Инновационная гидромеханическая трансмиссия городского транспорта

Введение

В настоящее время мощность двигателя выбирают исходя из её динамической составляющей — для обеспечения желаемого разгона при ускорении. При том, что для того, чтобы поддерживать постоянную скорость автомобиля требуется незначительная мощность — преодолеть силу сопротивления перекатывания колёс.

Целью выпускной квалификационной работы является разработка энергосберегающего объемного гидропривода городского транспорта с рекуперацией энергии, который бы позволил снизить установочную мощность двигателя в несколько раз и обеспечил бы уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу.

Цель была достигнута при помощи гидроаккумулятора (который, как известно из определения, является источником бесконечной мощности), гидромашины, которая работала бы в режиме мотора при ускорении, и в режиме насоса при торможении, аккумулируя энергию в гидробак, гидродинамической передачи, которая бы передавала требую мощность двигателя в режиме постоянной скорости.

1. Обзор технической литературы

1.1 Основные требования к трансмиссиям автомобилей Требования, предъявляемые к изделиям, принято делить на пять групп, обеспечивающих повышение производительности и топливной экономичности; безопасность, эргономические и эстетические требования, комфортабельность; надежность в установленных пределах; снижение совокупных затрат на производство, обслуживание и эксплуатацию; соблюдение нормативных документов.

Первой группой требований определяется общая схема трансмиссии и схема ее агрегатов. На их базе формулируется требование передачи мощности двигателя ведущим колесам с минимальными потерями.

Второй группой определяются требования по бесшумности работы, отсутствию вредных выбросов в окружающую среду, эстетичности конструкции.

Выполнение требований по надежности автомобиля и его агрегатов обеспечивается правильно организованными расчетами, выбором материалов и способов термообработки, регламентацией операций технического обслуживания в процессе эксплуатации автомобиля.

При проектировании автомобиля конструктор должен уделять особое внимание уменьшению металлоемкости конструкций, снижению затрат на его производство, обслуживание и эксплуатацию. Для обеспечения выполнения этих требований необходимы хорошие знания технологии и экономики производства, организации технического обслуживания и ремонта.

Общие требования к эксплуатационной технологичности конструкции автомобилей определяются ГОСТами и материалами координационного центра СЭВ. Рассмотрим основные требования, предъявляемые к трансмиссии автомобиля.

Агрегаты и детали, часто подвергающиеся демонтажу при эксплуатации, необходимо делать легкосъемными, а часто снимаемые крышки люков устанавливать на быстросъемных зажимах, не допускающих самопроизвольного открытия.

Агрегаты и механизмы, масса которых превышает 30 кг, должны иметь приспособления для снятия и транспортирования грузоподъемными средствами (должны предусматриваться захваты, рымболты, проушины и пр.).

Емкости и резервуары, в которых должны контролироваться уровни рабочих жидкостей, необходимо снабжать индикаторами уровня. Необходимо обеспечить установку встроенных устройств, позволяющих наблюдать за уровнем жидкости непосредственно на щитке приборов или дающих возможность легко и быстро его контролировать. Должна предусматриваться возможность полного слива жидкостей из всех рабочих объемов. Число типоразмеров мест «под ключ» резьбовых пробок сливных и заливных отверстий для всех систем автомобиля должно быть не более трех.

Необходимо обеспечивать свободный доступ для работы механизированным инструментом или стандартными динамометрическими ключами к крепежным соединениям, требующим большого или нормированного усилия для затяжки, к остальным — стандартным крепежным инструментом. Конструкцией должно быть предусмотрено выполнение крепежных работ одним человеком.

Все крепежные детали, подверженные воздействию влаги, должны иметь антикоррозионное покрытие или, где это возможно, выполняться из пластмасс. В наиболее ответственных соединениях изделия следует применять самоконтрящиеся крепежные детали или другие средства, исключающие самоотвинчивание.

Для тросов и тяг привода управления системами должны предусматриваться направляющие, не требующие смазывания.

1.2 Схемы трансмиссий автомобилей Трансмиссия автомобиля — это совокупность агрегатов и механизмов, передающих мощность двигателя ведущим колесам и изменяющих ее параметры: крутящий момент, частоту и направление вращения.

Рис. 1.1 Схемы трансмиссий автомобилей с задними ведущими колесами: а — Применяемая на всех типах автомобилей, б… гприменяемая на автобусах; 1 — двигатель, 2 — сцепление, 3 — коробка передач, 4 — карданная передача, 5 — главная передача и дифференциал, 6 — вал привода ведущего колеса Трансмиссия должна обеспечивать: достаточный диапазон регулирования передаваемого к ведущим колесам момента при высоком коэффициенте полезного действия; возможность трогания с места; движение задним ходом; как кратковременный, так и длительный холостой ход двигателя.

