Гидротрансформатор — устройство и принцип действия

Общие сведения

Гидротрансформатор как передает, так и увеличивает крутящий момент от двигателя, для чего в качестве рабочей среды используется жидкость для автоматических коробок передач.

Гидротрансформатор состоит из насосного колеса, которое приводится от коленчатого вала двигателя, турбинного колеса, которое соединено с ведущим валом коробки передач; реактора, который прикреплен к корпусу коробки через муфту свободного хода и реактивный вал корпуса, гидротрансформатора, который вмещает все эти составные части. Гидротрансформатор заполнен ТМ, которое подается масляным насосом. Эта жидкость отбрасывается из насосного колеса в виде мощного потока и вращает турбинное колесо.

Устройство

1. Насосное колесо

Насосное колесо выполнено как одно целое с корпусом гидротрансформатора и имеет внутри большое число криволинейных лопастей. На внутренних кромках лопастей установлено направляющее кольцо для обеспечения траектории плавного потока жидкости. Корпус гидротрансформатора соединен с коленчатым валом двигателя через ведущий диск.

2. Турбинное колесо

В турбинном колесе, кок и в насосном, имеется большое количество лопастей. Направление кривизны этих лопастей противоположно направлению кривизны лопаток насосного колеса. Турбинное колесо установлено на ведущем валу коробки передач так, что его лопасти расположены напротив лопастей насосного колеса с очень небольшим зазором между ними.

Внимание! Турбинное колесо соединено с ведущим валом коробки передач и вращается вместе с ним, когда автомобиль движется с включенными диапазонами «0», «2», «L» или «R». Однако, оно не вращается, когда автомобиль остановлен с включенными диапазонами «D», «2», «L» или «R» и свободно вращается вместе с насосным колесом, когда в коробке передач включены диапазоны «Р» или «N».

3. Реактор

Реактор расположен между насосным и турбинным колесами. Он смонтирован на реактивном валу, который закреплен в корпусе коробки передач через муфту свободного хода.


Лопасти реактора захватывают жидкость, когда она покидает турбинное колесо и направляют ее так, что она ударяет по задней части лопастей насосного колеса, давая ему дополнительное «усиление». Муфта свободного хода позволяет реактору вращаться в том же направлении, что и коленчатый вал двигателя. Однако, если реактор попытается вращаться в обратном направлении, муфта свободного хода блокирует реактор, препятствуя его вращению. Следовательно, реактор вращается или блокируется в зависимости от направления воздействия жидкости на лопасти.

Работа муфты свободного хода

Когда наружная обойма вращается в направлении, показанном стрелкой (A) на рисунке ниже, она нажимает на вершины сухарей. Поскольку размер l₁ меньше размера l, сухари наклоняются, позволяя вращаться наружной обойме.



Однако, когда наружная обойма стремится вращаться в противоположном направлении (В), сухари не могут наклониться, потому что размер l₂ больше, чем размер l. В результате сухари действуют как клинья, блокируя наружную обойму и препятствуя ее вращению. Для улучшения работы сухарей предусмотрена пружина, которая поддерживает сухари все время немного наклоненными в направлении блокировки наружной обоймы.

Справка: Муфта свободного хода с сухарями используется также для управления планетарным механизмом.

Принцип передачи мощности

Если мы установим два электрических вентилятора А и В так, чтобы они были обращены один к другому на расстоянии в несколько сантиметров, затем включим вентилятор А, то вентилятор В начнет вращаться в том же направлении, даже если он выключен. Это происходит потому, что вращение вентилятора А создает воздушный поток между двумя вентиляторами и поэтому воздух, подаваемый вентилятором А, ударяет по лопастям вентилятора В, вызывая его вращение. Другими словами, передача мощности между вентиляторами А и В осуществляется через воздушную среду.

Гидротрансформатор работает таким же образом, где насосное колесо выполняет роль вентилятора А, а турбинное колесо - вентилятора В. Средой в этом случае является жидкость для автоматических коробок передач, а не воздух.

Передача мощности

Когда насосное колесо приводится от коленчатого вала двигателя, жидкость в насосном колесе вращается вместе с ним в том же направлении. При увеличении скорости вращения насосного колеса центробежная сила заставляет жидкость выходить наружу от центра колеса вдоль поверхностей лопаток и внутренней поверхности колеса. Когда скорость колеса становится еще больше, жидкость вытесняется из насосного колеса.



Жидкость ударяет по лопастям турбинного колеса, заставляя его начать вращение в том же направлении, что и насосное колесо.

После того как жидкость рассеет свою энергию по лопастям турбинного колеса, она проходит внутрь по лопастям турбинного колеса. Когда жидкость достигает внутренней части рабочего колеса, криволинейная внутренняя поверхность колеса направляет поток жидкости обратно к насосному колесу и цикл начинается сначала.

Как констатировано выше, передача крутящего момента осуществляется путем циркуляции жидкости через насосное и турбинное колеса.

Принцип увеличения крутящего момента

В предыдущей главе объясняется принцип передачи крутящего момента в гидравлической муфте на примере двух электрических вентиляторов. Было отмечено, что муфта, состоящая из двух электрических вентиляторов, может передавать крутящий момент, но не может его увеличивать. Однако, если ввести воздушный канал, воздух будет проходить через вентилятор В (ведомый вентилятор! и обратно через вентилятор А (ведущий вентилятор! сзади его через воздушный канал, как показано ниже. Это будет усиливать воздушный поток, подаваемый лопастями вентилятора А, потому что энергия, оставшаяся в воздухе после прохождения через вентилятор В, будет помогать вращению лопастей вентилятора А.





В гидротрансформаторе роль воздушного канала играет реактор.

Увеличение крутящего момента

Увеличение крутящего момента гидротрансформатором осуществляется возвратом жидкости к насосному колесу посредством лопастей реактора после ее прохождения через турбинное колесо, как рассмотрено выше.

Другими словами, насосное колесо вращается крутящим моментом, создаваемым двигателем, к которому добавляется момент от жидкости, возвратившейся от турбинного колеса. То есть, можно сказать, что насосное колесо увеличивает первоначальный крутящий момент, передаваемый на турбинное колесо.

Назначение муфты свободного хода реактора

При большом вихревом потоке*

Направление жидкости, входящей в реактор из турбинного колеса, зависит от разности скоростей вращения насосного и турбинного колес.

Когда эта разница большая, скорость жидкости (вихревого потока), циркулирующей через насосное и турбинное колеса, высокая, поэтому жидкость выходит из турбинного колеса к реактору в направлении, препятствующем вращению насосного колеса, как показано ниже (точка А).

Жидкость ударяет по передним поверхностям лопастей реактора, заставляя реактор вращаться в направлении, противоположном направлению вращения насосного колеса. Поскольку реактор блокируется муфтой свободного хода, он не вращается, но его лопасти изменяют направление потока жидкости, помогая вращению насосного колеса.

* Вихревой поток - это поток жидкости, подаваемой насосным колесом, когда он проходит через турбинное колесо и реактор и затем вновь возвращается к насосному колесу. Этот поток сильнее, когда больше разница в скоростях вращения между насосным и турбинным колесами, те. когда автомобиль трогается.

При небольшом вихревом потоке

Когда скорость вращения турбинного колеса достигает скорости вращения насосного колеса, скорость жидкости (вращающийся поток*), вращающейся вместе с турбинным колесом в том же направлении, возрастает. С другой стороны, скорость жидкости (вихревой поток), циркулирующей через насосное и турбинное колеса, уменьшается. Следовательно, направление потока жидкости от турбинного колеса к реактору одинаково с направлением вращения насосного колеса.

Поскольку в этот момент жидкость ударяет по задним поверхностям лопастей реактора, эти лопасти мешают потоку жидкости. В этом случае муфта свободного хода дает возможность реактору вращаться в том же направлении, что и насосное колесо, позволяя жидкости возвратиться к насосному колесу.

Как констатировалось выше, реактор начинает вращаться в том же направлении, что и насосное колесо, когда скорость вращения турбинного колеса достигает установленного соотношения со скоростью вращения насосного колеса. Это называется точкой сцепления или точкой муфты. После достижения этой точки увеличения крутящего момента не будет и гидротрансформатор работает как обычная гидравлическая муфта.

* Вращающийся поток - это поток жидкости внутри гидротрансформатора в направлении вращения гидротрансформатора. Этот поток большой, когда разность скоростей между насосным и турбинным колесами небольшая, например, когда автомобиль движется с постоянной скоростью и становится меньше пропорционально разности скоростей вращения насосного и турбинного колес.

Характеристика гидротрансформатора

1. Коэффициент трансформации

Увеличение крутящего момента гидротрансформатором становится больше пропорционально величине вихревого потока, как упомянуто ранее. То есть, оно максимальное, когда турбинное колесо остановлено.

Работа гидротрансформатора разделяется на два рабочих диапазона: диапазон гидротрансформатора, в котором имеет место увеличение крутящего момента; и диапазон гидромуфты, в котором происходит просто передача крутящего момента без его увеличения. Точка сцепления - это линия, разделяющая эти диапазоны.

Коэффициент трансформации на режиме остановки

Когда передаточное отношение (е) равно нулю, т.е. когда турбинное колесо не вращается вовсе (например, когда двигатель работает, рычаг переключения коробки передач установлен в положение «D», а автомобиль не движется), разность в скоростях вращения насосного и турбинного колес максимальная.

Момент остановки относится к ситуации, когда турбинное колесо неподвижно. В этот момент имеет место максимальный коэффициент трансформации гидротрансформатора. Обычно он находится в диапазоне между 1,7 и 2,5.

Справка: При описанных ниже испытаниях в момент остановки характеристика гидротрансформатора и мощность двигателя определяются при работающем двигателе в режиме полного открытия дроссельной заслонки (полной загрузки).

Точка сцепления

Когда начинает вращаться турбинное колесо и передаточное отношение увеличивается, разность в скоростях вращения насосного и турбинного колес начинает уменьшаться.

Когда передаточное отношение достигает установленного уровня, вихревой поток является минимальным, поэтому коэффициент трансформации равен почти 1:1. Поскольку жидкость, выходящая из турбинного колеса, ударяет по задним поверхностям лопастей реактора при более высоком передаточном отношении, муфта свободного хода вызывает вращение реактора в направлении вращения насосного колеса.

Другими словами, гидротрансформатор начинает работать как гидромуфта в точке сцепления, чтобы предотвратить падение коэффициента трансформации ниже 1.

2. КПД передачи

КПД передачи гидротрансформатора показывает, насколько эффективно энергия, подводимая к насосному колесу, передается к турбинному колесу.

Энергия здесь рассматривается как мощность двигателя, которая пропорциональна частоте вращения коленчатого вала (об/мин) и крутящему моменту,

Мощность = k · Т · R

Где:
k: Коэффициент
Т: Крутящий момент
R: Число оборотов в минуту



В момент остановки насосное колесо вращается, а турбинное колесо остановлено. Следовательно, к турбинному колесу передается максимальный крутящий момент, но КПД передачи равен нулю, потому что турбинное колесо не вращается.

Когда турбинное колесо начнет вращаться, мощность на турбинном колесе, которая пропорциональна числу оборотов в минуту и крутящему моменту насосного колеса, вызывает резкое увеличение КПД передачи, который максимален при передаточном отношении, немного не доходящим до точки сцепления. После точки максимального кпд гидротрансформатора КПД передачи начинает падать, потому что часть жидкости, выходящей из турбинного колеса, начинает поступать к задним поверхностям лопастей реактора.

В точке сцепления, в которой большая часть жидкости из турбинного колеса ударяет по задним поверхностям лопастей реактора, реактор начинает вращаться, что предотвращает дальнейшее снижение КПД передачи, и гидротрансформатор начинает действовать как гидромуфта.

Поскольку в гидромуфте крутящий момент передается примерно в соотношении 1:1, КПД передачи в диапазоне гидромуфты линейно возрастает пропорционально передаточному отношению.

Однако, циркуляция жидкости вызывает потери части кинетической энергии (энергии движения) жидкости, так как температура жидкости возрастает из-за трения и ударов. Поэтому КПД передачи гидротрансформатора не достигает 100% и обычно составляет не более 95%.

Работа гидротрансформатора

Общее описание работы гидротрансформатора с рычагом переключения в положениях «D», «2», «L» или «R» приведено ниже.

Автомобиль остановлен, двигатель работает на холостом ходу

Когда двигатель работает на холостом ходу, крутящий момент, создаваемый двигателем, минимальный. Если затормозить автомобиль (ручным и/или ножным тормозами), нагрузка на турбинном колесе при этом будет большая, потому что оно не может вращаться.

Поскольку автомобиль остановлен, передаточное отношение равно нулю, тогда как коэффициент трансформации максимальный. Следовательно, турбинное колесо всегда готово вращаться с более высоким крутящим моментом, чем момент, создаваемый двигателем.

Автомобиль трогается

При растормаживании автомобиля турбинное колесо получает возможность вращаться вместе с ведущим валом коробки передач. Следовательно, нажатие на педаль акселератора вызывает вращение турбинного колеса с крутящим моментом большим, чем создается двигателем, поэтому автомобиль начинает движение.

Автомобиль движется с небольшой скоростью

При увеличении скорости автомобиля скорость вращения турбинного колеса быстро достигает скорости вращения насосного колеса. Следовательно, коэффициент трансформации быстро достигает 1.0. Когда отношение скорости вращения турбинного колеса к скорости вращения насосного колеса достигает определенной величины (точки сцепления), реактор начинает вращаться и увеличение крутящего момента становится меньше. Иными словами, гидротрансформатор начинает работать как гидромуфта.

Следовательно, скорость автомобиля возрастает почти в линейной зависимости от числа оборотов коленчатого вала.

Автомобиль работает в режиме от средних до высоких скоростей

Гидротрансформатор работает только как гидромуфта. Турбинное колесо вращается с частотой оборотов, почти идентичным частоте оборотов насосного колеса.

Справка: При обычном трогании автомобиля гидротрансформатор достигает точки сцепления за 2-3 секунды после трогания. Однако, если нагрузка велика, даже при работе автомобиля в режиме средних или высоких скоростей, гидротрансформатор может оставаться работать в режиме преобразователя крутящего момента.

Механизм муфты блокировки

В диапазоне гидромуфты (крутящий момент не увеличивается) гидротрансформатор передает входной крутящий момент от двигателя к коробке передач почти в соотношении 1:1. Однако, существует разница между частотами оборотов насосного и турбинного колес, по крайней мере от 4 до 5%. Следовательно, гидротрансформатор не передает к коробке передач 100% мощности, развиваемой двигателем, те. имеется потеря энергии.

Чтобы исключить это и снизить расход топлива, муфта блокировки механически соединяет насосное и турбинное колеса, когда автомобиль движется со скоростью около 60 км/час или выше и поэтому почти 100% мощности, развиваемой двигателем, передается к коробке передач.

1. Устройство

Муфта блокировки установлена на ступице турбинного колеса перед турбинным колесом.

Демпферная пружина поглощает скручивающее усилие при включении муфты, чтобы исключить возникновение ударных нагрузок. Фрикционный материал (такого же типа, как и используемый в тормозах и в диске сцепления) приклеивается к корпусу гидротрансформатора или к поршню блокировки гидротрансформатора, чтобы исключить пробуксовку в момент включения муфты.

2. Работа

Когда муфта блокировки включена, она вращается вместе с насосным и турбинным колесами. Включение и выключение муфты блокировки определяется изменениями направления потока гидравлической жидкости в гидротрансформаторе.

Выключение

При движении автомобиля с малыми скоростями жидкость под давлением (давление гидротрансформатора) подается к передней части муфты блокировки.

Следовательно, давление спереди и сзади муфты блокировки становится одинаковым и муфта блокировки выключается.



* Работа этих клапанов описана в разделе «Гидравлическая система управления» в этом пособии.

Включение

Когда автомобиль движется на средних или высоких скоростях (обычно выше 50 км/час), жидкость под давлением подается к задней части муфты блокировки. Следовательно, поршень муфты блокировки поджимается к корпусу гидротрансформатора. В результате муфта блокировки и передняя крышка вращаются как одно целое (т.е. муфта блокировки включена).



* Работа этих клапанов описана в разделе «Гидравлическая система управления».