Способы регулирования режима работы гидромуфты и основные ее характеристики

Режим работы гидромуфты регулируется различными способами: путем изменения числа оборотов ведущего вала; изменением формы проточной части гидромуфты; изменением степени наполнения жидкостью рабочей полости; торможением ведомого вала.

Регулирование путем изменения числа оборотов ведущего вала двигателя применяют главным образом на транспортных и грузоподъемных машинах. При этом регулировании остаточного момента на валу гидромуфты очень небольшая величина, что очень важно для транспортных машин (автомобилей, тракторов). Например, если остаточный момент на валу гидромуфты меньше, чем сопротивление автомобиля при его движении, то водитель может остановить машину, не выключая двигателя, а только снижая частоту вращения его вала. Если же остаточный момент у гидромуфты большой, то для остановки автомобиля применяют тормоза для ведущих осей или потребуется разъединяющее устройство.

Регулирование путем изменения формы проточной части гидромуфты при неизменной степени заполнения, а также механическое регулирование до последнего времени практически не применялись, главным образом из-за малой глубины регулирования по моменту. Глубину регулирования различают по вращающему моменту и по скорости.

Глубина регулирования по моменту - это отношение вращающего момента при основном рабочем режиме ведомого вала к минимальному моменту на том же валу при остановленной турбине.

Глубина регулирования по скорости - это отношение номинальной частоты вращения ведомого вала к минимально возможной частоте вращения того же вала.

Самым распространенным способом регулирования гидромуфт является изменение степени наполнения жидкостью рабочей полости. Его часто называют жидкостным регулированием.

Рассмотрим этот вид регулирования (управления) гидромуфты более подробно.

Жидкостное регулирование гидромуфт можно выполнять тремя способами:

на входе в гидромуфту;

на выходе из гидромуфты;

на входе и на выходе из гидромуфты.

Каждый из способов жидкостного регулирования имеет несколько конструктивных решений отдельных узлов гидромуфт.

Регулирование работы гидромуфты требует гибкости, чтобы гидромуфта могла быстро менять частоту вращения вторичного вала, а время перехода с одного режима на другой было минимальным. Кроме того, работа гидромуфты при разных режимах должна быть устойчивой.

Если рабочую полость гидромуфты заполнять жидкостью в различной степени, то тем самым мы будем изменять частоту вращения ведомого вала. Однако в работе гидромуфт могут наблюдаться неустойчивые зоны и регулирование обеспечивается недостаточно.

Так, гидромуфта с регулированием потока жидкости на входе осуществляет смену режимов за 2-3 мин, что недостаточно. К таким гидромуфтам относятся гидромуфты с верхним баком, гидромуфты со свободным выбросом рабочей жидкости в неподвижный кожух.

Наиболее удобной в этом отношении является гидромуфта с вращающимся резервуаром и с поворотной черпательной трубкой. Конструкция этой гидромуфты наиболее проста и обеспечивает быстрое изменение частоты вращения ведомого вала в сторону увеличения, но и эта гидромуфта не может быстро уменьшить частоту вращения ведомого вала. Таким образом, гидромуфта увеличивает в приводимой машине частоту вращения, но уменьшение же частоты вращения и в этой гидромуфте ограничивается расходом жидкости через отверстия ниппелей.

Далеко не все конструкции гидромуфт с регулированием потока жидкости на выходе отвечают основным требованиям, предъявляемым к работе гидромуфты.

Например, гидромуфта с клапанным управлением имеет сложную конструкцию и не обеспечивает необходимую плавность перехода с одной скорости на другую ввиду скачкообразного изменения выходных сечений.

Наиболее приемлемой в настоящее время является гидромуфта с дополнительным объемом и с порогом (рис. 10.33, а).

Эта гидромуфта имеет следующие основные сборочные единицы: колесо 8, насоса, которое составляет единое целое с вращающимся внутренним кожухом 9, соединенным с наружным кожухом 11 и с цилиндрической частью 7; фланец 5; упругий диск 4; колесо турбины 6; ведомый вал 14; шариковый подшипник 2; роликовый подшипник 1; двухрядный роликовый подшипник 15; черпательную трубку 13; дополнительный объем 10 и скользящую черпательную трубку 12. Колесо насоса выполнено без тора, а турбина с тором. Имеется порог 5, установленный на выходе из турбины.

Такую конструкцию гидромуфты применяют с целью устранения скачкообразного изменения формы потока в круге циркуляции и связанных с этим колебаний системы. Гидромуфту монтируют на жесткой плите, которая является одновременно и сливным баком. Плита имеет питательный насос, работающий от своего электромотора.

Современные муфты делают без тора или с тором незначительной величины.

Наиболее надежным средством устранения внезапного перехода потока с малого круга циркуляции на большой и обратно является установка порога на выходе из турбины.

Рис. 10.33. Гидромуфта с дополнительным объемом и с порогом

Порог - это тонкая шайба, которая перекрывает межлопаточные каналы на выходе из турбины до определенной высоты. При небольшом заполнении гидромуфты, когда скольжение велико, а число оборотов турбины незначительно, порог препятствует образованию циркуляции потока по большему кругу (рис. 10.33, б). Циркуляция тонкого слоя жидкости с большой скоростью по большому кругу является неустойчивой. Вследствие большой разности диаметров при большом круге, на котором проходит обмен моментами количества движения между насосом и турбиной, передаваемый момент значительно повышается. Вал турбины вращается с ускоренной скоростью в течение незначительного времени, так как пленка жидкости легко рвется и циркуляция преобразуется в малый круг, в результате чего момент и скорость на турбине резко падают и цикл повторяется. Порог (рис. 10.33, б) заставляет поток формироваться все время по малому кругу, препятствуя формированию большого круга. На рис. 10.33, б показаны: насос 1, турбина 2, порог 3, малый круг циркуляции 4.

