Гидрообъёмные передачи: курим понятие — Гибридная феноменология бронетехники — LiveJournal

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.

Гидрообъемная трансмиссия.

Бесступенчатые трансмиссии



Гидрообъемной называют передачу, состоящую из насоса высокого давления, объемного гидродвигателя, соединяющих их трубопроводов и системы подпитки (рис. 1). В гидрообъемных трансмиссиях основными параметрами, влияющими на преобразование и передачу мощности, являются объем и гидростатическое давление подаваемой жидкости.

Работающий двигатель (силовая установка машины) приводит во вращение гидронасос, который создает давление жидкости в гидросистеме. Гидродинамический напор жидкости, создаваемый гидронасосом, преобразуется в механическую работу в гидромоторах, расположенных в ведущих колесах.

Ведущие колеса с гидромоторами, установленными в них, называются гидромотор-колесами.

Рабочее давление в системе в зависимости от конструкции гидроагрегатов — 10…50 МПа.

Общая схема работы гидрообъемной трансмиссии представлена на рис. 1.

Насос высокого давления 2 приводится в действие от двигателя внутреннего сгорания 1. В насосе механическая энергия преобразуется в гидростатическую энергию напора рабочей жидкости. По трубопроводу 3 поток энергии от насоса передается к гидродвигателю 4 и в нем преобразуется в механическую работу.

Для того, чтобы обеспечить не только передачу мощности, но и осуществлять преобразование крутящего момента, гидронасос или гидродвигатель выполняются регулируемыми, т. е. они имеют возможность изменения объема подаваемой жидкости за один оборот приводного вала.

В большинстве случаев регулируемыми выполняют гидронасосы, а гидромоторы – нерегулируемыми.



В качестве насосов и гидродвигателей в гидрообъемных трансмиссиях обычно применяют объемные машины плунжерного типа (аксиально-поршневые, радиально-поршневые и т. п.). Гидромашины этого типа способны работать в режиме насоса и мотора, развивать высокое давление жидкости, но из-за требований точности при изготовлении прецизионных деталей имеют высокую стоимость и относительно небольшой ресурс.


Кроме того, гидромашины плунжерного типа очень чувствительны к качеству и чистоте масла.

Гидрообъемные передачи нашли применение в тяжелой технике – в строительных, грузоподъемных и дорожных машинах, в тракторах, комбайнах и некоторых других сельхозмашинах, а также в маневровых тепловозах.

На автомобилях трансмиссия с активным гидрообъемным приводом иногда применяется на автопоездах для привода колес прицепа.

Факторами, сдерживающими широкое применение гидрообъемных трансмиссий на автомобилях, являются: высокая стоимость, ограниченный ресурс, большие габаритные размеры и масса гидромашин, отсутствие необходимых материалов для производства надежных уплотнений и трубопроводов высокого давления, а также низкий КПД, обусловленный многократным преобразованием энергии.

***

Гидродинамические и гидромеханические трансмиссии



Главная страница

• Страничка абитуриента

Дистанционное образование

• Группа ТО-81
• Группа М-81
• Группа ТО-71

Специальности

• Ветеринария
• Механизация сельского хозяйства
• Коммерция
• Техническое обслуживание и ремонт автотранспорта

Учебные дисциплины

• Инженерная графика
• МДК. 01.01. «Устройство автомобилей»
•    Карта раздела
•       Общее устройство автомобиля
•       Автомобильный двигатель
•       Трансмиссия автомобиля
•       Рулевое управление
•       Тормозная система
•       Подвеска
•       Колеса
•       Кузов
•       Электрооборудование автомобиля
•       Основы теории автомобиля
•       Основы технической диагностики




• Основы гидравлики и теплотехники
• Метрология и стандартизация
• Сельскохозяйственные машины
• Основы агрономии
• Перевозка опасных грузов
• Материаловедение
• Менеджмент
• Техническая механика
• Советы дипломнику

Олимпиады и тесты

• «Инженерная графика»
• «Техническая механика»
• «Двигатель и его системы»
• «Шасси автомобиля»
• «Электрооборудование автомобиля»

Общие сведения о гидростатических трансмиссиях | Power & Motion

Загрузите эту статью в формате . PDF

Гидростатическая трансмиссия (HST) существует всегда, когда гидравлический насос подключен к одному или нескольким гидравлическим двигателям и предназначен для них. Универсальность достигается за счет того, что один или оба насоса и двигателя (двигателей) имеют переменный рабочий объем. Результатом является бесступенчатая трансмиссия (CVT).

Во многих случаях HST предпочтительнее трансмиссии с переключением передач из-за бесступенчатого изменения передаточного отношения HST. Многие такие вариаторы меняются вручную, а другие меняются автоматически. В популярной автоматической конфигурации используется регулируемый вручную рабочий объем насоса с двигателем с компенсацией давления. Эта конфигурация приводит к так называемой передаче с «постоянной выходной мощностью». Эти трансмиссии создают гиперболическую характеристику скорости и крутящего момента, и они используются в основном для предотвращения рывков первичного двигателя. Есть и другие, но здесь цель состоит в том, чтобы сконцентрироваться на реализации моделей.

Создание модели

На рис. 1 показан первый этап соединения моделей насоса типа 2 и двигателя при настройке гидростатической трансмиссии. Входной крутящий момент для привода и питания насоса исходит от некоего неуказанного источника слева на рис. 1. Точно так же выходной вал двигателя подает мощность на некую неопределенную вращательную нагрузку справа.

Рис. 1. Базовая конфигурация гидростатической трансмиссии с моделями насоса и двигателя типа 2 начинается с соединения соответствующих портов насоса с их аналогами двигателя. Однако схема еще не применима из-за потенциальной кавитации и неконтролируемого давления в корпусе.

Номенклатура портов A и B двух машин соответствует стандарту , а не стандарту ни в стандартах ISO, ни в стандартах США. Скорее, он был скопирован из стандартизированной практики, используемой с клапанами. На самом деле, я иногда буду называть их рабочими портами насоса и двигателя, как это обычно бывает с направляющими клапанами.

Порт A насоса соединяется с портом A двигателя, порты CD насоса и двигателя соединяются вместе, как и B порты насоса и мотора. Таким образом, выход насоса питает двигатель, а отработанная жидкость из порта B двигателя поступает на вход (порт B ) насоса. Между тем, внутренняя утечка, которая проникает в корпус насоса и двигателя, объединяется, чтобы также подавать на вход насоса через внутренние каналы утечки.

Реальные условия

В идеальном мире такая конфигурация может оказаться практичной. Но это не так, как минимум по двум причинам. Во-первых, внутренняя утечка, которая впадает в соответствующие гильзы, может уйти только «назад» через внутренние пути утечки, соединяющие гильзы и рабочие порты низкого давления. При отсутствии средств для сброса давления в корпусе давление в корпусе будет составлять около 50% или более от давления рабочего порта в данный момент. Это могут быть сотни или тысячи фунтов на квадратный дюйм. Это требует высокопрочного корпуса и уплотнений вала высокого давления как в насосе, так и в двигателе. Технология уплотнения вала высокого давления может выдерживать такое давление — конечно, за определенную плату. Однако создание внешней оболочки насосов и двигателей переменной производительности, способной выдерживать такое высокое давление, может быть непомерно дорогим.

Во-вторых, неизбежная потеря жидкости и изменения температуры повлияют на давление в трансмиссии в состоянии покоя. Эти давления неконтролируемы, и вероятность того, что они станут чрезмерно высокими в закрытой и герметичной системе, мала. Однако они наверняка станут чрезмерно низкими, что приведет к кавитации и сопутствующей ей поломке обеих машин. Это необходимо предотвратить путем добавления элементов контура, которые обеспечат необходимый контроль давления.

Улучшение реального мира

Рис. 2. На моделях насоса и двигателя типа 2 показаны не только взаимосвязи между насосом и двигателем, но и внутренние пути утечки. Легко добавить внешние контуры наддува и кондиционирования жидкости.

На рис. 2 также показана гидростатическая трансмиссия с использованием аналитических моделей типа 2 для насоса и двигателя, но с улучшениями, делающими машину практичной. Отдельные конфигурации можно увидеть вместе с соответствующими внутренними путями утечки. Утечки происходят от порта к порту, а также от порта к сливу картера. Насос наддува (часто называемый просто нагнетательным насосом) соединяется с обоими рабочими портами общих соединений насос-двигатель через отдельные обратные клапаны.

Давление наддува обычно низкое, поскольку гидравлические контуры работают, номинально между 150 и 300 фунтами на квадратный дюйм. Таким образом, давление составляет всего около 1/10 или 1/20 от максимального рабочего давления трансмиссии. Насос наддува и обратные клапаны предназначены для предотвращения слишком низкого падения рабочей стороны со стороны более низкого давления. Если давление упадет ниже атмосферного, разрушительное воздействие кавитации поставит под угрозу надежность насоса и двигателя.

Реальное применение

По мере того, как трансмиссия выполняет свою работу, рабочее давление быстро меняется между высокими и низкими значениями. Учтите, что трансмиссия используется для силовой установки вездехода, когда он движется вверх и вниз по холмам и препятствиям. При подъеме на холм давление в порту A будет высоким, но при пересечении вершины холма автомобиль начинает движение вниз по склону, а насос и двигатель меняются ролями.

Энергия спускаемого транспортного средства нагнетается в двигатель, заставляя его работать как насос, но направление его вращения не меняется. Чтобы поглотить энергию, давление переключается быстро и Давление порта B становится высоким, в то время как давление порта A падает до уровня наддува.

Эта реверсия давления приводит к тому, что насос переключается в двигательный режим, поэтому он пытается увеличить скорость первичного двигателя. Результатом является торможение автомобиля. Если тормозное действие недостаточно, а первичным двигателем является дизельный двигатель, оснащенный механизмом переключения фаз газораспределения для запуска топливных форсунок перед верхней мертвой точкой, эффект силового торможения замедлит снижающееся транспортное средство. Если первичным двигателем является электродвигатель, торможение может быть достигнуто за счет превышения скорости, что приводит к возврату энергии в аккумулятор. В других конфигурациях энергия торможения может храниться гидравлически в аккумуляторах, которые в конечном итоге разряжаются в трансмиссионном двигателе для обеспечения движения.

Загрузите эту статью в формате .PDF

Подготовка жидкости

Вернувшись к рисунку 2, рассмотрим теплообменник и фильтр. Только жидкость, выходящая из портов CD , охлаждается и фильтруется. В зависимости от объемного КПД насоса и двигателя, общий дренажный поток картера будет составлять от 5% до 20% потока через силовой порт трансмиссии. Является ли это разумной стратегией кондиционирования жидкости?

Сначала рассмотрим проблему охлаждения. Весь поток негерметичности дренажа картера был «выдавлен» через небольшие внутренние зазоры под очень высоким давлением, поэтому он подвергся значительному нагреву. Поток, прошедший через вытесняющие элементы, также подвергается снижению давления, но его энергия преобразуется в крутящий момент и выбрасывается из вала. Этот поток существенно не нагревается, поэтому требует небольшого охлаждения.

Утечка из порта в порт — это другое дело. Он идет прямо из порта высокого давления в порт низкого давления и рециркулирует без какого-либо охлаждения. Несмотря на то, что эта жидкость не охлаждается, метод является жизнеспособным, если размер теплообменника рассчитан на охлаждение как дренажа картера , так и потока между портами. Это связано с тем, что контур наддува пополняет сторону низкого давления трансмиссии слегка переохлажденной жидкостью, которая соединяется с потоком основного силового порта.

С другой стороны, вопрос фильтрации только кейсного стока не имеет однозначного ответа. Если есть какие-то абсолюты, то они таковы: во-первых, очищайте свою жидкость, а во-вторых, держите ее в чистоте. После защиты от катастрофических отказов ничто так не повысит надежность компонентов.

Некоторые защитники рекомендуют устанавливать полнопоточные фильтры высокого давления в силовые порты с обеих сторон трансмиссии. Это обеспечивает замечательную степень защиты. Однако недоброжелатели указывают на высокую начальную стоимость и постоянное обслуживание. Они также будут утверждать, что если жидкость была должным образом очищена и проникновение загрязняющих веществ находится под контролем, то любое увеличение загрязнения должно быть вызвано внутренними причинами, скажем, из-за износа компонентов.

Включая динамику

Динамические эффекты легко добавляются к аналитическим моделям типа 2, схематично показанным на рис. 3. При изучении динамики машин нас интересуют изменения скоростей, крутящих моментов, давлений и т. п., а точнее факторы, которые воздействуют на предотвратить мгновенные изменения в них. В гидравлической схеме инерция первичного двигателя, насоса, выходного двигателя и инерция нагрузки препятствуют изменению скорости.

Рис. 3. Динамические эффекты можно легко добавить к аналитическим моделям типа 2 в виде емкостей для учета сжимаемости жидкости и инерции первичного двигателя насоса и выходного двигателя, а также неуказанной нагрузки в двух контурах механического крутящего момента.

Эти эффекты показаны на рис. 3 в виде завитушек в механических разделах. Сжимаемость жидкости и расширение линии предотвращают мгновенное изменение давления. Эти эффекты обозначены электрическими конденсаторами (обозначены C с соответствующим индексом) на схеме. Правило добавления динамических эффектов очень простое: добавить инерцию в каждый контур суммирования крутящего момента (входной контур вала насоса и выходной контур вала двигателя) и добавить отдельную емкость в каждом узле гидравлического контура. Узел – это точка, в которой имеется значение давления, отличное от всех остальных. Четыре из них показаны на рисунке 3 и обозначены четырьмя манометрами.

Мы напишем шесть динамических уравнений для изучения переходных процессов в HST: два суммируют крутящие моменты в контурах насоса и вала двигателя, а четыре суммируют потоки в каждом из четырех узлов гидравлического контура. Мы вычисляли около 30 или 35 различных переменных в решениях уравнений. Это дало бы огромное представление о работе трансмиссии при любых динамических изменениях, таких как нагрузки, смещения, скорость первичного двигателя или любая их комбинация.

Более подробное обсуждение динамики выходит за рамки этой статьи. Но, в конце концов, аналитические модели типа 2 помогают разобраться и понять многие тонкости и нюансы гидростатической трансмиссии.

Загрузите эту статью в формате .PDF

Основы инженерного дела: гидростатические трансмиссии | Power & Motion

Скачать эту статью в формате .PDF

Принцип работы гидростатических трансмиссий (ГСТ) прост: насос, соединенный с первичным двигателем, создает поток для привода гидравлического двигателя, соединенного с нагрузкой. Если рабочий объем насоса и двигателя фиксирован, HST просто действует как редуктор для передачи мощности от первичного двигателя к нагрузке. Однако в большинстве HST используется насос с переменным рабочим объемом, двигатель или и то, и другое, так что скорость, крутящий момент или мощность можно регулировать (рис. 1) .

В зависимости от конфигурации HST может перемещать груз с полной скорости в одном направлении до полной скорости в противоположном направлении с бесконечным изменением скорости между двумя максимумами — и все это при работе первичного двигателя с оптимальной скоростью.

1. Гидростатические приводы обладают большой мощностью в компактном корпусе и обеспечивают универсальное управление машиной. Показанный здесь мотоблок использует двойной гидростатический привод: один для вращения барабана, а другой для вращения эксцентрикового груза, что увеличивает усилие уплотнения почти на 22 кН в дополнение к весу машины.

HST обладают многими важными преимуществами по сравнению с другими формами передачи энергии. В зависимости от конфигурации HST:

• обеспечивает высокую мощность при компактных размерах
• демонстрирует низкую инерцию
• эффективно работает в широком диапазоне отношений крутящего момента к скорости
• поддерживает регулируемую скорость (даже в обратном направлении) независимо от нагрузки в пределах расчетных значений
• точно поддерживает заданную скорость при движении или тормозных нагрузках
• может передавать мощность от одного первичного двигателя в несколько мест, даже если положение и ориентация мест изменяются
• может оставаться остановленным и неповрежденным при полной нагрузке при низких потерях мощности
• не ползет на нулевой скорости
• обеспечивает более быструю реакцию, чем механические или электромеханические трансмиссии сопоставимого класса, а
• может обеспечить динамическое торможение.

Для ТВС используется любой из двух типов конструкции: интегральная и неинтегральная. Неинтегральная конструкция на сегодняшний день является наиболее распространенной, поскольку мощность может передаваться на одну или несколько нагрузок в местах, доступ к которым в противном случае был бы затруднен. В этом методе насос соединен с первичным двигателем, двигатель соединен с нагрузкой, а насос и двигатель соединены шлангами и трубками в сборе, Рис. 2 .

2. Эта закрытая гидростатическая трансмиссия состоит из насоса переменной производительности и двигателя постоянной производительности, соединенных металлическими трубками и шлангом. Наличие резервуара между насосом и двигателем сделало бы эту систему открытой.

Какой бы ни была задача HST, она должна быть рассчитана на оптимальное соответствие между двигателем и нагрузкой. Это позволяет двигателю работать на максимально эффективной скорости, а HST корректировать рабочие условия. Чем лучше соответствие между входными и выходными характеристиками, тем эффективнее будет вся энергосистема.

В конечном итоге энергосистема должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить баланс между эффективностью и производительностью. Машина, рассчитанная на максимальную эффективность, обычно имеет вялую реакцию, что снижает производительность. И наоборот, машина, предназначенная для быстрого реагирования, обычно демонстрирует низкую эффективность, потому что для выполнения работы в любое время должна быть доступна высокая степень энергии, даже когда нет непосредственной необходимости в работе.

Четыре функциональных типа HST

Конфигурация HST — имеет ли она насос постоянной или переменной производительности, двигатель или и то, и другое — определяет ее рабочие характеристики. На рис. 3 представлены эти конфигурации и рабочие характеристики каждой из них.

В простейшей форме гидростатической трансмиссии используется насос постоянного рабочего объема, приводящий в движение двигатель постоянного рабочего объема (рис. 3а). Хотя эта передача недорога, ее применение ограничено, прежде всего потому, что альтернативные формы передачи энергии намного более энергоэффективны. Поскольку рабочий объем насоса является фиксированным, насос должен быть рассчитан на привод двигателя с фиксированной скоростью при полной нагрузке. Когда полная скорость не требуется, жидкость из выпускного отверстия насоса проходит через предохранительный клапан. Это тратит энергию в виде тепла.

Использование насоса с переменным рабочим объемом вместо насоса с постоянным рабочим объемом создает передачу постоянного крутящего момента (рис. 3b). Выходной крутящий момент постоянен на любой скорости, поскольку крутящий момент зависит только от давления жидкости и рабочего объема двигателя. Увеличение или уменьшение рабочего объема насоса соответственно увеличивает или уменьшает скорость двигателя, в то время как крутящий момент остается практически постоянным. Таким образом, мощность увеличивается с увеличением рабочего объема насоса.

3. Функциональные гидростатические трансмиссии, обобщенные по типам задействованных насосов и двигателей: На рис. а показан ГСТ с насосом постоянного рабочего объема и двигателем; на рис. б — неподвижный двигатель и насос с переменным рабочим объемом; На рис. с насос с фиксированным рабочим объемом и двигатель с регулируемым рабочим объемом, а на рис. г — насос с регулируемым рабочим объемом и двигатель.

Использование двигателя переменной производительности с насосом постоянной производительности обеспечивает трансмиссию, обеспечивающую постоянную мощность (рис. 3c). Если поток к двигателю постоянный, а рабочий объем двигателя изменяется для поддержания постоянного произведения скорости и крутящего момента, то подаваемая мощность постоянна. Уменьшение рабочего объема двигателя увеличивает скорость двигателя, но уменьшает крутящий момент — комбинация, которая поддерживает постоянную мощность.

Наиболее универсальная конфигурация HST состоит из насоса с регулируемым рабочим объемом и электродвигателя с регулируемым рабочим объемом (рис. 3d). Теоретически такое расположение обеспечивает бесконечное соотношение крутящего момента и скорости к мощности. При максимальном рабочем объеме двигателя изменение производительности насоса напрямую влияет на скорость и выходную мощность, в то время как крутящий момент остается постоянным. Уменьшение рабочего объема двигателя при полном рабочем объеме насоса увеличивает скорость двигателя до максимума; крутящий момент изменяется обратно пропорционально скорости, а мощность остается постоянной.

Кривые на рис. 3d иллюстрируют два диапазона регулировки. В диапазоне 1 рабочий объем двигателя фиксируется на максимальном уровне; рабочий объем насоса увеличивается от нуля до максимума. Крутящий момент остается постоянным по мере увеличения рабочего объема насоса, но мощность и скорость увеличиваются.

Диапазон 2 начинается, когда насос достигает максимального рабочего объема, который сохраняется, пока рабочий объем двигателя уменьшается. Во всем этом диапазоне крутящий момент уменьшается по мере увеличения скорости, но мощность остается постоянной. (Теоретически скорость двигателя можно увеличивать бесконечно, но с практической точки зрения она ограничена динамикой.)

Пример применения

Предположим, что 3116 фунтов на дюйм. крутящая нагрузка должна приводиться в движение со скоростью 1000 об/мин с помощью HST с фиксированным рабочим объемом. Требуемая мощность определяется из:

P = T × N / 63 024

Где:

P мощность в л.с. , и

N – скорость в об/мин.

Следовательно,

P = 3 116 × 1 000 / 63 024 = 50

Если мы выберем насос на 2000 фунтов на квадратный дюйм (на основе опыта обеспечения хорошего сочетания размера, веса, производительности и стоимости) мощностью 50 л.с., мы затем рассчитаем расход, который он должен обеспечить:

q = 1714 × P / p

Где:

q — расход в галлонах в минуту, а

p — давление в фунтах на квадратный дюйм.

Таким образом,

q = 1 714 × 50 / 2 000 = 43 галлона в минуту

Затем мы выбираем гидравлический двигатель с рабочим объемом 10 дюймов3/об для обеспечения 3116 фунтов на дюйм. крутящего момента при 2000 фунтов на квадратный дюйм — примерно 43 галлона в минуту при 1000 об/мин. На рис. 3а показаны характеристики мощность/крутящий момент/скорость для насоса и двигателя при условии, что насос работает с постоянной скоростью.

Подача насоса максимальна при этой рабочей скорости, и насос пытается подать это количество масла к гидродвигателю постоянного рабочего объема. Инерция нагрузки делает невозможным мгновенное ускорение до полной скорости, поэтому часть производительности насоса проходит через предохранительный клапан. (На рис. 3а также показаны потери мощности при ускорении.) По мере того, как двигатель увеличивает скорость, он передает большую часть выходной мощности насоса, и меньше масла течет через предохранительный клапан. При номинальной скорости все масло проходит через двигатель.

Крутящий момент остается постоянным, так как давление в системе достигает настройки предохранительного клапана сразу после переключения регулирующего клапана. Потери мощности на предохранительном клапане представляют собой разницу между постоянной мощностью, подаваемой насосом, и переменной мощностью, подаваемой двигателем.

4. Критическая скорость (обозначенная точкой A) в HST с постоянной мощностью – это наименьшая скорость, при которой может передаваться максимальная постоянная мощность.

Площадь под этой кривой представляет мощность, потерянную при запуске или остановке передачи. Он также показывает низкую эффективность для любой рабочей скорости ниже максимальной. Коробка передач с фиксированным рабочим объемом не рекомендуется для приложений, требующих частых пусков и остановок, или когда часто возникает крутящий момент ниже полной нагрузки.

Отношение крутящего момента к скорости

Теоретически максимальная мощность, которую может передать гидростатическая трансмиссия, зависит от расхода и давления. Однако в трансмиссиях с постоянной мощностью и переменной выходной скоростью теоретическая мощность, деленная на отношение крутящий момент/скорость, определяет фактическую выходную мощность. Наибольшая постоянная мощность, которая может быть передана, определяется наименьшей выходной скоростью, при которой эта постоянная мощность должна передаваться.

Например, если минимальная скорость представлена ​​точкой А на кривой мощности в Рис. 4 составляет половину максимальной скорости, отношение крутящего момента к скорости 2:1. Максимальная мощность, которая может быть передана, составляет половину теоретического максимума. В точке B, соответствующей выходной скорости A, кривая крутящего момента уменьшается по мере увеличения скорости. При максимальной выходной скорости он упал до точки C.

При выходных скоростях менее половины максимальной крутящий момент остается постоянным на своем максимальном значении, но мощность уменьшается пропорционально скорости. Скорость в точке А является критической скоростью и определяется динамикой компонентов ГСТ. Ниже критической скорости мощность уменьшается линейно (при постоянном крутящем моменте) до нуля при нулевых оборотах. При превышении критической скорости крутящий момент уменьшается по мере увеличения скорости, что обеспечивает постоянную мощность.

Создание гидростатической трансмиссии с замкнутым контуром

Описания гидростатических трансмиссий с замкнутым контуром на рис. 3 сосредоточены только на параметрических соображениях. Дополнительные функции должны быть предоставлены для достижения практического HST.

Компоненты со стороны насоса. Рассмотрим, например, HST с постоянным крутящим моментом — наиболее часто используемый тип — с насосом переменной производительности с сервоуправлением, приводящим в движение двигатель постоянной производительности (рис. 5a) . Поскольку это HST с замкнутым контуром, скользящий поток скапливается в корпусах насоса и двигателя и удаляется через сливную линию картера (рис. 5b). Дренажи комбинированного корпуса поступают в резервуар через теплообменник.

Одним из наиболее важных компонентов HST с замкнутым контуром является нагнетательный насос. Нагнетательный насос обычно является составной частью основного насосного агрегата, но также может быть независимым насосным агрегатом, установленным вместе с приводными насосами, которые он обслуживает. Независимо от устройства зарядовый насос выполняет две функции. Во-первых, он предотвращает кавитацию основного насоса, восполняя потери жидкости в замкнутой системе из-за проскальзывания насоса и двигателя. Он также обеспечивает подачу жидкости под давлением, необходимую для механизма управления с переменным рабочим объемом.

Обратимся теперь к рис. 5c: предохранительный клапан низкого давления A на стороне нагнетания подкачивающего насоса устанавливает управляющее давление. Хотя давление наддува варьируется от одного производителя насосов к другому, обычно оно находится в диапазоне от 250 до 300 фунтов на квадратный дюйм. Обратные обратные клапаны подпитки B и C подают подпиточную жидкость в соответствующую линию низкого давления.

Компоненты со стороны двигателя. Для типового HST с замкнутым контуром также требуются перепускные предохранительные клапаны D и E (рис. 5г). Обычно они встроены в двигатель. Два перепускных предохранительных клапана установлены для предотвращения образования избыточного давления в любой линии подачи из-за обратной связи ударной нагрузки через двигатель, чрезмерной нагрузки или подобных условий. Эти клапаны ограничивают давление в любой линии подачи давления, направляя жидкость под высоким давлением в линию низкого давления. Эти предохранительные клапаны выполняют ту же функцию, что и системный предохранительный клапан в открытом контуре. Однако они расположены со стороны гидравлического двигателя, потому что именно здесь возникает избыточное давление в HST с замкнутым контуром.

В дополнение к перепускным предохранительным клапанам включен челночный клапан F . Челночный клапан всегда смещается жидкостью под высоким давлением, которая соединяет линию низкого давления с предохранительным клапаном низкого давления G . Клапан G направляет избыточный поток нагнетательного насоса к корпусу двигателя, а затем через дренажную линию к корпусу насоса. Затем жидкость возвращается в резервуар нагнетательного насоса через теплообменник.

Контроль кавитации

Жесткость HST зависит от сжимаемости жидкости и податливости компонентов системы, а именно трубок и шлангов. Влияние этих компонентов можно сравнить с действием пружинного аккумулятора, подключенного к питающей линии через тройник. При небольших нагрузках эффективная пружина аккумулятора немного сжимается; при больших нагрузках гидроаккумулятор подвергается существенному сжатию, и жидкости в гидроаккумуляторе становится больше. Этот дополнительный объем жидкости должен подаваться подкачивающим насосом.

5. Показана последовательность схем HST с постоянной мощностью от простого насоса и двигателя до сборки с основными принадлежностями.

Критическим фактором является скорость повышения давления в системе. Если давление растет слишком быстро, скорость увеличения объема на стороне подачи (поток сжимаемости) может превысить пропускную способность нагнетательного насоса, и в основном насосе может возникнуть кавитация. Возможно, наиболее серьезную опасность представляют контуры, питаемые насосами переменной производительности с автоматическим управлением. При кавитации в такой системе давление падает или вовсе исчезает. Автоматика может попытаться среагировать, что приведет к нестабильной работе системы.

Математически скорость повышения давления может быть выражена как:

dp / dt   = B _e Q _cp / V Где 003

В _и — эффективный объемный модуль упругости системы, фунт/кв.

Другой пример применения

Предположим, что HST на рис. 5 соединен с 2 футами 1½-дюйма. Внутренний диаметр стальной трубы. Если пренебречь объемами насоса и двигателя, V составляет около 30 дюймов3. Для масла в стальных трубах эффективный объемный модуль упругости составляет примерно 200 000 фунтов на квадратный дюйм. Предполагая, что нагнетательный насос подает 6 галлонов в минуту (28 дюймов3/сек), тогда скорость повышения давления будет следующей:

Теперь рассмотрим эффект водопровода системы с 20 футами трубы 1½ дюйма. ID, трехжильный шланг в оплетке. Изготовитель шланга должен указать коэффициент объемного расширения в дюймах 3/1000 фунтов на квадратный дюйм, чтобы можно было рассчитать эффективный объемный модуль упругости. Предположим, для этого примера, что B _e составляет около 84 000 фунтов на квадратный дюйм.

Тогда:

dp / dt   = 84 000 × 28 / 294,5 = 7 986 фунтов/кв. В качестве альтернативы, если изменения внешней нагрузки не являются непрерывными, в цепь заряда можно добавить аккумулятор. На самом деле, некоторые производители HST предусматривают порт для подключения аккумулятора к цепи заряда.

Если жесткость ГСТ низкая и он оснащен автоматическим управлением, то ГСТ следует запускать при нулевом рабочем объеме насоса. Кроме того, следует ограничить ускорение механизма смещения, чтобы предотвратить резкие пуски, которые, в свою очередь, могут вызвать чрезмерные скачки давления. Некоторые производители HST предусматривают демпфирующие отверстия в контуре хода именно для этой цели.