Jump to content

Гидротрансформатор

ZF Гидротрансформатор в разрезе
. в разрезе Модель гидротрансформатора

Гидротрансформатор — это устройство, обычно реализуемое в виде гидромуфты , которое передает вращательную мощность от первичного двигателя , такого как двигатель внутреннего сгорания , к вращающейся ведомой нагрузке. В автомобиле с автоматической коробкой передач гидротрансформатор соединяет первичный двигатель с автоматической зубчатой ​​передачей, которая затем приводит в движение нагрузку. двигателя Таким образом, он обычно располагается между гибкой пластиной и коробкой передач. Эквивалентным устройством в механической коробке передач является механическое сцепление .

Гидротрансформатор служит для увеличения передаваемого крутящего момента при низкой выходной частоте вращения. В варианте с гидромуфтой используется жидкость, приводимая в движение лопатками входного рабочего колеса и направляемая через лопатки неподвижного статора, для приведения в движение выходной турбины таким образом, что крутящий момент на выходе увеличивается, когда выходной вал вращается медленнее, чем входной вал, обеспечивая тем самым эквивалент адаптивного редуктора . Это особенность, превосходящая возможности простой гидромуфты, которая может соответствовать скорости вращения, но не увеличивает крутящий момент. Преобразователи крутящего момента на основе гидромуфты также обычно включают функцию блокировки для жесткого соединения входа и выхода и предотвращения потерь эффективности, связанных с передачей крутящего момента потоком жидкости, когда это позволяют условия эксплуатации.

Гидравлические системы

[ редактировать ]

Безусловно, наиболее распространенной формой гидротрансформатора в автомобильных трансмиссиях является описанное выше гидродинамическое устройство. Существуют также гидростатические системы, которые широко используются в небольших машинах, таких как компактные экскаваторы .

Механические системы

[ редактировать ]

Существуют также механические конструкции гидротрансформаторов, многие из которых аналогичны механическим бесступенчатым трансмиссиям или также способны действовать как таковые. К ним относятся маятниковый гидротрансформатор Constantinesco , трансмиссия с фрикционным зацеплением Lambert и Вариоматик с раздвижными шкивами и ременной передачей.

Использование

[ редактировать ]

Теория работы

[ редактировать ]

Уравнения движения гидротрансформатора определяются Леонарда Эйлера восемнадцатого века уравнением турбомашины :

Уравнение расширяется и включает пятую степень радиуса; в результате свойства гидротрансформатора очень зависят от типоразмера устройства.

Математические формулы гидротрансформатора имеются у нескольких авторов. [1] [2]

Хроват вывел уравнения насоса, турбины, статора и сохранения энергии. Четыре дифференциальных уравнения первого порядка могут определить характеристики гидротрансформатора.

где

  • плотность
  • площадь потока
  • радиус насоса
  • радиус турбины
  • радиус статора
  • угол выхода насоса
  • угол выхода турбины
  • угол выхода статора
  • это инерция
  • длина инерции жидкости


Более простую корреляцию предлагает Котвицкий.

Элементы гидротрансформатора

[ редактировать ]

Гидравлическая муфта представляет собой двухэлементный привод, не способный увеличивать крутящий момент, тогда как гидротрансформатор имеет как минимум один дополнительный элемент — статор, который изменяет характеристики привода в периоды большого проскальзывания, вызывая увеличение выходного крутящего момента.

В гидротрансформаторе имеется как минимум три вращающихся элемента: крыльчатка, которая механически приводится в движение первичным двигателем ; турбина, приводящая в движение нагрузку ; и статор, который расположен между рабочим колесом и турбиной и может изменять поток масла, возвращающийся из турбины в рабочее колесо. Классическая конструкция гидротрансформатора требует предотвращения вращения статора при любых условиях, отсюда и термин «статор» . На практике, однако, статор установлен на обгонной муфте , которая предотвращает встречное вращение статора относительно первичного двигателя, но допускает вращение вперед.

