CC BY
28
УДК 631.372:621.825
К ВОПРОСУ ПРИМЕНЕНИЯ НА ТРАКТОРАХ - ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПУФТ
А.Н. Гордиенко, Г.Е. Ибрагимова
Павлодарский государственный университет III им. С.Торайгырова
ЩИ Квл1ктп1к жене ma рту машиналарындагы гидравликалыц
fill муфталардьщ цурылысына жэне олардыц сипаттамаларына анализ ясург131лген. Тракторларда гидравликальщ муфталарды цолдану жайлы 1I1Í усыныстар бергпген.
ip Приведен анализ конструкций гидродинамических муфт
транспортных и тяговых машин и их характеристик. Даны рекомендации Ц||; по применению гидродинами ческих муфт на трактоpax.
ШШ The organized analysis construction hydraulic muffs transport and trac-
tive machines and their features. Sentences are Given over using the hydraulic clutch on tractor.
Высокая производительность тракторов может быть обеспечена за счет увеличения рабочих скоростей и интенсивности их использования, что приводит к повышению динамических нагрузок и напряженности деталей и узлов трактора.
Одним из ответственных узлов трактора, работающих в тяжелых условиях, является муфта сцепления, предназначенная для плавного тро-гания и разгона машино-тракторного агрегата, для разъединения ведущего вала коробки передач и коленчатого вала двигателя при переключении передач и для предохранения деталей трансмиссии от чрезмерных динамических нагрузок. На тракторах преимущественно применяются фрикционные муфты сцепления.
При разгоне машино-тракторного агрегата происходит пробуксовка ведомых дисков фрикционной муфты сцепления. Детали муфты сцепления нагреваются до температуры, которая зависит от величины работы буксования. С увеличением рабочих скоростей работа буксования увеличивается и повышается температура нагревания дета-
лей муфты сцепления. Одновременно ухудшаются условия разгона ма-шино-тракторного агрегата.
Фрикционная муфта сцепления обеспечивает передачу крутящего момента, превышающего номинальный крутящий момент двигателя в 2,5-3,5 раза. Следовательно, она предохраняет трансмиссию и двигатель от перегрузок, превышающих момент трения муфты сцепления.
Обеспечивая жесткую связь коленчатого вала двигателя с трансмиссией трактора, фрикционная муфта сцепления не оказывает влияния на крутильные колебания системы: двигатель - трансмиссия.
Указанные недостатки фрикционной муфты сцепления устраняются при установке на трактор гидродинамической муфты, основными достоинствами которой являются:
- возможность плавного трогания и разгона машино-тракторного агрегата на любой передаче;
- ограничение крутильных колебаний: гидромуфта разделяет систему привода на две части так, что массы и упругие участки одной части не влияют на частоту собственных колебаний другой части; крутильные колебания, возникшие на одном из валов фильтруются гидромуфтой и не передаются на другой вал;
- надежность в эксплуатации: отсутствуют трущиеся пары и, следовательно, износ основных деталей гидромуфты;
- бесшумность работы.
В то же время гидродинамическим муфтам свойственны два основных недостатка:
- скорость ведомого вала при номинальных оборотах и номинальном крутящем моменте двигателя меньше скорости ведущего вала на 2-3%, т.е. КПД гидромуфты не может быть больше 98%; потерянная энергия превращается в тепло идущее на нагрев деталей гидромуфты;
- гидродинамическая муфта не обеспечивает полного разъединения ведущего и ведомого валов и поэтому в приводе транспортных машин необходимо предусматривать дополнительно фрикционную муфту сцепления.
Несмотря на отмеченные недостатки, в последнее время становится достаточно широким применение гидродинамических муфт на сельскохозяйственных тракторах. Так фирмы Fendt (ФРГ) и Allgaier выпускают целые семейства колесных сельскохозяйственных тракторов различных классов, оборудованных гидромуфтами и многоступенчатыми коробками передач (8-12 ступеней).
Гидродинамическая муфта, которая применялась лишь на тракторе Porshe фирмы Allgaier, в настоящее время начинает находить более широкое применение.
Сельскохозяйственный трактор Farmer 2S фирмы Fendt с дизелем водяного охлаждения мощностью 42 л.с. имеет гидродинамическую муфту и реверсивную КПП.
Универсальный колесный трактор по схеме 4x4 мощностью 62 л.с., выпускаемый фирмой Fendt, предназначен для земляных работ на строительстве и может быть рационально использован на землеройно-транспортных работах в сельском хозяйстве. На тракторе установлена гидродинамическая муфта.
Трактор Super 2000V (ФРГ) фирмы Schlüter с двигателем мощностью 165 л.е., который развивает максимальный крутящий момент 65 кгм при 1300 об/мин., имеет гидродинамическую муфту, обеспечивающую плавный разгон трактора. На тракторе установлена синхронизированная КПП, обеспечивающая 12 передач переднего и 6 передач заднего хода.