В наиболее распространенном варианте трансмиссия включает следующие агрегаты и механизмы (рис. 1.1): сцепление; коробку передач; карданную передачу; главную передачу; дифференциал; валы ведущих колес.

Сцепление передает крутящий момент двигателя и служит для временного отсоединения трансмиссии от работающего двигателя, а также для плавного их соединения. Отсоединять трансмиссию от двигателя необходимо при остановке и торможении автомобиля и при переключении передач; плавно соединять их — при троганин автомобиля с места и после включения передачи. Кроме того, сцепление предохраняет детали трансмиссии от значительных перегрузок инерционным моментом, создаваемым вращающимися массами двигателя при резком замедлении вращения коленчатого вала.

Коробка передач предназначена для преобразования крутящего момента двигателя и длительного отсоединения двигателя от ведущих колес.

Карданная передача служит для передачи мощности агрегатам трансмиссий автомобиля, оси валов которых не лежат на одной прямой или могут изменять свое взаимное расположение при движении автомобиля. Карданная передача состоит из карданных шарниров, валов и промежуточных опор.

Главная передача предназначена для преобразования крутящего момента, передаваемого от коробки передач ведущим колесам. В наиболее распространенных трансмиссиях главная передача обеспечивает передачу момента от карданного вала ведущим колесам под углом 90°. Главная передача представляет собой шестеренчатый редуктор с постоянным или переключаемым передаточным числом.

Дифференциал служит для распределения в заданном соотношении подводимого к нему крутящего момента между выходными валами. Дифференциал позволяет вращаться выходным валам с неодинаковой угловой скоростью. Дифференциал, установленный между правым и левым ведущими колесами одного моста, называется межколесным. Дифференциал, установленный между ведущими мостами автомобиля, называется межосевым.

Валы ведущих колес передают момент от дифференциала к ведущим колесам.

Трансмиссии автомобилей разделяют по типу преобразователя момента, по месту расположения двигателя, числу и расположению ведущих мостов. По типу преобразователя момента трансмиссии делятся на две группы: механические ступенчатые и бесступенчатые.

Механическая ступенчатая трансмиссия имеет преобразователь момента в виде коробки передач, изменяющей передаточное число между входным и выходным валами за счет переключения шестерен. Передаточное число в таких трансмиссиях на каждой ступени постоянно. Такие трансмиссии являются наиболее простыми, имеют наименьшую стоимость, высокую степень надежности, поэтому получили наибольшее распространение. К недостаткам ступенчатых механических трансмиссий следует отнести ступенчатость передаточного числа и, соответственно, сложность управления при большом числе ступеней в коробке передач.

Бесступенчатая трансмиссия имеет преобразователь момента в виде устройства, плавно изменяющего передаточное число между входным и выходными валами. Такая трансмиссия позволяет плавно изменять передаточное число между валами во всем диапазоне регулирования или в узком. В последнем случае полный диапазон регулирования обеспечивается за счет дополнительной ступенчатой коробки передач.

На автомобилях применяют следующие типы бесступенчатых трансмиссий: гидромеханические; электромеханические; гидрообъемные; механические.

Наиболее широкое распространение получили гидромеханические трансмиссии.

Гидромеханическая передача состоит из гидродинамической и механической передач. Гидродинамические передачи делятся на гидротрансформаторы и гидромуфты. Гидромуфта содержит два лопастных колеса (насос и турбину) и может изменять только кинематическое передаточное отношение. Гидротрансформатор имеет не менее трех лопастных колес (насос, турбина и реактор), причем последний обязательно должен быть соединен с внешней опорой. Это позволяет с помощью гидротрансформатора бесступенчато изменять кинематическое и силовое передаточные отношения между входным и выходными валами.

Применение на автомобилях гидромеханических передач способствует увеличению срока службы двигателя и трансмиссии, уменьшению числа ступеней в механическом редукторе, уменьшению числа переключений, повышению проходимости автомобиля и улучшению комфортабельности, облегчается управление автомобилем. Гидромеханические передачи по сравнению с механическими имеют более сложную конструкцию, повышенные массу и стоимость. При замене механической передачи гидромеханической наблюдается некоторое ухудшение характеристик разгона автомобиля и повышение расхода топлива. Момент двигателя передается на насосное колесо гидромеханической передачи непосредственно или через согласующий редуктор.

В гидромеханических трансмиссиях применяются ступенчатые редукторы, позволяющие переключать передачи при сохранении силовой и кинематической связей с двигателем. В этом случае фрикционное сцепление в конструкции отсутствует. Если используется ступенчатая коробка передач с переключением и разрывом мощности, сцепление сохраняется.

Рис. 1.2. Принципиальная схема электромеханических трансмиссий, а — c групповым приводом, б — с индивидуальным.

