Гидротрансформатор и флюидные муфты: принцип работы и применение.

Введение

Гидротрансформатор, передающий вращающую силу от первичного двигателя к вращающейся нагрузке.

Гидротрансформатор – это устройство, обычно реализованное как разновидность гидромуфты, которое передает вращающую силу от первичного двигателя, например, двигателя внутреннего сгорания, к вращающейся нагрузке. В транспортном средстве с автоматической трансмиссией гидротрансформатор соединяет первичный двигатель с автоматической коробкой передач, которая затем приводит в движение нагрузку. Таким образом, он обычно располагается между маховиком двигателя и трансмиссией. Эквивалентным устройством в механической трансмиссии является механическое сцепление. Гидротрансформатор служит для увеличения передаваемого крутящего момента при низкой выходной скорости вращения. В конструкции на основе гидромуфты используется жидкость, приводимая в движение лопатками входного рабочего колеса и направляемая через лопатки неподвижного статора, для приведения в движение выходной турбины таким образом, чтобы крутящий момент на выходе увеличивался, когда выходной вал вращается медленнее, чем входной вал, обеспечивая тем самым эффект адаптивной передачи. Это свойство, которое отсутствует в простой гидромуфте, которая может выравнивать скорости вращения, но не увеличивает крутящий момент. Гидротрансформаторы на основе гидромуфты также обычно оснащены функцией блокировки для жесткого соединения входного и выходного валов и предотвращения потерь эффективности, связанных с передачей крутящего момента посредством потока жидкости, когда позволяют условия эксплуатации.

Гидравлические системы

Наиболее распространенным типом гидротрансформатора в автомобильных трансмиссиях является описанное выше гидродинамическое устройство. Существуют также гидростатические системы, широко применяемые в малогабаритных машинах, таких как компактные экскаваторы.

Механические системы

Существуют также механические конструкции гидротрансформаторов, многие из которых аналогичны механическим бесступенчатым трансмиссиям или способны функционировать как таковые. К ним относятся гидротрансформатор Константинеско на маятниковой системе, дисковая фрикционная трансмиссия Ламберта и Variomatic с расширяющимися шкивами и ременным приводом.

Использование

Автоматические трансмиссии, используемые в автомобилях, таких как легковые автомобили, автобусы и грузовики для эксплуатации на дорогах общего пользования и вне дорог. Тягачи и другие тяжелые транспортные средства. Морские движители. Промышленные силовые передачи, например, приводы конвейеров, практически все современные вилочные погрузчики, лебедки, буровые установки, строительная техника и железнодорожные локомотивы.

Элементы преобразователя крутящего момента

Жидкостная муфта — это двухэлементный привод, не способный увеличивать крутящий момент, в то время как гидротрансформатор имеет как минимум один дополнительный элемент — статор, который изменяет характеристики привода при большом скольжении, обеспечивая увеличение выходного крутящего момента. В гидротрансформаторе есть как минимум три вращающихся элемента: рабочее колесо, приводимое в движение основным двигателем; турбина, приводящая в движение нагрузку; и статор, расположенный между рабочим колесом и турбиной для изменения потока масла, возвращающегося из турбины в рабочее колесо. Классическая конструкция гидротрансформатора предусматривает, что статор не должен вращаться ни при каких условиях, отсюда и название «статор». Однако на практике статор устанавливается на обгонную муфту, которая предотвращает его вращение в обратном направлении относительно основного двигателя, но допускает вращение в прямом направлении. В базовую трехэлементную конструкцию периодически вносились изменения, особенно в тех случаях, когда требуется более высокий, чем обычно, коэффициент увеличения крутящего момента. Чаще всего это достигается использованием нескольких турбин и статоров, каждый из которых предназначен для обеспечения различной степени увеличения крутящего момента. Например, автоматическая коробка передач Buick Dynaflow имела конструкцию без переключения передач и в нормальных условиях полностью полагалась на гидротрансформатор для увеличения крутящего момента. Dynaflow использовал пятиэлементный гидротрансформатор для обеспечения широкого диапазона увеличения крутящего момента, необходимого для приведения в движение тяжелого транспортного средства. Хотя блокирующая муфта формально не является частью классической конструкции гидротрансформатора, многие автомобильные гидротрансформаторы оснащены ею для повышения эффективности передачи мощности при движении с постоянной скоростью и снижения нагрева. Активация муфты блокирует турбину к рабочему колесу, обеспечивая полностью механическую передачу мощности и, таким образом, устраняя потери, связанные с жидкостным приводом.

