Гидрообъемная трансмиссия

Гидрообъемная трансмиссия — это устройство для передачи движения, в состав которого входит объемный гидропривод.
Мощность двигателя в такой трансмиссии передается ведущим органом машины от перемещения замкнутого объема жидкости между вытеснителями насоса и гидромотора. К достоинствам гидрообъемной трансмиссии можно отнести бесступенчатое регулирование, компоновочные возможности и т. д. Широкое применение гидрофицированного технологического оборудования способствует использованию этих передач в конструкциях как зарубежных, так и отечественных лесозаготовительных машин. Достоинством гидрообъемного привода является его широкопрофильность, т. е. использование единой насосной станции для тяговых гидродвигателей и гидросистемы технологического оборудования, в результате чего снижается масса машины.
Лесосечные машины с гидрообъемной трансмиссией способны обеспечить более высокую производительность за счет бесступенчатого изменения скорости движения и тягового усилия, особенно при работе в тяжелых и резкопеременных режимах движения, характерных для лесозаготовок. Долгое время гидрообъемные трансмиссии не выдерживали конкуренции с механическими из-за недостаточной долговечности, низкого КПД, значительных размеров массы и стоимости. Создание гидромашин с высокими рабочими давлениями (до 40 МПа) расширяет перспективы применения гидрообъемных трансмиссий на лесных тракторах и автомобилях, но и предъявляет дополнительные требования к качеству материалов, фильтрации жидкости, герметичности элементов и др.
Наибольшее распространение в гидрообъемных трансмиссиях лесных машин получили аксиально-поршневые и кулачковые (кривошипные) поршневые гидромашины. Они обратимы и могут работать как в режиме мотора, так и в режиме гидронасоса. Эти машины работают при давлениях до 40 МПа при частоте вращения до 42 с-1 (2500 мин-1), имея диапазон регулирования 2,5. 3 и η0 = 0,97. 0,98, ηм = 0,92. 0,95 (значения η0 даны при номинальных нагрузках). Отклонение от номинальных режимов ведет к снижению объемного КПП.
Устройство гидрообъемной передачи. Поршневые аксиальные и радиальные гидромашины обычно обратимы, т. е. могут работать в режиме насоса и в режиме мотора.
Аксиально-поршневой насос с переменным рабочим объемом (рис. 19.29) устроен следующим образом.
Ведущий вал 1 насоса и закрепленные на нем блок цилиндров 2 и наклонная шайба 5 вращаются как одно целое. Шатуны 4 опираются своими сферическими головками на поршни 3 и наклонную шайбу 5.

Если угол у наклона шайбы равен нулю, поршни не будут перемещаться при вращении вала; при γ ≠ 0 вращающаяся наклонная шайба 5, опираясь на опорный диск 6, вынудит поршни перемещаться. Они будут совершать два хода за один оборот шайбы: один ход нагнетания и второй ход всасывания.
Жидкость подводится к крышке блока цилиндров, которая служит распределителем, по трубке 11 и нагнетается по трубке 10. Производительность насоса зависит от угла наклона шайбы 5. При изменении знака угла у нагнетательная трубка становится всасывающей и при неизменном направлении вращения вала насоса гидромотор реверсируется. Управление наклоном шайбы осуществляется перемещением опорного диска 6 при помощи валика 8.
Из рассмотренной конструктивной схемы видно, что аксиально-поршневая машина является относительно сложным механизмом. Во избежание значительных утечек жидкости и обеспечения необходимого давления сопрягаемые детали насоса должны изготовляться по высокому классу точности, однако и при этом утечки имеют место. Величина их оценивается объемным КПД передачи.
Потери на преобразование вращательного движения валов в поступательное движение поршней и наоборот, а также на трение и утечки перемещаемой жидкости оцениваются КПД передачи, Полный КПД ηго гидрообъемной передачи равен:

где η0 — объемный КПД; ηм — механический КПД.
КПД гидрообъемной передачи ниже, чем КПД шестеренных механических передач. Значение его для одной и той же конструкции передачи зависит от очень многих факторов: числа оборотов, производительности насоса, перепада давлений и т. д.
Наибольшее влияние на величину полного КПД передачи оказывает перепад давлений. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы при любых тяговых и скоростных режимах машины гидрообъемная передача работала при давлениях, близких к верхнему для нее пределу.
В трансмиссиях лесных машин гидрообъемные передачи могут применяться как для регулирования скорости и тяги самой машины, так и для привода ведущих мостов активных прицепов. Из многообразия возможных схем трансмиссий с объемным приводом выделим некоторые наиболее характерные для автомобилей и тракторов. Компоновка гидроагрегатов в трансмиссии зависит от типа и назначения машины. На рис. 19.30а показана схема моноблочной компоновки регулируемых насоса и мотора (т. е. насос и мотор объединены в один блок). Такая гидрообъемная передача устанавливается вместо сцепления и коробки передач и выполняет их функции. Остальные агрегаты механической части трансмиссии остаются без изменений. Схема обеспечивает широкий диапазон регулирования скорости и тяги за счет последовательного или одновременного регулирования насоса и мотора. Однако КПД трансмиссии, выполненной по данной схеме, ниже КПД более распространенной системы управления только насосом. Моноблочная схема может оказаться весьма удобной при модернизации трансмиссий существующих трелевочных тракторов, так как не повлечет за собой существенных изменений в конструкции серийных машин. Применение такой схемы на машинах приведет к потере компоновочных преимуществ гидрообъемной трансмиссии, ради которых она может оказаться целесообразной на транспортной машине.

На рис. 19.30б показана схема раздельного расположения гидроагрегатов в трансмиссии колесной машины. Насос расположен отдельно от гидромоторов, которые снесены к ведущим колесам. В связи с тем, что потери при перемещении замкнутого объема жидкости от насоса к мотору незначительны, их можно располагать на некотором удалении друг от друга. Это свойство гидрообъемной передачи дает широкие возможности компоновки многоприводных машин и активных прицепов. Изменение скорости движения осуществляется, как правило, регулированием насоса, а требуемый диапазон регулирования с сохранением высоких значений КПД осуществляется последовательным отключением (включением) привода каждого моста. Гидромоторы могут быть встроены в ведущие колеса и установлены вне колес. В первом случае гидромотор непосредственно связан с колесом, во втором между ними осуществляется механическая связь. Такой гидропривод имеет свойства автомобильного дифференциала. При работе ведущего моста гидромоторы правого и левого колес образуют гидравлический дифференциал, который аналогичен по своему влиянию на проходимость машины механическому дифференциалу с малым трением. Чтобы избежать влияния этого явления на проходимость, в гидрообъемных трансмиссиях предусматривают систему автоматических или управляемых клапанов, которые отключают буксующее колесо от нагнетательной ветви, и весь поток жидкости направляется на небуксующее колесо.
Схема возможной компоновки многоосной полноприводной колесной машины высокой проходимости показана на рис. 19.30в. По такой схеме могут создаваться подборщики-транспортировщики для вывозки древесины с лесосеки и движения по магистральным дорогам и дорогам общего назначения. Компоновка гидрообъемного привода позволяет значительно повысить проходимость благодаря большому клиренсу, а также плавности изменения момента на ведущих колесах. Последовательное отключение ведущих мостов при движении по хорошим дорогам позволит сохранять высокие значения КПД трансмиссии.
Система бортового привода, когда двигатель приводит в действие два насоса, каждый из которых питает гидромоторы своего борта, позволяет осуществлять управление машиной по типу гусеничного трактора. Изменяя частоту вращения колес одного из бортов, можно осуществлять плавные повороты, а при необходимости реверсировать один из бортов для поворота на месте. Из этого следует, что такие системы привода ведущих колес лесных машин способствуют повышению весьма денного качества — маневренности. Кроме того, параллельность работы магистралей двух насосов повышает надежность трансмиссии в делом. Все три представленных варианта выполнены по замкнутой схеме, которой свойственен один недостаток. В замкнутом объемном приводе связь между насосом и гидродвигателем практически жесткая. Движение машины с «накатом» по инерции невозможно. Так как гидромашины привода обратимы, то при движении по инерции или буксировке ведущие колеса должны быть отключены от гидромотора во избежание торможения машины. Этого явления может не быть, если предусмотреть в трансмиссии механические устройства для отключения ведущих колес (зубчатые муфты, муфты свободного хода), гидравлические способы отключения рабочих цилиндров от ведомого вала гидромотора или устройства для соединения между собой нагнетательной и возвратной магистралей.
Из всех существующих способов регулирования гидроприводов на отечественных и зарубежных лесных машинах получили распространение два вида машинного управления: изменением рабочего объема насоса и мотора. Кроме того, возможно управление изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, приводящего в работу объемный насос. Наиболее распространен способ регулирования изменением рабочего объема насоса. Производительность насоса Qн = qнnн, где qн — объем жидкости, вытесняемой поршнями насоса за один оборот вала, м /об, или постоянная насоса; nн — частота вращения насоса. Пренебрегая утечками, из соотношения расхода гидромотора и подачи насоса qнnн = qмnм получим передаточное число гидрообъемной передачи из равенства i = nн/nм = qм/qн, где qм — постоянная гидромотора; nм — частота вращения гидромотора. Величина qн регулируемого насоса изменяется от 0 до qн max, следовательно, при таком способе регулирования частота вращения выходного вала трансмиссии (т. е. вала гидромотора) будет находиться в пределах:

При регулируемом гидромоторе в знаменателе выражения (19.21) будет величина qм min. Мощность, потребляемая насосом, Nн = pqнnн (р — давление, развиваемое насосом). При изменении производительности насоса и постоянстве мощности приводного двигателя и частоты вращения его вала необходимо соблюдение условия pq = const, т. е. давление в системе, а следовательно, и крутящий момент на валу гидромотора изменяются гиперболически в зависимости от изменения qн. При такой зависимости в случае qн → 0, момент на ведущем валу машины Mк → ∞ (так как р → ∞). При трогании с места транспортной системы значение Mк в трансмиссии может существенно превысить момент, реализуемый по сцеплению двигателя с дорогой. Чтобы этого не произошло, в систему управления включают предохранительные клапаны, отрегулированные на максимально допустимое расчетное давление Pmax. Таким образом, верхняя часть внешней характеристики машины с гидрообъемной трансмиссией отсекается горизонтальной линией, соответствующей рmax и на участке AB (см. рис. 19.31) трансмиссия не передает всей мощности двигателя. Участок BC характеризуется работой с постоянной мощностью двигателя. С увеличением частоты вращения давление в системе будет снижаться до величины pmin соответствующей qн=qн max. Тогда регулирование прекращается. Свойство гидропривода повышать крутящий момент на ведущих колесах с ростом сопротивления движению машины является основным достоинством этого типа привода. Кривая регулирования (см. рис. 19.31) в масштабе силы тяги рк и скорости va представляет собой внешнюю характеристику машины с гидрообъемной трансмиссией. Силовой диапазон передачи Mmax/Mmin = pmax/pmin ограничивается прочностью деталей привода и КПД передачи. Чем выше максимальное давление в гидросистеме, тем шире диапазон регулирования. Окончательный диапазон регулирования определяется назначением и конкретными условиями эксплуатации, при этом основной целью является обеспечение высокой производительности машины.

К достоинствам относятся: бесступенчатое регулирование скорости и плавность передачи крутящего момента; реверсивность и возможность двигаться на малых («ползучих») скоростях; удобство компоновки и минимальное использование механических звеньев; возможность объединения гидропривода с механизмом поворота; легкость управления и его автоматизации.
Наряду с достоинствами, такие передачи в сравнении с механическими имеют ряд существенных недостатков: снижение КПД трансмиссии при больших диапазонах регулирования и, как следствие, неэкономичность длительной работы машины на режимах, не соответствующих номинальным нагрузкам; несколько большая масса трансмиссии на единицу передаваемой мощности; более высокая стоимость трансмиссии.
При создании многооперационных гидрофицированных лесосечных машин преимущества гидрообъемного привода настолько очевидны, что с учетом значительного роста технического уровня гидромашин его можно считать наиболее перспективным.

