CC BY
146
УДК 629.1.07
ВЫБОР ГИДРОТРАНСФОРМАТОРА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ ВОЕННОЙ МАШИНЫ
Ю.М. Мущинский, нач. отдела, В.А. Смоляков, нач. отдела, Ю.М. Гужва, зам. нач. отдела, А.А. Безлепкин, нач. сектора, А.А. Андриенко, инж. 1-й кат., С.В. Стримовский, инж. 3-й кат.,
КП ХКБМ
Аннотация. Выбран гидротрансформатор для проектирования гидродинамической трансмиссии. Оценивается соответствие выбранного гидротрансформатора двигателя, который будет установлен на военную машину.
Ключевые слова: гидродинамическая трансмиссия, механическая трансмиссия, гидротрансформатор, согласующий редуктор, военная машина, максимальный крутящий момент двигателя.
Введение
Гидродинамическая трансмиссия (ГДТ) завоевывает свое место среди военных колесных машин легкой весовой категории - бронетранспортеров, боевых машин пехоты, бронеавтомобилей. Это связано с тем, что она надежно работает в тяжелых дорожных условиях и, кроме того, в сочетании с системой управления современная ГДТ ничем не уступает механической трансмиссии (МТ), которая рассматривалась как основная при проектировании военных машин до настоящего времени. Кроме того, автоматическая ГДТ облегчает управление военной машиной по сравнению с аналогичным изделием, выполненным с МТ, а также улучшает ее подвижность, поскольку в случае применения МТ программа переключения передач задается водителем субъективно и зависит от его квалификации. Довольно часто движение военной машины выполняется на неоптимальных режимах работы силового агрегата относительно конкретных дорожных условий. Ошибки в выборе нужной передачи приводят к снижению тягового усилия военной машины по сравнению с технически достижимым и, как следствие, к падению скорости и росту расхода топлива. Этот недоста-
ток МТ устраняется в ГДТ, благодаря тому, что ее легко автоматизировать [1, 2].
Цель и постановка задачи
Одной из важных задач на этапе проектирования ГДТ для военной машины является выбор гидротрансформатора (ГТ). Это связано с тем, что устанавливаемый ГТ между двигателем и коробкой передач должен обеспечить:
- использование номинальной мощности двигателя, а также его работу на экономичных режимах расхода топлива;
- устойчивую работу двигателя на «стоповом» режиме ГТ, т.е. при полностью остановленном вале турбинного колеса;
- расширение скоростного диапазона на выходе ГТ и, как следствие, уменьшить число передач в коробке;
- высокие средние скорости движения военной машины по пересеченной местности и движение на максимальной скорости по хорошей дороге;
- возможность длительного движения в тяжелых условиях без перегрева масла в ГДТ.
Таким образом, для рационального использования мощности двигателя в проектируемой ГДТ необходимо, чтобы внешняя характеристика двигателя была согласована с безразмерной характеристикой ГТ.
Оценка соответствия гидротрансформатора двигателю, который предполагается устанавливать на военную машину
Предположим, что мы разрабатываем полнопоточную ГДТ для легкобронированной колесной машины на основе комплексного гидротрансформатора ГТК-ХУ [6]. Моторно-трансмиссионная установка машины может быть выполнена на базе двигателей УТД-29 [6] или 3ТД-3 [3, 4]. Проведем оценку соответствия ГТК-ХУ и двигателей УТД-29 и 3ТД-3. С этой целью построим характеристику совместной работы гидротрансформатора ГТК-ХУ и двигателей УТД-29, 3ТД-3. Для этого необходимо иметь внешнюю характеристику двигателей и безразмерную характеристику ГТ, из которой определяется зависимость момента на насосном колесе Мн от частоты вращения пн.
Зависимости крутящего момента от частоты вращения двигателей УТД-29 и 3ТД-3 на внешней характеристике [5, 6] представлены в табл. 1, где Пдв - частота вращения коленчатого вала двигателя, Мдв - свободный крутящий момент двигателя.
Таблица 1 Зависимости крутящего момента от частоты вращения двигателей УТД-29 и 3ТД-3 на внешней характеристике
Мн = У Ч1 н Чпн2 ЧД5
(1)
УТД-29 3ТД-3
Пдв, об/мин Мдв, кГс-м Пдв, об/мин Мдв, кГс-м
1200 124 1200 100
1400 137,6 1400 110
1600 142,7 1600 120
1700 143,7 1700 124,5
1800 142,7 1800 129
1900 141 1900 131
1950 140 1950 132
2000 138 2000 131,5
2200 132 2200 128
2400 124 2400 122
2600 117 2600 114
где у - удельный вес рабочей жидкости, кГс/м3; - коэффициент момента лопастного колеса, мин2/м; пн - частота вращения насосного колеса, об/мин; - активный диаметр гидропередачи, м.