Умножение эффективности и крутящего момента

Конвертер крутящего момента не может достичь 100-процентной эффективности сцепления. Классический трехэлементный гидротрансформатор имеет кривую эффективности, напоминающую ∩: нулевая эффективность на заблокированном роторе, обычно возрастающая эффективность в фазе разгона и низкая эффективность в фазе сцепления. Потеря эффективности при входе гидротрансформатора в фазу сцепления является результатом турбулентности и помех потоку жидкости, создаваемых статором, и, как упоминалось ранее, обычно компенсируется установкой статора на одностороннюю муфту. Даже при наличии односторонней муфты статора гидротрансформатор не может достичь такой же эффективности в фазе сцепления, как жидкостное сцепление эквивалентного размера. Частичная потеря эффективности обусловлена присутствием статора (даже вращающегося как часть узла), поскольку он всегда создает некоторую поглощающую энергию турбулентность. Однако основная часть потерь вызвана изогнутыми и наклонными лопастями турбины, которые не поглощают кинетическую энергию из потока жидкости так же эффективно, как радиально прямые лопасти. Поскольку геометрия лопастей турбины является ключевым фактором, определяющим способность гидротрансформатора увеличивать крутящий момент, компромиссы между увеличением крутящего момента и эффективностью сцепления неизбежны. В автомобильной промышленности, где постоянное улучшение экономии топлива обусловлено рыночными силами и государственными предписаниями, почти повсеместное использование блокировочной муфты помогло исключить гидротрансформатор из уравнения эффективности во время движения с постоянной скоростью. Максимальное увеличение крутящего момента, обеспечиваемое гидротрансформатором, в значительной степени зависит от размера и геометрии лопастей турбины и статора и достигается только при заблокированном роторе или вблизи этой фазы. Типичные коэффициенты увеличения крутящего момента для большинства автомобильных применений варьируются от 1,8:1 до 2,5:1 (хотя многоэлементные конструкции, используемые в Buick Dynaflow и Chevrolet Turboglide, могли обеспечивать большее увеличение). Специализированные гидротрансформаторы, предназначенные для промышленных, железнодорожных или тяжелых морских систем передачи энергии, способны на увеличение до 5,0:1. В общем случае существует компромисс между максимальным увеличением крутящего момента и эффективностью: гидротрансформаторы с высоким коэффициентом блокировки, как правило, относительно неэффективны вблизи фазы сцепления, в то время как гидротрансформаторы с низким коэффициентом блокировки, как правило, обеспечивают меньшее возможное увеличение крутящего момента. Характеристики гидротрансформатора должны быть тщательно согласованы с кривой крутящего момента источника энергии и предполагаемым применением. Изменение геометрии лопастей статора и/или турбины изменит характеристики блокировки, а также общую эффективность устройства. Например, в автоматических трансмиссиях для драг-рейсинга часто используются гидротрансформаторы, модифицированные для достижения высоких скоростей блокировки, чтобы улучшить крутящий момент при старте и быстрее выйти в диапазон мощности двигателя. Автомобили, предназначенные для движения по шоссе, обычно используют гидротрансформаторы с более низким коэффициентом блокировки для ограничения тепловыделения и обеспечения более уверенного ощущения от характеристик автомобиля. Одной из конструктивных особенностей, ранее встречавшейся в некоторых автоматических трансмиссиях General Motors, был статор с переменным шагом, в котором угол атаки лопастей мог изменяться в зависимости от изменений оборотов двигателя и нагрузки. Эффект заключался в изменении величины увеличения крутящего момента, обеспечиваемого гидротрансформатором. При нормальном угле атаки статор заставлял гидротрансформатор производить умеренное увеличение, но с более высоким уровнем эффективности. Если водитель резко открывал дроссельную заслонку, клапан переключал шаг статора на другой угол атаки, увеличивая увеличение крутящего момента за счет эффективности. Некоторые гидротрансформаторы используют несколько статоров и/или несколько турбин для обеспечения более широкого диапазона увеличения крутящего момента. Такие многоэлементные гидротрансформаторы чаще встречаются в промышленных условиях, чем в автомобильных трансмиссиях, но автомобильные применения, такие как Buick Triple Turbine Dynaflow и Chevrolet Turboglide, также существовали. В Buick Dynaflow характеристики увеличения крутящего момента планетарного редуктора использовались совместно с гидротрансформатором на первой передаче, а при увеличении скорости автомобиля первая турбина обходилась, использовалась только вторая турбина. Неизбежным компромиссом этой конструкции была низкая эффективность, и в конечном итоге эти трансмиссии были заменены более эффективными трехступенчатыми агрегатами с традиционным трехэлементным гидротрансформатором. Также установлено, что эффективность гидротрансформатора максимальна на очень низких скоростях.