Гидрообъемные (гидростатические) передачи

В гидрообъемных бесступенчатых передачах крутящий момент и мощность с ведущего звена (насоса) на ведомое звено (гидромотор) передается жидкостью по трубопроводам. Мощность N, кВт, потока жидкости определяется произведением напора H, м, на расход Q, м3/с:

N = HQpg / 1000,
где р — плотность жидкости.

Гидрообъемные передачи не обладают внутренним автоматизмом, для изменения передаточного числа требуется САУ. Однако для гидрообъемной передачи не нужен механизм реверса. Задний ход обеспечивается изменением соединения насоса с линиями нагнетания и возврата жидкости, что заставляет вал гидромотора вращаться в обратном направлении. При регулируемом насосе не нужна муфта начала движения.

Гидрообъемные передачи (как и электропередачи) по сравнению с фрикционными и гидродинамическими имеют гораздо более широкие компоновочные возможности. Они могут быть частью комбинированной гидромеханической коробки передач при последовательном или параллельном соединении с механическим редуктором. Кроме того, они могут быть частью комбинированной гидромеханической трансмиссии, когда гидромотор установлен перед главной передачей — рис. а (сохранен ведущий мост с главной передачей, дифференциалом, полуосями) либо в двух или во всех колесах установлены гидромоторы — рис. а (они дополнены редукторами, выполняющими функции главной передачи). В любом случае гидросистема является замкнутой, причем в нее включен насос подпитки для поддержания избыточного давления в линии возврата. Из-за потерь энергии в трубопроводах обычно считают целесообразным применение гидрообъемной трансмиссии при максимальном расстоянии между насосом и гидромотором 15… 20 м.

Рис. Схемы трансмиссий автомобилей с гидрообъемными или с электрическими передачами:
а — при использовании мотор-колес; б — при использовании ведущего моста; Н — насос; ГМ — гидромотор; Г — генератор; ЭМ — электромотор

В настоящее время гидрообъемные передачи применяются на малых автомобилях-амфибиях, например «Джиггер» и «Мул», на автомобилях с активными полуприцепами, на небольших сериях большегрузных (полной массой до 50 т) самосвалов и на опытных городских автобусах.

Широкое применение гидрообъемных передач сдерживается в основном их высокой стоимостью и недостаточно высоким КПД (около 80…85%).

Рис. Схемы гидромашин объемного гидропривода:
а — радиально-поршневой; б — аксиально-поршневой; е — эксцентриситет; у — угол наклона блока

Из всего многообразия объемных гидромашин: винтовых, шестеренных, лопастных (шиберных), поршневых — для автомобильных гидрообъемных передач в основном находят применение радиально-поршневые (рис. а) и аксиально-поршневые (рис. б) гидромашины. Они позволяют использовать высокое рабочее давление (40… 50 МПа) и могут быть регулируемыми. Изменение подачи (расхода) жидкости обеспечивается у радиально-поршневых гидромашин изменением эксцентриситета е, у аксиально-поршневых — угла у.

Потери в объемных гидромашинах делят на объемные (утечки) и механические, к последним относят и гидравлические потери. Потери в трубопроводе делят на потери трения (они пропорциональны длине трубопровода и квадрату скорости жидкости при турбулентном течении) и местные (расширение, сужение, поворот потока).

kedoki

В одной из недавних статей на примере Tiger (P) Typ 102 я уже описывал принципы работы гидродинамических передач, то есть гидромуфт и гидротрансформаторов. Кроме того, в танкостроении и в гусеничной технике вообще используются и гидростатические передачи, нередко их называют гидрообъёмными (сокращённо ГОП). У них другой принцип действия, свои области применения и так далее. Проблема в том, что в английской терминологии все они называются hydraulic transmission. Из-за этого некоторые темы в танкостроении обросли выдумками и откровенной ерундой. Например, в некоторых статьях авторы на полном серьёзе пишут, что Tiger (P) Typ 102 был оснащён гидрообъёмным приводом для каждой гусеницы. А тут уж есть где фантазии разгуляться. Мол, на экспериментальном Pz.Kpfw.IV гидрообъёмная трансмиссия работала ненадёжно, так что и Тигр с аналогичной конструкцией был обречён.