Трактор Favorit-12 фирмы Fendt с дизелем водяного охлаждения мощностью 110 л.с. имеет гидродинамическую муфту и КПП, обеспечивающую 16 передач переднего и 5 передач заднего хода.
Фирма Ysotta Fraschini е Motori Breda S.P.A. (Италия) производит гидромуфты различных типов, отвечающие различным условиям работы сельскохозяйственных машин.
Конструктивная схема и принцип работы гидродинамической муфты
Гидродинамическая муфта (рис. 1) представляет собой сочетание колеса центробежного насоса (Н) и колеса реактивной турбины (Т) и охватывающего турбину кожуха. Насосное и турбинное колеса выполнены тороидальными. Во внутренней полости колес имеются лопатки, образующие меридиональные каналы. Пространство, ограниченное межлопаточными каналами, наружным тором насосного и турбинного колес и внутренним тором (А), является рабочей полостью. Масса жидкости, соответствующая расходу насоса, находится б относительном движении в меридиональной плоскости и одновременно во вращении вокруг оси муфты, совершая абсолютное движение по спирали.
Жидкость входит в насос и в турбину в точках 1 и 3 и выходит из них в точках 2 и 4. Насосное колесо, соединенное с валом двигателя, при вращении сообщает жидкости, заполняющей гидромуфту, запас кинетической энергии и энергии давления. Жидкость, поступая в турбинное колесо, преобразует запас энергии в механическую работу турбинного колеса, приводя его во вращение. Выйдя из турбинного колеса, жидкость вновь попадает в насосное колесо и в гидромуфте устанавливается замкнутая циркуляция
жидкости между рабочими колесами.
Передача энергии в гидромуфте происходит с определенными потерями, внешне выражающимися в том, что ведомый вал отстает от ведущего или проскальзывает.
Первые конструкции гидромуфт выполнялись с внутренним тором А (рисунок 1). Однако, позднее было установлено, что в большинстве случаев работы гидромуфт внутренний тор не нужен, а во многих случаях тор ухудшает характеристику гидромуфты, снижая одновременно ее энергоемкость.
В связи с этим получили большое распространение гидромуфты без тора (верхняя часть ГМ на рис. 1). Впервые гидромуфты без тора были изготовлены английской фирмой Синклер. Такие гидромуфты получили широкое применение на транспортных машинах. Они имеют меньший вес по сравнению с классической гидромуфтой с тором и проще в изготовлении.
Современные конструкции гидромуфт выполняются в большинстве случаев без тора или с тором небольших размеров. В последнем случае тор служит для увеличения жесткости тонких лопаток гидромуфт большого размера, а не для формирования потока.
Соотношения геометрических размеров гидромуфты (рис. 1)
г - максимальный или активный радиус меридиального сечения рабочей полости;
г. - минимальный (внутренний) радиус меридиального сечения рабочей полости;
Г-
£.=-!-- отношение указанных радиусов;
г0 - расстояние «нейтральной точки» О (центра рабочей полости от оси вращения ГМ);
г - г22 = - радиус входа в насосное колесо равный радиусу выхода из турбинного колеса;
г = /■ = г2 - радиус выхода из насосного колеса, равный радиусу входа в турбинное колесо;
у
д ----- - отношение указанных радиусов; г Г1
Ъл - ширина межлопаточного канала на входе в насосное колесо;
Ъ - ширина межлопаточного канала на выходе из насосного колеса;
В гидравлической муфте с тором ширину канала на входе 6, и выходе Ь2 можно всегда выбрать таким образом, чтобы средняя меридиальная скорость См жидкости на входе (точка 1) и выходе (точка 2) оставалась одинаковой, т.е., чтобы выполнялось условие:
См ■ Р7 = См • ¥2, (!)
где Р1 = 2тг - г, ■ЬЛ-(У1 ~ эффективная площадь поперечного сечения на входе в насосное колесо,
Р2 = 2тт-г2-Ь2-сг2- эффективная площадь поперечного сечения на выходе из насосного колеса.
Принимая » ст2 » а, получим
гх ■ = г2 - Ь2 ■ —- « г2 ■ Ь2
<7,
(2)
Для гидромуфты без тора можно записать следующее уравнение:
(3)
Отсюда с достаточной степенью точности определяется радиус нейтральной точки в зависимости от активного радиуса
11
(4)
Зная г0, можно выразить другие величины в зависимости от активного радиуса.
