Передача гидромеханическая

К появлению классической гидромеханической трансмиссии привели три изначально независимые линии разработок, которые были впоследствии объединены в её конструкции.

Наиболее ранней из них можно считать планетарные механические трансмиссии. Например, на двухступенчатой планетарной трансмиссии Ford T устанавливались две педали, одна переключала низшую и высшую передачу, вторая включала задний ход. Они уже позволяли довольно значительно упростить его работу водителю, особенно в сравнении с использовавшимися в те годы коробками передач традиционного типа без синхронизаторов.

Хронологически вторым направлением разработок можно считать работы по созданию полуавтоматических трансмиссий, в которых часть действий по переключению передач была автоматизирована. Наиболее интересна была трансмиссия, в которой использовался планетарный механизм, работой которого управляла гидравлика в зависимости от скорости движения. Однако эти ранние разработки были недостаточно надёжны, а главное — всё ещё использовали сцепление для временного разобщения двигателя и трансмиссии при переключении передач.

Наконец, третьей линией разработок было внедрение в трансмиссию гидромуфты (позднее заменённой гидротрансформатором). Первые разработки относились к тридцатым годам, но массовое распространение такая трансмиссия получила в последние предвоенные и послевоенные годы. В восьмидесятые годы получают распространение блокирующиеся на большой скорости гидротрансформаторы, позволяющие ощутимо повысить КПД трансмиссии за счёт снижения потерь.

В конце восьмидесятых — девяностые годы происходит компьютеризация систем управления двигателем. Эти же системы, либо аналогичные им, стали применяться и для управления автоматическими трансмиссиями. Если прежние системы управления использовали лишь гидравлику и механические клапана, то теперь потоками жидкости управляют электромагнитные клапаны, контролируемые компьютером. Это позволило улучшить экономичность за счёт повышения эффективности работы трансмиссии, а также переключения передач стали плавными.

Традиционные АКПП (рис.25) состоят из гидротрансформатора, планетарных редукторов, фрикционных и обгонных муфт, соединительных валов и барабанов. Также иногда применяется тормозная лента, затормаживающая один из барабанов относительно корпуса АКПП при включении той или иной передачи.

Гидротрансформатор, на большинстве АКПП, конструктивно устанавливается на маховик двигателя и передаёт вращающий момент собственно АКПП (рис. 26). Основная роль гидротрансформатора — передача вращающего момента с проскальзыванием при трогании с места. На высоких оборотах двигателя (и обычно на высших передачах) гидротрансформатор блокируется фрикционной муфтой, делающей проскальзывание невозможным и ликвидирующей затраты энергии в турбинах.

 

 

Гидротрансформатор состоит из трёх колес с лопастями — центробежного насоса и центростремительной турбины (рис. 27). Между ними расположен направляющий аппарат — реактор. Иногда применяется два реактора, установленных рядом. Насосное колесо жёстко связано с коленчатым валом двигателя, турбинное — с валом коробки передач. Реактор же, в зависимости от режима работы, может свободно вращаться, а может быть заблокирован при помощи обгонной муфты. Также, может применяться и неподвижный реактор, как на АКПП VOITH, установленной на тепловозе ТУ10. Передача вращающего момента от двигателя к коробке передач осуществляется потоками рабочей жидкости (масла), которая отбрасывается лопатками насосного колеса на лопасти колеса турбинного. Между насосным колесом и турбиной обеспечены минимальные зазоры, а их лопастям придана специальная форма, которая формирует непрерывный круг циркуляции рабочей жидкости (рис. 28). Так что получается, что жёсткая связь между двигателем и трансмиссией отсутствует. Это обеспечивает работу двигателя и остановку тепловоза (автомобиля) с включённой передачей, а также способствует плавности передачи тягового усилия. Надо сказать, что по описанной выше схеме работает гидромуфта, которая просто передаёт крутящий момент, не трансформируя его величину. Чтобы изменять момент, в конструкцию гидротрансформатора введён реактор. Это такое же колесо с лопатками, но оно, имея связь с картером (корпусом) коробки передач, не вращается (до определённого момента). Лопатки реактора расположены на пути, по которому масло возвращается из турбины в насос, и они имеют особый профиль. Когда реактор неподвижен (гидротрансформаторный режим), он увеличивает скорость потока рабочей жидкости, циркулирующей между колёсами. Чем выше скорость движения масла, тем выше его кинетическая энергия, тем она большее оказывает воздействие на турбинное колесо. Благодаря этому эффекту момент, развиваемый на валу турбинного колеса, удаётся значительно поднять.