В этой статье я расскажу о принципах работы гидрообъёмных передач, об их достоинствах и недостатках, а в следующий раз рассмотрю конкретные реализации в танковых трансмиссиях.
ГОППБДПВ:

Но сперва дурацкая аналогия, поясняющая суть. Представьте себе стоящий на полу шкаф, вам нужно его сдвинуть с помощью бревна. Вы можете сделать это двумя способами. Первый — кидать в него бревно, ведь с каждым ударом шкаф будет сдвигаться. Вы поднимаете бревно, кидаете его в шкаф, затем снова поднимаете, кидаете и так далее. Второй способ — упереться бревном в шкаф и толкать его силой давления. Первый способ — это гидродинамическая передача: насосное колесо своими лопастями «кидает» молекулы жидкости на турбинное колесо. Второй способ — гидростатическая (она же гидрообъёмная) передача. С двигателем соединён гидравлический насос, который создаёт давление в контуре и вращает вал гидравлического мотора. Очевидно, хотя все они называются hydraulic transmission, это совершенно разные способы передачи мощности, каждый со своими особенностями и областями применения.

Типы насосов и моторов
Прежде всего разберёмся с тем, как работает гидронасос. Первое, что приходит в голову — это поршень с кривошипно-шатунным механизмом:

Работать такая штука, конечно, будет, но совсем не так, как нам нужно. Во-первых, давление в контуре пульсирует, то уменьшаясь, то возрастая, потому что в мёртвых точках поршень не прокачивает жидкость. Во-вторых, нужно ещё придумать, как регулировать насос, изменяя скорость. Для решения этих проблем были созданы аксиально-поршневые насосы. В них есть вращающийся барабан с несколькими поршнями, параллельными оси вращения, отсюда и название.

Штоки поршней крепятся на вращающейся с ними шайбе. Когда шайба находится под прямым углом, то поршни не совершают ход, объёмы жидкости в цилиндрах не изменяются и насос не работает. Если шайбу наклонить, то при вращении барабана поршни будут совершать ход, изменяя объёмы цилиндров, а жидкость в контуре начнёт протекать под давлением. Таким образом, от угла наклона шайбы зависит объём перекачиваемой жидкости и, соответственно, скорость вала гидромотора.

В реальной конструкции поршней и цилиндров намного больше. Посмотреть, как это работает, можно на довольно наглядном видео:

Кроме аксиально-поршневых есть радиально-поршневые насосы. В них поршни (или плунжеры на радиально-плунжерных насосах) располагаются не параллельно, а перпендикулярно к оси вращения вала. Реализаций у радиальных насосов множество, поэтому приведём несколько примеров.

Вот схема радиального насоса с неподвижными цилиндрами и эксцентриком:

Ось эксцентрика смещена от ос оси вала, поэтому при вращении эксцентрик вжимает одни поршни и отжимает другие. За счёт этого и происходит прокачка жидкости.

Другой вариант с вращающимися поршнями:

Ротор представляет собой барабан с поршнями, в центральной части которого есть две камеры высокого и низкого давления. Картер статора по оси смещён относительно ротора, поэтому при вращении вала поршни то сжимают, то отжимают пружины, соответственно изменяя объём цилиндров. За счёт этого и создаётся давление в контуре. Более наглядная схема:

Есть и другой вариант:

Наглядное видео с объяснением работы радиально-поршневых насосов:

Для регулировки объёма прокачиваемой жидкости и скорости вращения гидромотора нам нужно изменять положение оси эксцентрика относительно оси вращения вала. Это можно сделать смещением статора, как на схеме ниже, или смещения самого эксцентрика в радиальных насосах с неподвижными цилиндрами. В дальнейшем мы разберём такую конструкцию на реальном примере.