1 — ДВС, 2 — генератор, 3 — электромотор, 4 — карданная передача, 5 — главная пара с дифференциалом, 6 — вал привода ведущего колеса, 7 — токоведущие соединения, 8 — электромотор-колесо Электромеханическая трансмиссия состоит из электрической и механической передач. В таких трансмиссиях электрическая энергия вырабатывается с помощью генератора, который приводится во вращение двигателем. Трансмиссии выполняются по схеме группового или индивидуального привода ведущих колес. В схеме группового привода крутящий момент от одного электродвигателя через механическую передачу передается на несколько колес (рис. 1.2, а). В схеме с индивидуальным приводом крутящий момент на каждое колесо передается от отдельного электродвигателя через механическую передачу (редуктор) (рис. 1.2, б). Колесо, электродвигатель, редуктор и другие узлы конструктивно объединяются в один агрегат — мотор-колесо. На рис. 1.3 показан один из возможных вариантов конструктивного выполнения моторколеса. Внутри опоры 10, соединенной с корпусом автомобиля, располагается статор 9 электродвигателя. Крутящий момент от якоря электродвигателя 5 через ведущий вал и шестерни 2. А передается на шестерню с внутренним зацеплением 11, соединенную со ступицей 6 колеса. Ступица 6 колеса установлена на опоре 10 на подшипниках 7. Для охлаждения электродвигателя через канал 1 подается воздух. Нагретый воздух выходит через отверстие 8.

Рис. 1.3 Электромотор-колесо фирмы «General-Electric»

Основными агрегатами электромеханической трансмиссии являются генератор и мотор-колеса. Агрегаты связаны токоведущими проводами. Электромеханические трансмиссии применяются на сверхтяжелых автомобилях, самосвалах (грузоподъемностью выше 80 т), автомобилях и автопоездах высокой проходимости, автобусах особо большой вместимости. Электромеханические трансмиссии создаются в основном для передачи больших мощностей в тех случаях, когда применение гидромеханической трансмиссии является нецелесообразным.

Основным достоинством электромеханической трансмиссии является бесступенчатость регулирования. Другие положительные их качества проявляются по типам автомобилей: в самосвалах— улучшается компоновка и распределение массы автомобиля по мостам за счет оптимального расположения мотор-колес; появляется возможность реализации одним мотор-колесом большой мощности; уменьшается масса трансмиссии (начиная с мощностей 700…800 кВт); в автомобилях и автопоездах высокой проходимости — обеспечивается свободный выбор колесной формулы и простота общей компоновки; существенное повышение проходимости за счет увеличения числа ведущих колес, активизации прицепных звеньев, плавного регулирования силы тяги; упрощается конструкция механической части привода; в автобусах — представляется возможность создавать сочлененные автобусы особо большой вместимости с высокими тяговосцепными показателями; улучшается планировка и снижается уровень пола пассажирского салона.

К недостаткам электромеханических трансмиссий относятся: большая материалоемкость агрегатов и в целом трансмиссии по сравнению с механической и гидромеханической трансмиссиями; сравнительно низкий КПД; высокая первоначальная стоимость; большие неподрессоренные массы.

По месту расположения двигателя, числу и расположению ведущих мостов трансмиссии современных автомобилей можно разделить на: трансмиссии с задним ведущим мостом и расположением двигателя впереди или внутри базы; с передним ведущим мостом и передним расположением двигателя; с задним ведущим мостом и задним расположением двигателя; трансмиссии многоприводных автомобилей.

Первый тип трансмиссий в настоящее время является наиболее распространенным. Такие трансмиссии применяются практически на всех грузовых автомобилях с одним ведущим мостом, на большинстве автобусов и легковых автомобилях. Трансмиссия состоит (см. рис. 1.1) из сцепления, преобразователя крутящего момента (коробки передач), одновальной или двухвальной карданной передачи, главной передачи и валов ведущих колес.

В качестве преобразователя крутящего момента применяется ступенчатая механическая коробка передач, гидромеханическая или гидрообъемная передача. На. большегрузных автомобилях для увеличения числа ступеней последовательно с основной коробкой может устанавливаться двухили трехступенчатая дополнительная коробка. Дополнительная коробка передач может быть отдельной или объединенной с основной. При зависимой подвеске ведущего моста главная передача, дифференциал, валы ведущих колес объединяются в один агрегат — ведущий мост. При независимой подвеске в общий агрегат, закрепленный на раме или кузове автомобиля, объединяются главная передача и дифференциал, а валы ведущих колес делают с карданными шарнирами, позволяющими колесам изменять свое положение относительно главной передачи. Главные передачи могут различаться конструкцией, но обязательно должны включать передаточные механизмы, изменяющие направление крутящего момента под углом 90°.

