1.2.7. Типы трансмиссий

Силовой трансмиссией называется механизм, передающий энер­гию двигателя к удаленному от него устройству-потребителю. В зависимости от способа передачи энергии, различают механи­ческие, гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные силовые трансмиссии.

Механические силовые трансмиссии. Энергию в виде крутящего момента от двигателя к исполнительным механизмам передают ме­ханические силовые трансмиссии. Они могут состоять из обычных и карданных валов, а также зубчатых, цепных, ременных (или ка­натных), фрикционных, кулачковых и рычажно-шарнирных пере­дач. Основное преимущество механических трансмиссий - высо­кий КПД, так как в них нет потерь энергии, связанных с ее преоб­разованиями. Общий КПД трансмиссии оценивается отношением мощности, развиваемой выходным элементом трансмиссии, к мощ­ности, подаваемой на ее входной элемент (табл. 1.1).

Таблица 1.1 КПД элементов механической трансмиссии

Элемент	КПД при подшипниках
	скольжения	качения
Направляющий блок Барабан при наматывании каната Передаточный вал со шлицами	0,97 0,95 0,95	0,99 0,97 0,97
Зубчатая передача: одноступенчатая двухступенчатая трехступенчатая	0,95 0,90 0,85	0,97 0,96 0,94
Цепная передача: в масляной ванне	0,94	0,96

В общем случае для КПД справедливо соотношение:

(1.1)

Общий КПД механической трансмиссии зависит от числа сту­пеней, в каждой из которых крутящий момент передается от одно­го элемента трансмиссии к другому:

()

Значение КПД червячной или винтовой зубчатой передачи за­висит от угла профиля

()

где

К недостаткам механических трансмиссий относят их большую Удельную массу (на единицу передаваемой мощности) и габариты, возрастающие при передаче крутящего момента на большие рас­стояния и изменении его направления. По этим причинам чисто механические трансмиссии в современных самоходных подъемно-транспортных, строительных и дорожных машинах используются не всегда. Вместе с тем оборудование для добычи, изготовления и Переработки строительных материалов, в котором проблемы Компоновки и массы имеют второстепенное значение, оснащается, в основном, механическими трансмиссиями, обеспечивающими Минимальные потери мощности на пути от двигателя к исполни­тельному механизму.

Передаточное число наряду с КПД является одной из основных характеристик механической трансмиссии. Оно незначительно влия­ет на передаваемую мощность, но может увеличивать или уменьшать передаваемый крутящий момент и во столько же раз уменьшать или увеличивать угловые скорости передающих элементов трансмиссии:

i=М_вых /М_вк = ώ_вх /ώ_вых, ()

где i - передаточное число; М_вых - крутящий момент на конечном элементе механической трансмиссии; М_вх - крутящий момент, по­даваемый на вход механической трансмиссии; ώ_вх, ώ_вых - угловые скорости соответственно входного и выходного элементов.

Гидравлические силовые трансмиссии. В гидравлических силовых трансмиссиях механическая энергия двигателя сначала конвертиру­ется во внутреннюю энергию жидкости, а затем - обратно в механи­ческую. Во всех гидравлических трансмиссиях (или гидросистемах) преобразование механической энергии во внутреннюю энергию жид­кости осуществляется насосом, который либо повышает давление жидкости, находящейся в замкнутом объеме, либо увеличивает ско­рость движения ее потока. В зависимости от способа передачи энер­гии гидросистемы делятся на гидрообъемные (или гидростатичес­кие) и гидродинамические. В гидрообъемных трансмиссиях (рис. 1.1) используется разница между давлением жидкости, создаваемым шестеренным или поршневым насосом внутри замкнутого объема, и наружным давлением. Пройдя через систему клапанов 6 в напор­ную магистраль 7, рабочее тело (в гидросистемах используются ми­неральные масла со специальными присадками) попадает в гидро­распределитель 8. В зависимости от положения золотника 10 в кор­пусе 9 масло может сбрасываться в бак I (это положение показано на схеме), проходить в штоковую полость 13 гидроцилиндра 11 (при крайнем правом положении золотника 10) или в поршневую полость _;. 14 (при крайнем левом положении золотника). В зависимости от того, • в какую полость гидроцилиндра подается масло под давлением, шток \ с поршнем 12 будет втягиваться или выдвигаться. Использованное масло сбрасывается в бак по дренажной магистрали 2, попутно очи­щаясь в фильтре 3. Насос засасывает масло из бака по всасывающей магистрали 4, на которой тоже может устанавливаться фильтр 3.