Для того чтобы лучше понять свойства гидромуфты, рассмотрим внешнюю характеристику, построенную для гидромуфты, частота вращения ведомого вала которой изменяется с помощью нагрузки вращающим моментом или снятием его.

Внешняя характеристика гидромуфты дает зависимость вращающего момента , мощности и КПД гидромуфты от частоты вращения турбинного колеса при постоянной частоте вращения насосного колеса . Обычно графически наносят кривые зависимостей крутящего момента и КПД, так как кривая мощности для насосного колеса от кривой моментов при =const будет отличаться только масштабом изображения.

Мощность турбинного колеса зависит от и . Если мы имеем =0 и = , мощность турбинного колеса в этих двух случаях равна нулю, а между указанными значениями мощностей будем иметь максимум.

КПД гидромуфты при постоянной частоте вращения насосного колеса =const изменяется по закону прямой линии, так как . Как правило, внешнюю характеристику строят по результатам ее испытаний (рис. 10.34).

Внешнюю характеристику гидромуфты (рис. 10.34, а) строят следующим образом. На оси абсцисс откладывают частоту вращения турбинного колеса , или относительную частоту вращения турбины , а на оси ординат откладывают изменение вращающего момента, значение КПД и мощности.

Рис. 10.34. Внешняя характеристика гидромуфты

По внешней характеристике можно построить так называемую универсальную характеристику гидромуфты, которая дает зависимость вращающих моментов от числа оборотов турбинного колеса при разных частотах вращения насосного колеса.

Кроме того, универсальная характеристика дает кривые зависимостей вращающих моментов гидромуфты при одинаковых значениях КПД, т.е. при =const для ряда значений =0,1; 0,2; 0,3 и т. д.

Для построения универсальной характеристики надо знать внешние характеристики гидромуфты, полученные в результате испытаний последней при нескольких постоянных частотах вращения насосного колеса, начиная с =100 %, затем =90, 80, 70 % и т.д.

Универсальную характеристику строят по внешней характеристике следующим образом (рис. 10.34, б). Предположим,что насосное колесо гидромуфты имеет частоту вращения , а турбинное колесо , при этих частотах вращения создается вращающий момент и КПД гидромуфты . Тогда вращающий момент будет равен . Найдем частоту вращения , которому соответствует вращающий момент , из равенства КПД при и , т. е.

.

Известно, что

; ,

тогда

,

откуда

.

Откладывая найденные моменты и на кривых при числах оборотов и , мы получим соответственно точку и точку , при соединении которых получим часть кривой при =const.

Построенная таким образом универсальная характеристика гидромуфты показана на рис. 10.34, в. По универсальной характеристике строят тяговую характеристику гидромуфты.

На рис. 10.35 показано построение тяговой характеристики гидромуфты по ее универсальной характеристике, где кривые вращающих моментов при частоте вращения насосного колеса соответственно =1000, 900, 800, 600, 500, 400, 300, 200 в минуту.

На универсальную характеристику гидромуфты наносят кривую момента двигателя в зависимости от частоты вращения насосного колеса (рис. 10.35, а). Построение тяговой характеристики осуществляется следующим образом. На универсальной характеристике (рис. 10.35, а) строят линию момента , соответствующую моменту двигателя, если вал его соединен непосредственно с валом насосного колеса. Если момент двигателя передается на насосное колесо через повышающую механическую передачу, то значение момента наносят с учетом передаточного отношения повышающей передачи. Точки пересечения кривой момента двигателя М с кривыми момента гидромуфты а, b, с, d, e, f, k, q переносим на тяговую характеристику гидромуфты (рис. 10.35, б). Затем строим кривую частоты вращения насосного колеса по частоте вращения турбинного колеса . Далее по частоте вращения насосного и турбинного колес определяем КПД гидромуфты и строим кривую на тяговой характеристике .

Гидромуфта способна с уменьшением числа оборотов ведущею вала передавать вращающий момент на ведомый вал значительно большей величины. Рассмотрим, почему гак происходит. Вращающий момент турбины равен

.

Скорость при входе в турбину равна скорости при выходе из наcoca, т.е. = . Тогда уравнение примет вид

. (10.55)

Как правило, в гидромуфтах установлены радиальные лопатки с рабочими углами ( =90°).

Тогда можно принять вид

, .

В свою очередь

,

откуда

. (10.56)

Принимая во внимание сказанное и подставляя приведенные выражения в уравнение (10.55), получим

. (10.57)

Как видно из уравнения (10.57),вращающий момент турбины увеличивается в двух случаях.

Рис. 10.35. Построение тяговой характеристики гидромуфты

При увеличении расхода , если частота вращения вала турбины падает, скорость по каналам гидромуфты увеличивается, в результате растет, а с увеличением расхода передаваемый гидромуфтой вращающий момент на ведомый вал также увеличивается, что видно из уравнения (10.57).

Если -частота вращения турбины - уменьшается, следовательно, уменьшается второй член в скобках уравнения (10.57), что увеличивает передаваемый момент гидромуфты. При =0, когда вал турбины остановился, увеличение передаваемого момента за счет уменьшения будет максимальным, так как при этом второй член в скобках уравнения (10.57) будет равен нулю.

Следует сказать, что гидромуфта способна к работе с большими перегрузками, но это возможно при условии, что увеличенные крутящие моменты, передаваемые ведомому валу, обеспечиваются отдачей таких же увеличенных крутящих моментов от двигателя, что подтверждается равенством .