Тяговый расчет ГМ

21

Nw = 0,0214·kw·(H-h) ·B ·V3.

Баланс мощности гусеничной машины показывает, как расходуется мощность, подводимая к ее ведущим колесам.

Кривые баланса мощности строят для тех же условий, что и кривые тягового баланса, однако ограничения по сцеплению ведущих колес с дорогой не приводятся.

На графике баланса мощности должна быть отмечена максимальная скорость движения машины на сухой грунтовой дороге.

22

4. ОСОБЕННОСТИ ТЯГОВОГО РАСЧЕТА МАШИНЫ, ОБОРУДОВАННОЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ

4.1. Общие положения

Гидродинамические передачи по характеру преобразования механической энергии можно разделить на три группы: гидромуфты, гидротрансформаторы и комплексные гидропередачи (комплексные гидротрансформаторы). Последние обеспечивают работу одного и того же агрегата в зависимости от нагрузок как в режиме гидромуфты, так и в режиме гидротрансформатора. Гидромуфты не получили распространения в трансмиссиях транспортных и тяговых машин, поэтому в дальнейшем речь будет идти только о гидротрансформаторах и комплексных гидропередачах, причем и те и другие будут называться гидротрансформаторами (ГТР).

Применение гидродинамических передач в трансмиссиях транспортных и тяговых машин предполагает одновременное использование и прочих преобразователей крутящего момента, которые должны обеспечивать изменение передаточного числа трансмиссии в процессе движения машины. Чаще всего эту функцию выполняют ступенчатые механические коробки передач, которые часто называют дополнительными коробками передач (ДКП). Подобные конструкции, включающие в себя гидродинамическую передачу и ступенчатую КП, получили название гидромеханических коробок передач (ГМКП).

Взависимости от способа соединения ГТР и ДКП различают однопоточные ГМКП (при последовательном соединении ГТР и ДКП) и двухпоточные (при параллельном соединении агрегатов). В настоящем пособии рассматривается случай использования в трансмиссии однопоточной ГМКП.

Вряде случаев двигатель и ГТР соединяются между собой через согласующий редуктор (СР).

Тяговый расчет машины с ГМКП в силу преобразующих свойств ГТР отличается от тягового расчета аналогичной машины со ступенчатой коробкой передач. Чтобы свести эти отличия к минимуму, с точки зрения методологии удобно рассматривать двигатель, СР (если он используется) и ГТР как единую силовую установку ДВС-ГТР со своей внешней скоростной и кинематической характеристиками, и использовать эти характеристики в дальнейшем при тяговом расчете в качестве характеристики двигателя для ступенчатой трансмиссии. В этом случае все основные положения и порядок проведения тягового расчета для ступенчатой КП можно распространять и на ГМКП (с учетом отдельных замечаний, изложенных ниже). Такой подход

кразработке методики выполнения тягового расчета машины с ГМКП и был использован при написании настоящего пособия.

24

В практических целях удобно пользоваться так называемой безразмерной характеристикой ГТР*. Строится она пересчетом из внешней с использованием соотношений (1), (2), (3), (4) и представляет собой законы изменения λн , кт и ηгтр в зависимости от uг/ . Характеристика задается либо графически,

либо в табличной форме. Часто вместо коэффициента λн дается значение ρ·λн или γ·λн. Здесь γ – удельный вес рабочей жидкости. При использовании

безразмерной характеристики ГТР в своих расчетах особое внимание следует обратить на размерность этих коэффициентов и при необходимости выполнить соответствующие преобразования. Рекомендуем для

пичный вид безразмерной характеристики комплексной гидропередачи с одним реактором представлен на рис. 4.1.

Рис.4.1. Безразмерная характеристика ГТР

Для построения тяговой характеристики машины и оценки совместной работы гидропередачи с двигателем строятся входная и выходная характери-

* Параметры этой характеристики могут иметь размерность, а название «безразмерная» говорит о том, что зависимости, представленные на этой характеристике справедливы (в определенных пределах) для любого ГТР подобного типа, независимо от размера активного диаметра гидропередачи.

25

стика гидропередачи. Известные графические методы их построения довольно трудоемки, поэтому рекомендуем ориентироваться на использование машинных методов расчета с применением ЭВМ, а для оценки результатов расчета использовать средства машинной графики.

4.3. Характеристика совместной работы двигателя и ГТР (входная характеристика гидропередачи)

Для установившегося режима работы

Мсв = Мн/ .

Здесь Мн/ ’- момент внешней нагрузки двигателя (со стороны насосного коле-

са) или приведенный к валу двигателя момент на насосном колесе. При наличии СР

где uр и ηр – передаточное число и КПД согласующего редуктора, nд – частота вращения вала двигателя. При отсутствии редуктора Мн/ = Мн и nд=nн.

