ГИДРОТРАНСФОРМАТОР

Заявляемое изобретение относится к машиностроению и, в частности, к устройствам для передачи вращения. Сущность изобретения: в гидротрансформаторе (далее по тексту - ГТР) энергия передается жидкостью, которая проходит через турбину, двигаясь внутри лопаток турбинного колеса, выполненных в форме закрытого закругленного русла - канала, и находясь с ними в силовом взаимодействии, существующем и научно доказанном, например, в учебнике "Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы" под редакцией Т.М. Башты, изд. "Машиностроение", Москва, 1970, §1.47. "Силы действия потока на стенки канала" - стр.167 и пример 15 - стр.168.

Из научно-технической литературы, например: [1]…[5] известны устройства для передачи вращения - гидромеханические передачи (далее по тексту - ГМП). В качестве прототипа выбрана двухступенчатая ГМП ЛАЗ-НАМИ ([3], стр.206), параметры и характеристики которой приведены в [6]. ГМП ЛАЗ-НАМИ включает в себя основные части: механическую коробку передач (далее по тексту - МКП) и гидротрансформатор (далее по тексту - ГТ), основными составляющими которого являются рабочие колеса: насоса, турбины и реактора.

Недостатками прототипа при его использовании как товарного продукта для трансмиссии машины являются сложность конструкции МКП и саморегулируемость ГТ, которая ограничивает маневренность машины и силу тяги на ведущих колесах машины.

Задачей изобретения является упрощение конструкции трансмиссии, улучшение маневренности машины и увеличение силы тяги на ведущих колесах машины.

Техническим результатом, который может быть получен при реализации и использовании ГТР в качестве товарного продукта для трансмиссии машины является: упрощение конструкции трансмиссии, улучшение маневренности машины и увеличение силы тяги на ведущих колесах машины.

Результат достигается тем, что лопатки турбинного колеса ГТР выполнены в форме закрытого закругленного русла - канала (далее по тексту - лопатки) и установлены подвижно относительно оси вращения ГТР с возможностью изменять величину и направление крутящего момента внешним управлением.

Общие сведения

Существенное различие в характеристиках соответственно и эксплуатационных свойствах ГМП и ГТР определяется принципиальным различием в особенностях рабочих процессов, происходящих в ГМП, а именно в ГТ, и ГТР.

В ГТ при вращении рабочего колеса насоса жидкость (представляет собой одно бесконечное и непрерывное кольцевое звено) проходит из линии подвода (вход в рабочее колесо) в линию отвода (выход из рабочего колеса) последовательно через все рабочие колеса непрерывным потоком, обтекая гидродинамические профили - лопатки рабочих колес и находясь с ними в силовом взаимодействии, и возвращается к входу в насос.

В ГТР при подаче в напорную полость турбины, например, центробежным насосом из бака жидкость (не должна обязательно представлять собой одно бесконечное и непрерывное кольцевое звено) проходит из линии подвода (вход в турбинное колесо) в линию отвода (выход из турбинного колеса) непрерывным потоком, двигаясь внутри лопаток турбинного колеса и находясь с ними в силовом взаимодействии, и из сливной полости турбины возвращается в бак. При этом на турбине ГТР образуется крутящий момент М_тгтр, который определяется по формуле:

Р - сила действия потока на стенки канала лопатки турбины ГТР;

R - расстояние между осью вращения ГТР и вектором Р;

z - количество лопаток.

Особенность рабочего процесса определяет характерные особенности конструкции, свойств, параметров и характеристик ГТР:

- для изменения величины и направления М_тгтр не требуется реактор (опора);

- ГТР не обладает саморегулируемостью, т.е. М_тгтр не зависит от i - отношения скорости вращения ведомого вала n_тгтр к скорости вращения ведущего вала n_д;

- КПД ГТР φ не зависит от i;

- при R=Const М_тгтр=f(n_д) и пропорционален n_д ²;

- при R=Const n_тгтр=f(n_д) и прямо пропорциональна n_д;

- φ подобен КПД центробежного насоса ГТР φ_н и φ=f(φ_н);

- при n_д=Const и R≠Const М_тгтр=f(n_тгтр) и связаны обратно пропорциональной зависимостью.

Описание устройства и работы

На фиг.1 изображена конструктивная схема ГТР, в которой для снижения потерь энергии насос и турбина установлены соосно и предельно сближены. Положение элементов схемы соответствует работе в установившемся режиме.

ГТР состоит из насоса, например центробежного (далее по тексту - насос), основными элементами проточной части которого являются подвод 1, насосное колесо 2 и отвод 3. Насосное колесо 2 соединено с ведущим валом 4 штифтом 5. Ведомый вал 6 жестко соединен с кожухом 7 турбины, которая также включает в себя жестко связанное с кожухом 7 турбинное колесо, основными элементами которого являются диск 8 и подвижно соединенные с ним лопатки 9 с каналами (см. сечения Б-Б и В-В). Рычаг 10 внешней системы управления шарнирно связан со скобой 11, подвижно соединенной с диском 12, который имеет возможность передвигаться вдоль по ведомому валу 6 и связан с ним шпонкой 13. Диск 12 жестко соединен с гайками 14, которые имеют возможность передвигаться вдоль по участкам с многозаходной резьбой осей вращения лопаток 9. При перемещении диска 12 вдоль по валу 6 гайки 14 вращают лопатки 9, чем обеспечивается изменение величины и направления М_тгтр.

