Особенности определения тягово-скоростных свойств стс с гидродинамической и электрической трансмиссиями

4.1. СТС с гидродинамической трансмиссией

Механическая трансмиссия обеспечивает сравнительно жесткую связь двигателя с ведущими колесами ТС, что позволяет получить однозначные величины крутящего момента и угловой скорости колес в зависимости от конкретного передаточного числа и КПД ступенчатой трансмиссии. Наличие в  ТС  гидродинамической или  электрической

трансмиссии исключает жесткую связь двигателя с ведущими колесами и позволяет проводить бесступенчатое управление изменением момента и скорости на ведущих колесах в широких пределах. Применение бесступенчатой (гибкой) связи двигателя с ведущими колесами обеспечивает рациональное использование максимальной мощности двигателя, улучшает тягово-скоростные свойства и топливную экономичность ТС. Учитывая, что VК = ωКrК = ωеrК/Ui = πnrК/30Ui = 0,105 nrК/Ui

(где VК=V – скорость поступательного движения колеса и соответственно ТС [м/с]; ωК и  ωе  соответственно угловые скорости  вращения колеса и вала двигателя; rК  – радиус качения колеса; Ui – передаточное число трансмиссии; n – обороты колеса [мин-1]), при n = nN = const. и rК = const., передаточное число бесступенчатой трансмиссии

Ui  = 0,105 nrК/V будет изменяться по гиперболическому закону. Такой характер изменения передаточного числа позволяет преодолевать ТС

подъемы на максимальной мощности с большей скоростью и уменьшать время и путь разгона по сравнению со ступенчатой трансмиссией.

Основой  гидродинамической  трансмиссии  является  гидротрансформатор. Момент на валу турбины гидротрансформатора равен

МТ = КГТМН,

где МН – момент на валу насоса гидротрансформатора; КГТ – коэффициент трансформации, изменяющийся в зависимости от передаточного отношения iГТ  = ωТ/ωН; ωТ  и ωН  – соответственно угловые скорости валов турбины и насоса. В существующих гидротрансформаторах КГТ изменяется в диапазоне от 1 до 4. Максимальное значение КГТ   соответствует неподвижной турбине iГТ = 0.

Работа гидротрансформатора характеризуется моментами на валу насоса МН  и трансформатора МТ, отображаемыми аналогичными характеристиками:

МН = λ′НρЖD5

ω 2, (Н⋅м)    (58)

ГТ   Н

где  λ′Н   –  коэффициент  насоса  (коэффициент  пропорциональности крутящего момента на валу насоса (трансформатора); ρЖ – плотность рабочей жидкости (кг/м3); DГТ –  активный диаметр гидротрансформатора, максимальный размер  его  рабочей полости (м); ωН  – угловая скорость вращения вала.

ГТ

 

В процессе работы гидротрансформатора величины ρЖD5

не изменяются, поэтому формулу (58) можно упростить

2

 

МН = λНωН , (Н⋅м),           (59)

ГТ

 

где λН = λ′НρЖD5

МН = f(ωН) при различных значениях передаточного отношения iГТ

называют нагрузочной характеристикой гидротрансформатора.

Энергетические свойства гидропередачи характеризуются КПД, равным отношению мощности, отводимой от турбины и подводимой к насосу ηГТ  = NT/NH  = MTωT/MHωH  = KГТiГТ, где NT,NH  –  соответственно мощность на валу турбины и насоса.

На колесных ТС применяются комплексные гидротрансформаторы, способные работать и в режиме гидромуфты, т.е. когда МТ = МН и КГТ = 1. Для гидромуфты КГМ = 1 и iГМ = ηГМ, где КГМ и ηГМ коэффициент  трансформации  и  КПД  гидромуфты  соответственно.  У  гидро

трансформаторов с  реактором  коэффициент  трансформации  находится в пределах 1 ≤ КГТ ≤ 1.

Рис.6. Исходные и нагрузочные характеристики двигателя с гидропередачей:

а – безразмерные характеристики гидротрансформатора; б – совместная работа двигателя и гидротрансформатора (прозрачная нагрузочная характеристика); в – непрозрачная нагрузочная характеристика

Графики зависимости КГТ  = f(iГТ) и ηГТ  = f(iГТ) называют исходной (безразмерной) характеристикой гидропередачи. Для гидромуфты график зависимости КГМ  = f(iГМ) изображается прямой параллельной

оси абсцисс; график зависимости ηГМ = f(iГМ) изображается прямой, проходящей через начало координат под углом 450  к координатным осям (ηГМ = iГМ). Зависимость КГТ = f(iГТ) у гидротрансформаторов близка к параболической, а у комплексных – к линейной. Зависимость

ηГМ = f(iГМ) у трансформаторов близка к кубической, а у комплексных –

к квадратичной параболам.

Гидротрансформатор обладает свойством прозрачности, характеризующим способность передавать первичному двигателю изменение нагрузки на валу турбины. Это свойство оценивается коэффициентом прозрачности П = λНО/λНМ , где λНО  и λНМ  – соответственно  коэффициенты крутящего момента насоса при iГТ = 0 и при величине iГТ соответствующей режиму работы гидромуфты (КГТ = 1). При λН = const. гидротрансформатор называется непрозрачным; при λН  = f(iГТ) – прозрачным.