При компоновках трансмиссий автобусов стремятся обеспечить максимальный объем пассажирского салона и ровность пола. Для автобусов, кузова которых устанавливаются на шасси стандартных грузовых автомобилей массового производства, характерны те же схемы трансмиссий, что и для грузовых автомобилей. Недостатками переднего расположения двигателей в автобусах является плохая изоляция двигателя от салона и опасность возникновения вибраций вследствие применения многозвенной карданной передачи. Поэтому на городских, междугородных и туристских автобусах наиболее часто двигатель располагают в пределах базы или сзади. При расположении двигателя в пределах базы последний, как правило, располагают под полом салона или сбоку (см. рис. 1.1,в, г). При этом двигатель, сцепление и коробка передач могут объединяться в один агрегат или же коробка передач может устанавливаться отдельно. На автобусах применяют только зависимую подвеску ведущего моста. Поэтому главная передача, дифференциал и валы ведущих колес объединяются в одном картере.

Передний ведущий мост при переднем расположении двигателя имеют только легковые автомобили. Такая схема обеспечивает автомобилю хорошую курсовую и траекторную устойчивость и управляемость. Схема и конструкция трансмиссии таких автомобилей во многом определяются расположением двигателя по отношению к продольной оси автомобиля. Возможно продольное и поперечное расположение двигателя.

У автомобилей с продольным расположением двигателя применяют трансмиссии, выполненные по схемам: с главной передачей, расположенной между двигателем и коробкой передач; с главной передачей, размещенной под двигателем.

В первом случае (рис. 1.6) сцепление размещается вместе с двигателем, а его связь с коробкой передач осуществляется валом, центрированным в маховике двигателя.

При размещении главной передачи под двигателем связь двигателя с трансмиссией осуществляется шестеренчатой или цепной передачей. Шестеренчатые передачи наиболее часто применяют у автомобилей малого класса. Трансмиссия с расположением двигателя над главной передачей является наиболее компактной по длине. Такие трансмиссии требуют высокого расположения капота двигателя, что усложняет компоновку автомобиля. Длина двигателя в схеме с продольным расположением жестко не лимитируется. Поэтому такую схему преимущественно имеют автомобили с двигателем большого объема. У переднеприводных автомобилей с продольным расположением двигателя наиболее часто применяют двухвальные коробки передач. На выходном валу коробки устанавливается ведущая шестерня конической главной передачи.

Наиболее характерной для переднеприводных автомобилей особо малого и малого классов является схема с поперечным расположением двигателя. При такой схеме трансмиссия оказывается наиболее компактной и, что очень важно, в ней отсутствует коническая передача.

Рис. 1.4 Схемы трансмиссий автобусов при заднем расположении двигателя: 1 — коробка передач, 2 — сцепление, 3 — двигатель, 4 — вал привода ведущего колеса, 5 — главная передача и дифференциал, 6 — карданная передача, 7 — дополнительная передача При поперечном расположении двигателя возможно размещение трансмиссии и двигателя в одном или различных картерах. В первом случае достигается большая компактность агрегата двигатель — трансмиссия. При этом конструкция получается достаточно сложной, а ремонтные работы затруднены. Заднее расположение двигателя при заднем ведущем мосту является наиболее перспективным для междугородных и туристских автобусов. При таком расположении двигателя возможны хорошая изоляция его от салона; оптимальное распределение нагрузки по мостам; создание вместительных багажников под полом по всей ширине автобуса. Некоторые компоновочные схемы трансмиссий автобусов с задним расположением двигателя показаны на рис. 1.5. Двигатель может иметь продольное или поперечное (наиболее часто) расположение. В последнем случае при механической или гидромеханической трансмиссиях может применяться главная передача, с помощью которой передается момент ведущим колесам при угле, отличном от 90°.

На некоторых легковых автомобилях имеет место также заднее расположение двигателя при задних ведущих колесах. Компоновки трансмиссий таких автомобилей практически те же, что и в легковых автомобилях с передним расположением двигателя и передними ведущими колесами. Легковые автомобили с задним расположением двигателя не перспективны в силу присущих им недостатков: ухудшенных курсовой устойчивости и управляемости.

Рис. 1.5. Схемы трансмиссий неполноприводных автомобилей с двумя ведущими моста. 1 — двигатель, 2 — сцепление, 3 — коробка передач, 4 — карданная передача, 5 — главная передача и дифференциал, 6 — вал привода ведущего колеса, 7 — раздаточная коробка В трансмиссиях многоприводных автомобилей имеется механизм, обеспечивающий распределение мощности двигателя между двумя или более мостами.

Передача мощности двигателя нескольким мостам может осуществляться за счет создания проходных мостов — последовательно от одного моста к другому, или путем установки специального механизма (раздаточной коробки). На рис. 1.6 показаны схемы трансмиссии неполноприводных автомобилей с двумя ведущими мостами. Основным преимуществом схемы с раздаточной коробкой является высокая степень унификации ведущих мостов. К недостаткам относится большое количество карданных шарниров и наличие дополнительного агрегата — раздаточной коробки. Раздаточная коробка является более сложным и тяжелым агрегатом, чем узел деления мощности между мостами в трансмиссиях, выполненных по второй схеме.

