ТЯГОВО-СКОРОСТНЫЕ СВОЙСТВА И ТОПЛИВНАЯ ЭКОНОМИЧНОСТЬ АВТОМОБИЛЯ
С ГИДРОПЕРЕДАЧЕЙ
В настоящее время на автомобилях широкое применение находят гидравлические передачи, которые устанавливают в трансмиссии автомобиля.
Гидравлические передачи облегчают управление автомобилем, повышают безопасность движения и проходимость автомобиля. Кроме того, они увеличивают долговечность двигателя. Однако гидравлические передачи несколько ухудшают тягово-скоростные свойства автомобиля и снижают топливную экономичность.
На автомобилях используют два типа гидравлических передач: гидромуфты и гидротрансформаторы. Гидромуфты как самостоятельные механизмы применяют ограниченно. Наибольшее распространение получили гидротрансформаторы, которые при определенных условиях переходят на режим работы гидромуфты.
В гидромуфтах и гидротрансформаторах крутящий момент передается от двигателя к трансмиссии с помощью жидкости (масла малой вязкости) под действием гидродинамического (скоростного) напора.
Гидромуфта
Гидромуфту устанавливают на автомобиле совместно с фрикционным сцеплением и ступенчатой механической коробкой передач.
В гидромуфте (рис. 5.1) ведущей частью является насосное колесо (насос) 3,которое жестко связано с коленчатым валом 1 двигателя. Турбинное колесо (турбина) 2 — ведомая часть гидромуфты. Оно жестко соединено с первичным валом 4 коробки передач. Насос и турбина имеют радиально расположенные лопатки. Внутренняя полость гидромуфты заполнена маслом.
Принцип действия гидромуфты таков. При вращении коленчатого вала двигателя масло под действием центробежной силы поступает к наружной части насоса, воздействует на лопатки турбины и приводит ее во вращение.
Из турбины масло снова поступает в насос, создавая при этом круг его циркуляции, чем и обеспечивается передача крутящего момента от двигателя к трансмиссии.
Для гидромуфты характерно то, что она не изменяет значение крутящего момента при его передаче от двигателя к трансмиссии.
Режим работы гидромуфты характеризует ее передаточное отношение
Рис. 5.1. Схема гидромуфты: 1 — коленчатый вал двигателя; 2 — турбинное колесо; 3 — насосное колесо; 4 — первичный вал коробки передач |
где ωт, ωн — угловые скорости соответственно турбины и гидронасоса гидромуфты.
Обязательным условием работы гидромуфты является наличие в ней скольжения. Его величину Sгм ,%, определяют по формуле
.
При неподвижной турбине Sгм = 100 %, что отвечает случаю полного скольжения. При возрастании угловой скорости турбины скольжение уменьшается, и его наименьшая величина составляет 2...3%.
Рис. 5.2. Тяговые характеристики автомобилей с гидромуфтой (сплошные линии) и без нее (штриховые линии): I —III — передачи |
Вследствие наличия скольжения кривая крутящего момента скоростной характеристики двигателя при наличии гидромуфты смещается в область меньших угловых скоростей коленчатого вала. На рис. 5.2 представлена тяговая характеристика автомобиля с гидромуфтой. Для сравнения штриховыми линиями на рисунке приведена тяговая характеристика автомобиля без гидромуфты. Из рисунка видно, что тягово-скоростные свойства автомобиля при наличии гидромуфты изменяются только в области малых значений угловой скорости коленчатого вала и во время трогания автомобиля с места. Следовательно, гидромуфта позволяет использовать большое значение крутящего момента двигателя в начале раз-
гона или при движении с очень малой скоростью. Это обеспечивает плавное трогание автомобиля с места на любой передаче и исключает прекращение работы двигателя при остановке автомобиля с невыключенным сцеплением.
Гидротрансформатор
Гидротрансформатор устанавливают в трансмиссии автомобиля обычно совместно с планетарной коробкой передач.
Ведущая часть гидротрансформатора (рис. 5.3) — насос 2,жестко соединенный с коленчатым валом 6 двигателя, а ведомая часть — турбина 1 — с валом трансмиссии 3. Между насосом и турбиной гидротрансформатора на муфте свободного хода 4 установлен реактор 5, обеспечивающий плавный и безударный вход масла из турбины в насос и существенное увеличение передаваемого крутящего момента.
