Принцип действия гидростатических трансмиссий (ГСТ) прост: насос, подключенный к первичному двигателю, создает поток для привода гидравлического мотора, который соединен с нагрузкой. Если объемы насоса и мотора постоянны, ГСТ просто выступает в качестве редуктора для передачи мощности от первичного двигателя к нагрузке. Однако в большинстве гидростатических трансмиссий используются регулируемые насосы или гидромоторы с переменным объемом или оба типа сразу, так что скорость, крутящий момент, или мощность можно регулировать.
В зависимости от конфигурации, гидростатическая трансмиссия может управлять нагрузкой в двух направлениях (прямой и реверс) с бесступенчатым изменением скорости между двумя максимумами при постоянных оптимальных оборотах первичного мотора.
ГСТ предлагают много важных преимуществ по сравнению с другими формами передачи энергии.
В зависимости от конфигурации гидростатическая трансмиссия имеет следующие преимущества:
- передача большой мощности при малых размерах
- малая инерционность
- эффективно работает в широком диапазоне соотношений крутящего момента к скорости
- поддерживает управление скоростью (даже при обратном ходе) независимо от нагрузки, в расчетных пределах
- точно поддерживает заданную скорость при попутных и тормозящих нагрузках
- может передавать энергию от одного первичного двигателя в разные места, даже если их положение и ориентация изменяется
- может удерживать полную нагрузку без повреждения и с малыми потерями мощности.
- Нулевая скорость без дополнительной блокировки
- обеспечивает более быстрый отклик, чем механическая или электромеханическая трансмиссия.
Рис.2
Какими бы ни были задачи, гидростатические трансмиссии должны быть разработаны для оптимального соответствия между двигателем и нагрузкой. Это позволяет двигателю работать на наиболее эффективной скорости и ГСТ соответствовать условиям эксплуатации. Чем лучше соответствие между входными и выходными характеристиками, тем эффективнее вся система.В конечном счете, гидростатическая система должна быть рассчитана на баланс между эффективностью и производительностью. Машина, предназначенная для достижения максимальной эффективности (высокий КПД), как правило, имеет вялую реакцию, которая снижает производительность. С другой стороны, машина с быстрой реакцией обычно имеет КПД ниже, так как запас мощности доступен в любое время, даже тогда, когда нет непосредственной необходимости для выполнения работы.
Четыре функциональных типа гидростатических трансмиссий.
Функциональные типы ГСТ различаются сочетаниями регулируемого или нерегулируемого насоса и мотора, что и определяет их эксплуатационные характеристики.
В самой простой форме гидростатической трансмиссии используются насос и мотор с фиксированными объемами (рис. 3а). Хотя эта ГСТ является недорогой, ее не применяют из-за низкого КПД. Поскольку объем насоса фиксированный, то он должен быть рассчитан для привода мотора с максимальной установленной скоростью при полной нагрузке. Когда максимальная скорость не требуется, часть рабочей жидкости из насоса проходит через предохранительный клапан, превращая энергию в тепло.
Рис.3
Использование в гидростатической трансмиссии насоса с регулируемой подачей и гидромотора с постоянным объемом можно обеспечить передачу постоянного крутящего момента (рис. 3b). Выходной крутящий момент постоянен при любой скорости, так как зависит только от давления жидкости и объема гидромотора. Увеличение или уменьшение подачи насоса увеличивает или уменьшает скорость вращения гидромотора, а следовательно и мощность привода, в то время как крутящий момент остается постоянным.
ГСТ с насосом постоянного объема и регулируемым гидромотором обеспечивает передачу постоянной мощности (рис. 3в). Так как величина потока, поступающего в гидромотор, постоянна, а объем гидромотора изменяется, для поддержания скорости и крутящего момента, то передаваемая мощность постоянна. Уменьшение объема гидромотора увеличивает скорость вращения, но уменьшает крутящий момент и наоборот.
Наиболее универсальной гидростатической трансмиссией является комбинация регулируемого насоса и гидромотора с переменным объемом (рис. 3d). Теоретически, эта схема обеспечивает бесконечные соотношения крутящего момента и скорости к мощности. С гидромотором при максимальном объеме, изменяя мощность насоса, напрямую регулируем скорость и мощность, в то время как крутящий момент остается постоянным. Уменьшение объема гидромотора при полной подаче насоса увеличивает скорость мотора до максимума; крутящий момент изменяется обратно пропорционально скорости, мощность остается постоянной.
Кривые на рис. 3d иллюстрируют два диапазона регулировки. В диапазоне 1, объем гидравлического мотора установлен на максимум; объем насоса увеличивается от нуля до максимума. Крутящий момент остается постоянным при увеличении объема насоса, но мощность и скорость увеличиваются.