(5)
(6)
(7)
Ь, =гй -г, - Л
(8)
Соотношения между величинами |г, и с, можно представить в следующем виде:
(9)
2
1+
(10)
Итак, все размеры рабочей части конструкции гидромуфты определяются постоянными соотношениями к активному радиусу гидромуфты г.. При расчете гидромуфт обычно определяют активный диаметр
, (П)
где N. - мощность, подводимая к насосному колесу, л.е.; п, - обороты насосного колеса в минуту;
А - коэффициент мощности, определяемый экспериментально; при проектировании гидромуфты коэффициент А принимают приблизительно по прототипу.
Уравнения моментов
В гидродинамических муфтах крутящий момент от ведущего вала на ведомый передается, в основном, гидродинамическим изменением моментов количества движения при внутренней циркуляции жидкости в рабочей полости.
Для гидромуфт с прямыми радиальными лопатками (Р1 = (32 = 90°) можно записать
М = а-р{ги-и12-г12-ип), (12)
где - плотность жидкости;
ё
0 - расход жидкости;
иг; - окружная скорость жидкости на выходе из насосного колеса, и22 - окружная скорость жидкости на выходе из турбинного колеса. При попадании жидкости на турбинное колесо происходит резкое, ударное торможение ее, от скорости Ц2 до скорости 11,2. Этот процесс создает актив-
Рис. 1. Конструктивная схема гидромуфты
М*. ¡±
М ' ЛО-
ТОЧНОГО отношения гидромуфты
го вала
ную составляющую Ма циркуляционного момента, где I = — .
Протекая в межлопаточных каналах турбинного колеса, жидкость тормозится вследствие перехода ее частиц с большого радиуса на меньший (уменьшается абсолютная скорость С из-за падения окружной скорости и). При этом на лопатки действуют силы Кориолиса с реактивным моментом Мр.
Мр~а-р- (г21 -и21 - г2г ■ и12) = 2 ■ р • - г?) (14)
Суммарный момент, передаваемый гидромуфтой будет равен:
М = Ма + Мр = <2 ■ р -^(1 - 4г ■г')' г2 (15)
В зависимости от режима работы гидромуфты доли активной и реактивной составляющих момента меняются (рисунок 2). При трогании активная составляющая велика, а реактивная - мала. По мере разгона турбинного колеса и роста передаточного отношения 1 увеличивается Мр с одновременным уменьшением Ма (рисунок 2).
Внешняя характеристика (рисунок 3) гидромуфты, работающей в заполненном состоянии, показывает, что особенностью гидродинамических передач является зависимость кинематических параметров от приложенной нагрузки.
Обзор конструкций гидродинамических муфт
На транспортных машинах, в частности на автомобилях и тракторах, применяются замкнутые гидродинамические муфты. Замкнутые гидромуфты работают постоянно с определенным количеством жидкости в рабочей и дополнительной полостях. Конструкция таких гидромуфт наиболее проста.
По принципу работы и перегрузочной способности, которая характеризует их пусковые и защитные свойства, замкнутые гидромуфты делятся на две основные группы:
- гидромуфты с большим коэффициентом перегрузки (с постоянным заполнением рабочей полости);
- гидромуфты с малым коэффициентом перегрузки.
Гидромуфты первой группы имеют прямые лопатки и обычную проточную часть. Они работают с большим коэффициентом перегрузки и используются в приводе в качестве силового элемента.
Гидромуфты второй группы изготавливаются с дополнительной полостью для рабочей жидкости или с наклонными лопатками. В зависимости от конструктивного исполнения дополнительной полости для внутреннего самоопоражнивания может использоваться статический и скоростной напор.
Внутреннее самоопоражнивание снижает коэффициент перегрузки при торможении ведомого вала и при резких изменениях нагрузки.
Таким образом, гидромуфты с низким коэффициентом перегрузки могут быть разделены на три типа:
- гидромуфты со статическим самоопоражниванием (тяговые гидромуфты);
- гидромуфты с динамическим самоопоражниванием (предельные гидромуфты);
- гидромуфты с наклонными лопатками.
Гидромуфты с постоянным заполнением
Гидромуфты, работающие с постоянным заполнением рабочей полости (смягчающие гидромуфты или жидкостные маховики), устанавливают в привод для повышения плавности работы, устранения крутильных нагрузок.
Гидромуфты с постоянным заполнением рабочей полости рассчитывают на номинальное скольжение не более 4-5 %. В зоне малых скольжений гидромуфты коэффициент момента должен быть большим, а ее характеристика должна быть «жесткой» для повышения энергоемкости муфты.
К такому типу гидромуфт относятся гидромуфты фирм «Цельнер» (ФРГ), «Фиат» (Италия), «Крайслер» (США) и Горьковского автозавода, устанавливаемая на легковом автомобиле ГАЗ-12.
