Характеристики гидротрансформатора

Режим работы гидротрансформатора удобнее всего определить передаточным отношением— отношением частоты вала турбины к частоте вала насоса:

Преобразующие свойства гидротрансформатора оценивают ко­эффициентом трансформации, представляющим собой отношение момента, снимаемого с вала турбины, к моменту, подводимому к валу насоса:

Очевидно, что максимальное значение коэффициент трансфор­мации имеет при неподвижной турбине, когда передаточное отно­шение равно 0.

По мере роста значения передаточного отношения коэффициент трансформации уменьшается, зависимость коэффициента транс­формации от передаточного отношения обычно определяется экс­периментально для каждой конкретной конструкции.

Потери энергии в гидротрансформаторе оценивают, как в любом механизме, коэффициентом полезного действия, представляющим собой отношение мощности Рт снимаемой с турбины, к мощности Рн, подводимой к насосу:

Поскольку мощность представляет собой произведение крутя­щего момента на угловую скорость, то коэффициент полезного действия представляет собой произведение коэффициента транс­формации на передаточное отношение:

На рис. 4 представлена так назы­ваемая безразмерная характеристика гидротрансформатора, представляю­щая собой зависимость коэффициен­та трансформации и коэффициента полезного действия от передаточного отношения.

При трогании автомобиля с места вал турбины неподвижен (так назы­ваемый «столовый» режим работы трансформатора). При этом угол ата­ки жидкостью лопаток реактора (а3)

Рис. 4. Безразмерная характерис­тика гидротрансформатора

наибольший, давление жидкости на реактор наибольшее и соот­ветственно реактивное воздействие реактора на турбину также на­ибольшее. На безразмерной характеристике это режим, соответст­вующий нулевому значению передаточного отношения, коэффи­циент трансформации на этом режиме имеет максимальное значение. Поскольку вал турбины неподвижен, то мощность, снимаемая с турбины на этом режиме, равна 0, следовательно, КПД гидро­трансформатора на «стоповом» режиме также равен 0.

По мере разгона автомобиля под действием подведенного к ведущим колесам крутящего момента турбины увеличивается частота вращения вала турбины, что ведет, как было сказано выше, к умень­шению угла сс3, это, в свою очередь, приводит к уменьшению реактивной добавки крутящего момента на турбине и соответственно к уменьшению коэффициента трансформации. При определенной скорости вращения вала турбины струя жидкости при выходе с лопаток турбины направлена таким образом, что при входе в реактор она проходит между лопатками реактора, не воздействуя на них. В этом случае реактивная составляющая момента на турбинном колесе становится равной 0 и, следовательно, крутящий момент на турбинном колесе становится равным крутящему моменту, под­веденному к насосному колесу. Коэффициент трансформации в этом случае становится равным единице. При дальнейшем увели­чении скорости вращения вала турбины струя жидкости будет ата­ковать лопатки реактора с противоположной стороны, реактивная добавка момента изменит свой знак, и момент на валу турбины станет меньше момента на валу насоса. При этом, однако, не произойдет увеличения скорости вращения вала турбины в срав­нении со скоростью вала насоса, поэтому этот режим работы транс­форматора характеризуется началом интенсивного падения коэф­фициента полезного действия и должен быть исключен из области возможных режимов работы гидротрансформатора при установке его на автомобиле. Чаще всего исключение возможности работы гидротрансформатора на режиме, когда момент на турбинном колесе становится меньше момента, подводимого к насосу, достигается установкой реактора на неподвижной опоре на муфте свободного хода, допускающей восприятие момента реактором только в одном направлении. Если струя жидкости начинает атаковать лопатки ре­актора с противоположной стороны, муфта свободного хода рас­клинивается, колесо реактора начинает свободно вращаться в потоке жидкости, не оказывая на нее воздействия, абсолютная скорость жидкости, выходящей из турбины, становится равной абсолютной скорости жидкости, входящей на лопатки насоса, гидротрансфор­матор превращается в гидромуфту. У гидромуфты КПД равен зна­чению передаточного отношения, поэтому на режиме работы, когда коэффициент трансформации равен единице, эффективность гид­ромуфты равна эффективности гидротрансформатора, на больших значениях передаточного отношения КПД гидромуфты становится значительно выше, чем КПД гидротрансформатора. Гидротранс­форматоры, у которых колесо реактора установлено на муфте сво­бодного хода и которые на определенном режиме работы превра­щаются в гидромуфту, называют комплексными. В настоящее время подавляющее число применяемых в массовом автостроении гидро­трансформаторов являются комплексными. Исключение составляют отдельные конструкции гидропередач, у которых режим уменьшения момента на турбинном колесе в сравнении с моментом насоса исключен из возможных режимов работы гидротрансформатора пу­тем соответствующей кинематики передачи. Примером могут слу­жить дифференциальные (двухпоточные) гидромеханические пере­дачи, речь о которых пойдет ниже.