Совмещенные на одном графике характеристики Мсв=f(nд) и Мн/ =ψ(nд)

для ряда скоростных передаточных отношений ГТР называются характеристикой совместной работы двигателя и ГТР.

Исходными данными для построения этой характеристики являются внешняя скоростная характеристика двигателя, безразмерная характеристика ГТР, параметры uр и ηр СР (если он присутствует) и величина активного диаметра гидропередачи Dа.

Зависимость Мд=f(nд) определяется по внешней характеристике двигателя. Зависимость Мн/ =ψ(nд) рассчитывается с использованием выражений (1) и

(5) и представляет собой квадратичную зависимость (параболу нагружения):

Точка пересечения кривой момента двигателя и параболы нагружения

(точка «входа») определяет режим совместной работы двигателя и ГТР. При построении входной характеристики наносятся несколько парабол

нагружения для характерных режимов работы ГТР. Как правило, это режим полного торможения выходного вала ГТР или «стоповый» режим (uг/ =0), ре-

жим для максимального значения λн (может совпадать со «стоповым» режимом), режим максимального КПД при работе на режиме гидротрансформатора (uг/ =uг/ η), переход на режим гидромуфты (uг/ =uг/ м), режим мини-

мального допустимого значения КПД ГТР (ηгтр min =0,8…0,85) для длитель-

26

ной работы (uг/ =uг/ min), режим максимального значения передаточного отношения при длительной работе (для комплексной передачи uг/ max≈0.95).

Частота вращения вала двигателя в точке «входа» может быть определена либо графически, либо аналитически. При аналитическом способе решения может быть предложен следующий метод.

Зависимость Мсв=f(nд) аппроксимируется кубическим полиномом

Мсв=aм0 + aм1· nд + aм2· nд 2 + aм3· nд 3.

Коэффициенты ам определяются отдельно для корректорного и регуляторного участков внешней скоростной характеристики (см. Приложение 1).

Значения nд , соответствующие точке «входа» для каждого выбранного

передаточного отношения находятся путем решения кубического уравнения

Если зависимость Мсв=f(nд) аппроксимируется полиномом второй степени, уравнение (7) превращается в квадратное (aм3 = 0).

Определенный интерес для анализа характеристики совместной работы

двигателя и ГТР представляет режим работы в точке перехода на участок регуляторной ветви. Значение λн при этом определяется из уравнения (6) для

Мн/ = MсвN, nд= nдN. Остальные параметры ГТР находятся графически по без-

размерной характеристике, либо аналитически, используя, например, метод

линейной интерполяции по двум соседним точкам. В этом случае значение функции y(xi) для некоторой точки, лежащей внутри интервала xi-1 и xi+1 при известных значениях yi-1 и yi+1 находится из выражения

yi = y i-1 + (y i+1 - y i-1) · (x i-1 - x i) / (x i-1 - x i+1) .

Иногда на входной характеристике дается зависимость удельного расхода топлива от частоты вращения вала двигателя.

Примерный вид характеристики совместной работы двигателя и ГТР

представлен на рис.4.2.

По взаимному расположению парабол нагружения и кривой момента Мсв=f(nд) можно оценить правильность выбора параметров Dа и uр проекти-

руемой передачи с точки зрения выполнения требований совместной работы двигателя и ГТР.

27

Рис.4.2. Характеристика совместной работы двигателя и ГТР

Совместная работа двигателя и гидропередачи на транспортной машине должна обеспечивать выполнение следующих требований:

1.Использование номинальной мощности выбранного двигателя. Требование выполняется, если точка «входа» для МсвN лежит внутри

пучка парабол нагружения. Обеспечивается выбором параметров Dа и uр. 2.Наилучшее использование приспособляемости двигателя для расши-

рения скоростного рабочего диапазона и уменьшения числа передач ДКП.

Требование выполняется полностью, если весь корректорный участок внешней характеристики двигателя лежит внутри пучка парабол нагружения.

Для конкретного двигателя обеспечивается рациональным выбором модели

ГТР и параметров Dа и uр.

Предварительную приближенную оценку пригодности выбранной модели по использованию приспособляемости двигателя при работе на внеш-

ней характеристике можно сделать, использую величину расчетного коэффициента прозрачности ГТР:

Пр = П β12 .

Здесь β = nдN - коэффициент приспособляемости двигателя по частоте, nдM

П – прозрачность ГТР.

Если расчетный коэффициент прозрачности выбранного ГТР равен коэффициенту приспособляемости двигателя kдв, то при работе передачи возможно использование всего корректорного участка характеристики двигателя, при Пр<kдв скоростной диапазон двигателя используется не полностью, при Пр>kдв наряду с корректорным будет использоваться и регуляторный

28

участок. Следует отметить, что при использовании комплексного ГТР рас-

четный коэффициент прозрачности увеличивается в силу того, что гидро-

муфта обладает прямой прозрачностью.