При расчете тягово-скоростной характеристики ТС определяют параметры совместной работы гидротрансформатора и двигателя. Точки пересечения кривых изменения крутящего момента двигателя с нагрузочными характеристиками (рис.6,б) определяют параметры совместной работы гидротрансформатора и двигателя.

При работе двигателя по внешней характеристике (максимальная подача топлива) эти точки при различных значениях iГТ, изменяющихся от 0 до 1, располагаются на кривой аb. Если двигатель работает на частичных нагрузках, точки, характеризующие параметры совместной работы, будут располагаться в зоне O′abO′′.

Непрозрачный гидротрансформатор может работать только в соответствии с кривой Ос (рис.6, б, в).

Трогание с места сопровождается увеличением подачи топлива и ростом скорости вращения вала двигателя, крутящий момент двигателя и насоса увеличивается по кривой О′d от минимально устойчивой скорости ωmin. Суммарный крутящий момент на колесах также возрастает МН∑ = МТu0ηTO, где МТ определяется по формуле (58) или (59) при iТ = 0; u0 и ηTO – соответственно передаточное число и КПД трансмиссии на участке от вала турбины до ведущих колес.

Когда крутящий момент достигает величины, соответствующей началу движения ТС, частота вращения ωT вала турбины и величина iT будут отличаться от 0 и совместная работа гидротрансформатора и двигателя определяется кривой de.

При увеличении скорости движения ТС угловая скорость ωТ  возрастает и величина iГT может изменяться от 0 до 1. Для определения крутящих моментов МН∑  и МТ  в данном случае следует задавать различные значения iГT и определять соответствующие им значения λН.

При графоаналитическом методе расчета совместно строятся нагрузочные характеристики гидротрансформатора при выбранных значениях iГT и внешняя скоростная характеристика двигателя. Точка пересечения этих характеристик определяет значения МН и ωН. Для этой же величины iГT находят по характеристике величины λТ или КГТ, а по формулам (58) или (59) – крутящий момент МН∑, а затем окружную силу на ведущих колесах. Скорость движения ТС, соответствующая крутящему моменту МН∑, определяется по формуле

V = rKωНiГT/u0 = 2πrKiГT  /u0.

При аналитическом методе расчета параметры совместной работы гидротрансформатора и двигателя определяют при решении уравнений (28) и (59), описывающих работу двигателя и насоса гидротрансформатора соответственно. Вычисленные значения МН  и ωН служат основой дальнейшего расчета и построения графической зависимости полной окружной силы на ведущих колесах ТС.

При построении динамической характеристики ТС с гидродинамической трансмиссией выражение для коэффициента приращения массы δ∑V  будет иметь несколько иной вид. У ТС с непрозрачным гидротрансформатором при расчете δ∑V следует учитывать только  массы, жестко связанные с турбиной, вращающимися деталями трансмиссии с переменной скоростью и колесами. При наличии прозрачного трансформатора угловая скорость вала двигателя и насоса в процессе разгона увеличивается в пределах от ω′Д до ωДmax.

Крутящий момент, снимаемый с вала насоса такого гидротрансформатора, будет

МН = МД – JHdωH/dt,

где JH  момент инерции насоса и жестко соединенных с ним деталей

двигателя; МД – момент, подводимый от двигателя.

Крутящий момент, подведенный к колесу турбины, М′

= М К

Т          Н   ГТ.

Крутящий момент, снимаемый с вала турбины, МТ = МНКГТ = JТdωТ/dt, где JТ  – момент инерции турбины и жестко с ней соединенных деталей.

Крутящий момент колес

МН∑ = МДКГТu0ηTP JHКГТu0ηTPdωH/dt JТ u0ηГTdωТ/dt – ∑JКdωК/dt,       (60)

где JК момент инерции колеса ТС.

Угловое ускорение вала турбины dωТ/dt = u0dV/rKdt.   (61)

Угловое ускорение вала насоса dωH/dt = dωH dVu0/rKdωТdt. (62)

Решая совместно уравнения (61), (62) и (63) получим

2

МН∑ = МДКГТu0ηTP – (dV/dt)[(JHКГТu0

2

ηTPdωH/rKdt) +

+ (JТ u0 ηTP/rK) + (∑JК/rK)].            (63)

Коэффициент приращения массы ТС с прозрачным гидротрансформатором будет равен

2          2          2          2          2

δ∑V = 1 + JHКГТu0  ηТОdωH/mrК

dt + JТ u0  ηТО/mrK

+ ∑JК/mrK ,    (64)

где m –масса ТС; ηTP – КПД трансмиссии; ηТО  – КПД трансмиссии от вала турбины до ведущих колес. В расчетах принимаем rK  ≈ rd  (соответственно радиусы качения rK и динамический rd).

Коэффициент            δ∑V    прозрачного   гидротрансформатора          является переменной величиной, изменяющейся в зависимости от передаточного числа трансмиссии и скорости движения ТС.

Коэффициент  приращения  массы  δ∑V   для  ТС  с  непрозрачным трансформатором имеет более простое выражение, так как dωH/dt = 0

2          2          2          1

δ∑V = 1 + JТ u0  ηТО/mrK

+ ∑JК/mrK .    (64 )

Величина δ∑V  у ТС с гидротрансформатором меньше, чем у ТС с механической трансмиссией, при этом КПД гидротрансформатора является переменной величиной ηГT = NT/NH = КГТiГТ.

Материал взят из книги Расчет тягово-скоростных свойств и топливной экономичности специальных транспортных средств (А.М. Петренко)