ГТР работает следующим образом:

Перед пуском двигателя внешнее управление (водитель автомобиля, автоматическое устройство и пр.) воздействием через рычаг 10, скобу 11, диск 12, гайки 14 устанавливает лопатки 9 в начальное положение, при котором R=0 (М_тгтр=0) и кожух 7 перекрывает отверстия каналов (снижается пусковой момент).

После пуска насос, приводимый во вращение моментом двигателя М_д с числом оборотов n_д, подает жидкость производительностью Q и с напором Н из подвода 1 по отводу 3 через каналы лопаток 9 в подвод 1. При этом на каждой лопатке возникает Р, которая при конструкции лопатки в форме отвода с углом поворота 180° определяется (см. выше упомянутый учебник) по формуле:

ρ - плотность жидкости;

V - средняя скорость движения жидкости в канале;

F - площадь сечения канала.

Для преодоления момента сопротивления приводимого механизма М₂ внешнее управление вращением лопаток 9 обеспечивает R, при котором М_тгтр>М₂ и в единицу времени передается энергия - передаваемая мощность N_тгтр, равная:

Характерные особенности параметров и характеристик ГТР

Характерные особенности параметров и характеристик ГТР определяет их взаимосвязь. Связь между конструктивными и геометрическими параметрами ГТР осуществляется через параметры потока рабочей жидкости (пренебрегая трением в опорах).

При определении взаимосвязи приняты допущения:

- движение жидкости в ГТР имеет турбулентный режим;

- механические, объемные потери, дисковое трение и трение о воздух - пренебрежимо малы;

- гидравлические потери в каналах не зависят от скорости, направления вращения и положения лопаток относительно оси ГТР.

Подставим в (1) выражения (2), (3) и, опуская промежуточные преобразования, получаем:

Поскольку согласно теории подобия лопастных насосов Q прямо пропорциональна n_д, то из (5) при R=Const следует: М_тгтр=f(n_д) и пропорционален n_д ².

Определим n_тгтр, используя (4):

N_H - энергия, передаваемая жидкости насосным колесом 2 в единицу времени;

N_П - потери энергии в единицу времени при движении жидкости по каналам лопаток;

h_п - потери напора в канале лопатки.

Баланс энергии (напора) потока жидкости между сечениями на входе и выходе канала в лопатке согласно уравнению Бернулли равен:

р_вх - давление на входе в канал;

р_вых - давление на выходе из канала;

ξ_вх, ξ_вых, ξ_от, - коэффициенты сопротивления соответственно входа, выхода и поворота канала;

λ - коэффициент потерь на трение;

l - длина канала;

d - диаметр канала.

При установившемся движении жидкости:

Подставим в (6) выражения (7), (8), (9), (15), (11), (10), (12), (16), (1) и, опуская промежуточные преобразования, получаем:

Поскольку согласно теории подобия лопастных насосов Q прямо пропорциональна n_д, то из (17) при R=Const следует: n_тгтр=f(n_д) и прямо пропорциональна n_д.

Определение φ:

Связь между объемным весом и плотностью жидкости:

Подставим в (18) выражения (4), (5), (17), (19), (8), (15), (11), (10), (12), (16), (2), (3), (13), (3), (20) и, опуская промежуточные преобразования, получаем:

Поскольку принято ξ=Const, то из (21) следует: φ подобен φ_н и φ=f(φ_н).

Определим R из (5) и (17), приравняем правые части уравнений и, опуская промежуточные преобразования, получаем:

Из (5), (17) и (22) при Q=Const, т.е. при n_д=Const и R≠Const следует: М_тгтр=f(n_тгтр) и связаны обратно пропорциональной зависимостью.

Для определения Н_нп=f(Q) подставим в (11) выражения (10),(12), (16),(2),(3),(13),(3),(20) и, опуская промежуточные преобразования, получаем:

Возможность достижения заявленного технического результата

ГТР обеспечивает достижение заявленного технического результата, что подтверждает сравнение характеристики М_тгтр=f(n_тгтр) на выходном валу привода грузового автомобиля ЗИЛ-130, включающего ГТР и двигатель ЗИЛ-130 (далее по тексту - машины №1), например, с характеристиками М_т=f(n_т) и М_т=f₁(n_т) на выходном валу привода грузового автомобиля ЗИЛ-130, включающего тот же двигатель и прототип (далее по тексту - машины №2).

