Гидротрансформатор - Torque converter

Гидротрансформатор ZF в разрезе
Визитная карточка гидротрансформатора.

Гидротрансформатор представляет собой тип гидравлической муфты , которая передает вращающуюся мощность от первичного двигателя , как двигатель внутреннего сгорания , с вращающимся приводом нагрузки. В автомобиле с автоматической коробкой передач преобразователь крутящего момента подключает источник питания к нагрузке. Обычно он расположен между гибкой пластиной двигателя и трансмиссией. Аналогичным местом в механической коробке передач будет механическое сцепление .

Основной характеристикой гидротрансформатора является его способность увеличивать крутящий момент, когда частота вращения на выходе настолько мала, что позволяет жидкости, выходящей из изогнутых лопаток турбины, отклоняться от статора, когда он заблокирован своей односторонней муфтой. , таким образом обеспечивая эквивалент понижающей передачи . Эта особенность выходит за рамки простой гидравлической муфты, которая может соответствовать скорости вращения, но не увеличивает крутящий момент и, таким образом, снижает мощность.

Гидравлические системы

Безусловно, наиболее распространенной формой гидротрансформатора в автомобильных трансмиссиях является гидрокинетическое устройство, описанное в этой статье. Существуют также гидростатические системы, которые широко используются в небольших машинах, таких как компактные экскаваторы .

Механические системы

Существуют также механические конструкции для бесступенчатых трансмиссий, которые также могут увеличивать крутящий момент. К ним относятся маятниковый преобразователь крутящего момента Constantinesco , приводная трансмиссия с фрикционным зацеплением Lambert и Variomatic с раздвижными шкивами и ременной передачей.

использование

Функция

Теория Операции

Уравнения движения гидротрансформатора подчиняются уравнению турбомашины Леонарда Эйлера восемнадцатого века:

Уравнение расширяется, чтобы включить радиус пятой степени; в результате свойства гидротрансформатора сильно зависят от размера устройства.

Элементы гидротрансформатора

Гидромуфты состоят из двух элементов привода , который не способен к размножению крутящего момента, в то время как гидротрансформатор имеет , по меньшей мере , один дополнительный элемент-статор-который изменяет характеристику накопителя в периоды высокого проскальзывания, производя увеличение выходного крутящего момента.

В гидротрансформаторе есть по крайней мере три вращающихся элемента: рабочее колесо, которое механически приводится в движение первичным двигателем ; турбина, приводящая в движение нагрузку ; и статор, который расположен между крыльчаткой и турбиной, так что он может изменять поток масла, возвращающийся от турбины к крыльчатке. Классическая конструкция преобразователя крутящего момента требует предотвращения вращения статора при любых условиях, отсюда и термин « статор» . На практике, однако, статор установлен на обгонной муфте , которая предотвращает вращение статора в противоположных направлениях относительно первичного двигателя, но допускает вращение вперед.

Периодически вносились изменения в базовую трехэлементную конструкцию, особенно в приложениях, где требуется более высокое, чем обычно, увеличение крутящего момента. Чаще всего они имеют форму нескольких турбин и статоров, каждый из которых спроектирован так, чтобы обеспечивать разную величину увеличения крутящего момента. Например, автоматическая трансмиссия Buick Dynaflow не имела переключения передач и в нормальных условиях полагалась исключительно на преобразователь для увеличения крутящего момента. В Dynaflow использовался пятиэлементный преобразователь для обеспечения широкого диапазона увеличения крутящего момента, необходимого для движения тяжелого транспортного средства.

Хотя это не является строго частью классической конструкции гидротрансформатора, многие автомобильные преобразователи включают муфту блокировки для повышения эффективности передачи крутящего момента и уменьшения нагрева. Применение муфты блокирует турбину с рабочим колесом, в результате чего вся передача мощности становится механической, что устраняет потери, связанные с гидравлическим приводом.