Трансмиссии полноприводных автомобилей обеспечивают передачу мощности ко всем колесам автомобиля. При этом используется одна или несколько коробок. Как правило, раздаточная коробка, установленная непосредственно за основной, выполняет также функции дополнительной коробки передач. В ней предусматриваются две ступени передаточных чисел, что обеспечивает широкий диапазон регулирования передаточных чисел трансмиссии, необходимый для автомобилей высокой проходимости.

Принципиально трансмиссии многоприводных автомобилей можно разделить на две группы: с блокированным и дифференциальным приводом. В трансмиссиях с дифференциальным приводом в раздаточных коробках устанавливают межосевые дифференциалы, с помощью которых распределяется крутящий момент между ведущими мостами в заданном соотношении. При блокированном приводе ведущие валы главных передач мостов соединены жесткой кинематической связью и всегда вращаются с одинаковой скоростью. Вследствие того, что при движении автомобиля с малым сопротивлением в блокировочном приводе возникает циркуляция мощности, такой привод делают отключающимся. При движении в легких условиях ведущими оставляют только один или два близко расположенных моста. Привод к остальным мостам с помощью муфт отключают от двигателя. Дифференциальный привод делают, как правило, постоянно включенным, а для увеличения проходимости автомобилей при движении в тяжелых дорожных условиях предусматривают автоматическую или принудительную блокировку дифференциалов.

Автомобили высокой проходимости могут иметь два двигателя. Установка двух двигателей чаще всего производится в целях унификации или при отсутствии двигателя необходимой мощности. Характерные компоновочные схемы трансмиссий многоприводных автомобилей показаны на рис. 1.9.

В полноприводных автомобилях в качестве преобразователя момента двигателя широко используют гидромеханические передачи, обеспечивающие повышение проходимости за счет плавного изменения крутящего момента, подводимого к ведущим колесам, и отсутствия разрыва потока мощности, передающейся через трансмиссию, при переключении передач. Гидрообъемная трансмиссия состоит из регулируемого гидронасоса и одного или нескольких гидромоторов (регулируемых или нерегулируемых). В случае применения одного гидронасоса и одного гидромотора гидрообъемная передача выполняет только функцию преобразователя момента (рис. 1.4).

Рис 1.6. Принципиальные схемы гидрообъемных трансмиссий: a — c групповым приводом, б — с индивидуальным приводом; 1 — ДВС, 2 — гидронасос, 3 — гидромотор, 4 — карданная передача, 5 — главная пара и дифференциал заднего моста, 6 — вал привода ведущего колеса, 7 — трубопроводы, 8 — мотор колесо Наиболее часто гидроагрегаты располагают раздельно: насос соединяют с двигателем, а гидромоторы устанавливаются как вне колеса, так и встраиваются в колесо (гидромотор-колесо). В последнем случае высокомоментные гидромоторы могут соединяться с колесом непосредственно. Такая схема удобна для компоновки гидроагрегатов и применяется для многоприводных машин и автопоездов. Регулирование осуществляется обычно путем управления гидронасосом, а потребный диапазон регулирования достигается за счет отключения привода отдельных мостов.

Достоинствами объемных гидропередач являются: бесступенчатое плавное изменение в широком диапазоне эксплуатационных режимов — скорости и тяги; простота компоновки трансмиссии и машины в целом, в том числе и транспортных средств с активными прицепными звеньями; возможность длительной и устойчивой работы под нагрузкой при малых скоростях; облегчение условий работы двигателя и остальных агрегатов трансмиссии за счет надежной защиты от перегрузок и вибраций; простота управления, легкость автоматизации; возможность реверсирования движения и торможения без специальных устройств.

Свободная компоновка гидроагрегатов на машине, а также возможность легкого разветвления мощности путем разветвления гидравлического потока позволяют создавать трансмиссии, наиболее полно удовлетворяющие условиям работы проектируемой машины.

Основными недостатками являются относительно малый срок службы гидромашин и высокая стоимость.

Гидрообъемные передачи применяются в тракторостроении, сельскохозяйственных, строительных и дорожных машинах, а также иногда в автомобилях, особенно в автопоездах высокой проходимости и карьерных самосвалах.

Одним из направлений кардинального повышения технического уровня многоосных полноприводных транспортных средств, эксплуатация которых предполагается в сложных дорожных условиях, является разработка так называемых «гибких интеллектуальных трансмиссий «, приспособленных к оптимальному автоматическому управлению их функциями и позволяющих осуществлять в процессе движения автомобиля бесступенчатое регулирование крутящих моментов на каждом из колес в соответствии с текущими характеристиками взаимодействия «колесо — грунт». Структурный состав таких трансмиссий представляет собой совокупность системы датчиков, определяющих характеристику взаимодействия «колесо — грунт» под каждым из колес, автоматической системы управления распределением крутящих моментов по колесам и бесступенчатого силового привода.