Гидромуфта фирмы «Цельнер» (рисунок 4) состоит из насосного 1 и турбинного 2 колес, корпуса 3 с радиальными ребрами 6, которые обеспечивают направленный поток охлаждающего воздуха от центра к периферии муфты, что повышает теплоотдачу корпуса.
Турбинное колесо 2 размещено между насосным колесом 1 и корпусом 3. При работе жидкость между турбинным колесом и корпусом создает усилие, действующее на турбинное колесо в направлении противоположном усилию жидкости, находящейся в рабочей полости. Этим самым уменьшаются осевые усилия, действующие на опоры насосного и турбинного колес.
При полном наполнении гидромуфты объем рабочей жидкости теоре-
1 - насосное колесо; 2 - турбинное колесо; 3 - кожух; 4 - охлаждающие ребра; 5 - ведомый вал
Рис. 4. Гидромуфта «Цельнер»
а) - гидромуфта; б) - внешняя характеристика 1 - насосное колесо; 2 - турбинное колесо; 3 - канал; 4 - кожух; 5 - дополнительный объем
Рис. 5. Тяговая гидромуфта Фон ¡ -Синклер
тически должен быть равен геометрическому объему внутренней полости гидромуфты. Практически объем рабочей жидкости составляет примерно 90-95% геометрического объема полости гидромуфты. Это наполнение считают полным.
Объем рабочей жидкости должен быть несколько меньше объема внутренней полости гидромуфты для обеспечения свободного пространства, заполняемого выделяющимися из жидкости при работе гидромуфты воздухом и парами масла.
Любое наполнение гидромуфты меньше полного называют частичным. Степень заполнения определяется экспериментально из условия обеспечения требуемой жесткости характеристики гидромуфты при минимальных числах оборотов двигателя или при максимальном скольжении.
По мере увеличения нагрузки турбинного колеса его обороты уменьшаются и возникает относительное движение, в результате которого происходит перераспределение жидкости между насосным и турбинным колесами, что приводит к уменьшению радиусов выхода и входа в насосное колесо гидромуфты. На жидкость в этом случае действуют центробежные силы не только от вращения ее относительно оси гидромуфты, но и от движения ее в меридиальных плоскостях.
В турбинном колесе поток приближается к оси муфты. После достижения внутренней кривизны чаши турбинного колеса происходит расслоение между центростремительной и центробежной ветвями потока.
Когда кинетическая энергия потока окажется достаточной для того, чтобы центростремительная ветвь достигла внутреннего радиуса турбинного колеса, поток войдет в насосное колесо на его минимальном радиусе. При этом жидкость образует кольцо, прижатое к чашам насосного и турбинного колес (рисунок 6). В этом случае будет движение по большой проточной полости. Переход от движения по малой к движению по большой проточной полости происходит скачкообразно, с резким увеличением жесткости муфты. Муфта работает устойчиво при обеих формах движения жидкости, но в зоне перехода от одной формы к другой теряет устойчивость.
Для устранения этого явления на выходе из турбинного колеса устанавливают дроссельную шайбу или порог (рисунок 7).
При наличии порога образование большой полости в гидромуфте невозможно, поскольку уменьшение радиуса входа потока в насосное колесо ограничено порогом.
Установка порога в гидромуфте при работе ее с частичным заполнением уменьшает колебания передаваемого момента или устраняет их полностью. Как показала практика, в гидромуфте всегда целесообразно предусматривать определенный дополнительный объем для рабочей жидкости. Поэтому во всех случаях количество жидкости, залитой в гидромуфту должно быть всегда больше, чем ее необходимо для передачи крутящего момента. Одной из причин этого является сопротивление трению жидкости в пространстве между задней стенкой турбинного колеса и корпусом муфты. Другой причиной является теплоемкость муфты, которая должна быть, возможно, большей, чтобы во время эксплуатации устранить сильный перегрев муфты при частичных изменениях скольжения.
Установка дроссельной шайбы (порога) позволяет при неполном заполнении гидромуфты уменьшить величину стопового момента. Величину заполнения при этом выбирают так, чтобы при длительном эксплуатационном режиме вся рабочая жидкость циркулировала выше порога. При большом скольжении, когда обороты турбинного колеса малы, рабочая жидкость, поступающая с большой скоростью из насосного в турбинное колесо, в связи с малым противодавлением в последнем, опускается в нем ниже порога. При обтекании жидкостью порога образуется завихрение (рисунок 7,6).
Вследствие этого возникают большие потери, что приводит к снижению величины крутящего момента, который может передать гидромуфта при больших скольжениях. При полностью заполненной гидромуфте порог создавал бы сопротивление при всех скольжениях, что снижало бы передаваемый момент на всех режимах. На рисунке 8 показаны опытные характеристики гидромуфты без тора при установке порога различной величины.