A torque converter cannot achieve 100 percent coupling efficiency. The classic three element torque converter has an efficiency curve that resembles ∩: zero efficiency at stall, generally increasing efficiency during the acceleration phase and low efficiency in the coupling phase. The loss of efficiency as the converter enters the coupling phase is a result of the turbulence and fluid flow interference generated by the stator, and as previously mentioned, is commonly overcome by mounting the stator on a one way clutch. Even with the benefit of the one way stator clutch, a converter cannot achieve the same level of efficiency in the coupling phase as an equivalently sized fluid coupling. Some loss is due to the presence of the stator (even though rotating as part of the assembly), as it always generates some power absorbing turbulence. Most of the loss, however, is caused by the curved and angled turbine blades, which do not absorb kinetic energy from the fluid mass as well as radially straight blades. Since the turbine blade geometry is a crucial factor in the converter's ability to multiply torque, trade offs between torque multiplication and coupling efficiency are inevitable. In automotive applications, where steady improvements in fuel economy have been mandated by market forces and government edict, the nearly universal use of a lock up clutch has helped to eliminate the converter from the efficiency equation during cruising operation. The maximum amount of torque multiplication produced by a converter is highly dependent on the size and geometry of the turbine and stator blades, and is generated only when the converter is at or near the stall phase of operation. Typical stall torque multiplication ratios range from 1.8:1 to 2.5:1 for most automotive applications (although multi element designs as used in the Buick Dynaflow and Chevrolet Turboglide could produce more). Specialized converters designed for industrial, rail, or heavy marine power transmission systems are capable of as much as 5.0:1 multiplication. Generally speaking, there is a trade off between maximum torque multiplication and efficiency—high stall ratio converters tend to be relatively inefficient around the coupling speed, whereas low stall ratio converters tend to provide less possible torque multiplication. The characteristics of the torque converter must be carefully matched to the torque curve of the power source and the intended application. Changing the blade geometry of the stator and/or turbine will change the torque stall characteristics, as well as the overall efficiency of the unit. For example, drag racing automatic transmissions often use converters modified to produce high stall speeds to improve off the line torque, and to get into the power band of the engine more quickly. Highway vehicles generally use lower stall torque converters to limit heat production, and provide a more firm feeling to the vehicle's characteristics. A design feature once found in some General Motors automatic transmissions was the variable pitch stator, in which the blades' angle of attack could be varied in response to changes in engine speed and load. The effect of this was to vary the amount of torque multiplication produced by the converter. At the normal angle of attack, the stator caused the converter to produce a moderate amount of multiplication but with a higher level of efficiency. If the driver abruptly opened the throttle, a valve would switch the stator pitch to a different angle of attack, increasing torque multiplication at the expense of efficiency. Some torque converters use multiple stators and/or multiple turbines to provide a wider range of torque multiplication. Such multiple element converters are more common in industrial environments than in automotive transmissions, but automotive applications such as Buick's Triple Turbine Dynaflow and Chevrolet's Turboglide also existed. The Buick Dynaflow utilized the torque multiplying characteristics of its planetary gear set in conjunction with the torque converter for low gear and bypassed the first turbine, using only the second turbine as vehicle speed increased. The unavoidable trade off with this arrangement was low efficiency and eventually these transmissions were discontinued in favor of the more efficient three speed units with a conventional three element torque converter. It is also found that efficiency of torque converter is maximum at very low speeds.

Конверторы крутящего момента с блокировкой

Как описано выше, импульсные потери внутри гидротрансформатора снижают эффективность и генерируют избыточное тепло. В современных автомобильных применениях эта проблема обычно решается использованием блокирующей муфты, которая физически соединяет рабочее колесо и турбину, фактически превращая гидротрансформатор в чисто механическое соединение. Это устраняет проскальзывание и практически исключает потери мощности. Первым автомобильным применением принципа блокировки стала трансмиссия Ultramatic компании Packard, представленная в 1949 году, которая блокировала гидротрансформатор на крейсерской скорости, разблокируясь при полном нажатии на педаль газа для быстрого ускорения или при замедлении автомобиля. Эта функция также присутствовала в некоторых трансмиссиях Borg Warner, выпускавшихся в 1950-х годах. В последующие годы она вышла из употребления из-за своей дополнительной сложности и стоимости. В конце 1970-х годов блокирующие муфты вновь стали появляться в ответ на требования к повышению топливной экономичности и в настоящее время почти повсеместно используются в автомобильных применениях.