Операционные этапы

Гидротрансформатор имеет три ступени работы:

  • Стойло . Первичный двигатель передает мощность на крыльчатку, но турбина не может вращаться. Например, в автомобиле этот этап работы может происходить, когда водитель включает передачу, но не дает автомобилю двигаться, продолжая нажимать на тормоза . При остановке гидротрансформатор может обеспечить максимальное увеличение крутящего момента, если приложена достаточная входная мощность (результирующее умножение называется передаточным числом при остановке ). Фаза остановки фактически длится в течение короткого периода, когда груз (например, транспортное средство) первоначально начинает двигаться, поскольку будет очень большая разница между скоростью насоса и турбины.
  • Ускорение . Нагрузка увеличивается, но по-прежнему существует относительно большая разница между скоростью вращения крыльчатки и турбины. В этом случае преобразователь будет производить меньшее увеличение крутящего момента, чем можно было бы достичь в условиях остановки. Величина умножения будет зависеть от фактической разницы между скоростями насоса и турбины, а также от различных других проектных факторов.
  • Муфта . Турбина достигла примерно 90 процентов скорости рабочего колеса. Умножение крутящего момента практически прекратилось, и преобразователь крутящего момента ведет себя аналогично простой гидравлической муфте. В современных автомобилях обычно именно на этом этапе работы применяется блокировочная муфта, что способствует повышению топливной экономичности .

Ключ к способности гидротрансформатора увеличивать крутящий момент лежит в статоре. В классической конструкции гидравлической муфты периоды высокого проскальзывания заставляют поток жидкости, возвращающийся от турбины к крыльчатке, противодействовать направлению вращения крыльчатки, что приводит к значительной потере эффективности и выделению значительного количества отработанного тепла . В тех же условиях в гидротрансформаторе возвращающаяся жидкость будет перенаправлена ​​статором, чтобы способствовать вращению рабочего колеса, а не препятствовать ему. В результате большая часть энергии возвращающейся жидкости восстанавливается и добавляется к энергии, прикладываемой к рабочему колесу первичным двигателем. Это действие вызывает значительное увеличение массы жидкости, направляемой в турбину, что приводит к увеличению выходного крутящего момента. Поскольку возвращающаяся жидкость первоначально движется в направлении, противоположном вращению рабочего колеса, статор также будет пытаться вращаться в противоположных направлениях, заставляя жидкость менять направление, эффект, который предотвращается односторонней муфтой статора .

В отличие от радиально прямых лопаток, используемых в простой гидравлической муфте, в турбине и статоре гидротрансформатора используются изогнутые и изогнутые лопатки. Форма лопастей статора - это то, что изменяет путь жидкости, заставляя его совпадать с вращением рабочего колеса. Соответствующая кривая лопаток турбины помогает правильно направлять возвращающуюся жидкость к статору, чтобы последний мог выполнять свою работу. Форма лопастей важна, поскольку незначительные изменения могут привести к значительным изменениям в характеристиках преобразователя.

Во время фаз остановки и ускорения, в которых происходит увеличение крутящего момента, статор остается неподвижным из-за действия его односторонней муфты. Однако по мере приближения гидротрансформатора к фазе сцепления энергия и объем жидкости, возвращающейся из турбины, будут постепенно уменьшаться, вызывая аналогичное уменьшение давления на статор. Находясь в фазе соединения, возвращающаяся жидкость изменит направление и теперь будет вращаться в направлении рабочего колеса и турбины, в результате чего будет предпринята попытка вращения статора вперед. В этот момент муфта статора отключится, и крыльчатка, турбина и статор все (более или менее) повернутся как единое целое.

Неизбежно некоторая часть кинетической энергии жидкости будет потеряна из-за трения и турбулентности, в результате чего преобразователь будет выделять избыточное тепло (рассеиваемое во многих приложениях за счет водяного охлаждения). Этот эффект, часто называемый насосными потерями, будет наиболее выражен в условиях сваливания или около него. В современных конструкциях геометрия лопастей сводит к минимуму скорость масла при низких оборотах рабочего колеса, что позволяет турбине останавливаться на длительные периоды с небольшой опасностью перегрева (например, когда автомобиль с автоматической коробкой передач останавливается на светофоре или в пробке, когда все еще на передаче).

Увеличение КПД и крутящего момента

Гидротрансформатор не может обеспечить 100-процентный КПД муфты. Классический трехэлементный преобразователь крутящего момента имеет кривую КПД, напоминающую ∩: нулевой КПД при остановке, обычно повышающий КПД во время фазы ускорения и низкий КПД на фазе сцепления. Потеря эффективности, когда преобразователь входит в фазу соединения, является результатом турбулентности и помех потока жидкости, создаваемых статором, и, как упоминалось ранее, обычно преодолевается путем установки статора на односторонней муфте.