Очень часто при определении момента на насосном колесе Мн используют не сам коэффициент Хн, а произведение у-Хн. Поскольку гидротрансформатор ГТК-ХУ является прозрачным, то необходимо учесть, что величина у-Хн будет изменяться с изменением кинематического передаточного числа 1//гт. Для ГТК-ХУ активный диаметр равен 0,38 м, коэффициент уХн на «стоповом» режиме рабо-
кГс Чмин2
ты ГТ (1//'гт = 0) равен 0,0057 -^ц-4— , при
максимальном значении КПД ГТ равен кГс Чмин2
0,0018
об Чм4
Результаты вычислений момента на насосном колесе при «стоповом» режиме работы ГТ и при максимальном значении КПД ГТ приведены в табл. 2.
Таблица 2 Результаты вычислений момента на насосном колесе при «стоповом» режиме работы ГТ и при максимальном значении КПД ГТ
Пн, об/мин Мн , кГс-м при уХн=0,0057 Мн , кГс-м при уХн=0,0018
1200 65 20,5
1400 88,5 27,9
1600 115,6 36,5
1700 130,5 41,2
1800 146,3 46,2
1900 163 51,5
1950 171,7 54,2
2000 180,6 57
2200 218,6 69
2400 260,1 82
2600 305,3 96,4
Момент, развиваемый насосным колесом ГТ, определяется по формуле [7]
На рис. 1 получаем графики внешних характеристик двигателей и двух парабол нагру-жения от ГТ. Одна парабола соответствует «стоповому» режиму работы ГТ, а вторая -величине 1//'гт, которая соответствует максимальному значению КПД ГТ. Любая точка, расположенная между этими параболами на внешней характеристике двигателя, означает
вполне определенный режим работы двигателя и гидропередачи. Каждая точка этой области представляет собой точку пересечения некоторой частичной характеристики двигателя и параболы нагружения, соответствующей вполне определенному и постоянному передаточному отношению ГТ. Отметим, что двигатель 3ТД-3 имеет максимальный крутящий момент Мдвтах = 132 кГсм при частоте вращения пдв = 1950 об/мин, а двигатель УТД-29 Мдвтах = 143,7 кГсм при частоте вращения пдв = 1700 об/мин.
800 2000 пдв, об/мин
_ Внешняя характеристика двигателя 3ТД-3 _ Внешняя характеристика двигателя УТД-29
- Парабола нагружения ГТК-ХУ при 1/стт=0
— Парабола нагружения ГТК-ХУ при значении 1/гт
1у КПД
Рис. 1. Характеристика совместной работы ГТК-ХУ с двигателями 3ТД-3 и УТД-29
На рис. 1 видно, что парабола нагружения ГТК-ХУ, соответствующая «стоповому» режиму работы, пересекается с внешней характеристикой двигателя УТД-29 правее точки Мдвтах (Пдв = 1700 об/мин), а с характеристикой двигателя 3ТД-3, в точке, находящейся левее точки Мдвтах (Пдв = 1950 об/мин). Из этого следует, что при полной остановке машины под нагрузкой работа двигателя УТД-29 на внешней характеристике останется устойчивой, а двигатель 3ТД-3 будет глохнуть. Положение параболы нагружения при максимальном значении КПД ГТК-ХУ говорит о том, что военная машина не сможет использовать максимальную мощность двигателей УТД-29 и 3ТД-3 при максимальном значении КПД ГТ. Это приводит к дополнительным потерям мощности, передаваемой от двигателя в трансмиссию. Но поскольку ГТК-ХУ является блокируемым ГТ, то при наличии системы управления блокировкой ГТ этот недостаток устраняется. Очень часто для предварительной оценки со-
ответствия выбранного ГТ двигателю, устанавливаемому на военную машину, используют понятие расчетного коэффициента прозрачности, который учитывает условие прохождения максимальной свободной мощности при частоте вращения коленчатого вала двигателя и наивысшем КПД ГТ и условие трогания военной машины при наибольшей тяговой динамике, когда в момент страгивания двигатель обеспечивает насосу ГТ максимальный свободный крутящий момент Мдвтах при частоте вращения коленчатого вала Пм [8]
П,
Мдвтах Ч
МдвЫ Ч
(2)
где Мдвтах - максимальный крутящий момент двигателя; МдвЛГ - крутящий момент двигателя соответствующий максимальной свободной мощности; Пм - частота вращения коленчатого вала двигателя, соответствующая
Мдв
- частота вращения коленчатого
вала двигателя, соответствующая Мд
дв№
Таким образом, для двигателя УТД-29 ве-
„ 143,7Ч26002 „ „„„ личина П, = ---— = 2,873, а для дви-
гателя
П, =
132Ч26002
117Ч17002 3ТД-3
= 2,058.