 

А в чём необходимость возможности вращения реактора? На ТУ10 реактор неподвижен, а в подавляющем большинстве гидромеханических передач реакторы имеют возможность вращаться с помощью обгонной муфты. Когда турбинное колесо приближается по оборотам к скорости вращения насосного колеса, реакторное колесо освобождается и начинает вращаться. В этом случае говорят, что гидротрансформатор перешёл в режим гидромуфты. Так снижаются потери, и увеличивается КПД гидротрансформатора. А поскольку в некоторых случаях надобность в преобразовании крутящего момента и скорости отпадает, в определённые моменты гидротрансформатор и вовсе может быть заблокирован при помощи фрикционной муфты. Этот режим помогает довести КПД передачи практически до единицы, проскальзывание между лопаточными колёсами в этом случае исключено.

Но если при движении вдруг начинаете подниматься в горку. Скорость начинает падать, а нагрузка на колёса увеличивается. На это изменение и реагирует гидротрансформатор. Как только станет уменьшаться частота вращения турбинного колеса, реакторное колесо начнёт автоматически затормаживаться, в результате скорость циркуляции рабочей жидкости возрастёт, что автоматически приведёт к увеличению крутящего момента, который будет передаваться на вал от турбинного колеса. В некоторых случаях увеличившегося момента хватит для того, чтобы преодолеть подъём без перехода на низшую передачу.

Поскольку гидротрансформатор не может преобразовывать скорость вращения и передаваемый крутящий момент в широких пределах, к нему присоединяют многоступенчатую коробку передач, которая передаёт вращающий момент, вдобавок ко всему, способна обеспечить и реверсивное вращение (иными словами — задний ход). Те коробки, которые работают в паре с гидротрансформаторами, обычно включают в себя ряд планетарных передач и имеют много общего с «ручными» коробками передач.

В механической коробке шестерни находятся в постоянном зацеплении, при этом ведомые — свободно вращаются на вторичном валу. Включая какую-либо передачу, мы механически блокируем соответствующую шестерню на ведомом валу. Работа автоматической коробки передач построена на таком же принципе. Но планетарные передачи (или редукторы) имеют некоторые особенности. Они включают в себя несколько элементов: водило, сателлиты, солнечную и эпициклическую (кольцевую или коронную) шестерни (рис.29).

Приводя во вращение одни элементы, и фиксируя другие, такие редукторы позволяют менять передаточные отношения, то есть скорость вращения и передаваемое через планетарную передачу усилие. Приводятся планетарные передачи от выходного вала гидротрансформатора, а их соответствующие элементы фиксируются при помощи фрикционных лент или фрикционных муфт (в механической коробке эту роль играют синхронизаторы и блокирующие муфты).

Если нужно получить повышенную передачу, вал двигателя соединяется с водилом. Выходной вал передачи приэтом соединён с солнечной шестерней, в это время эпициклическая шестерня зафиксирована.

Если кольцевую шестерню отпустить и в это время при помощи фрикциона её зафиксировать совместно с водилом, передача получится прямой.

Передача получается понижающей в том случае, когда приводится в действие солнечная шестерня, и при этом эпициклическая шестерня зафиксирована. Мощность при этом снимается с водила.

Фрикционные муфты (иногда называется «пакет») осуществляют переключение передач сообщением или разобщением элементов АКПП — входного ивыходного валов и элементов планетарных редукторов, а также их затормаживанием на корпус АКПП (рис. 31).

Муфта выглядит как нечто среднее между сцеплением и синхронизатором в МКПП и состоит из барабана и хаба, барабан имеет крупные прямоугольные шлицы внутри, хаб — крупные прямоугольные зубья снаружи. Между барабаном и хабом расположен пакет кольцеобразных фрикционных дисков, часть из которых выполнена из металла и имеет выступы снаружи, входящие в шлицы барабана, а часть — из пластмассы и имеет вырезы внутри, куда входят зубья хаба. Фрикционная муфта приводится в действие сжатием пакета дисков гидравлическим кольцеобразным поршнем, установленном в барабане. Масло к цилиндру подводится через канавки в барабане, валах и корпусе АКПП.

Обгонная муфта свободно проскальзывает в одном направлении и заклинивает с передачей момента в другом. Обычно состоит из внешнего и внутреннего колец и расположенного между ними сепаратора с роликами. Используется для снижения ударов во фрикционных муфтах при переключении передач (передача момента начинается только при повышении оборотов двигателя после переключения, приводящего к попытке одной из деталей планетарного редуктора вращаться в обратную сторону и заклиниванию её в обгонной муфте), а также для отключения торможения двигателем в некоторых режимах работы АКПП.