ОАО «НАМИСервис» совместно с объединениями «АМОЗИЛ «и НПО им. Лавочкина, с участием специалистов ведущих институтов, исходя из изложенных положений, разработали и изготовили опытный образец 3-хосного автомобиля с полнопоточной гидрообъемной трансмиссией с использованием шасси ЗИЛ -49 061 полной массой 12 тонн, оборудованной автоматической системой управления .

Гидрообъемная трансмиссия автомобиля 6×6 (рис. 1.8) — полнопоточная, регулируемая, с индивидуальным приводом каждого из колес движителя. Состоит из 3-х аксиально-плунжерных регулируемых, реверсивных и обратимых насосов A4VG125EP2 (поз. 5) с максимальным рабочим объемом ±125 см3 и 6-ти аксиально-поршневых регулируемых и обратимых гидромоторов A6VM160EP2 (поз. 4), имеющих максимальный рабочий объем 160 см³, минимальный — 36.16 см3 (силовой диапазон регулирования — 4.425), фирмы «BOSCH Rexroth» (Германия).

Каждый насос связан с 2-мя параллельно включенными гидромоторами, приводящими в движение колеса одной условной оси. ГОТ выполнена по закрытой схеме. При движении по дорогам с твердым покрытием все 6 гидромоторов соединяются параллельно, а насосы вместе объединяются в общие магистрали с помощью клапанов кольцевания.

Рис 1.7 Устройство гидрообъемной трансмиссии и автоматической системы управления; 1 — колесный редуктор, 2 — бортовой редуктор, 3 — согласующий редуктор гидромотора, 4 — гидромотор, 5 — насос, 6 — редуктор насосной станции, 7 — ДВС, 8 — микропроцессор управления двигателя, 9 — микропроцессоры управления гидронасосами и гидромоторами

1.3 Принцип работы инновационной гидромеханической трансмиссии В настоящее время выбор двигателя транспортного средства производится на основании наибольшей необходимой мощности в цикле его работы. Проанализируем рабочий цикл, например, городского автобуса. В качестве первого приближения рассмотрим режимы торможения и разгона как равноускоренные движения (с постоянными равными ускорениями и замедлениями), а движение между остановками — с постоянной скоростью. Сопротивлением воздуха пренебрегаем, ввиду его относительно небольшой величиной.

Рис. 1.8 График движения городского транспорта Средняя скорость московского городского транспорта снизилась до 23 км/час. Наибольшая разрешенная скорость в черте города общественного транспорта 60 км/час. Определим из этих условий мощность двигателя автобуса с пассажирами при равномерном движении без учета сопротивления воздуха[8]

Где: G — вес автобуса с пассажирами. Примем G=3,2т=32 000Н.

— Коэффициент сопротивления качению. При асфальтовом покрытии

— Скорость транспортного средства.

= 6.4м/c (23км/ч); = 16.7м/c (60км/ч) При ,

При ,

Как видно, что даже при наибольшей разрешенной скорости 60км/ч двигатель микроавтобуса требуется полезную мощность 8кВт, а под капотом автобуса устанавливают двигатель существенно мощнее.

Очевидно, что это обстоятельство ведет как к перерасходу топлива, так и к огромному урону для городской экологии. Такое явное несоответствие сложилось ввиду желания иметь необходимую приемистость при разгоне и маневрах. В этом случае наибольшая мощность двигателя требуется только в одной точкев конце процесса разгона до скорости 60 км/час (см. рис 2).

Рис. 1.9 График потребляемой мощности при разгоне Как видно, двигатель переразмерен в 3 раза для режима равномерного движения с максимально допустимой скоростью 60км/час. И это при том, что при установке аккумулятора (например пневмогидравлического) мощность приводного двигателя вообще не нужна, поскольку при торможении можно накопить динамическую составляющую мощности, а при разгоне воспользоваться ей. Так в точке, А (так выбирают установочную мощность двигателя по традиционной методике) требуемая мощность у силовой установки равна Где: a — ускорение автобуса. Примем a=5м/c? (так, при комфортном ускорении автобуса время разгона будет составлять приблизительно 10 секунд).

Динамическая составляющая мощности таким образом больше мощности при равномерной скорости в раза, а динамические свойства станут значительно лучше (т.к. аккумулятор является источником бесконечной мощности по определению). Следовательно в 3 раза можно уменьшить мощность ДВС. На рисунке 3 представлена предполагаемая схема предлагаемой схемы инновационной гидромеханической трансмиссии:

Рис. 1.10 Гидравлическая схема инновационной гидромеханической трансмиссии. Здесь: 1-ДВС, 2-гидромашина, 3-распределитель, 4-насос, 5-гидромуфта, 6- карданный вал, 7- дифференциал, 8,9 — камеры управления рабочим объемом гидромашины, 10,11 — педали управления (находятся в кабине водителя) 12-пневмогидроаккумулятор, 13 — обратный клапан, 14 — гидрозамок Рассмотрим режимы движения автомобиля. Рабочий цикл городского транспорта заключается в трех этапах: режим разгона, режим постоянной скорости, режим торможения.