величина
114 Ч1950'
Расчетный коэффициент прозрачности П, сравнивают с коэффициентом прозрачности П [8]
П = Мн0 = 1 н0
Л /Г 1
нм нм
(3)
где Мн0 - крутящий момент на насосном колесе при «стоповом» режиме работы ГТ (1Лгт = 0); Мнм - крутящий момент на насосном колесе при величине коэффициента трансформации момента, равной единице (К=1); - коэффициент момента лопастного колеса (индексы «0» или «м» указывают на режим работы ГТ).
„ 0,0057 „„„„ Для ГТК-ХУ П = —-= 2,244
для 1 т ЛУ 0,00254
Для полного использования приспособляемости двигателя необходимо, чтобы выполнялось условие Пр > П. В противном случае будет использоваться только некоторый участок внешней характеристики двигателя. Из выше приведенных расчетов видно, что это условие выполняется для двигателя УТД-29 и гидротрансформатора ГТК-ХУ. Невыполнение условия для двигателя 3ТД-3 говорит о том, что пучок нагрузочных парабол ГТК-ХУ выходит за пределы рабочего диапазона двигателя. Поэтому необходимо согласование внешней характеристики двигателя и безразмерной характеристики ГТ.
Согласование совместной работы
двигателя и гидротрансформатора
Безразмерная характеристика ГТ может изменяться в результате изменения величин Da (активный диаметр гидропередачи) и Рн (угол выхода лопаток насосного колеса). Но это приводит к конструктивным изменениям ГТ. Очень часто возникает задача согласовать серийно выпускаемый ГТ с определенной моделью двигателя. Для этого между двигателем и ГТ устанавливают редуктор с определенным передаточным отношением. В этом случае параболы нагружения при 1//гт = 0 и величине 1/7'п, которая соответствует максимальному значению КПД ГТ, в системе координат Мкр, ида будут изменять свое положение относительно кривой момента двигателя, подобно тому, как это происходит при изменении диаметра ГТ.
Рассмотрим условия согласования характеристик двигателя 3ТД-3 и ГТК-ХУ. Выбор режимов совместной работы двигателя и ГТ обуславливается, с одной стороны, необходимостью получения высоких тягово-скорост-ных качеств машины, что достигается максимальным использованием мощности двигателя при высоком значении КПД ГТ. С другой стороны, необходимо, чтобы при трогании машины с места двигатель работал на режиме, близком к режиму максимального момента, а ГТ имел максимальный коэффициент трансформации Кщах (это «стопо-вый» режим работы ГТ 1//гт = 0). Поскольку ГТК-ХУ является блокируемым ГТ, то для нас важно только второе условие. Первое требование можно будет выполнить благодаря введению системы управления блокировкой ГТ. Второе условие необходимо учесть
при расчете передаточного отношения согласующего редуктора /с [8]
¡а _ ?
(У^ н ) 0 пм Д
М д
V
(4)
0,0057Ч19502 Ч0,385
132Ч0,985
= 1,097,
где 11 с = 0,985 - КПД согласующего редуктора (предположили, что согласующий редуктор представляет собой цилиндрическую зубчатую передачу).
По данным безразмерной характеристики ГТК-ХУ для диапазона оборотов двигателя пдв = 1200 - 2600 об/мин построим графики моментов насосного колеса Мн, приведенных к коленчатому валу двигателя, для значений передаточных чисел ГТ 1//гт = 0 и ве-
личины
1//г
которая соответствует
максимальному значению КПД ГТ, и совместим с графиком внешнего свободного крутящего момента двигателя Мдв 3ТД-3. Величину Мн определяем по формуле [8]
м н =
Мн
¡с 1 а
У ж 1 нПн2 Д _ У ж1 нЯд2в Д (5)
¡а
¡а 1,
где ¡с _ 1,097; 1 с _ 0,985; пн _ .