Выходная характеристика М_тгтр=f(n_тгтр) является функцией Q, F и z, а Q, в свою очередь, является функцией F, z и h_п. Для выполнения расчетов требуется характеристика насоса Н=f(Q) и зависимость потребного напора Н_нп=f(Q). За Н=f(Q), ввиду ее отсутствия, принята характеристика аналога (см. фиг.2). Аналогом выбран центробежный насос фирмы "Grundfos" марки NB/NK 150-200: диаметр рабочего колеса Дрк=224 мм, мощность на валу насоса - 106,3 кВт, n=2900 об/мин, наибольший КПД - 85,6% (согласно фирменному каталогу насосов).

С целью совместить работу двигателя на максимальной мощности и работу ГТР с наибольшим φ (φ_н=85,6%), т.е. чтобы мощность на валу насоса ГТР N_нв=N_д=116,1 кВт при n_д=3000 об/мин, характеристика Н=f(Q) пересчитана по формулам подобия лопастных насосов при допущении пренебрежимо малого изменения φ_н. В результате диаметр рабочего колеса насоса ГТР Дгтр=223 мм и совмещение определяет характерная точка А с параметрами: Q=818 м³/час и Н=44,7 м (см. фиг.2). С целью выполнения последующих расчетов фиг.2 дополнена графиками Н=f(Q) при различных n_д.

Из (23) определяем F:

При вычислении F принято: Q=818 м³/час и Н_нп=44,7 м (см. параметры точки А), z=20 шт., ξ=0,72 (величина обеспечивается конструктивно и технологически, в том числе, выполнением входного и выходного участков канала в форме соответственно конфузора и диффузора).

График Н_нп=f(Q) представлен на фиг.2.

М_т=f₁(n_т) подобна М_т=f(n_т) при включении понижающей передачи с передаточным числом u_k1=1,79 (см. [6], рис.36 и глава 2, п.2.7).

На фиг.3 представлены графики М_тгтр=f(n_тгтр), М_т=f(n_т) и М_т=f₁(n_т). Для сопоставления фиг.3 дополнена графиками скоростной характеристики М_д=f(n_д), N_д=f(n_д) и удельного расхода топлива g_e=f(n_д) (см. [6], рис.15).

Особенности параметров и характеристик ГТР наглядно представлены на фиг.4 графиками М_тгтр=f(n_д), n_тгтр=f(n_д), φ=f(φ_н) и М_тгтр=f(n_тгтр). Координаты точек графиков определены графоаналитическим расчетом с применением (5), (17), (21) и (22), использованием параметров точек пресечения Н_нп=f(Q) с Н=f(Q) при различных n_д на фиг.2 и R_mac=240 мм.

Величина R_mac определена по (5) из условия М_тгтр ⁰=М_т ⁰=М_т*u_k1 при n_т=n_тгтр=0 (см. фиг.3), т.е. при трогании машин и n_д=3000 об/мин, т.е. Q=818 м³/час.

Сравнение выходных характеристик (см. фиг.3) показывает, что при одинаковых эксплуатационных условиях, диаметре шин 1020 мм, передаточном числе главной передачи - 6,32 ([6], табл.3.3), при равных исходных параметрах сравниваемых выходных характеристик и отсутствии МКП:

- до скорости n_тгтр ^mac=n_т1 (соответствует скорости движения машин 20 км/час) машина №1 разгонится под действием максимального и постоянного момента М_тгтр ⁰ на 18% быстрее, чем машина №2, т.к. М_тгтр ⁰/М_тср=1,18 (принимая уменьшение М_т на участке М_т ⁰…М_т1 по линейной зависимости), кроме того, М_тгтр ⁰ на 45% больше М_т1;

- М_тгтр2 на 30% больше М_т2 при n_тгтр2=n_т2 (соответствует скорости движения машин 70 км/час).

Таким образом, использование ГТР в качестве товарного продукта для трансмиссии машины обеспечивает:

- упрощение конструкции трансмиссии за счет исключения МКП;

- улучшение маневренности машины за счет более высоких разгонных свойств привода с ГТР;

- увеличение силы тяги на ведущих колесах машины за счет передачи приводом с ГТР более высокого крутящего момента.

Источники информации

1. Гидротрансформаторы/А.Н. Нарбут, М.: изд. "Машиностроение", 1966, (стр.63…64).

2. Планетарные и гидромеханические передачи колесных и гусеничных машин/А.В. Петров, изд. "Машиностроение", Москва, 1966 (стр.313…373).

3. Проектирование трансмиссий автомобилей: Справочник/Под общ. ред. А.И. Гришкевича. М.: Машиностроение, 1984. - 272 с. (стр.191…211).

4. Автомобиль: Основы конструирования: Учебник / Н.Н.Вишняков и др. - 2 изд., - М.: Машиностроение, 1986. - 304 с. (стр.108…109).

5. Патенты РФ: №2086427, №2188352, №2294848.

6. Тягово-скоростные качества автомобилей: Справочник/ авт. Бортницкий П.И., Задорожный В.И., Киев, изд. "Вища школа", 1978 (рис.36 и глава 2, п.2.7).