1) Режим разгона. В режиме холостого хода пневмогидроаккумулятор 12 заряжается непрерывно. Гидромашина 2 засчет нажатия на педаль 10 устанавливается в режим гидромотора, а её рабочий объем регулируется величиной нажатия на педаль 10. Так как момент на валу гидромашины определяется как где, то ускорение будет зависеть только от давления в аккумуляторе и рабочего объема гидромашины. При нажатии на педаль 10 распределитель 3 устанавливается в позицию Б, рабочая жидкость от насоса 4 открывает гидрозамок 14, и жидкость от аккумулятора 12 под давлением подается в гидромашину, создавая на ней момент, который передается на дифференциал 7. Одновременно с этим моментом, к другой стороне дифференциала будет подводиться момент от ДВС 1 через гидромуфту 5 и карданный вал 6.

2) Режим постоянной скорости. При достижении нужной скорости гидромашина переводится в нейтральное положение (убирается нога с педали 10). Гидромуфта 5 установлена для обеспечения безударного перехода из режима разгона в транспортный режим. В режиме постоянной скорости энергия на перемещение транспортного средства поступает только от ДВС, т.к. необходимая подсчитанная выше мощность равна 8кВт. Поскольку транспортным средствам, согласно ПДД, в черте города разрешено двигаться с максимальной скоростью 60км/ ч, максимальную мощность ДВС можно ограничить этими же 8 кВт. Как было сказано ранее, гидромашина 2 устанавливается в нейтральное положение, т. е. выводится из работы трансмиссии как таковой. Момент от двигателя передается неизмененным, т.к. гидромуфта не меняет момента. Для аварийных случаев предусмотрено включение традиционных тормозных устройств при значительно большем нажатии на педаль 11.

В отличие от транспортных средств обычной компоновки, где торможение происходит засчет диссипации кинетической энергии транспортного средства в тормозных колодках системы торможения, в данном случае торможение происходит за счет перевода гидромашины 2 в насосный режим с помощью педали 11 и камеры 9. Момент на заднем посту тратится на зарядку аккумулятора 12, таким образом энергия торможения сохраняется в аккумуляторе, а в режиме разгона она используется.

Так гидромашина 2 работает в режиме гидромотора, обеспечивая разгон с нужным ускорением, а так же динамические свойства автомобиля при манёвре автомобиля; при транспортном режиме устанавливается в нейтраль и исключается из трансмиссии (гидромуфта обеспечивает требуемую характеристику трансмиссии в транспортном режиме, засчет регулирования подачи топлива педалью газа), а при торможении переводится в режим насоса педалью 11 из нейтрали (темп торможения будет зависеть, от рабочего объема насоса, т. е. степенью нажатия на педаль), обеспечивая зарядку аккумулятора, которая будет использоваться при разгоне.

Возможность реализации рекуперационной трансмиссии позволяет предложить инновационную автоматическую трансмиссию автомобилей.

Как видно, предлагаемая автоматическая трансмиссия с рекуперацией энергии торможения значительно проще даже традиционной трансмиссии с АКПП и предполагает наличие в кабине только двух педалей управления обратимой регулируемой гидромашины: первая педаль — переводит гидромашину в режим насоса и динамическая составляющая мощности при торможении направляется в пневмогидроаккумулятор, вторая педаль — переводит в ГМ в режим гидромотора и обеспечивает совместно с ДВС разгон автомобиля.

Величина замедления при торможении и ускорении при разгоне регулируются педалями, т. е. величиной рабочего объема гидромашины.

Установочная мощность ДВС можно брать меньше в зависимости от требуемой скорости. После установленного разгона до нужной скорости автомобиля гидромашина переводится в нейтральное положение, обеспечивая движение автомобиля двигателем внутреннего сгорания через гидромуфту, которая безударно согласует характеристики двигателя и автомобиля, а скорость автомобиля можно регулировать педалью акселератора.

