5.4. Гидродинамический привод (гидродинамические передачи)

Гидродинамический привод, в отличие от объемного гидропривода, не исключает механическую трансмиссию, а лишь заменяет муфту сцепления. Наличие больших зазоров (до 15 мм) между звеньями гидродинамических передач обеспечивает легкость их изготовления и большую долговечность. В разд. 5.1 было указано, что гидродинамические передачи подразделяются на гидромуфты и гидротрансформаторы.

Г

Рис. 5.12

n₁, M₁

n₂, M₂

1

2

3

идромуфты. Схема гидромуфты изображена на рис. 5.12. Она состоит из насосного колеса 1, турбинного колеса 2, корпуса 3. Насосное колесо закреплено на ведущем валу, а турбинное – на ведомом. Рабочая полость гидромуфты заполняется жидкостью. При вращении насосное колесо сообщает энергию потоку жидкости, и она поступает в турбинное колесо. Отдав энергию турбине, жидкость возвращается в насосное колесо; таким образом, в гидромуфте осуществляется замкнутое движение жидкости между насосным и турбинными колесами. В результате поток жидкости вовлекает в движение турбинное колесо, и оно вращается в ту же сторону, что и насосное. Отсюда следует, что передача крутящего момента с ведущего вала на ведомый осуществляется за счет циркуляции жидкости между лопатками насосного и турбинного колес. Работа гидромуфты характеризуется равенством моментов на ведущем и ведомом валах: =. Кроме того, из-за отсутствия непосредственной связи между валами частота вращения ведомого вала всегда меньше частоты вращения ведущего вала . Величина называется скольжением гидромуфты.

Если обозначить передаточное отношение , то получается . Определим КПД гидромуфты через отношение мощностей на ведомом и ведущем валах:

,

т. е. . Скольжение S регулируют за счет изменения заполнения полости гидромуфты рабочей жидкостью. Для предельно заполненной гидромуфты S = 3–5 %. При полном заполнении объем рабочей жидкости равен примерно 90 % геометрического объема полости гидромуфты. Это наполнение является максимально допустимым, так как необходимо иметь свободный объем для паров и воздуха, выделяющихся из рабочей жидкости при эксплуатации гидромуфты. Любое другое наполнение менее 90 % геометрического объема гидромуфты называется частичным.

Графические зависимости крутящего момента и КПД гидромуфты от частоты вращения турбинного колеса при постоянной частоте вращения насосного колеса называются внешней характеристикой гидромуфты (рис. 5.13).

М,

η

η

М

n₂

Рис. 5.13

Внешние характеристики гидромуфт строят по результатам их испытаний как при полном, так и при частичном заполнении рабочей жидкостью. Кроме внешних характеристик, существуют также приведенные, относительные и универсальные характеристики гидромуфт. Они получаются на основании внешних характеристик путем их пересчета и предназначены для сопоставления рабочих качеств подобных и различных по конструкции гидромуфт. Гидромуфты делятся на нерегулируемые и регулируемые. К нерегулируемым относятся такие гидромуфты, у которых при постоянной частоте вращения ведущего вала частота вращения ведомого вала зависит от нагрузочного момента на ведомом валу. В регулируемых гидромуфтах частота вращения ведомого вала зависит также и от положения управляемого извне регулирующего устройства.

Как нерегулируемые, так и регулируемые гидромуфты могут быть постоянного или переменного заполнения. В регулируемых гидромуфтах предусматриваются регулирующие устройства для управления потоком жидкости внутри гидромуфты воздействием извне. Поэтому регулируемые гидромуфты при постоянном нагрузочном моменте на ведомом валу могут работать с различным скольжением, величина которого устанавливается внешним воздействием.

Гидромуфты используют для демпфирования резких колебаний нагрузки на двигатель, тем самым предохраняя трансмиссию от перегрузок (нерегулируемые гидромуфты), а также для регулирования частоты вращения валов различных машин (регулируемые гидромуфты). Применение регулируемых гидромуфт особенно полезно для изменения частоты вращения рабочих органов машин, приводимых в движение нерегулируемыми электродвигателями переменного тока (мощные вентиляторы, насосы и т. п.).

Гидротрансформаторы. В отличие от гидромуфт гидротрансформаторы передают механическую энергию между соосными валами с изменением крутящего момента. Как правило, гидротрансформаторы служат для увеличения крутящего момента на ведомом валу и по своему назначению соответствуют вариаторам с автоматическим бесступенчатым изменением частоты вращения ведомого вала.