Анализ характеристик реальных двигателей и ГТР показывает, что вы-

полнение условия Пр≥kдв возможно только для комплексных передач. На

транспортных машинах, оборудованных ГМКП, преимущественное распространение получили комплексные ГТР, имеющие прямую прозрачность.

3.Высокие средние скорости движения машины и движение на максимальной скорости по хорошей дороге с преодолением подъемов 2-4% без снижения скорости.

Требование выполняется, если мощность двигателя определяется с уче-

том преодоления подъема на максимальной скорости, а парабола нагружения для uг/ max имеет точку «входа» на регуляторной ветви.

4.Возможность длительной работы в тяжелых условиях движения без

перегрева рабочей жидкости гидропередачи.

Требование обеспечивается рациональным выбором числа передач в

ДКП.

5.Работу двигателя (по возможности) на экономичных режимах расхода

топлива.

Требование можно обеспечить, выбрав значения параметров Dа и uр таким образом, чтобы точки «входа», соответствующие наиболее высоким значениям КПД ГТР, располагались в области минимального удельного расхода топлива. Однако в этом случае могут не выполняться прочие требования. Поэтому такой подход к выбору параметров Dа и uр следует применять только в особых случаях.

6.Рациональное использование всережимного регулятора для облегчения управления скоростью движения машины.

Выполняется, если параболы нагружения имеют точки «входа» на регуляторной ветви характеристики двигателя. Обеспечивается выбором пара-

метров Dа и uр.

7.Устойчивую работу двигателя на внешней характеристике при «сто-

повом» режиме.

Выполняется, если пучок парабол нагружения располагается правее точ-

ки МдМ. Обеспечивается выбором параметров Dа и uр.

4.4. Выходная характеристика гидропередачи (внешняя скоростная характеристика блока ДВС-ГТР)

Представляет собой зависимость мощности Nт и величины крутящего момента Мт на турбинном колесе ГТР, а также часового GТ и (или) удельного gе расходов топлива от частоты вращения турбины nт. Для построения характеристика выбирается несколько значений скоростных передаточных отношений ГТР (порядка 10, включая uг’для характерных режимов). Для каждо-

29

го j - го значения передаточного отношения определяются и заносятся в таб-

лицу:

- λн , кт и ηгтр (из безразмерной характеристики);

-частота вращения вала двигателя nд (графически или расчетным путем из выражения (7));

-Мсв, GТ, (из внешней характеристики двигателя для вычисленного значения nд);

-Мн=Мсв ·uр ·ηр;

-Мт=Мн ·кт;

-nн=nд / uр ;

-nт=nн ·uг/ ;

-Nт= Мт ·π·nт / 30·1000;

-gе = 1000·GТ / Nт .

По результатам расчета строится график выходной характеристики.

Рис.4.3. Выходная характеристика гидропередачи

На рис.4.3 nтη и nтmax соответственно минимальная и максимальная час-

тоты вращения турбины в зоне допустимых для длительной работы значений КПД гидропередачи.

4.5. Использование согласующего редуктора

При решении вопроса об использовании согласующего редуктора необходимо учитывать то обстоятельство, что лишние агрегаты трансмиссии удорожают конструкцию, снижают ее надежность, уменьшают КПД Однако, в

30

ряде случаев применение согласующего редуктора может быть вполне оп-

равдано, т.к. СР позволяет:

-решить вопросы компоновки;

-уменьшить габариты ГТР;

-использовать готовую (серийную) конструкцию ГТР;

-сократить сроки доводки конструкции по итогам испытаний, т.к. изменить передаточное число редуктора значительно проще, чем изменить активный диаметр гидропередачи.

4.6. Порядок выполнения тягового расчета

Тяговый расчет машины с ГМТ выполняется в следующей

последовательности:

1).Выбирается кинематическая схема трансмиссии.

2).Определяется мощность двигателя, потребная для прямолинейного движения, с использованием методики для ступенчатой трансмиссии. Допол-

нительно следует учитывать КПД гидротрансформатора ηгтр на режиме его работы в области максимальной мощности двигателя (для однопоточной

схемы ηгтр=0,85…0,95:

η0 = ηм· ηгтр· ηгус.

3).Выбирается двигатель и строится его внешняя скоростная характеристика с использованием методики для ступенчатой трансмиссии.

4).Выбирается модель ГТР и строится его безразмерная характеристика. 5).Определяется активный диаметр гидропередачи (при выбранном значении iр ) или передаточное число согласующего редуктора (при заданном

Da):

Здесь λ*н - расчетное значение коэффициента момента насосного колеса; М*св - расчетное значение свободного крутящего момента двигателя при час-

тоте вращения вала nд* .

6).Строится характеристика совместной работы двигателя и ГТР. На основе ее анализа принимается решение о продолжении расчета или о возврате к п.5 (или п.4).

7).Строится выходная характеристика гидропередачи.