Рис. 1.1. Схема простейшей гидрообьемной силовой трансмиссии

В гидродинамических трансмиссиях использована простая наглядная идея. Источника энергии, то со­здаваемый им поток жидкости бу­дет, двигаясь по трубе, вращать второй пропеллер. Таким обра­зом, механическая энергия вала ведущего пропеллера будет транс­формироваться в кинетическую энергию потока жидкости, кото­рая, пройдя по трубе, трансформи­руется ведомым пропеллером об­ратно в механическое движение его вала. Конструкторская проработка этой идеи превратила (рис. 1.2) ве­дущий пропеллер в насосное коле­со 5, закрепленное на корпусе 4, связанном с коленчатым валом двигателя 3. Турбинное колесо б прикреплено к фланцу вала 8 тур­бины. Вал турбины опирается на подшипник 9 в корпусе 4 гидро­муфты. Гидромуфта заполняется специальным маслом на 85% сво­его объема. Вал двигателя враща­ет корпус вместе с насосным коле­сом. Лопасти 2 насосного колеса, расположенные под углом к плос­кости чертежа, вынуждают масло в пространстве между насосом и турбиной двигаться по кольцевой траектории 1. Масло, попадая на лопасти 7 турбинного колеса 6, наклонные к вектору его движения передает им часть своей кинетической энергии, заставляя турбину 6 и вал 8 вращаться.

КПД гидромуфты не является постоянной величиной и меня­ется от 0 - в момент включения (при этом насосное колесо враща­ется со скоростью коленчатого вала двигателя, а турбинное коле­со заторможено) до 0,97...0,98 - при движении с постоянной ско­ростью. Гидромуфты не имеют передаточного числа, а обеспечи­вают плавное трогание машины с места и защищают механические элементы трансмиссии от ударных нагрузок.

Рис. 1.2. Схема гидромуфты: 1 - .поток жидкости; 2 - лопасти насос­ного колеса; 3- коленчатый вал двига­теля; 4 - корпус муфты; 5 - насосное ко­лесо; 6 - турбинное колесо; 7 - лопасти турбинного колеса; 8 - вал турбины; 9 - подшипниковый узел

Более сложны по устройству гидротрансформаторы. Гидротран­сформатор встраивается между двигателем и коробкой передач и обеспечивает бесступенчатое изменение крутящего момента на каждой из передач и смену передач без выключения сцепления, что осо­бенно важно при сильных колебаниях рабочих нагрузок. Насос-колесо 8 жестко (рис. 1.3) соединено с корпусом гидротрансформатора б, который приводится во вращение коленчатым валом 3 двигателя. При вращении насосно­го колеса его лопасти 9 направля­ют рабочую жидкость на лопасти 1 турбинного колеса 2, где поток жидкости 7 меняет направление, заставляя вращаться вал 11 турби­ны. Рабочая жидкость, выходя с лопаток турбины, ударяется о ло­патки 5 реактора, установленного на обгонной муфте 4, и снова ме­няет направление, создавая при большой разнице скоростей меж­ду насосом и турбиной момент, до­бавляющийся благодаря обгонной муфте к моменту на турбине. По мере выравнивания скоростей на­сосного и турбинного колес реак­тор, благодаря муфте свободного хода, начинает свободно вращать­ся, с нижая коэффициент трансформации гидротрансформатора и увеличивая КПД.

Рис. 1.3. Схема гидротрансфор­матора: 1 - лопасти турбинного колеса; 2 -турбинное колесо; 3 - коленчатый вал двигателя; 4 -обгонная муфта; 5 - ло­патки реактора; 6 - корпус; 7 - поток жидкости; 8 - насосное колесо; 9 - ло­пасти насосного колеса; 10 - обгонная муфта; 11 - вал турбины

Благодаря отсут­ствию ограничений на длину и конфигурацию гидравлических маги­стралей гидропередачи позволяют улучшить компоновку машин оборудования, сделать условия работы оператора более комфорта­бельными, удобнее расположить рабочие органы и расширить их фун­кциональные возможности. Гидросистемы позволяют повысить сте­пень автоматизации управления машиной, благодаря чему снижает­ся интенсивность работы оператора, повышается эффективность и безопасность работы машины и уменьшаются эксплуатационные зат­раты. К недостаткам гидравлических трансмиссий относятся: мень­ший, чем у механических силовых трансмиссий, КПД (из-за потерь при двукратном преобразовании энергии, внутренних потерь в жид­кости и ее трении о стенки трубопроводов); экологическая агрессив­ность рабочих жидкостей; более сложная диагностика неисправ­ностей, требующая более дорогого инструмента.В данном случае ис­пользуется гидрообъемная силовая трансмиссия. Гидродинамические силовые трансмиссии применяются в ходовых приводах машин в ком­бинации с механическими.

Пневматические силовые транс­миссии. В пневматических силовых трансмиссиях в качестве рабочего тела, передающего энергию от дви­гателя к исполнительному механиз­му, используется газ (обычно, атмос­ферный воздух). Пневмосистемы конструктивно проще, дешевле и экологически безопаснее гидравли­ческих, так как они работают при меньших давлениях, не нуждаются в дренажных магистралях для возвра­та рабочего тела в резервуар, а само рабочее тело (воздух) экологически безопасно. Вместе с тем, для переда­чи одинаковых с гидравлическими трансмиссиями усилий из-за разни­цы рабочих давлений они должны оперировать с большими объемами рабочего тела и, соответственно, их агрегаты более громоздки.