Устройство управления АКПП представляет собой набор золотников, управляющих потоками масла к поршням тормозных лент и фрикционных муфт. Положения золотников задаются как вручную селектором, так и автоматически. Автоматика бывает гидравлической или же электронной.

Гидравлическая автоматика использует давление масла от центробежного регулятора, соединенного с выходным валом АКПП, а также давление масла от положения педали газа. Это дает автоматике информацию о скорости движения и положении педали газа, на основании которой переключаются золотники.

Электронная автоматика использует электромагниты, перемещающие золотники. Кабели от электромагнитов выходят вне пределов АКПП и идут к расположенному где-то вне АКПП блоку управления, иногда объединенному с блоком управления впрыском топлива (и зажиганием в бензиновых двигателях). Решение о перемещении электромагнитов принимается электроникой на основе информации от положения рукоятки управления оборотами коленчатого вала дизеля, скорости движения, а также положения селектора управления ГМП.

Сочетание гидротрансформатора с механической ступенчатой коробкой передач называют гидромеханической передачей. На механический редуктор в гидромеханической передаче, кроме передачи вращающего момента, возлагаются также функции нейтральной передачи, при которой можно было бы увеличивать частоту вращения вала двигателя (например при прогреве) при неподвижном локомотиве. При выборе схемы механической части гидромеханической передачи большое значение имеет число передач. С одной стороны, чем больше число передач в механической коробке, тем в более узком диапазоне передаточных отношений (а значит и с большим КПД) будет работать гидротрансформатор. С другой стороны, увеличение числа передач ведет к усложнению конструкции гидромеханической передачи.

При большом числе ступеней в механической коробке передач существенно усложняется система автоматического переключения передач.

На тепловозе ТУ10 применена двухпоточная гидромеханическая автоматическая передача D864.3Е (рис.32). Передача имеет полуторный планетарный ряд и гидротрансформатор с обычным реактором, три передачи переднего хода. Задний ход в коробке передач отключён.

У коробок передач Voith DIWA – три или четыре ступени, а гидротрансформатор (он же выполняет функцию ретардера) расположен посредине коробки. Кроме того, в ГМП встроен масляный радиатор, и за счет этого уменьшилось количество трубопроводов и штуцеров. Но высокий КПД достигается за счет применения гидротрансформатора и механической передачи одновременно через дифференциал. Отсюда и определение – двухпоточная. Обычная ГМП при старте с места переключается два, а то и три раза, Voith DIWA продолжает работать на первой передаче – но одновременно работают и гидротрансформатор, и механическая часть коробки, что делает ускорение более равномерным и уменьшает износ фрикционных дисков, за счёт уменьшения количества переключений передач. Это главное отличие от классических автоматических коробок перемены передач.

Крутящий момент от двигателя к гидропередаче передается через гидравлический демпфер, что дает возможность значительно снизить динамическое воздействие двигателя на гидропередачу. От гидропередачи крутящий момент передается через карданные валы и редукторы на все четыре колесных пары тепловоза.

Движение локомотива с включённой нейтральной передачей запрещено. Давление масла в коробке передач недостаточно, в результате при последующем включении передачи на ходу происходит сухое трение деталей, что приводит к преждевременному выходу из строя фрикционных дисков и масляного насоса.

Рис. 32. Гидромеханическая передача VOITH

1 – входной вал; 2 – гидравлический демпфер крутильных колебаний; 3 – входное сцепление; 4 – разделительное сцепление; 5 – тормоз насоса; 6 – насосное колесо; 7 – турбинное колесо; 8 – реактор; 9 – блокирующее сцепление; 10 – тормоз заднего хода; 11 – выходной вал; 12 – теплообменник; 13 – планетарный редуктор заднего хода и дифференциала; 14 – механизм турбины; 15 – масляный поддон; 16 – насос; 17 – солнечная шестерня; 18 – сателлиты; 19 – водило.

 

А – привод (через демпфер);

Б – входной дифференциал (распределительная передача);

В – гидротрансформатор;

Г – механический редуктор (состоит из планетарных механизмов тормоза и заднего хода);

Д – узел отбора мощности.

Система автоматического управления – пульт управления ГМП (см. рис. 9, поз. 13) и блок электронный.