В базовую трехэлементную конструкцию периодически вносились изменения, особенно в тех случаях, когда требуется увеличение крутящего момента выше обычного. Чаще всего они представляют собой несколько турбин и статоров, каждый из которых предназначен для создания разной степени увеличения крутящего момента. Например, автоматическая коробка передач Buick Dynaflow имела конструкцию без переключения передач и в нормальных условиях для увеличения крутящего момента полагалась исключительно на гидротрансформатор. В Dynaflow использовался пятиэлементный преобразователь для создания широкого диапазона увеличения крутящего момента, необходимого для приведения в движение тяжелого автомобиля.

Хотя это не является строго частью конструкции классического гидротрансформатора, многие автомобильные гидротрансформаторы включают в себя муфту блокировки для повышения эффективности передачи мощности в крейсерском режиме и снижения нагрева. Применение сцепления фиксирует турбину на рабочем колесе, в результате чего вся передача мощности становится механической, что устраняет потери, связанные с гидравлическим приводом.

Эксплуатационные этапы

[ редактировать ]

Гидротрансформатор имеет три этапа работы:

  • Ларек . Первичный двигатель подает мощность на рабочее колесо, но турбина не может вращаться. Например, в автомобиле этот этап работы может произойти, когда водитель включил передачу , но не дает транспортному средству двигаться, продолжая нажимать на тормоза . При остановке гидротрансформатор может обеспечить максимальное увеличение крутящего момента, если приложена достаточная входная мощность (результирующее увеличение называется коэффициентом сваливания ). Фаза остановки фактически длится в течение короткого периода, когда нагрузка (например, транспортное средство) первоначально начинает двигаться, поскольку будет очень большая разница между скоростью насоса и турбины.
  • Ускорение . Нагрузка увеличивается, но все еще существует относительно большая разница между скоростью вращения крыльчатки и турбины. В этом случае преобразователь будет производить приращение крутящего момента меньше, чем то, которое могло бы быть достигнуто в условиях останова. Величина умножения будет зависеть от фактической разницы между скоростью насоса и турбины, а также от различных других конструктивных факторов.
  • Соединение . Турбина достигла примерно 90 процентов скорости рабочего колеса. Увеличение крутящего момента практически прекратилось, и гидротрансформатор ведет себя аналогично простой гидромуфте. В современных автомобильных приложениях обычно именно на этом этапе работы применяется блокировочная муфта - процедура, которая имеет тенденцию повышать топливную экономичность .

Ключом к способности гидротрансформатора увеличивать крутящий момент является статор. В классической конструкции гидромуфты периоды сильного проскальзывания приводят к тому, что поток жидкости, возвращающийся от турбины к рабочему колесу, противодействует направлению вращения рабочего колеса, что приводит к значительной потере эффективности и выделению значительного количества отходящего тепла . В тех же условиях в гидротрансформаторе возвращающаяся жидкость будет перенаправлена ​​статором так, что она будет способствовать вращению крыльчатки, а не препятствовать ему. В результате большая часть энергии возвращающейся жидкости восстанавливается и добавляется к энергии, передаваемой к рабочему колесу первичным двигателем. Это действие вызывает существенное увеличение массы жидкости, направляемой в турбину, что приводит к увеличению выходного крутящего момента. Поскольку возвращающаяся жидкость изначально движется в направлении, противоположном вращению рабочего колеса, статор также будет пытаться вращаться в противоположном направлении, заставляя жидкость менять направление, эффект, который предотвращается односторонняя статорная муфта .

В отличие от радиально прямых лопаток, используемых в простой гидромуфте, в турбине и статоре гидротрансформатора используются наклонные и изогнутые лопатки. Форма лопастей статора меняет путь жидкости, заставляя его совпадать с вращением рабочего колеса. Соответствующая кривая лопаток турбины помогает правильно направить возвращающуюся жидкость к статору, чтобы последний мог выполнять свою работу. Форма лопастей важна, поскольку незначительные изменения могут привести к значительным изменениям в производительности преобразователя.