Диапазон 2 начинается, когда насос достигает максимального объема, который поддерживается постоянным, в то время как объем гидромотора уменьшается. В этом диапазоне, крутящий момент уменьшается по мере увеличения скорости, но мощность остается постоянной. (Теоретически, скорость гидромотора может быть увеличена до бесконечности, но с практической точки зрения, она ограничена динамикой.)
Пример применения
Предположим, что крутящий момент гидромотора 50 Н*м должен быть достигнут при 900 оборотах в минуту с ГСТ фиксированного объема.
Требуемая мощность определяется из:
P = T × N / 9550Где:
P – мощность в кВт
Т – крутящий момент Н*м,
N – скорость вращения в оборотах в минуту.Таким образом, Р=50*900/9550=4,7 кВт
Если мы возьмем насос с номинальным давлением
100 бар, то подачу можем вычислить:
Где:
Q – подача в л/мин
p – давление в барСледовательно:
Q= 600*4,7/100=28 л/мин.
Затем выбираем гидромотр объемом 31 см3, который при такой подаче обеспечит частоту вращения примерно 900 об/мин.
Проверяем по формуле крутящего момента гидромотора index.pl?act=PRODUCT&id=495
На рис.3 показаны характеристики мощности / крутящего момента / скорости для насоса и мотора, при условии, что насос работает с постоянной подачей.Подача насоса максимальна при номинальной скорости, и насос подает все масло в гидромотор при постоянной скорости последнего. Но инерция нагрузки делает невозможным мгновенное ускорение мгновенно до максимальной скорости, так что часть потока насоса сливается через предохранительный клапан. (Рис. 3а иллюстрирует потери мощности при разгоне.) По мере того как гидромотор увеличивает скорость вращения, в него поступает все больше потока от насоса, и меньше масла уходит через предохранительный клапан. При номинальной скорости, все масло проходит через мотор.
Крутящий момент постоянен, т.к. определяется настройкой предохранительного клапана, которая не меняется. Потеря мощности на предохранительном клапане это разница в мощности развиваемой насосом и мощности приходящей на гидромотор.
Площадь под этой кривой представляет потерянную мощность, когда движение начинается или заканчивается. Также видна низкая эффективность для любой рабочей скорости ниже максимума. Гидростатические трансмиссии с фиксированными объемами не рекомендуются в приводах требующих частых запусков и остановок, или когда часто нет необходимости в полном крутящем моменте.
Соотношение момент/скорость
Теоретически, максимальная мощность, передаваемая гидростатической трансмиссией, определяется расходом и давлением.
Тем не менее, в трансмиссиях с постоянной передаваемой мощностью (нерегулируемый насос и гидромотор с переменным объемом) теоретическая мощность делится на коэффициент момент/скорость, что и определяет выходную мощность. Наибольшая передаваемая мощность определяется при минимальной выходной скорости, при которой эта мощность должна быть передана.
Рис.4
Например, если минимальная скорость, представленная точкой А на кривой мощности рис. 4, составляет половину максимальной мощности (а момент силы при этом максимальный), то отношение момент – скорость составляет 2:1. Максимальная мощность, которая может быть передана, равна половине теоретического максимума.
При скорости менее половины максимума, крутящий момент остается постоянным (на своем максимальном значении), но мощность уменьшается пропорционально скорости. Скорость в точке А является критической скоростью и определяется динамикой компонентов гидростатической трансмиссии. Ниже критической скорости, мощность уменьшается линейно (с постоянным крутящим моментом) до нуля при нулевых оборотах в минуту. Выше критической скорости, крутящий момент уменьшается по мере увеличения скорости, что обеспечивает постоянную мощность.
Проектирование закрытой гидростатической трансмиссии.
В описаниях закрытых гидростатических трансмиссий на рис. 3 мы сконцентрировались только на параметрах. На практике в ГСТ должны быть предусмотрены дополнительные функции.Дополнительные компоненты со стороны насоса.
Рассмотрим, например, ГСТ с постоянным крутящим моментом, который наиболее часто используется в системах сервопривода рулевого управления с регулируемым насосом и нерегулируемым гидромотором (рис. 5а). Поскольку контур закрытый, утечки из насоса и мотора собираются в одну дренажную линию (рис. 5б). Объединенный дренажный поток поступает через маслоохладитель в бак. Маслоохладитель в гидростатическом приводе рекомендуется обязательно устанавливать при мощности более 40 л.с.
Одним из наиболее важных компонентов в гидростатической трансмиссии закрытого типа является насос подкачки. Этот насос обычно встроен в основной, но может быть установлен отдельно и обслуживать группу насосов.
Независимо от расположения, насос подкачки выполняет две функции. Во-первых, он предотвращает кавитацию основного насоса, компенсируя утечки жидкости насоса и гидромотора. Во-вторых, обеспечивает давление масла требуемое механизмам управления смещения диска.