Пневматические силовые трансмиссии используются в тормоз­ных системах самоходных машин, а также для привода отбойных молотков, перфораторов и другого строительного инструмента.

Электрические силовые трансмиссии. Альтернативой механи­ческим и гидравлическим приводам может служить электрическая трансмиссия. Электрический генератор, соединенный с валом дви­гателя внутреннего сгорания, конвертирует механическую энергию в электрическую, которая затем по проводам передается к элект­родвигателям, приводящим ходовые, рабочие и вспомогательные механизмы машины. Иногда статор и ротор электродвигателя од­новременно являются конструктивной частью приводимого меха­низма (как, например, в электрическом мотор-колесе).

Среди достоинств электрических силовых трансмиссий - их вы­сокая надежность, отсутствие ограничений на длину и конфигура­цию, возможность бесступенчатого регулирования скорости, про­стота соединения с источниками и потребителями механической энергии. В то же время масса электрической трансмиссии в 2,5...4 раза больше механической. Могут использоваться раз­личные схемы включения тяговых электродвигателей, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Последовательное соединение мотор-колес обеспечивает работу машины с максималь­ной силой тяги на минимальной скорости. Но при уменьшении со­противления на одном из ведущих колес его угловая скорость уве­личивается, тогда как скорости других колес замедляются. Это мо­жет привести к полной остановке машины, когда вся мощность ге­нератора будет потребляться электродвигателем буксующего коле­са. Параллельное соединение тяговых электродвигателей позволяет машине развить максимальную транспортную скорость при неболь­ших крутящих моментах на каждом из колес, что допустимо при малых дорожных сопротивлениях. Наиболее часто в машинах с элек­трической силовой трансмиссией используется последовательно-па­раллельное соединение мотор-колес, при котором последовательно соединяются электродвигатели, расположенные по диагонали.

Комбинированные силовые трансмиссии. В подъемно-транспор­тных, строительных и дорожных машинах широко используется принцип объединения в рамках одной силовой передачи узлов и , агрегатов, принадлежащих к различным типам трансмиссий. Это гидромеханические трансмиссии с гидростатическими и гидроди­намическими компонентами (ходовые приводы), а также пневмогидравлические (тормозные системы) и электрогидравлические (си­стемы управления) приводы.

Гидромеханические ходовые трансмиссии с гидротрансформатором и планетарной коробкой передач (рис. 1.4) наиболее эффек­тивны на машинах, режим работы которых сопряжен с частой сменой передач и значительной долей транспортных операций в ра­бочем цикле. Они также позволяют переходить при снижении на­грузки с низшей передачи на высшую, благодаря чему сокращает­ся время рабочего цикла. При установившемся движении происхо­дит механическая блокировка гидротрансформатора и он работа­ет, как обычная муфта сцепления. Такими передачами оснащают­ся скреперы, землевозные тележки, автогрейдеры, фронтальные по­грузчики. Гидромеханические передачи с элементами гидрообъем­ной трансмиссии (рис. 1.5) применяются на машинах, для рабочего процесса которых характерны большие тяговые усилия и неболь­шие скорости. Одновременно с функциями ходового привода та­кие трансмиссии выполняют и функции тормозных систем, блоки­рующих движение машины при остановке двигателя. Более всего такие трансмиссии подходят для гусеничных бульдозеров, асфаль­тоукладчиков, дорожных фрез, катков.

Пневмогидравлические тормозные системы и электрогидравли­ческие системы управления широко используются практически на всех типах машин независимо от назначения. В пневмогидравлических системах управляющие воздействия оператора передаются давлением жидкости к механизмам пневматической системы, где усиливаются сжатым воздухом. В электрогидравлических системах управляющие воздействия оператора в виде электрических сигна­лов поступают к электроуправляемым гидрораспределителям и клапанам, включающим или блокирующим гидравлические пото­ки и агрегаты в соответствии со схемой управления.

Рис. 1.4. Гидротрансформатор и планетарная коробка перемены передач в сборе: 1 - обгонная муфта реактора; 2 - корпус передачи; 3 - поршень механической блокиров­ки трансформатора; 4- турбинное колесо; 5- насосное колесо; б - колесо реактора; 7 – планетарные ряды

Рис. 1.5. Гидромеханическая ходовая трансмиссия с гидрообъсмным приводом: 1 - главная передача и блокируемый дифференциал переднего моста; 2 - регулируемый гидромотор; 3 - двигатель внутреннего сгорания; 4 - шестеренный насос; 5 - бортовые редукторы задних колес; 6 - гласная передача и блокируемый дифференциал заднего моста; 7 - раздаточная коробка; 8 карданная передача; 9 - бортовые редукторы передних колес