Во время фаз останова и ускорения, когда происходит увеличение крутящего момента, статор остается неподвижным благодаря действию своей односторонней муфты. Однако по мере приближения гидротрансформатора к фазе сцепления энергия и объем жидкости, возвращающейся из турбины, будут постепенно уменьшаться, в результате чего давление на статор также уменьшится. На этапе соединения возвращающаяся жидкость изменит направление и теперь будет вращаться в направлении рабочего колеса и турбины, что приведет к попытке вращения статора вперед. В этот момент муфта статора отпустится, и рабочее колесо, турбина и статор (более или менее) начнут вращаться как единое целое.

жидкости Неизбежно часть кинетической энергии будет потеряна из-за трения и турбулентности, в результате чего преобразователь будет выделять отходящее тепло (во многих приложениях рассеиваемое за счет водяного охлаждения). Этот эффект, часто называемый потерями накачки, будет наиболее выражен в условиях срыва или вблизи него. В современных конструкциях геометрия лопаток сводит к минимуму скорость масла при низких оборотах крыльчатки, что позволяет останавливать турбину на длительное время с небольшой опасностью перегрева (например, когда автомобиль с автоматической коробкой передач останавливается по сигналу светофора или в пробке во время движения). еще в работе).

Увеличение эффективности и крутящего момента

[ редактировать ]

Гидротрансформатор не может достичь 100-процентного КПД сцепления. Классический трехэлементный гидротрансформатор имеет кривую эффективности, напоминающую ∩: нулевой КПД при остановке, обычно увеличивающийся КПД на этапе ускорения и низкий КПД на этапе сцепления. Потеря эффективности при входе преобразователя в фазу соединения является результатом турбулентности и помех потока жидкости, создаваемых статором, и, как упоминалось ранее, обычно устраняется путем установки статора на одностороннюю муфту.

Даже несмотря на преимущества односторонней статорной муфты, преобразователь не может достичь того же уровня эффективности на этапе сцепления, что и гидромуфта эквивалентного размера. Некоторые потери происходят из-за наличия статора (даже если он вращается как часть узла), поскольку он всегда создает некоторую поглощающую энергию турбулентность. Однако большая часть потерь вызвана изогнутыми и наклонными лопатками турбины, которые не поглощают кинетическую энергию массы жидкости, а также радиально прямыми лопатками. Поскольку геометрия лопаток турбины является решающим фактором в способности преобразователя увеличивать крутящий момент, компромисс между увеличением крутящего момента и эффективностью сцепления неизбежен. В автомобильной промышленности, где постоянное улучшение экономии топлива было предписано рыночными силами и постановлением правительства, почти повсеместное использование муфты блокировки помогло исключить гидротрансформатор из уравнения эффективности во время движения.

Максимальное увеличение крутящего момента, создаваемое преобразователем, сильно зависит от размера и геометрии лопаток турбины и статора и генерируется только тогда, когда преобразователь находится в фазе срыва работы или близко к ней. Типичные коэффициенты увеличения крутящего момента при срыве колеблются от 1,8:1 до 2,5:1 для большинства автомобильных применений (хотя многоэлементные конструкции, используемые в Buick Dynaflow и Chevrolet Turboglide, могут дать больше). Специализированные преобразователи, предназначенные для промышленных, железнодорожных или тяжелых морских систем передачи энергии, способны выполнять умножение до 5,0:1. Вообще говоря, существует компромисс между максимальным увеличением крутящего момента и эффективностью: преобразователи с высоким коэффициентом срыва имеют тенденцию быть относительно неэффективными при скорости сцепления, тогда как преобразователи с низким коэффициентом срыва имеют тенденцию обеспечивать менее возможное увеличение крутящего момента.

Характеристики гидротрансформатора должны быть тщательно согласованы с кривой крутящего момента источника питания и предполагаемым применением. Изменение геометрии лопаток статора и/или турбины приведет к изменению характеристик крутящего момента и общего КПД агрегата. Например, в автоматических трансмиссиях для дрэг-рейсинга часто используются преобразователи, модифицированные для обеспечения высоких скоростей сваливания, для улучшения крутящего момента на холостом ходу и для более быстрого перехода в диапазон мощности двигателя. В дорожных транспортных средствах обычно используются преобразователи крутящего момента с меньшим холостым ходом, чтобы ограничить выделение тепла и обеспечить более четкое ощущение характеристик автомобиля.