На рис. 5с показан предохранительный клапан А, который ограничивает давление насоса подкачки, которое обычно составляет 15-20 бар. Обратные клапаны В и С установленные навстречу друг к другу обеспечивают соединение всасывающей линии насоса подпитки с линией низкого давления.
Рис. 5
Дополнительные компоненты со стороны гидромотора.
Типичная ГСТ закрытого типа должен иметь так же в своем составе два предохранительных клапана (D и Е на рис. 5d). Они могут быть встроены как в мотор, так и в насос. Эти клапаны выполняют функцию защиты системы от перегрузки, возникающей при резких изменениях нагрузки. Эти клапаны так же ограничивают максимальное давление, перепуская поток из линии высокого давления в линию низкого, т.е. выполняют ту же функцию, что и предохранительный клапан в открытых системах.
В дополнение к предохранительным клапанам в системе установлен клапан «или» F, который давлением всегда переключен так, что соединяет линию низкого давления с предохранительным клапаном G низкого давления. Клапан G направляет избыточный поток насоса подкачки в корпус гидромотора, и затем этот поток через дренажную линию и теплообменник возвращается в бак. Это способствует более интенсивному обмену масла между рабочим контуром и баком, эффективнее охлаждая рабочую жидкость.
Контроль кавитации в гидростатической трансмиссии
Жесткость в ГСТ зависит от сжимаемости жидкости и соответствия системы компонентов, а именно труб и шлангов. Влияние этих компонентов можно сравнить с эффектом подпружиненного аккумулятора, если бы он был подключен к линии нагнетания через тройник. При небольшой нагрузке, пружина аккумулятора сжимается немного; при больших нагрузках, аккумулятор подвергается существенно большему сжатию и в нем больше жидкости. Этот дополнительный объем жидкости должен подаваться с помощью насоса подпитки.
Критическим фактором является скорость нарастания давления в системе. Если давление поднимается слишком быстро, темп роста объема на стороне высокого давления (сжимаемости потока) может превысить производительность насоса подпитки, а основном насосе возникает кавитация. Возможно, схемы с регулируемыми насосами и автоматическим управлением наиболее чувствительны к кавитации. Когда в такой системе происходит кавитация, давление падает или пропадает вовсе. Автоматические средства управления могут попытаться отреагировать, что приводит к нестабильной системы.
Математически, скорость нарастания давления может быть выражено следующим образом:dp /dt =B e Q cp /V
B e – эффективный объемный модуль системы, кг/см2
V – объем жидкости на стороне высокого давления см3
Qcp – производительность насоса подкачки в см3/сек
Предположим, что ГСТ на рис. 5 соединен стальной трубой 0,6 м, диаметром 32 мм. Пренебрегая объемами насоса и двигателя, V составляет около 480 см3. Для масла в стальных труба, эффективный объемный модуль упругости составляет около 14060 кг/см2. Предполагая, что насос подпитки подает 2 см3/сек., то скорость нарастания давления:
dp /dt = 14060 × 2/480
= 58 кг/см2 / сек.
Теперь рассмотрим влияние системы с длиной 6 м шланга с трехпроводной оплеткой диаметром 32 мм. Завод-изготовитель шланга дает данные B e около 5 906 кг/см2.Следовательно:
dp /dt = 5906 × 2 / 4800 = 2,4 кг/см2 / сек.
Из этого следует, что увеличение производительности насоса подкачки ведет к уменьшению вероятности возникновения кавитации. Как альтернатива, если резкие нагрузки не частые, можно добавить в линию подкачки гидроаккумулятор. В самом деле, некоторые производители ГСТ делают порт для подключения аккумулятора к цепи подкачки.
Если жесткость ГСТ низка, и он оснащен автоматическим управлением, то запуск трансмиссии всегда нужно осуществлять с нулевой подачей насоса. Кроме того, скорость механизма наклона диска должна быть ограничена, чтобы предотвратить резкие старты, которые, в свою очередь, могут вызывать скачки давления. Некоторые производители ГСТ предусматривают демпфирующие отверстия с целью сглаживания.
Таким образом, система жесткости и контроля скорости повышения давления могут быть более важны для определения производительности насоса подкачки, чем просто внутренние утечки насоса и гидромоторов.
______________________________________
Гидростатическая трансмиссия - это гидравлический привод с закрытым (замкнутым) контуром, в состав которого входят один или несколько гидронасосов и гидромоторов. Предназначена для передачи механической энергии вращения от вала двигателя к исполнительному органу машины, посредством бесступенчатого регулируемого по величине и направлению потока рабочей жидкости.