Даже с преимуществом односторонней муфты статора преобразователь не может достичь такого же уровня эффективности в фазе сцепления, как гидравлическая муфта аналогичного размера. Некоторая потеря связана с наличием статора (даже если он вращается как часть узла), поскольку он всегда создает некоторую поглощающую энергию турбулентность. Однако большая часть потерь вызвана изогнутыми и наклонными лопатками турбины, которые не поглощают кинетическую энергию от массы жидкости, а также радиально прямыми лопатками. Поскольку геометрия лопаток турбины является решающим фактором в способности преобразователя увеличивать крутящий момент, неизбежны компромиссы между увеличением крутящего момента и эффективностью муфты. В автомобильной промышленности, где неуклонное повышение экономии топлива требовалось рыночными силами и постановлением правительства, почти универсальное использование муфты блокировки помогло исключить преобразователь из уравнения эффективности во время крейсерской эксплуатации.

Максимальное увеличение крутящего момента, производимое преобразователем, в значительной степени зависит от размера и геометрии лопаток турбины и статора и создается только тогда, когда преобразователь находится в фазе остановки или около нее. Типичные коэффициенты увеличения крутящего момента при сваливании колеблются от 1,8: 1 до 2,5: 1 для большинства автомобильных приложений (хотя многоэлементные конструкции, используемые в Buick Dynaflow и Chevrolet Turboglide, могут дать больше). Специализированные преобразователи, разработанные для промышленных, железнодорожных или тяжелых судовых систем передачи электроэнергии, способны к умножению до 5,0: 1. Вообще говоря, существует компромисс между максимальным увеличением крутящего момента и эффективностью - преобразователи с высоким коэффициентом торможения имеют тенденцию быть относительно неэффективными ниже скорости сцепления, тогда как преобразователи с низким коэффициентом торможения имеют тенденцию обеспечивать меньшее возможное увеличение крутящего момента.

Характеристики гидротрансформатора должны быть тщательно согласованы с кривой крутящего момента источника питания и предполагаемого применения. Изменение геометрии лопаток статора и / или турбины приведет к изменению характеристик торможения крутящего момента, а также к общей эффективности агрегата. Например, в автоматических трансмиссиях дрэг-рейсинга часто используются преобразователи, модифицированные для обеспечения высоких оборотов сваливания, чтобы улучшить крутящий момент вне сети и быстрее перейти в диапазон мощности двигателя. В шоссейных транспортных средствах обычно используются преобразователи крутящего момента с более низким срывом, чтобы ограничить тепловыделение и обеспечить более четкое ощущение характеристик автомобиля.

Особенностью конструкции, когда-то обнаруженной в некоторых автоматических трансмиссиях General Motors, был статор с изменяемым шагом, в котором угол атаки лопастей мог изменяться в ответ на изменения частоты вращения двигателя и нагрузки. Эффектом этого было изменение величины увеличения крутящего момента, производимого преобразователем. При нормальном угле атаки статор заставлял преобразователь производить умеренное умножение, но с более высоким уровнем эффективности. Если водитель резко откроет дроссельную заслонку, клапан переключит шаг статора на другой угол атаки, увеличивая умножение крутящего момента за счет эффективности.

В некоторых преобразователях крутящего момента используется несколько статоров и / или несколько турбин, чтобы обеспечить более широкий диапазон увеличения крутящего момента. Такие преобразователи многоэлементных являются более распространенными в промышленных условиях , чем в автомобильных трансмиссиях, но автомобильная промышленность , такие как Buick «ы Тройной турбины Dynaflow и Шевроль » с Turboglide также существовала. Buick Dynaflow использовал характеристики увеличения крутящего момента своей планетарной передачи в сочетании с гидротрансформатором для пониженной передачи и обходил первую турбину, используя только вторую турбину при увеличении скорости автомобиля. Неизбежным компромиссом с этой компоновкой была низкая эффективность, и в конечном итоге эти трансмиссии были прекращены в пользу более эффективных трехскоростных агрегатов с обычным трехэлементным преобразователем крутящего момента. Также обнаружено, что КПД гидротрансформатора максимален на очень низких скоростях.

Гидротрансформаторы с блокировкой

Как описано выше, толкающие потери в преобразователе крутящего момента снижают эффективность и генерируют отходящее тепло. В современных автомобильных приложениях этой проблемы обычно удается избежать за счет использования муфты блокировки, которая физически связывает рабочее колесо и турбину, эффективно превращая преобразователь в чисто механическую муфту. В результате нет проскальзывания и практически никаких потерь мощности.