Гидромуфты с порогом получили широкое распространение.
Гидромуфта фирмы «Крайслер» (рисунок 9) состоит из насосного 1 колеса, сварного кожуха 2 и турбинного колеса 3 с порогом 5. Все детали гидромуфты выполнены штампованными из листа и соединены между собой с помощью сварки и заклепок. Лопатки насосного и турбинного колес прямые, радиальные. Для обеспечения чистоты переключения передач, т.е. полного разъединения двигателя и трансмиссии предусмотрена фрикционная муфта сцепления 4. Полость гидромуфты уплотняется торцевым уплотнением 6 с сильфоном.
Гидромуфта автобуса модели 306 фирмы «Фиат» (рисунок 10) также устанавливается последовательно с фрикционной муфтой сцепления и,
а) я = 0; в = 5... 10%; я = 30... 35%; в = 40... 45%
Рис, 6. Распределение жидкости в частично наполненной гидромуфте в зависимости от и, при постоянном в
а) малое скольжение; б) большое скольжение Рис, 7. Схема циркуляции жидкости в г идромуфте с порогом при неполном наполнении
1 - без порога; 2-е порогом ап = 0,48В; 3-йп = 0.520; 4 - (1п = 0,520, - коэффициент момента
Рис. 8. Влияние порога на характеристику гидромуфты НАМИ
кроме того, имеет зубчатую муфту для блокировки турбинного и насосного колес.
Рабочие колеса гидромуфты 2 и 3 и кожух 1 выполнены литыми. Гидромуфта размещена в корпусе. В этом же корпусе установлена и фрикционная муфта 5. Зубчатая муфта перемещается с помощью рычага 4. Такая блокировка необходима при движении на подъемах и спусках.
Лопатки насосного и турбинного колес прямые, радиальные. К турбинному колесу крепится дроссельная шайба или порог.
Гидромуфты с самоопоражниванием
Гидромуфта, работающая с двигателем внутреннего сгорания должна рассчитываться на передачу максимального момента при скольжении близком к 100%. Так как двигатель внутреннего сгорания при увеличении нагрузки снижает число оборотов, то коэффициент перегрузки работающей с ним гидромуфты должен находиться в пределах 3-4,5. Такой коэффициент перегрузки обеспечивают гидромуфты с самоопоражниванием рабочей полости.
1 - насосное колесо; 2 - кожух; 3 - турбинное колесо; 4 - фрикционная муфта; 5 - порог; б - торцовое уплотнение
Рис. 9. Гидромуфта фирмы Chrysler-De Soto
Гидромуфты со статическим самоопоражниванием (тяговые)
Развитие конструкций нерегулируемых замкнутых гидромуфт с внутренним самоопоражниванием началось с изготовления гидромуфт, у которых с возрастанием нагрузки часть жидкости из рабочей полости перетекает в дополнительную полость, находящуюся за турбинным колесом. К этому типу гидромуфт относится тяговая гидромуфта Фойт-Син-клер (рисунок 5). Насосное колесо 1 соединено с валом двигателя. К нему крепится болтами кожух 4. Турбинное колесо 2 выполнено с дополнительным объемом 5. сообщающимся с тором гидромуфты каналами 3. Насосное и турбинное колеса выполнены с прямыми радиальными лопатками. Самоопоражнивание в гидромуфтах этого тип происходит за счет разности статического напора между вращающейся дополнительной камерой и рабочей полостью. При работе гидромуфты в диапазоне скольжения от номинального до критического, соответствующего предельной нагрузке, круг циркуляции охватывает периферийную часть рабочей полости, а в дополнительном
1 - кожух; 2 - турбинное колесо; 3 - насосное колесо; 4 - рычаг блокирующего механизма; 5 - фрикционная муфта
Рис. 10. Гидромуфта автобуса Fiat 306
объеме жидкость образует тонкое кольцо на уровне каналов 3, прижатое к периферии камеры.
При увеличении скольжения выше критического, жидкость, отбрасываемая к периферии турбинного колеса, постепенно перетекает из рабочей полости в дополнительную камеру. При остановленном ведомом вале, когда давление на периферии турбинного колеса становится максимальным, дополнительная камера заполняется полностью. Количество жидкости, оставшейся в рабочей полости, недостаточно для передачи большего момента при дальнейшем увеличении скольжения.
Тяговые гидромуфты используются как разгонные, а также как защитные только в приводах с плавным изменением нагрузки, например, в транспортных машинах и в приводе тех машин, при перегрузках которых время торможения составляет одну и более секунду.