Главным достоинством гидростатической трансмиссии является возможность плавного изменения передаточного отношения в широком диапазоне частот вращения, что позволяет гораздо лучше использовать крутящий момент двигателя машины по сравнению со ступенчатым приводом. Поскольку выходную частоту вращения можно довести до нуля, возможен плавный разгон машины с места без применения сцепления. Малые скорости движения особенно нужны для различных строительных и сельскохозяйственных машин. Даже значительное изменение нагрузки не влияет на выходную частоту вращения, поскольку проскальзывание у данного типа трансмиссии отсутствует.
Большим достоинством гидростатической трансмиссии является простота реверсирования, которое обеспечивается простым изменением наклона плиты или гидравлически, изменением потока рабочей жидкости. Это позволяет обеспечить исключительную маневренность транспортного средства.
Следующее серьезное достоинство - упрощение механической разводки по машине. Это позволяет получить выигрыш в надежности, ведь зачастую при большой нагрузке на машину карданные валы не выдерживают и приходится ремонтировать машину. В северных условиях это происходит еще чаще при низких температурах. За счет упрощения механической разводки удается так же освободить место для вспомогательного оборудования. Применение гидростатической трансмиссии может позволить полностью убрать валы и мосты, заменив их насосной установкой и гидромоторами с редукторами, встраиваемыми прямо в колеса. Либо, в более простом варианте, гидромоторы могут быть встроены в мост. Обычно удается снизить центр тяжести машины и более рационально разместить систему охлаждения двигателя.
Гидростатическая трансмиссия позволяет плавно и сверхточно регулировать передвижение машины или плавно регулировать частоту вращения рабочих органов. Использование электропропорционального управления и специальных электронных систем позволяет достичь наиболее оптимального распределения мощности между приводом и исполнительными механизмами, ограничить нагрузку двигателя, снизить расход топлива. Мощность двигателя используется максимально даже на самых малых скоростях передвижения машины.
Недостатком гидростатической трансмиссии можно считать более низкий КПД по сравнению с механической передачей. Однако по сравнению с механическими трансмиссиями, включающими коробки передач, гидростатическая трансмиссия оказывается экономичнее и быстрее. Происходит это по причине того, что в момент ручного переключения передач приходится отпускать и нажимать педаль газа. Именно в этот момент двигатель тратит много мощности, а скорость машины меняется рывками. Все это негативно сказывается как на скорости, так и на расходе топлива. В гидростатической трансмиссии этот процесс происходит плавно и двигатель работает в более экономичном режиме, что повышает долговечность всей системы.
Наиболее частое применение гидростатической трансмиссии - привод хода машин на гусеничном ходу, где гидропривод предназначен для передачи механической энергии от приводного двигателя к ведущей звезде гусеницы, посредством регулирования подачи насоса и выходной тяговой мощности за счет регулирования гидромотора.
В гидрообъемных бесступенчатых передачах крутящий момент и мощность с ведущего звена (насоса) на ведомое звено (гидромотор) передается жидкостью по трубопроводам. Мощность N, кВт, потока жидкости определяется произведением напора H, м, на расход Q, м3/с:
N = HQpg / 1000,
где р - плотность жидкости.
Гидрообъемные передачи не обладают внутренним автоматизмом, для изменения передаточного числа требуется САУ. Однако для гидрообъемной передачи не нужен механизм реверса. Задний ход обеспечивается изменением соединения насоса с линиями нагнетания и возврата жидкости, что заставляет вал гидромотора вращаться в обратном направлении. При регулируемом насосе не нужна муфта начала движения.
Гидрообъемные передачи (как и электропередачи) по сравнению с фрикционными и гидродинамическими имеют гораздо более широкие компоновочные возможности. Они могут быть частью комбинированной гидромеханической коробки передач при последовательном или параллельном соединении с механическим редуктором. Кроме того, они могут быть частью комбинированной гидромеханической трансмиссии, когда гидромотор установлен перед главной передачей - рис. а (сохранен ведущий мост с главной передачей, дифференциалом, полуосями) либо в двух или во всех колесах установлены гидромоторы - рис. а (они дополнены редукторами, выполняющими функции главной передачи). В любом случае гидросистема является замкнутой, причем в нее включен насос подпитки для поддержания избыточного давления в линии возврата. Из-за потерь энергии в трубопроводах обычно считают целесообразным применение гидрообъемной трансмиссии при максимальном расстоянии между насосом и гидромотором 15… 20 м.
Рис. Схемы трансмиссий автомобилей с гидрообъемными или с электрическими передачами:
а - при использовании мотор-колес; б - при использовании ведущего моста; Н - насос; ГМ - гидромотор; Г - генератор; ЭМ - электромотор
В настоящее время гидрообъемные передачи применяются на малых автомобилях-амфибиях, например «Джиггер» и «Мул», на автомобилях с активными полуприцепами, на небольших сериях большегрузных (полной массой до 50 т) самосвалов и на опытных городских автобусах.