Конструктивной особенностью некоторых автоматических трансмиссий General Motors лопастей был статор с изменяемым шагом, в котором угол атаки можно было изменять в зависимости от изменения частоты вращения и нагрузки двигателя. Результатом этого было изменение степени увеличения крутящего момента, создаваемого преобразователем. При нормальном угле атаки статор заставлял преобразователь производить умеренное умножение, но с более высоким уровнем эффективности. Если бы водитель резко открыл дроссельную заслонку, клапан переключил бы шаг статора на другой угол атаки, увеличивая приращение крутящего момента за счет эффективности.

В некоторых гидротрансформаторах используются несколько статоров и/или несколько турбин для обеспечения более широкого диапазона увеличения крутящего момента. Такие многоэлементные преобразователи более распространены в промышленных условиях, чем в автомобильных трансмиссиях, но также существовали автомобильные приложения, такие как Buick от Triple Turbine Dynaflow и Chevrolet от Turboglide . Buick Dynaflow использовал характеристики увеличения крутящего момента своей планетарной передачи в сочетании с гидротрансформатором для пониженной передачи и обходил первую турбину, используя только вторую турбину по мере увеличения скорости автомобиля. Неизбежным компромиссом при такой компоновке был низкий КПД, и в конечном итоге эти трансмиссии были сняты с производства в пользу более эффективных трехступенчатых агрегатов с обычным трехэлементным гидротрансформатором.Также установлено, что эффективность гидротрансформатора максимальна на очень низких скоростях.

Гидротрансформаторы с блокировкой

[ редактировать ]

Как описано выше, движущие потери внутри гидротрансформатора снижают эффективность и выделяют отходящее тепло. В современных автомобильных приложениях этой проблемы обычно можно избежать за счет использования муфты блокировки , которая физически связывает крыльчатку и турбину, эффективно превращая преобразователь в чисто механическую муфту. В результате отсутствует проскальзывание и практически отсутствует потеря мощности.

Первым автомобильным применением принципа блокировки была Packard Ultramatic трансмиссия , представленная в 1949 году, которая блокировала гидротрансформатор на крейсерских скоростях и разблокировалась, когда дроссельная заслонка была полностью закрыта для быстрого ускорения или при замедлении автомобиля. Эта функция также присутствовала в некоторых Borg-Warner, трансмиссиях выпущенных в 1950-х годах. В последующие годы он вышел из моды из-за своей сложности и стоимости. В конце 1970-х годов муфты блокировки начали вновь появляться в ответ на требования повышения экономии топлива, и теперь они почти универсальны в автомобильной технике.

Емкость и режимы отказа

[ редактировать ]

Как и в случае с базовой гидромуфтой, теоретическая крутящая способность гидротрансформатора пропорциональна , где - массовая плотность жидкости (кг/м 3 ), - скорость крыльчатки ( об/мин ), и диаметр ( м ). [3] На практике максимальный крутящий момент ограничивается механическими характеристиками материалов, используемых в компонентах преобразователя, а также способностью преобразователя рассеивать тепло (часто за счет водяного охлаждения). В целях повышения прочности, надежности и экономичности производства большинство корпусов автомобильных преобразователей имеют сварную конструкцию. Промышленные агрегаты обычно собираются в корпусах с болтовым соединением, что упрощает процесс проверки и ремонта, но увеличивает стоимость производства преобразователя.

В высокопроизводительных, гоночных и тяжелых коммерческих преобразователях насос и турбину можно дополнительно укрепить с помощью процесса, называемого пайкой в ​​печи , при котором расплавленная латунь втягивается в швы и соединения для создания более прочного соединения между лопатками, ступицами и кольцевым кольцом. с). Поскольку процесс пайки в печи создает небольшой радиус в точке, где лопасть встречается со ступицей или кольцевым кольцом, теоретически произойдет уменьшение турбулентности, что приведет к соответствующему увеличению эффективности.