Гидромуфты с динамическим самоопоражниванием (предельные)
Для защиты рабочей машины и двигателя от мгновенных перегрузок при времени торможения 0,1-0,2 секунды и для улучшения пусковых характеристик привода при тяжелых условиях пусков машин применяют гидромуфты, использующие при внутреннем самоопоражнивании скоростной напор жидкости. В отличии от тяговых эти гидромуфты (рисунок 11) обладают быстродействием при динамических нагрузках и более низким коэффициентом перегрузки. В гидромуфтах такого типа часть потока жидкости, прижатого к внутренней стенке турбины, при замедлений числа оборотов ведомого вала, направляется с большей скоростью в предкамеру, расположенную в центральной части насоса (рисунок 11, б). В результате уменьшения жидкости в рабочей полости рост крутящего момента прекращается.
Предельные гидромуфты (рисунок 11, в) работают с постоянным числом оборотов ведущего вала. При работе гидромуфты в пределах скольжения от номинального до критического, соответствующего моменту опоражнивания, заполнение рабочей полости постоянно и равно максимальному (рисунок 11, а). При этом круг циркуляции охватывает только периферийную часть рабочей полости. При увеличении нагрузки вращение турбинного колеса замедляется и величина напора, реализуемого турбиной, уменьшается.
Так как обороты насосного колеса остаются постоянными, то за счет избытка напора увеличивается скорость циркуляции жидкости в рабочей полости гидромуфты. С увеличением скольжения круг циркуляции
приближается к оси вращения гидромуфты и при определенном критическом скольжении, соответствующем предельной перегрузке происходит слив части жидкости из рабочей полости в предкамеру (рисунок 11,6). Гидромуфта с оставшейся в рабочей полости жидкостью должна работать по характеристике 2 (рисунок 11,в). А общая характеристика гидромуфты в области скольжений от номинального до 100 %, представляет собой кривую 3.
При уменьшении нагрузки на ведомом, валу скорость турбинного колеса увеличивается, и жидкость из предкамеры и дополнительного объема перетекает в рабочую полость. Дополнительный объем облегчает пуск двигателя, так как перед пуском и при остановленном приводе часть жидкости из рабочей полости перетекает в него.
а) работа ГМ при номинальном скольжении (8 =3%, 1 = 0,97);
б) работа ГМ при скольжении выше критического: 1 - насосное колесо; 2 - турбинное колесо; 3 - предкамера; 4 - дополнительный объем;
в) характеристика гидромуфты: 1 - при максимальном заполнении рабочей полости; 2 - при частичном заполнении; 3 - характеристика предельной гидромуфты.
Рис. 11. Схема предельной гидромуфты
При разгоне двигателя жидкость из дополнительного объема через калиброванные отверстия в стенке насоса постепенно поступает в рабочую полость. Максимальное заполнение рабочей полости, а следовательно, и максимальный передаваемый гидромуфтой момент, достигаются лишь при максимальном числе оборотов двигателя.
Дополнительный объем соединен отверстиями с предкамерой. Размеры отверстий, соединяющих дополнительный объем с предкамерой и с полостью насосного колеса, определяются экспериментально.
Примером такого типа гидромуфт может служить конструкция предельной гидромуфты ТМ-32, разработанной ИГД им. A.A. Скочинско-го совместно с Гипроуглемашем (рисунок 12). Насосное 1 и турбинное 2 колеса выполнены из листовой стали с приваренными прямыми радиальными лопатками. Турбинное колесо гидромуфты приварено к валу 4 редуктора и на двух шарикоподшипниках центрируется относительно ведущей части, соединенной с валом двигателя через упругую диафрагму 8. Для улучшения наружного обдува и охлаждения в конструкции гидромуфты предусмотрены ребра 5 и трубки 6, проходящие через дополнительный объем 7. Плавкий предохрани-
Рис. 12. Предельная гидромуфта ТМ-32
тель 9 срабатывает при нагреве масла свыше 70 градусов по Цельсию и отключает двигатель. Предкамера 3 выполнена с наклонными лопатками и сообщается с дополнительным объемом рядом отверстий. Часть жидкости, заполняющей предкамеру при работе гидромуфты со скольжением выше критического, отбрасывается лопатками предкамеры в рабочую полость, а оставшаяся часть перетекает в дополнительный объем. Благодаря этому исключается провал кривой момента в характеристике гидромуфты, который наблюдается в гидромуфтах с дополнительным объемом при скольжениях 30-50%. Это происходит из-за мгновенного слива жидкости в дополнительный объем и значительного опоражнивания рабочей полости.