Широкое применение гидрообъемных передач сдерживается в основном их высокой стоимостью и недостаточно высоким КПД (около 80…85%).
Рис. Схемы гидромашин объемного гидропривода:
а - радиально-поршневой; б - аксиально-поршневой; е - эксцентриситет; у - угол наклона блока
Из всего многообразия объемных гидромашин: винтовых, шестеренных, лопастных (шиберных), поршневых - для автомобильных гидрообъемных передач в основном находят применение радиально-поршневые (рис. а) и аксиально-поршневые (рис. б) гидромашины. Они позволяют использовать высокое рабочее давление (40… 50 МПа) и могут быть регулируемыми. Изменение подачи (расхода) жидкости обеспечивается у радиально-поршневых гидромашин изменением эксцентриситета е, у аксиально-поршневых - угла у.
Потери в объемных гидромашинах делят на объемные (утечки) и механические, к последним относят и гидравлические потери. Потери в трубопроводе делят на потери трения (они пропорциональны длине трубопровода и квадрату скорости жидкости при турбулентном течении) и местные (расширение, сужение, поворот потока).
Гидростатические трансмиссии, выполненные по
закрытой гидросхеме, нашли широкое применение в приводах хода
спецтехники. В основном это машины, у которых движение является одной из
основных функций, например, фронтальные погрузчики, бульдозеры,
экскаваторы-погрузчики, с/х комбайны,
лесозаготовительные форвардеры и харвесторы.
В гидросистемах таких машин регулирование потока рабочей жидкости осуществляется в широком диапазоне как насосом, так и гидромотором. Закрытые гидросхемы часто используются для привода рабочих органов вращательного движения: бетоносмесители, буровые установки, лебедки и т.п.
Рассмотрим типовую структурную гидросхему машины и выделим в ней контур гидростатической трансмиссии хода. Существует много исполнений закрытых гидростатических трансмиссий, в которых гидросистема включает насос с переменным рабочим объемом, обычно с наклонной шайбой, и регулируемый гидромотор.
Гидромоторы в основном используются радиально-поршневые или аксиально-поршневые с наклонным блоком цилиндров. В малогабаритной технике часто применяются аксиально-поршневые гидромоторы с наклонной шайбой с постоянным рабочим объемом и героторные гидромашины.
Управление рабочим объемом насоса осуществляется пропорциональной
гидравлической или электрогидравлической пилотной системой или прямым
сервоуправлением. Для автоматического изменения параметров
гидродвигателя в зависимости от действия внешней нагрузки в управлении
насосом
используются регуляторы.
Например, регулятор мощности в гидростатических трансмиссиях хода позволяет без вмешательства оператора снизить скорость машины при возрастающем сопротивлении движению и даже полностью остановить ее, не позволяя двигателю заглохнуть.
Регулятор давления обеспечивает постоянный крутящий момент рабочего органа при всех режимах работы (например, силу резания вращающейся фрезы, шнека, шарошки буровой установки и т.п.). В любых каскадах управления насосом и гидромотором пилотное давление не превышает 2,0-3,0 МПа (20-30 бар).
Рис. 1. Типовая схема гидростатической трансмиссии спецтехники
На рис. 1 показана распространенная схема гидростатической трансмиссии хода машины. В пилотную гидросистему (систему управления насосом) включен пропорциональный клапан, управляемый педалью хода. Фактически это механически управляемый редукционный клапан.
Он питается от вспомогательного насоса системы восполнения утечек (подпитки). В зависимости от степени нажатия на педаль пропорциональный клапан регулирует величину пилотного потока, поступающего в цилиндр (в реальной конструкции – плунжер) управления наклоном шайбы.
Давление управления преодолевает сопротивление пружины цилиндра и поворачивает шайбу, изменяя величину рабочего объема насоса. Таким образом, оператор изменяет скорость машины. Реверс силового потока в гидросистеме, т.е. изменение направления движения машины осуществляется соленоидом «А».
Соленоид «В» управляет регулятором гидромотора, который устанавливает максимальный или минимальный его рабочий объем. В транспортном режиме движения машины устанавливается минимальный рабочий объем гидромотора, благодаря которому он развивает максимальную частоту вращения вала.
В период выполнения машиной силовых технологических операций устанавливается максимальный рабочий объем гидромотора. В этом случае он развивает максимальный крутящий момент при минимальной частоте вращения вала.
При достижении уровня максимального давления в силовом контуре 28,5 МПа управляющий каскад автоматически уменьшит угол наклона шайбы до 0° и защитит насос и всю гидросистему от перегрузки. Ко многим мобильным машинам с гидростатической трансмиссией предъявляются жесткие требования.
