reforef.ru 1
Мавлеев И. Р., Гончаров М. И.


Камский государственный политехнический институт

г. Набережные Челны
Анализ развития гидромеханических передач
В настоящее время непрерывно возрастает ежегодный объем выпуска колесных машин, что в свою очередь ведет к росту интенсивности дорожного движения. Большая часть транспортных средств в нашей стране снабжаются механическими коробками перемены передач, что значительно усложняет управление машиной и увеличивает вероятность дорожно-транспортных происшествий. Данный факт и повышение требований к таким эксплуатационным свойствам как комфортабельность автомобиля требуют поиска путей автоматизации процесса управления машиной.

В силовых передачах автомобилей различных типов все более широкое применение получают гидропередачи, а развитие бесступенчатых автоматических передач, начиная с 50-х годов, привело к массовому использованию в конструкциях колесных машин гидравлических приводов. Особенно широкое распространение гидропередачи получили в США. В период 1961-1966 гг. применение гидропередач на легковых автомобилях США увеличилось как по количеству (в 1966 г. 7 197 113 шт. легковых автомобилей изготовлено с гидропередачей, что составляет 83,63% от всего количества легковых автомобилей), так и в процентном отношении. В 1969 г. на 90,3% легковых автомобилей, выпускавшихся в США, устанавливались автоматические гидропередачи [4]. Значительная часть городских автобусов также снабжается гидропередачами. Широкое распространение гидропередачи получили на тяжелых автомобилях-самосвалах, а также на автомобилях высокой проходимости, где применяются главным образом гидропередачи, разработанные фирмами Аллисон, Кларк, Твин Диск. Значительное применение гидропередачи в США получили также на различных типах строительных и дорожных машин.

В Европе гидропередачи на легковых автомобилях начали применяться несколько позже и получили меньшее распространение, чем в США. При этом на наиболее дорогих машинах использовались гидромеханические трансмиссии, производимые по лицензиям США. Необходимо отметить, что европейские фирмы также имели собственные разработки в области автоматических коробок передач.


В Англии в 1970 г. из 170 моделей на 14 моделях легковых автомобилей устанавливались гидромеханические передачи как основное оборудование и на 59 моделях по желанию покупателя. Гидропередачи выпускали две фирмы: Борг-Уорнер и Отомотив-Продакс.

Renault издавна была одной из немногих европейских фирм, проводивших собственные трансмиссионные разработки. В 50-х годах это были коробка Fregate Transfluide и автоматическое сцепление Ferlec на автомобилях 4CV и Dauphine, позже – одна из самых первых автоматических коробок передач с электронным управлением на Renault 16 ТА 1969 года или процессорное управление на коробках машин Renault 8 и 20 1982 года. Сейчас три из пяти типов автоматических трансмиссий на легковых автомобилях Renault – это трех- и четырехступенчатые “автоматы” собственной разработки, устанавливаемые на Twingo, Clio и Megane. А две трансмиссии закупаются на стороне – для моделей Safrane “автоматы” поставляются фирмой Aisin Warner, а Laguna комплектуется агрегатами производства ZF [5].

Значительные работы по созданию гидропередач выполнялись и в нашей стране. Гидропередачи применялись на легковых автомобилях высшего класса ЗИЛ-110 и “Чайка”. Создана гидропередача ЛАЗ-НАМИ, которая выпускалась серийно и применялась на городских автобусах ЛАЗ-695Ж и ЛИАЗ-677. Кроме того разработана гидропередача для автомобилей особо большой грузоподъемности типа БелАЗ.

По принципу действия гидравлические силовые приводы делятся на гидродинамические и гидростатические (гидрообъемные). Характеристики этих приводов существенно отличаются между собой: в первых устанавливается силовая связь между выходным и входным звеньями, во вторых – кинематическая.

Наибольшее распространение получили гидродинамические передачи. Гидродинамической передачей называется передача, состоящая из лопастных колес с общей рабочей полостью, в которой крутящий момент передается за счет изменения момента количества движения рабочей жидкости. По конструктивному исполнению гидродинамические передачи делятся на гидродинамические муфты и гидродинамические трансформаторы крутящего момента. Гидродинамическая муфта – это устройство, предназначенное для передачи крутящего момента от входного звена к выходному без преобразования. Гидродинамический трансформатор – это устройство, преобразующее крутящий момент автоматически, в зависимости от нагрузки на выходном звене [3].


Гидротрансформатор с центростремительной турбиной (преобразователь типа Trilok) является стандартом для применения в автомобиле. Геометрическая схема размещения лопастей этого агрегата выбирается с целью обеспечить коэффициент трансформации 1,9-2,5 на стоповом режиме (передаточное отношение оборотов выходного вала к оборотам входного вала i = 0). Кривая гидравлического к.п.д. в диапазоне преобразования является близкой к параболической. За режимом гидромуфты, который характеризуется скольжением 10…15%, к.п.д. соответствует передаточному отношению i и достигает 97% при высоких угловых скоростях двигателя [1].

Сравнительно невысокие коэффициенты трансформации гидротрансформатора, примерно 2-2,5, приводят к тому, что за гидротрансформатором ставят механические редукторы, например, коробку передач. Поэтому, такие автоматические силовые приводы называются гидромеханическими передачами (ГМП).