На рис. 5.14 показано устройство простейшего гидротрансформатора, состоящего из насосного колеса 1, турбинного колеса 2 и лопаточного реактора 3. При работе гидротрансформатора насосное колесо, находящееся на ведущем валу, направляет жидкость в турбинное колесо. Отдав ему свою энергию, жидкость через неподвижный лопаточный реактор возвращается в насосное колесо. Неподвижные лопатки реактора изменяют момент количества движения жидкости между насосным и турбинным колесами, вызывая соответствующее изменение угловой скорости и вращающего момента турбинного колеса.

Е

Рис. 5.14

1

сли колеса гидромуфт изготавливают с прямыми (неизогнутыми) лопатками и поэтому насосное (ведущее), колесо может быть турбинным, и наоборот, то колеса гидротрансформаторов конструируют с изогнутыми лопатками для достижения определенного соотношения моментов и скоростей ведущего и ведомого колес. Уравнение моментов для гидротрансформатора имеет вид: М₂ = М₁ – М₃, где М₁, М₂, М₃ – моменты соответственно насосного колеса, турбинного колеса и реактора. Отсюда следует, что при заторможенном турбинном колесе его момент превосходит момент насосного колеса на величину момента на реакторе, а при раскручивании турбинного колеса его момент плавно уменьшается и при определенной скорости становится меньше момента насосного колеса на величину момента на реакторе. Рассуждая от обратного, получаем, что при больших моментах сопротивления на турбинном колесе скорость его вращения мала, а при уменьшении этих моментов скорость автоматически увеличивается.

В отличие от гидромуфт гидротрансформаторы работают только при полном заполнении рабочей жидкостью. Более того, жидкость подается в гидротрансформатор под избыточным давлением, так как устойчивая работа гидротрансформатора возможна только при полном отсутствии кавитации. Большие скорости движения и высокие температуры рабочих жидкостей увеличивают вероятность возникновения кавитации вследствие того, что особенно у входных кромок лопаток насосного колеса давление может понизиться до давления насыщенных паров рабочей жидкости. С целью компенсации влияния больших скоростей и высоких температур жидкость подается в проточную полость гидротрансформатора под избыточным давлением.

Работу гидротрансформаторов, как и гидромуфт, характеризуют внешняя, приведенная, относительная и универсальная характеристики. На рис. 5.15 представлена внешняя характеристика (остальные характеристики гидротрансформаторов получаются путем пересчета внешних характеристик). Характеристики гидротрансформаторов более пологие, чем у гидромуфт, и отличаются плавным изменением крутящего момента на ведомом валу при изменении его частоты вращения. В ряде случаев к гидротрансформаторам предъявляется требование, чтобы крутящий момент на ведущем валу оставался постоянным при изменении момента на ведомом валу. Характеристику гидротрансформатора, для которого данное требование выполняется, называют "непрозрачной"; если же при изменении момента М₂ изменяется момент М₁, такую характеристику считают "прозрачной". КПД гидротрансформаторов достигает 90 %, в то время как у гидромуфт он достигает 96 %. Данное отличие обусловлено изогнутой формой лопаток насосного и турбинного колес гидротрансформатора, что приводит к появлению дополнительных гидравлических потерь внутри рабочей камеры.

М,

η

η

М₂

М₁

Рис. 5.15

n₂

Гидротрансформатор, изображенный на рис. 5.14, называется трехколесным. Кроме таких гидротрансформаторов, имеются конструкции четырехколесные и многоколесные с одноступенчатым насосом и одно-, двух- и трехступенчатой турбиной с одним или несколькими реакторами. Существуют также гидротрансформаторы с освобождающимися реакторами, которые для достижения определенного передаточного отношения и допустимого снижения КПД начинают автоматически свободно вращаться в потоке жидкости, переводя работу гидротрансформатора на режим работы гидромуфты. На основе идеи освобождающихся реакторов создан ряд комплексных гидропередач, которые могут работать как гидротрансформатор и как гидромуфта с автоматическим переходом с одного режима на другой.

Гидротрансформаторы позволяют бесступенчато изменять частоту вращения ведомого вала в зависимости от нагрузки на нем. Их применяют в приводах машин в сочетании с электродвигателями, газовыми турбинами, двигателями внутреннего сгорания.