Характерной особенностью гидротрансформатора является изменение значения крутящего момента при его передаче от двигателя к трансмиссии. Свойства гидротрансформатора оцениваются его безразмерной характеристикой, которая представлена на рис. 5.4 (для сравнения штриховыми линиями показана характеристика гидромуфты).
Безразмерная характеристика представляет собой зависимости коэффициента полезного действия ηгт, коэффициента трансформации kгти коэффициента крутящего момента насоса λн от передаточного отношения гидротрансформатора iгт.
Безразмерная характеристика гидротрансформатора определяется экспериментально. При этом коэффициенты полезного действия, трансформации и крутящего момента насоса используют в безразмерном виде.
Режим работы гидротрансформатора определяется его передаточным отношением
Рис. 5.3. Схема гидротрансформатора: 7 — турбина; 2 — насос; 3 — вал трансмиссии; 4 — муфта свободного хода; 5 — реактор; 6 — коленчатый вал двигателя |
где ωт — угловая скорость турбины; ωн — угловая скорость насоса. Коэффициент трансформации характеризует степень увеличения крутящего момента, передаваемого гидротрансформатором:
В указанном выражении
Mтур= λтρжωт2Dгт5 — крутящий момент на валу турбины;
Mн= λнρжωн2Dгт5 — крутящий момент на валу насоса,
где Dгт — активный (наибольший) диаметр гидротрансформатора; ρж — плотность жидкости (масла) в гидротрансформаторе; λн — коэффициент крутящего момента насоса; λт — коэффициент крутящего момента турбины.
Для гидромуфты коэффициент трансформации kгм= 1, так как крутящие моменты на валах насоса и турбины равны (Мн= Мтур).
Коэффициент полезного действия гидротрансформатора характеризует его энергетические свойства:
где Nн — мощность, подводимая к насосу; Nтур — мощность на валу турбины гидротрансформатора.
Основным недостатком гидротрансформаторов является то, что они имеют значительно меньший КПД, чем ступенчатые механические коробки передач. Так, наибольшие значения КПД гидротрансформатора (0,85...0,92) достижимы только при оптимальном передаточном отношении (0,7...0,8). При других передаточных отношениях, больших или меньших оптимального, КПД гидротрансформатора быстро уменьшается.
КПД гидромуфты
.
Следовательно, при возрастании угловой скорости турбины КПД гидромуфты увеличивается прямо пропорционально ее передаточному отношению, что видно на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Безразмерные характеристики гидротрансформатора (сплошные линии) и гидромуфты (штриховые линии)
Коэффициент крутящего момента насоса гидротрансформатора λнопределяет прозрачность гидротрансформатора, т. е. его свойство изменять нагрузку на валу насоса в зависимости от нагрузки на валу турбины.
Гидротрансформаторы могут быть прозрачными и непрозрачными.
При использовании непрозрачного гидротрансформатора изменение сопротивления движению автомобиля не влияет на режим работы двигателя (λн = const). В этом случае режим работы двигателя зависит только от качества горючей смеси, поступающей в его цилиндры.
У непрозрачного гидротрансформатора коэффициент трансформации составляет 3...4, т.е. передаваемый крутящий момент увеличивается в 3 — 4 раза. Это преимущество непрозрачных гидротрансформаторов способствует их широкому применению на грузовых автомобилях большой грузоподъемности и на автобусах.
В случае применения прозрачного гидротрансформатора изменение сопротивления движению автомобиля вызывает изменение режима работы двигателя даже при постоянном количестве горючей смеси, поступающей в цилиндры (λн ≠const). При увеличении сопротивления движению угловая скорость насоса прозрачного гидротрансформатора и, следовательно, угловая скорость коленчатого вала двигателя автоматически уменьшаются, а крутящий момент двигателя возрастает. При уменьшении сопротивления движению угловая скорость коленчатого вала и скорость движения автомобиля с прозрачным гидротрансформатором автоматически увеличиваются.
У прозрачных гидротрансформаторов коэффициент трансформации составляет 2,2...3,0, т.е. передаваемый крутящий момент возрастает в 2 — 3 раза. Поэтому прозрачные гидротрансформаторы получили большее распространение на легковых автомобилях.