Результаты вычислений приведены в табл. 3.
Таблица 3 Зависимость крутящего момента на насосном колесе ГТ от частоты вращения вала насосного колеса
Пн, об/мин Мн , кГс-м при уХн=0,0057 Мн , кГс-м при уХн=0,0018
1200 50 15,7
1400 68,1 21,4
1600 89 28,1
1700 100,3 31,7
1800 112,5 35,5
1900 125,3 39,6
1950 132 41,7
2000 138,9 43,8
2200 168,1 53,1
2400 200 63,1
2600 234,8 74,1
На рис. 2 получаем графики внешней характеристики двигателя 3ТД-3 и параболы на-
1
п
гружения от ГТК-ХУ с учетом согласующего редуктора.
Из расположения графиков видно, что, благодаря установке согласующего редуктора между двигателем 3ТД-3 и ГТК-ХУ, парабола нагружения, соответствующая «стоповому» режиму работы (1//гг=0), пересекается с внешней характеристикой двигателя в точке Мдвтах («дв=1950 об/мин).
пдв об/мин
- Внешняя характеристика двигателя 3ТД-3 —•—Парабола нагружения ГТК-ХУ при 1Лгт=0
Парабола нагружения ГТК-ХУ при значении 1Лгт соответствующем максимальному КПД
Рис. 2. Характеристика совместной работы ГТК-ХУ с двигателем 3ТД-3 при условии, что между ними установлен согласующий редуктор с передаточным отношением 1,097
Парабола нагружения при максимальном значении КПД ГТК-ХУ говорит о том, что ГТ не сможет работать с двигателем 3ТД-3 на максимальном значении КПД, поэтому необходимо применить систему управления блокировкой ГТ.
Выводы
В результате выше изложенного материала можно сделать следующие выводы. При выборе ГТ для новой проектируемой ГДТ военной машины необходимо, чтобы внешняя характеристика двигателя согласовывалась с безразмерной характеристикой ГТ. Если невозможно выполнить это требование путем подбора разных модификаций двигателей или различных типов ГТ, то необходимо устанавливать согласующий редуктор, передаточное отношение которого рассчитывается по формуле (4), так как совместимость
«стопового» режима работы ГТ с максимальным моментом двигателя Мдвтах улучшает трогание с места и динамику разгона машины.
Литература
1. Бусяк Ю.М., Веретенников А.И., Завад-
ский А.М., Корецкий Н.А., Лизунов К.М. Перспективы развития трансмиссий военных бронированных машин // Мехашка та машинобудування.
- 2004. -№1. - С. 102 - 106.
2. Александров Е.Е., Стримовский С.В. Пер-
спективы применения гидромеханической трансмиссии с микропроцессорной системой управления на военных машинах // Мехашка та машинобудування. -2006. - №1. - С. 92 - 98.
3. Гриценко Г., Буденный М., Рязанцев Н.
Современные украинские специальные дизельные двигатели // Военный парад.
- 2003. - №1(55). - С. 58 - 60.
4. Кудров В.М., Кузминский В.А., Заря-
нов В.А. Чучмарь И.Д. Воловик Н.В. Крот С.Г. Исследование параметров мо-торно-трансмиссионных установок бронетранспортеров // Мехашка та машинобудування. - 2005. - №1. - С. 145 -149.
5. 494 БМ ТУ. Дизель 494БМ. Технические
условия.
6. Барон Ф.Г., Зыков Е.А., Никонов А.И.,
Степанов В.А. Трансмиссия БМП-3 // Вестник бронетанковой техники. - 1991.
- №5. - С. 34 - 38.
7. Самородов В.Б., Волонцевич Д.О., Пала-
щенко А.С. Колесные и гусеничные машины высокой проходимости. Бесступенчатые трансмиссии: расчет и основы конструирования: Учеб. пособие / Под общ. ред. Е.Е. Александрова. - Харьков: ХГПУ, 1997. - 185 с.
8. Епифанов В.В. Самородов В.Б. Панкра-
тов В.П. Тяговый расчет гусеничной машины с дизельным двигателем и полнопоточной гидродинамической трансмиссией. - Харьков: ХГПУ, 1996. - 59 с.
Рецензент: Л.В. Назаров, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 17 апреля 2008 г.