Первое автомобильное применение принципа блокировки , было Packard «S Ultramatic передачи, введенная в 1949 году, который заперт преобразователь на крейсерской скорости, разблокировки , когда дроссель был поражен для быстрого ускорения или как транспортное средство замедляется. Эта функция также присутствовала в некоторых коробках передач Borg-Warner, выпущенных в 1950-х годах. В последующие годы он потерял популярность из-за своей дополнительной сложности и стоимости. В конце 1970-х муфты с блокировкой стали снова появляться в ответ на потребность в улучшенной экономии топлива, и теперь они почти универсальны в автомобильной промышленности.

Емкость и режимы отказа

Как и в случае с базовой гидравлической муфтой, теоретический крутящий момент преобразователя пропорционален , где - массовая плотность жидкости (кг / м 3 ), - частота вращения рабочего колеса ( об / мин ) и - диаметр (м). На практике максимальный крутящий момент ограничен механическими характеристиками материалов, используемых в компонентах преобразователя, а также способностью преобразователя рассеивать тепло (часто посредством водяного охлаждения). Для повышения прочности, надежности и экономичности производства большинство корпусов преобразователей автомобилей имеют сварную конструкцию. Промышленные агрегаты обычно собираются с корпусами на болтах, что упрощает процесс осмотра и ремонта, но увеличивает стоимость производства преобразователя.

В высокопроизводительных, гоночных и тяжелых промышленных преобразователях насос и турбина могут быть дополнительно усилены с помощью процесса, называемого пайкой в печи , при котором расплавленная латунь втягивается в швы и соединения для создания более прочного соединения между лопатками, ступицами и кольцевым кольцом ( с). Поскольку процесс пайки в печи создает небольшой радиус в точке, где лопатка встречается со ступицей или кольцевым кольцом, произойдет теоретическое уменьшение турбулентности, что приведет к соответствующему увеличению эффективности.

Перегрузка преобразователя может привести к нескольким режимам отказа, некоторые из которых потенциально опасны по своей природе:

  • Перегрев : постоянное высокое проскальзывание может нарушить способность преобразователя рассеивать тепло, что приведет к повреждению эластомерных уплотнений , удерживающих жидкость внутри преобразователя. Это приведет к протечке устройства и, в конечном итоге, к прекращению работы из-за нехватки жидкости.
  • Заедание муфты статора : Внутренний и внешний элементы муфты одностороннего действия статора постоянно блокируются вместе, что предотвращает вращение статора во время фазы сцепления. Чаще всего заедание происходит из-за сильной нагрузки и последующей деформации компонентов сцепления. В конечном итоге происходит истирание сопрягаемых частей, что вызывает заедание. Преобразователь с заеданием муфты статора будет демонстрировать очень низкий КПД во время фазы сцепления, а в автомобиле расход топлива резко возрастет. Перегрев преобразователя в таких условиях обычно происходит, если продолжать работу.
  • Поломка муфты статора : очень резкое приложение мощности может вызвать ударную нагрузку на муфту статора, что приведет к поломке. Если это произойдет, статор будет свободно вращаться в противоположных направлениях в направлении, противоположном направлению вращения насоса, и передача мощности практически не произойдет. В автомобиле эффект аналогичен серьезному случаю пробуксовки трансмиссии, и транспортное средство практически не может двигаться самостоятельно.
  • Деформация и фрагментация лопастей: при резкой нагрузке или чрезмерном нагреве преобразователя лопатки насоса и / или турбины могут деформироваться, отделиться от их ступиц и / или кольцевых колец, или могут разбиться на фрагменты. По крайней мере, такой отказ приведет к значительной потере эффективности, вызывая симптомы, аналогичные (хотя и менее выраженные) тем, которые сопровождают отказ муфты статора. В крайнем случае произойдет катастрофическое разрушение преобразователя.
  • Раздувание : продолжительная работа при чрезмерной нагрузке, очень резком приложении нагрузки или работе гидротрансформатора на очень высоких оборотах может привести к физическому искажению формы корпуса преобразователя из-за внутреннего давления и / или напряжения, вызванного инерцией. В экстремальных условиях раздувание приведет к разрыву корпуса преобразователя, что приведет к сильному рассеянию горячего масла и металлических фрагментов по большой площади.

Производители

Текущий

прошлый

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Гидродинамические муфты и преобразователи . Справочник по автомобилестроению (3-е изд.). Роберт Бош . 1993. стр. 539. ISBN. 0-8376-0330-7.
  2. ^ «Espacenet - Оригинальный документ» . Worldwide.espacenet.com. 1933-03-07 . Проверено 21 июля 2014 .
  3. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2010-03-02 . Проверено 31 октября 2009 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  4. ^ [1]

внешние ссылки