Что касается гидравлических моторов, то многие схемы насосов обратимы, то есть могут использоваться и как насосы, и как моторы. Вот пример объединения аксиально-поршневых мотора и насоса в один компактный блок для бесступенчатого изменения скорости:

Другой пример: с двигателем соединён аксиально-поршневой насос, а с ведущими колёсами пластинчатый гидромотор. В нём ось вращения ротора смещена от оси статора, а лопатки-пластины прижимаются к его стенке под действитем пружин или центробежной силы:

Достоинства и недостатки гидрообъёмных передач
Самое главное достоинство гидропередачи, ради которого её обычно и применяют, это возможность бесступенчатой регулировки. Наклоном шайбы или смещением эксцентрика можно изменять скорость вращения ведомого вала, причём крутящий момент тоже будет соответственно уменьшаться или увеличиваться. Нет никаких ступеней, как в коробке передач, передаточное число изменяется вслед за движением рычага или штурвала. Что касается диапазона скоростей, то и с ним всё, как правило, хорошо. Казалось бы, идеальная трансмиссия: гидромотор соединяется с двигателем, а гидронасосы с ведущими колёсами танка. Для каждой гусеницы отдельно можно задавать какую угодно скорость, плавно входя в повороты. Если танк заехал в говны и сопротивление движению увеличилось, то достаточно снизить обороты гидромотора, подняв крутящий момент.

Но не всё так просто. У гидрообъёмных передач есть, скажем, так, один существенный недостаток и одна важная особенность. Эту особенность нельзя однозначно назвать недостатком, потому что в некоторых случаях она является как раз достоинством. Гидрообъёмные передачи требуют качественного изготовления, ведь они работают с большим давлением и быстро движущимися деталями. При работе с большой мощностью требуется обеспечить адекватное охлаждение масла. Как следствие, использовать гидрообъёмный привод в качестве полноценной танковой трансмиссии крайне затруднительно. Вернее, сделать-то его можно, но сразу возникнут вопросы к цене, сложности изготовления, охлаждению и, самое главное, к надёжности. Кроме того, гидрообъёмные трансмиссии хоть и позволяют бесступенчато изменять крутящий момент и скорость в широком диапазоне, но они не делают этого автоматически, без участия человека. Наоборот, гидротрансформаторы сами приспосабливаются к условиям движения, используя мощность оптимальным образом.

Именно поэтому в настоящее время стандартом в танкостроении стала связка гидротрансформатора с планетарной коробкой передач. Но и для гидрообъёмных передач нашлись свои области применения. Они давно и с успехом используются в приводах поворота башни. Вот простая для понимания схема:

Пластинчатый гидромотор регулируется смещением статора вверх или вниз. Наводчик наклоняет рукоятку поворота и этим смещает гайку вперёд или назад. От её смещения, в свою очередь, зависит и смещение статора. Направлениям вверх или вниз соответствует движение башни по часовой или против часовой стрелки, а скорость поворота зависит от величины смещения. Гидромотор устроен сходным образом, только у него статор зафиксирован неподвижно.

Другая важная область — это двухпоточные механизмы поворота с гидрообъёмным приводом. Они позволяют поворачивать настолько точно, что в танках Char B1 и Strv 103 по горизонтали орудие наводится только с помощью механизма поворота. В настоящее время это лучший тип танковой трансмиссии по управляемости. Но об использовании гидрообъёмных приводов в танковых трансмиссиях мы с конкретными примерами поговорим в следующий раз.

Источник https://industrial-wood.ru/lesotransportnye-mashiny/5710-gidroobemnaya-transmissiya.html

Источник https://ustroistvo-avtomobilya.ru/transmissiya/gidroobemnye-gidrostaticheskie-peredachi/

Источник https://kedoki.livejournal.com/120416.html