В некоторых случаях для увеличения зоны высоких значений КПД в гидротрансформаторе устанавливают два реактора, каждый на собственной муфте свободного хода. В этом случае в определенной зоне передаточных отношений работает первый реактор, имеющий лучшие показатели по КПД. При достижении некоторого значения передаточного отношения первый реактор выключается из работы из-за того, что расклинивается его муфта свободного хода, однако начинает работать второй реактор, причем в этой зоне передаточных отношений КПД трансформатора со вторым реактором выше того, какой имел бы трансформатор с первым реактором, если бы он продолжал работать. При дальнейшем увеличении передаточного от­ношения выключается из работы и второй реактор, и гидротранс­форматор превращается в гидромуфту. Гидротрансформаторы с двумя реакторами называют четырехколесными комплексными.

В отдельных случаях для повышения топливной экономичности автомобиля предусматривается принудительная блокировка гидро­трансформатора. Блокировка выполняется обычно управляемой фрикционной муфтой.

По расположению в круге циркуляции турбинные колеса могут быть центростремительными, осевыми и центробежными. Экспе­риментально и теоретически доказано, что наилучшие показатели по КПД и преобразующим свойствам имеют гидротрансформаторы с центростремительной турбиной.

Кроме рассмотренной схемы гидротрансформатора, в которой применяется одно турбинное колесо, принципиально возможны и другие схемы гидротрансформаторов. При наличии двух или боль­шего числа турбинных колес, жестко закрепленных на выходном валу гидротрансформатора, трансформаторы называют соответствен­но двух- или многоступенчатыми.

В том случае, когда трансформаторы имеют два или более тур­бинных колес, вращающихся с разными частотами и связанными с выходным валом посредством зубчатых передач, трансформаторы называют соответственно двух- или многотурбинными.

В настоящее время подавляющее распространение получили гид­ротрансформаторы с одной турбиной.

Колесо реактора по ходу жидкости в круге циркуляции может располагаться как между насосным и турбинным колесами, так и между турбинным и насосным колесами. В случае установки реактора по ходу жидкости в круге циркуляции между турбинным и насосным колесами направление вращения турбинного колеса всегда такое же, как и насосного. Такие трансформаторы называют трансфор­маторами прямого хода. В случае расположения реактора между насосом и турбиной по ходу жидкости в круге циркуляции можно за счет соответствующего профилирования колес реактора и турбины добиться изменения направления вращения колеса турбины отно­сительно направления вращения колеса насоса. Такие трансфор­маторы называют трансформаторами обратного хода. На современ­ных автомобилях в подавляющем большинстве случаев применяют трансформаторы прямого хода. Трансформаторы обратного хода иногда применяют в дифференциальных (двухпоточных) гидроме­ханических передачах.

При наличии гидротрансформатора двигатель автомобиля не имеет жесткой механической связи с ведущими колесами. Нагрузку двигателю создает только насосное колесо гидротрансформатора. Из уравнения Эйлера следует, что момент на насосном колесе яв­ляется функцией квадрата частоты вращения вала насоса, что по­зволяет использовать гидротрансформатор в качестве сцепления при трогании автомобиля.

При нагружении двигателя моментом насоса режим работы дви­гателя может оставаться постоянным на всех режимах работы гид­ротрансформатора. Это означает, что нагрузка трансмиссии не про­ходит на двигатель, такие трансформаторы называют непрозрачными. Если режим работы двигателя зависит от режима работы гид­ротрансформатора, частота совместной работы двигателя и насоса увеличивается с увеличением передаточного отношения, то транс­форматор называют прозрачным с прямой прозрачностью. Если частота совместной работы двигателя и насоса уменьшается с увеличением передаточного отношения, то прозрачность трансформатора назы­вают обратной. Существуют трансформаторы, имеющие при малых значениях передаточного отношения обратную прозрачность, а при средних и больших — прямую. Величина прозрачности зависит от конструкции колес гидротрансформатора, и, в частности, опреде­ляется профилем и углом наклона лопаток колес.

Обычно прозрачные гидротрансформаторы применяют в тех слу­чаях, когда двигатель обладает достаточным коэффициентом при­способляемости и снижение частоты вращения вала двигателя при уменьшении передаточного отношения приводит к росту крутящего момента двигателя. Если приспособляемость двигателя небольшая, то предпочитают устанавливать непрозрачный гидротрансформатор,

что исключает частую смену скоростного режима работы двигателя. Трансформаторы с обратной прозрачностью при малых значениях передаточного отношения применяют иногда на легковых автомо­билях для повышения динамики разгона в момент трогания авто­мобиля, поскольку в момент трогания рост передаточного отношения ведет к уменьшению частоты вращения вала двигателя и соответ­ственно к увеличению ускорения автомобиля.