Они должны обладать высокой скоростью (до 40 км/ч) в транспортном режиме и преодолевать большие силы сопротивления при выполнении силовыхтехнологических операций, т.е. развивать максимальную тяговую силу. Примером могут служить колесные фронтальные погрузчики, сельскохозяйственные и лесозаготовительные машины.
В гидростатических трансмиссиях хода таких машин используются регулируемые гидромоторы с наклонным блоком цилиндров. Как правило, это регулирование релейное, т.е. обеспечивает две позиции: максимальный или минимальный рабочий объем гидромотора.
Вместе с тем существуют гидростатические трансмиссии, которые требуют пропорционального управления рабочим объемом гидромотора. При максимальном рабочем объеме крутящий момент генерируется при высоком давлении в гидросистеме.
Рис. 2. Схема действия сил в гидромоторе при максимальном рабочем объеме
На рис. 2 изображена схема действия сил в гидромоторе при максимальном рабочем объеме. Гидравлическая сила Fг раскладывается на осевую Fо и радиальную Fр. Радиальная сила Fр создает крутящий момент.
Поэтому, чем больше угол α (угол наклона блока цилиндров), тем выше сила Fр (крутящий момент). Плечо действия силы Fр, равное расстоянию от оси вращения вала до точки контакта поршня в обойме гидромотора, остается постоянным.
Рис. 3. Схема действия сил в гидромоторе при движении к минимальному рабочему объему
Когда угол наклона блока цилиндров уменьшается (угол α), т.е. рабочий объем гидромотора стремится к своему минимальному значению, сила Fр, а следовательно, крутящий момент на валу гидромотора также уменьшается. Схема действия сил в этом случае показана на рис. 3.
Характер изменения крутящего момента наглядно виден из сравнения векторных диаграмм для каждого угла наклона блока цилиндров гидромотора. Подобное управление рабочим объемом гидромотора широко используется в гидроприводах различных машин и оборудования.
Рис. 4. Схема типового управления гидромотором силовой лебедки
На рис. 4 показана схема типового управления гидромотором силовой лебедки. Здесь каналы А и В являются рабочими портами гидромотора.
В зависимости от направления движения силового потока рабочей жидкости в них обеспечивается прямое или реверсивное вращение. В показанной позиции у гидромотора максимальный рабочий объем. Рабочий объем гидромотора меняется при подачеуправляющего сигнала в его порт Х.
Пилотный поток рабочей жидкости, проходя через золотник управления, воздействует на плунжер перемещения блока цилиндров, который, поворачиваясь с высокой скоростью, быстро изменяет величину рабочего объема гидромотора.
Рис. 5. Характеристика управления гидромотором
На графике на рис. 5 показана характеристика управления гидромотором, она носит линейный характер обратной функции. Часто в сложных машинах для привода рабочих органов используются раздельные гидравлические контуры.
При этом одни из них выполнены по открытой гидравлической схеме, другие
требуют использования гидростатических трансмиссий. В качестве примера
можно привести полноповоротный одноковшовый экскаватор. В нем вращение
поворотной платформы и движение машины обеспечивают гидромоторы с
группой клапанов.
Конструктивно клапанная коробка устанавливается непосредственно на гидромоторе. Питание контура гидростатической трансмиссии от гидронасоса, работающего по открытой гидросхеме, осуществляется с помощью гидрораспределителя.
Рис. 6. Схема контура гидростатической трансмиссии, питаемого из открытой гидросистемы
Он обеспечивает подачу силового потока рабочей жидкости в контур гидростатической трансмиссии в прямом или обратном направлении. Схема такого гидравлического контура показана на рис.6.
Здесь изменение рабочего объема гидромотора осуществляется плунжером, управляемым пилотным золотником. На пилотный золотник может действовать как внешний сигнал управления, передаваемый по каналу Х, так и внутренний от избирательного клапана «ИЛИ».
Как только в нагнетательную линию гидроконтура подается силовой поток рабочей жидкости, избирательный клапан «ИЛИ» открывает доступ сигналу управления к торцу пилотного золотника и он, открывая рабочие окна, направляет порцию жидкости в плунжер привода блока цилиндров.
В зависимости от величины давления в нагнетательной линии рабочий объем
гидромотора меняется от нормальной позиции в сторону своего уменьшения
(высокая скорость/низкий крутящий момент) или увеличения (низкая
скорость/высокий крутящий момент). Таким способом осуществляется
управление
движением.
Если золотник силового гидрораспределителя переместился в противоположную позицию, направление движения силового потока изменится. Избирательный клапан «ИЛИ» займет другую позицию и направит сигнал управления в пилотный золотник из другой линии гидроконтура. Регулирование гидромотора осуществится аналогично.