Степень прозрачности гидротрансформатора определяется следующим отношением:
где λн mах — максимальное значение коэффициента крутящего момента насоса; λ'н — значение коэффициента крутящего момента насоса при λгт= 1.
Если П= 1,0... 1,2, то гидротрансформатор непрозрачный. При П > 1,2 гидротрансформатор прозрачный.
Гидромуфта и ступенчатая механическая коробка передач являются прозрачными, так как полностью передают на коленчатый вал двигателя момент силы сопротивления, приложенный к трансмиссии.
5.3. Показатели тягово-скоростных свойств автомобиля
с гидропередачей
Расчет показателей тягово-скоростных свойств автомобиля с гидропередачей более сложен, чем с механической трансмиссией, из-за отсутствия жесткой связи между коленчатым валом двигателя и трансмиссией автомобиля.
Для расчета показателей тягово-скоростных свойств автомобиля с гидропередачей необходимо определить область совместной работы двигателя и гидротрансформатора. Поэтому расчет обычно выполняют графоаналитическим способом в такой последовательности:
• строят нагрузочную характеристику системы двигатель—гидротрансформатор (рис. 5.5). С этой целью задают какое-либо значение передаточного отношения гидротрансформатора iгти по безразмерной характеристике гидротрансформатора определяют соответствующий коэффициент крутящего момента насоса λн. Затем задают несколько значений угловой скорости насоса ωн и по формуле для крутящего момента на валу насоса Мнопределяют его значения для выбранного передаточного отношения гидротрансформатора. По найденным значениям строят кривую крутящего момента насоса на графике скоростной характеристики двигателя. Аналогично строят кривые крутящего момента насоса для других передаточных отношений гидротрансформатора. Точки пересечения кри-
Рис. 5.5. Нагрузочная характеристика системы двигатель —гидротрансформатор:
iгт' – iгт''' – значения передаточных отношений гидротрансформатора; ω'н – ωн''' – значения угловой скорости насоса гидротрансформатора; Mн''' — значение крутящего момента на валу насоса гидротрансформатора, соответствующее ω'''
вых крутящих моментов насоса и двигателя определяют область совместной работы двигателя и гидротрансформатора;
• используя значения угловой скорости ωн и момента Мн,отвечающие точкам пересечения кривых моментов насоса Мни двигателя Ме,по соответствующим формулам определяют угловые скорости ωт и крутящие моменты Мтурна валу турбины. При этом
значения коэффициента трансформации kгтберут из безразмерной характеристики гидротрансформатора для соответствующих
передаточных отношений;
• определив значения угловой скорости ωт и крутящего момента Мтур, находят мощность на валу турбины по формуле
;
• строят график выходной характеристики системы двигатель—
гидротрансформатор (рис. 5.6);
• пользуясь этим графиком, проводят расчеты показателей тя-
гово-скоростных свойств автомобиля с гидропередачей так же,
как и для автомобиля без гидропередачи, т. е. по тем же формулам
с той лишь разницей, что вместо угловой скорости ωе и крутящего момента Ме двигателя в формулы подставляют угловую скорость ωт и крутящий момент Мтуртурбины. Например, скорость
автомобиля с гидропередачей, км/ч:
.
Тяговая сила на ведущих колесах автомобиля с гидропередачей
.
Определив значения тяговой силы на ведущих колесах автомобиля с гидропередачей при различных скоростях движения на разных передачах, строят его тяговую характеристику.
Рис. 5.6. Выходная характеристика системы двигатель — гидротрансформатор |
Динамическая характеристика, ускорение, время и путь разгона автомобиля с гидротрансформатором рассчитывают по тем же формулам, что и для автомобиля с механической трансмиссией. Однако в их формулы вместо Ме и ωе двигателя вводят соответственно Мтури ωт турбины гидротрансформатора.
Определение показателей тягово-скоростных свойств автомобиля с гидромуфтой выполняют по той же методике, что и для автомобиля с гидротрансформатором. В связи с тем что коэффициент трансформации гидромуфты kгт = 1, расчеты оказываются проще, чем для автомобиля с гидротрансформатором. Однако они сложнее, чем для автомобиля с механической ступенчатой трансмиссией.
Дата добавления: 2021-12-14; просмотров: 336;