при качественном ана­лизе процесса вполне допустимо, можно считать, что абсолютная скорость струи жидкости при входе в турбину Иг) равна скорости струи жидкости при выходе из насоса Кн2. Жидкость атакует лопатки турбины, изменяет направление своего движения, и на выходе из турбины абсолютная скорость элементарного объема жидкости Кт2 также представляет собой геометрическую сумму переносной ско­рости №т2, определяемой частотой вращения турбины и радиусом действия элементарного объема, и относительной №2, зависящей от профиля лопаток турбины и скорости движения жидкости в

Рис. 3. Развертка круга циркуляции гидротрансформатора круге циркуляции. Очевидно, что при постоянном режиме работы насоса величина и направление абсолютной скорости струи жидкости при выходе их турбины зависят от скорости вращения турбины.

Выходя из турбины, жидкость атакует лопатки реактора (Ут2 = = Кр,), еще раз меняет направление движения в круге циркуляции и выходит из реактора, имея направление, определяемое профилем лопаток реактора. Поскольку реактор неподвижен, то направление струи жидкости при выходе из реактора всегда одно и то же. Величина и направление скорости струи жидкости при выходе из реактора являются входными характеристиками струи жидкости при входе на лопатки насоса (VP2 = VH1)-

На рис. 4.3 условно показана развертка круга циркуляции.

Здесь: VH2 — абсолютная скорость струи жидкости при входе в насос;

VH2 — абсолютная скорость струи жидкости при выходе из насоса;

VT2 — абсолютная скорость струи жидкости при выходе из турбины;

VP2 — абсолютная скорость струи жидкости при выходе из реактора;

WH2 — переносная скорость струи жидкости при выходе из насоса;

UH2— относительная скорость струи жидкости при выходе из насоса;

WT2—переносная скорость струи жидкости при выходе из турбины;

UT2—относительная скорость струи жидкости при выходе из тур­бины;

r1 — радиус действия среднего сечения струи жидкости при входе в насос (выход из реактора);

r2 —радиус действия среднего сечения струи жидкости при выходе из насоса (вход в турбину);

r3 —радиус действия среднего сечения струи жидкости при выходе из турбины (вход в реактор);

а, —угол между направлением абсолютной и переносной скоростей на входе в насос;

а2 —угол между направлением абсолютной и переносной скоростей на выходе из насоса;

a3 —угол между направлением абсолютной и переносной скоростей на выходе из турбины.

В соответствии с уравнением Эйлера определим значения мо­ментов на колесах гидротрансформатора:

Заметим, что момент на насосном колесе не зависит от режима работы турбины, поскольку величины скоростей Vн1 и

Vн2 являются функциями частоты вращения насосного колеса.

На турбинном колесе момент зависит как от режима работы насоса (первое слагаемое в скобках — активное воздействие на тур­бину), так и от режима работы турбины (второе слагаемое в скобках — реактивное воздействие на турбину).

Заметим, что угол сс3 больше 90°, поэтому второе слагаемое представляет собой положительную величину.

При неподвижной турбине (неподвижный автомобиль) угол сс3 имеет наибольшее значение, угол атаки лопаток реактора наиболь­ший, и реактивная добавка момента на турбине наибольшая. С увеличением частоты вращения вала турбины (увеличение ско­рости движения автомобиля) растет переносная скорость \Ут2, что ведет к уменьшению угла а3, а следовательно, и второго слагаемого в скобках, выражения момента турбины (реактивной добавки мо­мента на турбине).

Таким образом, гидротрансформатор выполняет две функции: увеличение момента, передаваемого в трансмиссию, в сравнении с моментом, подводимым к гидротрансформатору, и уменьшение момента турбины по мере разгона вала турбины (разгона авто­мобиля). Этим объясняется внутренний автоматизм гидротранс­форматора.

Очевидно, что алгебраическая сумма моментов на колесах гид­ротрансформатора равна нулю:

Это означает, что момент на турбинном колесе представляет собой сумму двух моментов: активного, воспринимаемого от насоса, и реактивного, возникающего вследствие реакции струи жидкости, вызванной поворотом направления струи жидкости в неподвижных лопатках реактора: