Презентация. Гидродинамические передачи

Скачать презентацию




22.09.2014 Лекция 14 1 Гидродинамические передачи Остренко С.А. для студентов специальности 230100 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (автомобильный транспорт)»
 


22.09.2014 Лекция 14 2 Введение Гидродинамические передачи представляют сочетание в одном агрегате двух лопастных машин – центробежного насоса и гидротурбины. С их помощью энергия от двигателя переносится к приводной машине потоком жидкости, т.е. гидродинамические передачи являются трансмиссиями
 


22.09.2014 Лекция 14 3 Повестка дня Часть 1 Общие сведения Моделирование гидродинамических передач Гидродинамические муфты Гидродинамические трансформаторы Часть 2 Совместная работа ДВС с гидромуфтой Совместная работа гидротрансформатора и ДВС Система питания гидродинамической передачи
 


22.09.2014 Лекция 14 4 Гидродинамические передачи способны ограничивать величину передаваемого момента и сглаживать его пульсации при внезапном изменении сопротивления движению машины. Этим они защищают двигатель и механическую часть трансмиссии от перегрузок и ударных нагрузок, увеличивая их долговечность. Они также устраняют перегрузку двигателей во время пуска, при разгоне машин, обладающих большой инерцией. При этом отпадает необходимость завышения установленной мощности двигателей.
 


22.09.2014 Лекция 14 5 Словарь Однопоточными называют гидродинамические передачи которые передают всю мощность посредством жидкости. Двухпоточными называют гидродинамические передачи которые только часть мощности передают посредством жидкости, другую часть они передают механическим путем, минуя гидравлические колеса. Гидродинамические передачи могут быть однопоточными и двухпоточными.
 


22.09.2014 Лекция 14 6 Общие сведения Гидродинамические передачи в зависимости от конструктивного исполнения и назначения подразделяются на: гидромуфты – гидродинамические сцепления и гидротрансформаторы – преобразователи крутящего момента.
 


22.09.2014 Лекция 14 7 Коэффициент полезного действия любой трансмиссии равен отношению мощности на выходном валу N2 к мощности, подведенной к входному валу N1
 


22.09.2014 Лекция 14 8 Используя уравнение, связывающее мощность с крутящим моментом M и частотой вращения вала w где n – число оборотов вала за минуту, получим
 


22.09.2014 Лекция 14 9 Отношение крутящих моментов на ведомом и ведущем валах называют коэффициентом трансформации крутящего момента. Отношение частоты вращения ведомого вала к частоте вращения ведущего вала называют передаточным отношением.
 


22.09.2014 Лекция 14 10 В установившемся режиме работы условие равновесия представляет собой равенство нулю суммы моментов, действующих в гидропередаче где М1 – момент на ведущем валу; М2 – момент на ведомом валу; М3 – момент, воспринимаемый внешними опорами.
 


22.09.2014 Лекция 14 11 Трансмиссия, у которой отсутствует внешняя опора (М3 = 0), называется муфтой (в случае гидродинамической передачи – гидромуфтой). Для муфт, вне зависимости от принципа действия, выполняются следующие соотношения:
 


22.09.2014 Лекция 14 12 Гидромуфта передает крутящий момент без изменения. Для трансформации крутящего момента наличие внешней опоры обязательно!
 


22.09.2014 Лекция 14 13 Моделирование гидродинамических передач Сложный характер движения жидкости в гидродинамических передачах не поддается аналитическому описанию. Поэтому при создании новых устройств приходится выполнять большой объем экспериментальных исследований. Научной основой обобщения опытных данных является теория подобия.
 


22.09.2014 Лекция 14 14 Условием подобия рабочих режимов гидропередач с геометрически подобными лопастными системами является кинематическое подобие, которое выражается в подобии треугольников скоростей на границах рабочих колес. Внешним проявлением подобия режимов работы сравниваемых гидропередач является равенство у них передаточного отношения.
 


Мощность, передаваемую гидродинамической передачей можно описать следующей функциональной зависимостью p-теорема подобия утверждает, что физическое уравнение, содержащее размерных величин, из которых величин имеют независимую размерность, после приведения к безразмерному виду будет содержать безразмерных величин.
 


22.09.2014 Лекция 14 16 Согласно p – теореме теории подобия из вышеприведенной зависимости можно составить пять безразмерных комплексов:
 


22.09.2014 Лекция 14 17 В результате многочисленных экспериментов было показано, что реальные гидравлические передачи работают в автомодельной области относительно критерия Рейнольдса.
 


22.09.2014 Лекция 14 18 При проектировании гидравлических передач в качестве основных используют следующие уравнения:
 


22.09.2014 Лекция 14 19 Значения коэффициентов мощности и момента находят экспериментально. Они зависят от конструкции проточной части передачи и ее размеров. При соблюдении геометрического подобия и равенства передаточных отношений данные коэффициенты имеют одинаковые значения у модели и гидропередачи, выполненной в натуральную величину.
 


22.09.2014 Лекция 14 20 Графики зависимостей коэффициентов мощности и момента от передаточного отношения называют обобщенными характеристиками. У модели и натуры они одинаковы, т.е. имеют универсальный вид, что позволяет использовать данные модельных исследований при расчете полномасштабных объектов.
 


22.09.2014 Лекция 14 21 Гидродинамические муфты Гидромуфта была создана в Германии в 1909 – 1910 годах профессором Фиттингером и впервые была применена в качестве эластичной связи двух валов на судне. В настоящее время гидромуфты используются для передачи мощности от 0,5 до 35000 кВт в одном агрегате и более.
 


Гидромуфты состоят из расположенных в общем корпусе 3 лопастных колес: насосного 1, соединенного с валом двигателя; и турбинного 2, связанного с ведомым валом.
 


22.09.2014 Лекция 14 23 Лопасти рабочих колес, как правило, плоские радиальные. Они крепятся к торообразным направляющим поверхностям. В образованной ими рабочей полости гидропередачи движется поток жидкости, обтекающий лопасти колес (жидкость движется по замкнутому кругу, образуя гидродинамическую цепь с поворотом потока на 360о).
 


22.09.2014 Лекция 14 24 Поскольку направление движения жидкости в полости турбинного колеса противоположно действию центробежной силы, то возникновение циркуляции жидкости возможно лишь в случае, когда на частицу жидкости массой m, находящуюся на радиусе r, в насосном колесе будет действовать большая центробежная сила, чем на аналогичную частицу в турбинном колесе, т.е.
 


22.09.2014 Лекция 14 25 Так как и , то для реализации указанного условия необходимо, чтобы скорость вращения насосного колеса превышала скорость вращения турбинного.
 


Словарь Отставание частоты вращения колеса турбины по отношению к частоте вращения колеса насоса называют скольжением гидромуфты. Численное значение скольжения определяют по формуле
 


22.09.2014 Лекция 14 27 В установившемся режиме сумма моментов, приложенных к гидромуфте извне, равна нулю.
 


22.09.2014 Лекция 14 28 Внешними моментами являются: М1 – момент, приложенный со стороны двигателя к входному (ведущему) валу; М2 – момент сопротивления потребителя, приложенный к выходному валу; М3 – момент трения вращающегося корпуса об окружающую гидромуфту среду (обычно его численное значение невелико, и в приближенных расчетах им пренебрегают).
 


22.09.2014 Лекция 14 29 Следовательно,
 


22.09.2014 Лекция 14 30 Момент М передается турбинному колесу потоком жидкости, обтекающим рабочие лопатки, за счет: изменения момента количества движения и трением через жидкость, находящуюся между корпусом и поверхностью турбинного колеса. Вторая составляющая момента существенно меньше по величине первой.
 


В промежутках между выходным сечением насоса 2Н и входным сечением турбины 1Т, выходным сечением турбины 2Т и входным сечением насоса 1Н моменты количества движения потока неизменны, поэтому уменьшение момента количества движения в турбинном колесе всегда равно приращению его в насосном колесе.
 


22.09.2014 Лекция 14 32 Согласно теореме об изменении момента количества движения, момент, требуемый от двигателя для увеличения момента количества движения потока в насосном колесе равен
 


Из уравнения видно, что момент, приложенный к двигателю, пропорционален расходу жидкости Q и изменению момента скорости потока Vur в рабочем колесе насоса. При отсутствии скольжения расход Q и момент М равны нулю. При низкой частоте вращения ведомого вала (nт) и, следовательно, слабом поле центробежных сил в межлопастных каналах, турбинное колесо оказывает малое противодействие протеканию потока жидкости. При этом и передаваемый момент также максимален.
 


22.09.2014 Лекция 14 34 Словарь Внешней характеристикой гидромуфты называют зависимость момента, мощности и КПД гидромуфты от числа оборотов ведомого вала, при постоянной частоте вращения ведущего вала, или от передаточного отношения.
 


22.09.2014 Лекция 14 35 Внешняя характеристика гидромуфты
 


22.09.2014 Лекция 14 36 Так как гидромуфта не производит изменения крутящего момента, т.е. коэффициент трансформации крутящего момента у нее равен единице, то справедливы следующие выражения:
 


22.09.2014 Лекция 14 37 В основной зоне эксплуатационных режимов (0 < i < ip), зависимость коэффициента полезного действия от передаточного отношения линейная. При , КПД падает. Момент, передаваемый гидромуфтой, в этой зоне быстро убывает, и его значение становится соизмеримым с моментом М3 трения корпуса об окружающую среду.
 


Область отрицательного значения передаточного отношения на характеристике гидромуфты соответствует режиму противоположного вращения насосного и турбинного колеса. В этой области гидромуфта выполняет функцию тормоза, КПД при этом равен нулю. Теряемая энергия, затрачиваемая на преодоление трения потока о лопасти и стенки рабочей полости, а также на вихреобразование, превращается в теплоту. В гидромуфтах, длительно работающих при больших скольжениях и, особенно в области противоположного вращения насосного и турбинного колес, необходимо предусматривать системы охлаждения. При малых скольжениях достаточно естественного обдува корпуса потоком воздуха.
 


22.09.2014 Лекция 14 39 Регулирование гидромуфты производят с целью изменения частоты вращения ведомого вала при неизменной частоте ведущего. Его осуществляют путем воздействия на форму проточной части, либо изменением степени наполнения муфты жидкостью.
 


22.09.2014 Лекция 14 40 Поскольку момент, передаваемый гидромуфтой, зависит от расхода циркулирующей жидкости, то, изменяя ее количество, можно изменять и величину передаваемого момента при той же величине скольжения. С другой стороны, если момент остается неизменным, то происходит изменение скольжения и, следовательно, изменяется передаточное отношение. Результатом этого будет изменение частоты вращения ведомого вала.
 


22.09.2014 Лекция 14 41 Реализация этого способа регулирования осуществляется путем установки "черпальных" трубок, позволяющих выводить, при необходимости, часть жидкости из контура циркуляции.
 


22.09.2014 Лекция 14 42 Область применения Гидромуфты целесообразно применять на машинах, работающих при переменных режимах, когда требуется часто переключать передачи при резком изменении сопротивления движению, а также при частом изменении направления движения.
 


22.09.2014 Лекция 14 43 Достоинства гидромуфты Установка гидромуфты в механическую трансмиссию обеспечивает устойчивую работу двигателя независимо от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, создает условия для плавного трогания с места и интенсивного разгона машины. Плавное трогание машины способствует также повышению ее проходимости. Кроме того, агрегаты трансмиссии с гидромуфтой предохраняются от возникающих динамических нагрузок, что способствует увеличению их долговечности.
 


22.09.2014 Лекция 14 44 Прежде всего, гидромуфта не обеспечивает чистоту выключения передач и вынуждает вводить дополнительную фрикционную муфту, что усложняет и удорожает трансмиссию. Вторым недостатком является постоянная потеря мощности в пределах (2,5…3)% от передаваемой эффективной мощности двигателя. Недостатки гидромуфты
 


22.09.2014 Лекция 14 45 Гидродинамические трансформаторы Гидродинамические передачи, обладающие свойством автоматического и бесступенчатого изменения в определенных пределах крутящего момента, называются гидротрансформаторами.
 


22.09.2014 Лекция 14 46 Установка гидротрансформатора в трансмиссию тяговой машины позволяет существенно облегчить управление машиной, обеспечивает плавное трогание ее с места, плавный разгон, а также более полное использование мощности двигателя на резко переменных нагрузках. Достоинства гидротрансформаторов
 


22.09.2014 Лекция 14 47 Вследствие плавного возрастания тягового усилия на ведущих органах у машины с гидротрансформатором уменьшается возможность буксования, что способствует повышению ее проходимости на слабых грунтах. Наличие гидротрансформатора в трансмиссии способствует увеличению долговечности двигателя и агрегатов трансмиссии за счет уменьшения возникновения крутильных колебаний и динамических нагрузок.
 


22.09.2014 Лекция 14 48 При работе машины в тяжелых дорожных условиях гидродинамическая передача позволяет улучшить важнейшие эксплуатационные показатели тяговой машины – производительность и топливную экономичность.
 


22.09.2014 Лекция 14 49 более низкий коэффициент полезного действия по сравнению с механической коробкой передач; более высокая стоимость; затрудненный запуск двигателя буксировкой машины; неэффективное торможение машины двигателем. Недостатки гидротрансформаторов
 


Схема гидротрансформатора Гидротрансформатор состоит из трех соосных рабочих колес лопастного типа: насосного 1 (ведущего), турбинного 2 (ведомого) и неподвижного колеса реактора 3, расположенных в общем корпусе, заполненном рабочей жидкостью.
 


22.09.2014 Лекция 14 51 Насосное колесо приводится во вращение непосредственно от вала двигателя тяговой машины или через редуктор, а турбинное колесо соединено через механическую передачу трансмиссии с ведущими органами машины. Колесо реактора (реактивное колесо) соединено с неподвижным корпусом гидротрансформатора и служит для автоматического преобразования крутящего момента.
 


22.09.2014 Лекция 14 52 В гидротрансформаторах используют лопасти с криволинейным профилем. Это необходимо для получения высокого коэффициента полезного действия в широком диапазоне изменения передаточных отношений.
 


Схема движения жидкости в гидротрансформаторе
 


22.09.2014 Лекция 14 54 При анализе движения жидкости в гидротрансформаторе принимают
 


Насосное колесо, используя момент двигателя, увеличивает момент количества движения потока. Это проявляется в увеличении момента скорости потока от значения на выходе из реактора ( ) до значения на выходе из насосного колеса ( ).
 


22.09.2014 Лекция 14 56 Согласно турбинному уравнению Эйлера Так как лопасти реактора также изменяют момент скорости потока, то общее приращение момента количества движения, как в реакторе, так и в насосном колесе, будет равным
 


22.09.2014 Лекция 14 57 В турбинном колесе момент скорости потока уменьшается от значения на входе до значения на выходе из него за счет чего возникает момент, позволяющий преодолевать сопротивление, приложенное к выходному валу гидротрансформатора
 


22.09.2014 Лекция 14 58 Из формул видно, что гидротрансформатор развивает на выходном валу момент M2 больший, чем момент, которым он сам нагружает двигатель M1. При этом частота вращения выходного вала ниже, чем у двигателя, т.е. n2 < n1 или i < 1. Небольшая часть момента передается за счет дискового трения и трения в подшипниках и уплотнениях. По этой причине гидротрансформаторы с вращающимся корпусом имеют более высокий КПД.
 


22.09.2014 Лекция 14 59 Словарь Внешней характеристикой гидротрансформатора называют графическое изображение зависимости крутящих моментов на насосном и турбинном колесах, а также КПД гидротрансформатора от частоты вращения турбинного колеса при постоянной частоте вращения насосного колеса (или от передаточного отношения).
 


22.09.2014 Лекция 14 60 Внешняя характеристика ГТ
 


22.09.2014 Лекция 14 61 Падение момента сопротивления с повышением передаточного отношения объясняется изменением треугольников скоростей в связи со значительным изменением оборотов ведомого вала n2. Режим работы насосного колеса при изменении частоты вращения ведомого вала меняется незначительно (обороты ведущего вала постоянны, направление и величина скорости потока на входе в насос определены неподвижной лопастной системой реактора и слабо меняющимся расходом жидкости). Следовательно, незначительно меняется скорость и на выходе из насосного колеса.
 


22.09.2014 Лекция 14 62 На выходе из турбинного колеса скорость потока изменяется в соответствии с оборотами выходного вала. Снижение частоты вращения последнего приводит к уменьшению переносной скорости. Это ведет к уменьшению окружной составляющей выходной скорости потока, которая может стать даже отрицательной, т.е. направленной против вращения колеса. В этих условиях момент на ведомом валу будет превышать момент на ведущем (М2>М1).
 


22.09.2014 Лекция 14 63
 


22.09.2014 Лекция 14 64 На характеристике такой режим соответствует области А.
 


22.09.2014 Лекция 14 65 При увеличении частоты вращения ведомого вала, окружная составляющая скорости потока на выходе из турбинного колеса растет, что приводит к уменьшению момента, создаваемого турбинным колесом. При этом уменьшается и воздействие реактора на поток.
 


22.09.2014 Лекция 14 66 Границей зоны А является точка, соответствующая режиму, при котором реактор не воздействует на поток Этот режим называют режимом гидромуфты (точка Г). В режиме гидромуфты выполняются следующие соотношения:
 


22.09.2014 Лекция 14 67 При дальнейшем повышении оборотов ведомого вала (зона Б характеристики), момент, развиваемый турбинным колесом станет меньше момента двигателя (k<1). Реактор в этой зоне раскручивает поток и направление действия момента M3, приложенного к лопастям реактора, меняется на противоположное.
 


22.09.2014 Лекция 14 68 Характеристика может включать и зону В, в которой при очень малых значениях М2 гидротрансформатор выполняет роль ускоряющей передачи (i>1), а также зону Д – режим противоположного вращения турбинного и насосного колеса, в которой гидротрансформатор выполняет функцию тормоза. В зоне А, где k>1, КПД гидротрансформатора всегда больше КПД гидромуфты.
 


22.09.2014 Лекция 14 69 Величина потерь энергии в гидротрансформаторе оценивается коэффициентом полезного действия: Максимальное значение коэффициента полезного действия гидротрансформатора находится в пределах 0,85…0,92.
 


22.09.2014 Лекция 14 70 При отсоединении реактора от неподвижного корпуса в точке Г гидротрансформатор превращается в гидромуфту. Гидравлические трансформаторы, которые могут работать и как гидромуфты, называются комплексными.
 


22.09.2014 Лекция 14 71 В комплексном гидротрансформаторе колесо реактора (может быть и два реактивных колеса) установлено на механизме свободного хода 4 и в зависимости от степени преобразования крутящего момента оно может быть во время работы неподвижным или вращаться совместно с турбинным колесом.
 


22.09.2014 Лекция 14 72 Комплексные гидротрансформаторы позволяют повысить КПД передачи, когда не требуется преобразования крутящего момента. На высоких скоростях движения машины по хорошим дорогам комплексные гидротрансформаторы обеспечивают более высокую топливную экономичность автомобиля, поэтому они получили преимущественное распространение на автотранспорте.
 


22.09.2014 Лекция 14 73 Колесо реактора может быть установлено на выходе рабочей жидкости из насосного колеса или на выходе из турбинного колеса. При размещении реактора в зоне максимальных скоростей потока на выходе жидкости из колеса насоса можно получить более высокие значения коэффициента трансформации, но вследствие значительных потерь энергии работа гидротрансформатора по этой схеме имеет более низкий КПД. При размещении колеса реактора на выходе жидкости из турбинного колеса (в зоне низких скоростей жидкости) КПД гидропередачи имеет более высокое значение, и такие гидротрансформаторы получили наибольшее распространение в автотракторостроении.
 


О возможностях гидротрансформатора можно судить по его внешней характеристике. a– некомплексного ГТ b – комплексного ГТ
 


22.09.2014 Лекция 14 75 Способность гидротрансформатора автоматически изменять нагрузку на валу двигателя в зависимости от нагрузки на турбинном колесе называют прозрачностью гидротрансформатора. По степени воздействия внешней нагрузки на работу двигателя гидротрансформаторы подразделяют на прозрачные, непрозрачные и с переменной прозрачностью.
 


22.09.2014 Лекция 14 76 Прозрачными называют гидротрансформаторы, у которых внешняя нагрузка оказывает влияние на работу двигателя. Возрастание нагрузки на турбинном колесе без изменения подачи топлива вызывает снижение скорости движения машины, а вместе с этим и снижение частоты вращения коленчатого вала двигателя и наоборот. Благодаря этому работа двигателя при больших сопротивлениях движению машины протекает в области высоких крутящих моментов, а по мере уменьшения внешних сопротивлений переходит в область повышенной частоты вращения коленчатого вала с использованием соответственно большей мощности.
 


22.09.2014 Лекция 14 77 Непрозрачный гидротрансформатор как бы изолирует двигатель от влияния внешней нагрузки, действующей на машину. Для оценки степени прозрачности гидротрансформатора используют коэффициент прозрачности, который равен отношению максимального значения момента на насосном колесе к моменту на насосном колесе в точке, где он равен моменту на турбинном колесе (или где lн = lт), т.е. при коэффициенте трансформации равном единице.
 


22.09.2014 Лекция 14 78 В соответствии с этим определением коэффициент прозрачности П находят по формуле
 


22.09.2014 Лекция 14 79 Безразмерная (обобщенная) характеристика гидротрансформатора представляет собой зависимости коэффициента трансформации, коэффициентов крутящих моментов на ведущем и ведомых валах и КПД от передаточного отношения. Ее получают посредством пересчета внешней характеристики гидротрансформатора.
 


22.09.2014 Лекция 14 80 Значения коэффициентов моментов насосного и турбинного колес определяют по формулам:
 


22.09.2014 Лекция 14 81 Безразмерные характеристики гидротрансформаторов а – непрозрачного b – прозрачного
 


22.09.2014 Лекция 14 82 При коэффициенте прозрачности от 1,3 до 2,5 гидротрансформаторы принято считать прозрачными, а при коэффициенте прозрачности ниже 1,3 – непрозрачными. В машинах, работающих в тяжелых условиях, применяются обычно гидротрансформаторы с меньшим значением коэффициента прозрачности. Прозрачная характеристика гидротрансформатора обеспечивает большее нагружение двигателя при трогании машины с места и лучшую топливную экономичность по сравнению с непрозрачной характеристикой.
 


22.09.2014 Лекция 14 83 Недостатком прозрачного гидротрансформатора по сравнению с непрозрачным является получение меньших значений коэффициента трансформации с увеличением коэффициента прозрачности. Следует отметить, что для совместной работы с карбюраторным двигателем наиболее целесообразно применять гидротрансформатор прозрачный, а с дизельным двигателем – непрозрачный или с меньшим коэффициентом прозрачности.
 


22.09.2014 Лекция 14 84 Прозрачность гидротрансформатора достигается за счет соответствующего конструктивного исполнения лопаток насосного колеса.
 

< <       > >