Перегрузка преобразователя может привести к нескольким видам отказов, некоторые из которых потенциально опасны по своей природе:

  • Перегрев : Постоянное проскальзывание высокого уровня может снизить способность преобразователя рассеивать тепло, что приведет к повреждению эластомерных уплотнений , удерживающих жидкость внутри преобразователя. Ярким примером легковых автомобилей может быть застревание в снегу или грязи и необходимость раскачивать автомобиль вперед и назад, чтобы набрать скорость, переключаясь вперед и назад с передачи на задний ход, используя значительную мощность. Трансмиссионная жидкость быстро перегреется, не говоря уже о многократных воздействиях на муфту статора (следующая тема). Кроме того, перегрев трансмиссионной жидкости приводит к потере вязкости и повреждению трансмиссии. Такое злоупотребление в редких случаях может привести к протечке гидротрансформатора и со временем к прекращению его работы из-за нехватки жидкости.
  • Заклинивание статорной муфты : Внутренние и внешние элементы односторонней статорной муфты постоянно блокируются, что предотвращает вращение статора во время фазы сцепления. Чаще всего заклинивание провоцирует сильная нагрузка и последующая деформация компонентов сцепления. Со временем происходит истирание сопрягаемых деталей, что вызывает заедание. Гидротрансформатор с заклинившей муфтой статора будет демонстрировать очень низкую эффективность на этапе сцепления, а в автомобиле резко возрастет расход топлива. Перегрев преобразователя в таких условиях обычно происходит при попытке продолжения работы.
  • Поломка муфты статора . Очень резкое приложение мощности, например, при включении трансмиссии в нейтральное положение и увеличении оборотов двигателя перед включением передачи (обычно называемое «нейтральным запуском»), может вызвать ударную нагрузку на муфту статора, приводящую к поломке. Если это произойдет, статор будет свободно вращаться в противоположном направлении в направлении, противоположном направлению вращения насоса, и передача мощности практически не будет осуществляться. В автомобиле эффект аналогичен серьезному случаю пробуксовки трансмиссии, и автомобиль практически не способен двигаться своим ходом.
  • Деформация и фрагментация лопаток : При резкой нагрузке или чрезмерном нагреве преобразователя лопатки насоса и/или турбины могут деформироваться, отделиться от своих ступиц и/или кольцевых колец или расколоться на фрагменты. По крайней мере, такой отказ приведет к значительной потере эффективности, вызывая симптомы, аналогичные (хотя и менее выраженные) симптомам, сопровождающим отказ статорной муфты. В крайнем случае произойдет катастрофическое разрушение преобразователя.
  • Раздувание : Длительная работа при чрезмерной нагрузке, очень резкое приложение нагрузки или работа гидротрансформатора на очень высоких оборотах могут привести к физическому искажению формы корпуса гидротрансформатора из-за внутреннего давления и/или напряжения, вызванного инерцией. В экстремальных условиях раздувание может привести к разрыву корпуса конвертера, что приведет к резкому разносу горячего масла и металлических фрагментов на большую площадь.

Производители

[ редактировать ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Хроват, Д; Тоблер, В. (1985). «Моделирование графа Бонда и компьютерное моделирование автомобильных преобразователей крутящего момента» . Журнал Института Франклина . 319 : 93–114. дои : 10.1016/0016-0032(85)90067-5 .
  2. ^ Котвицкий, AJ (1982). «Динамические модели для транспортных средств, оборудованных гидротрансформатором» . Серия технических документов SAE . дои : 10.4271/820393 .
  3. ^ Гидродинамические муфты и преобразователи . Автомобильный справочник (3-е изд.). Роберт Бош . 1993. с. 539. ИСБН  0-8376-0330-7 .
  4. ^ «Espacenet — Оригинальный документ» . Worldwide.espacenet.com. 07.03.1933 . Проверено 21 июля 2014 г.
  5. ^ "Mekydro Transmission | InterTrains.co.uk" . Архивировано из оригинала 2 марта 2010 г. Проверено 31 октября 2009 г.
  6. ^ «The Sydney Morning Herald — Поиск в архиве новостей Google» . Архивировано из оригинала 12 мая 2016 г.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 9a4e2e1ad468dce6b55d1507521ed3cc__1719961560
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/9a/cc/9a4e2e1ad468dce6b55d1507521ed3cc.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Torque converter - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)