К особым свойствам предельных гидромуфт относятся:
- способность ограничивать крутящий момент при резких перегрузках, что позволяет преодолевать встретившееся сопротивление и обеспечить бесперебойную работу машины, а также защитить двигатель, детали привода и машины от мгновенных перегрузок, если они превышают допустимые;
- способность облегчать пуск приводного двигателя при разгоне нагруженной машины или больших маховых масс вхолостую; это свойство позволяет использовать гидромуфту в приводе в сочетании с двигателем внутреннего сгорания. Условием пуска и торможения двигателя внутреннего сгорания наиболее удовлетворяет гидромуфта I (рисунок 13) с дополнительным объемом. На рисунке 13,а показано изменение скорости ведомого вала гидромуфты с дополнительным объемом 1, гидромуфты нормального исполнения с большим 2 и с меньшим 3 активными диаметрами, а также жесткой муфты 4 в зависимости от числа оборотов двигателя внутреннего сгорания. На рисунке 13,6 показано изменение момента торможения в зависимости от числа оборотов двигателя внутреннего сгорания.
Из графика видно, что при работе гидромуфты с большим активным диаметром для полной остановки ведомого вала необходимо значительно снизить скорость ведущего вала, что возможно не при всяком двигателе.
Гидромуфта с меньшим активным диаметром позволяет остановить ведомый вал при меньшем снижении скорости двигателя, но в области нормальных скоростей работает с низким КПД. Гидромуфта с дополнительным объемом обеспечивает остановку ведомого вала при большой скорости ДВС, сохраняя высокий КПД в рабочей области. Это позволяет при применении гидромуфты в приводе транспортных машин (автомобилей, локомотивов и
т.п.), не выключая двигателя останавливать машину снижением скорости вращения вала двигателя. При этом можно отсоединить трансмиссию от двигателя и быстро осуществить задний ход. При пуске двигателя, под нагрузкой, предельная гидромуфта нагружает его постепенно до полного числа оборотов. Поэтому двигатель внутреннего сгорания с гидромуфтой можно пускать под нагрузкой.
Гидромуфты с наклонными лопатками
В некоторых отраслях промышленности находят применение гидромуфты с наклонными лопатками. Установка лопаток под углом 45-60 градусов к плоскости вращения: на турбинном колесе по ходу вперед, а на насосном - назад, является одним из способов снижения коэффициента перегрузки гидромуфты.
Экспериментально установлено, что гидромуфты с наклонными лопатками, являясь ограничивающими, не способны защищать полностью двигатель и машину от мгновенных перегрузок так, как предельные гидромуфты с прямыми лопатками, работающие по принципу самоопоражнивания рабочей полости. Поэтому в приводе машин, работающих в тяжелых динамических режимах, более перспективными являются предельные гидромуфты с прямыми радиальными лопатками.
Влияние гидродинамической муфты на крутильные колебания привода
В 1930 году профессор Г.Феттингер сообщил о выявленном при исследовании гидродинамических передач свойстве ограничивать крутильные колебания. Запись на осциллографе характера крутильных колебаний на ведущем и ведомом валах гидромуфты, источником которых являлся дизель приведена на рисунке 14. «Ограничение» колебаний было переведено как «глушение» и поэтому было широко распространено мнение, что гидродинамические передачи гасят крутильные колебания, являются их демпферами.
Однако приведенные осциллограммы Г.Феттингера, а также экспериментальные данные Е.Кугеля и В.А.Минина, показывают, что гидродинамические передачи фильтруют возникшие на одном из валов крутильные колебания, не пропуская их на другой вал.
Вопросу влияния гидропередачи на крутильные колебания посвящены также работы Я.Г. Пановко, В.Н. Прокофьева, Б.А. Пылова, В.И. Стрельцова и др. В их исследованиях было установлено, что гидротрансформаторы и гидромуфты не могут существенно влиять на кру-
а)
800 Ш ёОС <?07 /4а? /Ш /7/ арл,^
МкГм
Ю <?
£
4
б)
¿7
¿■'У #
1
/
3/ {з
/
/
у 1
4СЮ <?ОР сШ7
1 - предельная гидромуфта; 2 и 3 - гидромуфта постоянного заполнения с большим и меньшим активными диаметрами; 4 - жесткая муфта
Рис. 13. Характеристика совместной работы различных типов гидромуфт с ДВС
тильные колебания системы, снижая амплитуды этих колебаний.
Одновременно было установлено, что лопастная система рабочих колес гидродинамической передачи не является источником ощутимых крутильных колебаний в трансмиссии.
Рассмотрим понятие «фильтрация» крутильных колебаний на примере гидромуфты. При определении свойств механической упругой муфты как элемента, смягчающего колебания при передаче крутящего момента с одного вала на другой, исходят из угла скручивания обеих половинок муфты относительно друг друга, т.е. из ее упругости при вращении. У гидромуфты в качестве соответствующего параметра может быть принято соотношение между крутящим моментом и скольжением.
Можно считать, что у гидромуфт в рабочей зоне при малом скольжении, зависимость передаваемого крутящего момента от скольжения линейна, т.е.