Впервые гидродинамическая передача – гидротрансформатор по патенту Г. Феттингера (Германия) была изготовлена в 1907 году. Гидротрансформатор способен работать в двух диапазонах, на первой стадии обеспечивая увеличение крутящего момента и на второй функционируя в качестве простой гидромуфты без какого-либо увеличения момента. Первая в мире автоматическая ГМП для автомобиля была спроектирована в 1925 году Германом Риезелером и установлена в 1927 году на автомобиль фирмы “Мерседес” [2].

Широкому применению ГМП способствует ряд существенных преимуществ в сравнении с другими типами приводов. Применение автоматических ГМП позволяет полностью освободить водителя от манипуляции сцеплением и рычагом переключения передач, что облегчает управление машиной, снижает утомляемость водителя, делает езду более легкой и комфортабельной, повышает пассивную безопасность. Оптимальные режимы переключения и отсутствие разрывов потока мощности при переключении передач способствуют быстрому разгону автомобиля. Гидротрансформатор облегчает трогание с места и медленную езду, а также за счет демпфирующих свойств защищает другие элементы привода и двигатель от крутильных колебаний, увеличивая их срок службы. Машина, снабженная ГМП, вследствие плавного нарастания силы тяги на движителе трогается с места без пробуксовки даже на мокрых глинистых грунтах независимо от квалификации водителя.


К основным недостаткам ГМП по сравнению с механической передачей следует отнести: меньший КПД, особенно при работе на режиме трансформации; большая сложность; увеличение стоимости и веса машины; несколько худшие показатели топливной экономичности и скоростных свойств.

В зависимости от области применения ГМП её конструкция может быть различной. Например, на легковых автомобилях преимущественное применение получили трехколесные неблокируемые трансформаторы комплексного типа, работающие в сочетании с трехступенчатой коробкой передач. Введение блокировки гидротрансформатора способствует повышению топливной экономичности, однако усложняется конструкция. Кроме того, при этом отсутствует гашение крутильных колебаний от двигателя к трансмиссии и наоборот.

Автоматические гидромеханические приводы на настоящее время достигли высокого совершенства конструкций и продолжают развиваться. С одной стороны идет разнообразное усовершенствование существующих коробок за счет реализации в них оптимальных законов (моментов) переключения передач, передаточных отношений и других параметров и характеристик, применения блокировки гидротрансформатора, использования маховиков и других мероприятий.

С другой стороны создаются новые автоматические коробки передач на основе автоматических инерционных трансформаторов вращающего момента, механических вариаторов скорости.

Второе направление совершенствования автоматических трансмиссий имеет больше перспектив, т. к. это не просто доработка существующих конструкций, а использование новых разработок. Большее распространение на практике получили механические приводы машин, использующие в качестве трансформатора вращающего момента различные типы вариаторов.

Однако почти все вариаторы (кроме зубчатого) имеют следующие недостатки:

передача крутящего момента ограниченным участком поверхности (линией, а иногда и точкой), что вызывает повышенные контактные напряжения;

необходимость создания больших прижимных усилий для предотвращения проскальзывания поверхностей относительно друг друга;


необходимость отбора мощности для привода масленого насоса.

Все эти недостатки затрудняют использование вариаторов на автомобилях с большой мощностью двигателя. Выходом из этой ситуации может служить совместное использование вариаторов (особенно зубчатых) с гидростатическими передачами.

Основные достоинства гидростатического силового привода: бесшумность работы, отсутствие коробки передач и других элементов, характерных для механической трансмиссии, возможность реверсивного движения, возможность торможения непосредственно гидростатической передачей и др. Однако эти преимущества полностью перечеркиваются следующими недостатками: большой удельный вес и недостаточная надежность гидравлических агрегатов, работающих при высоких давлениях жидкости, низкие значения КПД, приводящие к высоким расходам топлива, высокая стоимость, большое влияние на работу привода температуры окружающей среды и др. Тем не менее в автомобилестроении в 50-60-е создавались опытные образцы колесных машин, использующих гидростатические приводы в качестве силовых передач движителя. Примеры таких разработок: западногерманская фирма “Clatte” применила гидростатическую передачу на автобусе, французская фирма “Titan” с таким приводом разработала автопоезд для работы в песках Сахары, гидростатическая трансмиссия для легкового автомобиля “Triumph Herald” разработана в Англии, в 1964 г. финская фирма “SISU” приступила к выпуску автопоездов с гидростатическим приводом прицепного состава и др. В нашей стране в 1960 г. было налажено опытное производство малогабаритного тягача, проведено ряд теоретических и экспериментальных исследований.

Очевидно что работы связанные с устранением недостатков присущих гидростатическим приводам должны быть связаны с созданием принципиально новых схем.

Литература


  1. Автомобильный справочник BOSCH. Пер. с англ. – М.: ЗАО КЖИ “За рулем”, 2002. – 896 с.
  2. Гавриленко Б.А., Семичастнов И.Ф. Гидродинамические муфты и трансформаторы. – М.: Машиностроение, 1969. – 392 с.

  3. Кабанов В.И. Гидропневматика и гидропривод мобильных машин. Лопастные машины и гидродинамические передачи. – Мн.: Высшая школа, 1989. – 183 с.

  4. Мазалов Н.Д., Трусов С.М. Гидромеханические коробки передач. – М.: Машиностроение, 1971. – 296 с.

  5. Сорокин К.,. Голованов Л. Последний аргумент “автомата” // Авторевю. – 1997. – №24. – С. 24-25.