Помимо управляющих компонентов данный гидроконтур содержит два комбинированных (антикавитационный и антишоковый) клапана, настроенных на пиковое давление 28,0 МПа, и систему вентиляции рабочей жидкости, предназначенную для принудительного ее охлаждения.
Гидростатическая передача в легковых автомобилях до настоящего времени не применяется, поскольку она дорога и ее КПД относительно низок. Наиболее часто она используется в специальных машинах и транспортных средствах. В то же время гидростатический привод имеет много возможностей для применения; он особенно пригоден для трансмиссии с электронным управлением.
Принцип гидростатической передачи состоит в том, что источник механической энергии, например двигатель внутреннего сгорания, приводит гидронасос, подающий масло в тяговый гидравлический двигатель. Обе эти группы соединены между собой трубопроводом высокого давления, в частности, гибким. Это упрощает конструкцию машины, отпадает необходимость применения многих зубчатых колес, шарниров, осей, поскольку обе группы агрегатов могут быть расположены независимо друг от друга. Мощность привода определяется объемами гидронасоса и гидродвигателя. Изменение передаточного отношения в гидростатическом приводе бесступенчатое, его реверсирование и гидравлическая блокировка весьма просты.
В отличие от гидромеханической передачи, где соединение тяговой группы с преобразователем крутящего момента жесткое, в гидростатическом приводе передача усилий производится только через жидкость.
В качестве примера работы обеих трансмиссий рассмотрим переезд автомобиля с ними через складку местности (дамбу). При въезде на дамбу у автомобиля с гидромеханической трансмиссией возникает , в результате чего при постоянной частоте вращения скорость автомобиля снижается. При спуске с вершины дамбы двигатель начинает действовать как тормоз, однако направление буксования гидротрансформатора меняется и поскольку гидротрансформатор имеет низкие тормозные свойства при таком направлении буксования, автомобиль разгоняется.
У гидростатической передачи при спуске с вершины дамбы гидродвигатель выполняет функцию насоса и масло остается в трубопроводе, соединяющем гидродвигатель с насосом. Соединение обеих групп привода происходит через находящуюся под давлением жидкость, которая обладает той же степенью жесткости, что и упругость валов, сцеплений и зубчатых колес в обычной механической трансмиссии. Разгона автомобиля поэтому при спуске с дамбы не произойдет. Гидростатическая передача особенно пригодна для автомобилей повышенной проходимости.
Принцип гидростатического привода показан на рис. 1. Привод гидронасоса 3 от двигателя внутреннего сгорания производится через вал 1 и наклонную шайбу, а регулятором 2 управляют углом наклона этой шайбы, что изменяет подачу жидкости гидронасосом. В случае, изображенном на рис. 1, шайба установлена жестко и перпендикулярно оси вала 1 и вместо нее наклоняется корпус насоса 3 в кожухе 4 . Масло подается из гидронасоса по трубопроводу 6 в гидродвигатель 5 , имеющий постоянный объем, а из него - вновь возвращается по трубопроводу 7 в насос.
Если гидронасос 3 расположен соосно валу 1 , то подача масла им равна нулю и гидродвигатель в этом случае блокирован. Если насос наклонен вниз, то он подает масло в трубопроводе 7 и оно возвращается в насос по трубопроводу 6 . При постоянной частоте вращения вала 1 , обеспечиваемой, например, регулятором дизеля, управление скоростью и направлением движения автомобиля производится всего лишь одной рукояткой регулятора.
В гидростатическом приводе можно использовать несколько схем регулирования:
- насос и двигатель имеют нерегулируемые объемы. В этом случае речь идет о «гидравлическом вале», передаточное отношение является постоянным и зависит от отношения объемов насоса и двигателя. Такая трансмиссия для применения в автомобиле неприемлема;
- насос имеет регулируемый, а двигатель - нерегулируемый объем. Этот способ наиболее часто применяется в транспортных средствах, так как предоставляет большой диапазон регулирования при относительно простой конструкции;
- насос имеет нерегулируемый, а двигатель - регулируемый объем. Эта схема неприемлема для привода автомобиля, поскольку с ее помощью нельзя обеспечить торможение автомобиля через трансмиссию;
- насос и двигатель имеют регулируемые объемы. Такая схема предоставляет наилучшие возможности регулирования, но весьма сложна.
Применение гидростатической передачи позволяет отрегулировать выходную мощность вплоть до остановки выходного вала. При этом даже на крутом спуске можно остановить автомобиль перемещением рукоятки регулятора в нулевое положение. В этом случае трансмиссия гидравлически заблокирована и необходимость в применении тормозов отпадает. Для движения автомобиля достаточно передвинуть рукоятку вперед или назад. Если в трансмиссии используется несколько гидродвигателей, то соответствующим их регулированием можно достичь реализации работы дифференциала или его блокировки.