где с - коэффициент сцепления.
Примем, что обороты ведущего вала остаются постоянными, момент инерции машины, приводимой через гидромуфту обозначим через 12, а возникающие на ведущем валу гидромуфты крутильные колебания являются гармоническими и имеют постоянную амплитуду, но переменной частоты.
Исходя из принятого, определим колебания крутящего момента Mmax - Mmin, соответствующие определенному периодическому изменению скольжения (ax-ai2) шах - -®2) min (рисунок 15).
Обозначим через е отношение амплитуды крутильных колебаний на ведомом валу к амплитуде принудительных крутильных колебаний на ведущем валу:
На рисунке 16 видна картина затухания колебаний. При малой частоте колебания на ведущем валу, т.е. при ш0 = 0 или близком к этому значению, вал рабочей машины полностью следует этим колебаниям: е = 1 или близко к ней. Но при возрастании частоты со0 ведомый вал гидромуфты, с которым соединена рабочая машина, все меньше следует за этими колебаниями вследствие своей инертности. Поэтому амплитуда колебаний ведомого вала составляет лишь
М, =М2 = с ■ (аг-со2),
(16)
(17)
\
и-в
I
а)
\
Щ
14. Диаграмма крутильныхколебаний на ведущем и ведомом валах гидромуфты,
работающей с дизелем
м I
{Щ~&>г)тсп.
(и>,-Юг)тах,
Рис. 15. Зависимость момент а от скольжения
1 '
Ц5 0,1
СОо
Рис. 16. Зависимость коэффициштафильтращш крутшъных колебаний
от частоты
небольшую часть амплитуды колебаний ведущего вала.
Коэффициент с также уменьшается с увеличением частоты колебаний ю0.
Таким образом, относительно свойств гидродинамической муфты производить «фильтрацию» крутильных колебаний можно заключить следующее:
- гидромуфта разделяет всю систему привода на две части так, что массы и упругие участки одной части не влияют на частоту собственных колебаний другой части; это позволяет у ведущего вала, в частности у коленчатого вала двигателя, иметь высокую частоту свободных колебаний, чтобы отодвинуть опасную критическую скорость выше области рабочих скоростей;
- гидромуфта уменьшает неравномерность передаваемого момента, уменьшает амплитуду колебаний на ведомой стороне по сравнению с амплитудами ведущей стороны и наоборот; чем больше на ведущем валу гидромуфты возрастает частота колебаний £У0, тем меньше ведомая сторона следует за этими колебаниями; в результате амплитуда колебаний ведомого вала составляет лишь небольшую часть амплитуды колебаний ведущего вала. Это свойство гидромуфты называют «фильтрацией» крутильных колебаний;
- демпфирующие свойства гидромуфты, способность гасить крутильные колебания значительно слабее фильтрующих свойств; но в некоторых случаях гидромуфта способна оказать демпфирующее действие на крутильные колебания ведущего вала, вала колеса насоса, являющегося источником колебаний, подобно демпферу вязкого трения, если это колесо расположено далеко от узла колебаний, особенно при больших амплитудах.
Заключение
Рассмотрев принцип работы, конструкции замкнутых гидродинамических муфт и их особенности можно сделать следующие выводы:
- условиям работы трактора в наибольшей степени удовлетворяет предельная гиромуфта с динамическим самоопоражниванием;
- необходимо исследовать работу предельной гидромуфты с дизельным двигателем при частичных режимах работы двигателя с целью определения возможности переключения передач без применения фрикционной муфты с использованием десселератора и тормоза, установленного на валу турбины;
- провести исследования влияния гидродинамической муфты на крутильные колебания системы: двигатель - трансмиссия.
ЛЕГГЕРЛТУРА
Х.АлексаполъскийД.Я. Гидродинамические передачи-М: Машгиз, 1963.-346 с.
2. Гавриленко БА., Семичастнов И. Ф. Гидродинамические муфты и трансформато-ры.-М.: Машиностроение, 1969,-438 с.
3. Маурщио Вольф. Гидродинамические муфты и трансформаторы - М.: Машиностроение, 1967.- 386 с.
4. Гавриленко Б.А., Рымаренко Л.М. Исследование работы предельных гидромуфт на прозрачных моделях // Вестник машиностроения- 1967,- №2.
5. Гавриленко Б.А., Рымаренко Л.М. Исследование динамики гидромуфт с наклонными лопатками И Вестник машиностроения - 1968,- №7.
6. Яременко О.В., Кононенко Т.И. Границы применения гидродинамических муфт // Вестник машиностроения,- 1970,-№11.
7. Энциклопедический справочник «Машиностроение»,- Т XIII - 1949.
8. Экспресс-информация «Тракторостроение»,- 1970,- №№ 9, 20, 35, 37.