В гидростатической трансмиссии отсутствует целый ряд агрегатов, например, коробка передач, сцепление, карданные валы с шарнирами, главная передача и др. Это выгодно с позиции снижения массы и стоимости автомобиля и компенсирует достаточно высокую стоимость гидравлического оборудования. Все сказанное, в первую очередь, относится к специальным транспортным и технологическим средствам. В то же время, с точки зрения экономии энергии, гидростатическая трансмиссия имеет большие преимущества, например, для применения в автобусах.
Выше уже упоминалось о целесообразности аккумулирования энергии и получаемом энергетическом выигрыше, когда двигатель работает с постоянной частотой вращения в оптимальной зоне своей характеристики и его частота вращения не изменяется при переключении передач или изменении скорости автомобиля. Отмечалось также и то, что вращающиеся массы, соединенные с ведущими колесами, должны быть как можно меньше. Говорилось, кроме того, о преимуществах гибридного привода, когда при разгоне используются наибольшая мощность двигателя, а также мощность, накопленная в аккумуляторе. Все эти преимущества удается легко реализовать в гидростатическом приводе, если в его системе разместить гидроаккумулятор высокого давления.
Схема такой системы представлена на рис. 2. Приводимый двигателем 1 насос 2 с постоянным объемом подает масло в аккумулятор 3 . Если аккумулятор заполнен, регулятор давления 4 подает импульс электронному регулятору 5 об остановке двигателя. Из аккумулятора масло под давлением подается через центральное управляющее устройство 6 к гидродвигателю 7 и из него сбрасывается в масляный бак 8 , из которого вновь забирается насосом. У аккумулятора имеется ответвление 9 , предназначенное для питания дополнительного оборудования автомобиля.
В гидростатическом приводе обратное направление движения жидкости можно использовать для торможения автомобиля. В этом случае гидродвигатель забирает масло из бака и подает его под давлением в аккумулятор. Таким способом можно аккумулировать энергию торможения для дальнейшего ее использования. Недостаток всех аккумуляторов состоит в том, что любой из них (жидкостный, инерционный или электрический) имеет ограниченную емкость, и если аккумулятор заряжен, он больше не может накапливать энергию, и ее избыток должен быть сброшен (например, преобразован в теплоту) так же, как и в автомобиле без аккумулирования энергии. В случае гидростатического привода эта проблема решается применением редукционного клапана 10 , который при наполненном аккумуляторе перепускает масло в бак.
У городских маршрутных автобусов благодаря аккумулированию энергии торможения и возможности зарядки жидкостного аккумулятора во время остановок двигатель можно было бы отрегулировать на меньшую мощность и при этом обеспечить соблюдение необходимых ускорений при разгоне автобуса. Такая схема привода позволяет экономично реализовать движение в городском цикле, ранее описанное и изображенное на рис. 6 в статье .
Гидростатический привод можно удобно скомбинировать с обычной зубчатой передачей. В качестве примера приведем комбинированную трансмиссию автомобиля. На рис. 3 дана схема такой трансмиссии от маховика двигателя 1 к редуктору 2 главной передачи. Крутящий момент через цилиндрическую зубчатую передачу 3 и 4 подводится к поршневому насосу 6 с постоянным объемом. Передаточное отношение цилиндрической передачи соответствует IV-V передачам обычной механической коробки передач. При вращении насос начинает подавать масло в тяговый гидродвигатель 9 с регулируемым объемом. Наклонная регулирующая шайба 7 гидродвигателя соединена с крышкой 8 корпуса трансмиссии, а корпус гидродвигателя 9 соединен с ведущим валом 5 главной передачи 2 .
При разгоне автомобиля шайба гидродвигателя имеет наибольший угол наклона и масло, нагнетаемое насосом, создает большой момент на валу. Помимо этого на вал действует и реактивный момент насоса. По мере разгона автомобиля наклон шайбы уменьшается, следовательно, уменьшается и крутящий момент от корпуса гидродвигателя на валу, однако давление масла, подаваемого насосом, увеличивается и, следовательно, возрастет и реактивный момент этого насоса.
При уменьшении угла наклона шайбы до 0° насос гидравлически блокирован и передача крутящего момента от маховика к главной передаче будет осуществляться только парой шестерен; гидростатический привод будет выключен. Это улучшает КПД всей трансмиссии, так как гидродвигатель и насос отключены и вращаются в заблокированном положении вместе с валом, с КПД, равным единице. Кроме того, исчезают износ и шум гидроагрегатов. Этот пример - один из многих, показывающих возможности применения гидростатического привода. Масса и размеры гидростатической передачи определяются величиной максимального давления жидкости, которое в настоящее время достигло 50 МПа.