микроавтобус сферический торцевой распределитель

2. Конструкторские расчеты

2.1 Расчет гидромуфты

2.1.1 Методы определения основных параметров ГДМ Техническое задание на проектирование ГДМ составляют на основании анализа ее работы в приводе конкретной машины. В результате проектирования выполняют анализ и синтез геометрических параметров лопастных колес, полостей, порогов и других элементов ГДМ, обеспечивающих заданные показатели качества. Техническое задание обычно содержит следующие данные: характеристику двигателя [Nд, Мд = f (wд) ]; вид рабочей жидкости (v, р); технические требования к оптимальному КПД (*); к коэффициенту перегрузки (Kпер); к массе и габаритным размерам; к регулировочным свойствам (глубина регулирования, быстродействие); к надежности (долговечности и безотказности работы) и другим показателям качества. ГДМ должна быть рассчитана и спроектирована таким образом, чтобы внутренние процессы обеспечивали требуемую внешнюю характеристику. При проектировании в первую очередь следует ориентироваться на уже созданные и испытанные конструкции ГДМ, т. е. всегда первым этапом проектирования должен являться этап анализа технической и патентной литературы с целью выбора аналога разрабатываемой конструкции. Такой подход позволит существенно сократить временные и материальные затраты по созданию и внедрению разрабатываемой ГДМ.

В настоящее время известно много методов расчета полностью заполненных ГДМ с различными формами рабочих полостей. Но единого метода, позволяющего выбрать оптимальные параметры ГДМ для любой формы ее рабочей полости, не существует. Это объясняется тем, что несмотря на конструктивную простоту ГДМ, рабочий процесс в ней еще недостаточно изучен, что затрудняет создание обобщенной математической модели течения жидкости.

Известны и используются следующие частные методы анализа и расчета ГДМ.

1. Метод расчета по струйной теории, использующий эмпирические коэффициенты гидравлических потерь в рабочих полостях лопастных гидромашин (насосов и турбин). В основу метода положено рассмотрение баланса энергии жидкости, совершающей замкнутое движение в рабочей полости [3, 4, 16, 25 и др.]. Составив баланс энергий для различных передаточных отношений, можно найти объемную подачу и момент, передаваемый ГДМ. Метод дает удовлетворительные результаты при расчете полностью заполненных ГДМ, лопастные колеса которых имеют внутренние торы. Расчет ведется по средней линии тока или, более того, по трем линиям (средней и прилегающим к внутреннему и наружному торам).

2. Метод расчета с использованием изученной модели рабочего процесса ГДМ. В качестве примеров можно привести расчет по «характеристике потока», предложенный М. Н. Этингофом [3], в основу которого положено изучение явления сверхтурбулентности. На основании экспериментов М. Н. Этингоф получил зависимость суммарного коэффициента потерь от отношения окружной скорости потока к относительной, и эту зависимость использовал при расчете В. М. Берман. Он изучил явление перестроения потока в рабочей полости частично заполненной ГДМ при изменении режимов работы, экспериментально определил показатели и границы переходного процесса, геометрические параметры контуров циркуляции и использовал эти данные при расчете ограничивающих ГДМ с самоопоражниванием рабочей полости. Этот метод применим для расчета ГДМ, для которых было изучено данное явление, и его нельзя распространить на ГДМ, отличающиеся, например, формой рабочей полости, числом лопастей колес и другими параметрами. Он целесообразен для анализа (познания) какого-то явления или рабочего процесса в ГДМ.

3.Метод, базирующийся на материалах, полученных в результате систематизации и обработки расчетных и экспериментальных данных определенного класса ГДМ, отличающихся, например, формой рабочей полости, числом, углами, шириной, толщиной лопастей и другими параметрами. На основании этих исследований строят обобщенные графики, номограммы, позволяющие выбирать оптимальные параметры данного типа ГДМ в соответствии с данными технического задания [3, 25]. Однако полученные графики и номограммы справедливы только для ГДМ с формой рабочей полости, близкой к форме испытанных, что существенно сужает границы применения данного метода.

4. Метод расчета с использованием теории подобия лопастных гидромашин. Этот метод является наиболее надежным и всеобъемлющим для расчета и выбора параметров подобных ГДМ. Но и теория подобия не может быть использована, если не соблюдается условие автомодельности или равенства чисел Рейнольдса, а также в случае расчета ГДМ с трансформируемыми формами рабочих полостей с помощью специальных устройств (например, пружин).

2.1.2 Подбор размеров гидромуфты и контрольные расчеты Пользуясь нормограммой мощности и частоты вращения на входном валу гидромуфты (рис. 2.1) выбираем размеры гидромуфты. Учитывая, характеристики двигателя внутреннего сгорания (его мощность — 35л.с., и вращение выходного вала — от 1000 до 5000 об/минуту) принимаем размер 9K.

В случае частых запусков и разгона маховых масс с большим моментом инерции следует предварительно осуществить следующие контрольные расчеты. Для этого необходимо знать следующие исходные данные:

— номинальная мощность двигателя (мощность на входе), кВт. Принимаем 20кВт.

— номинальная частота вращения двигателя (частота вращения на входе), (), принимаем 2000 об/мин.

— мощность нагрузки на выходе гидромуфты, кВт. Принимаем 12кВт,

— частота вращения машины, (мин-1)

J — момент инерции вращающейся машины, (кгм2)

Т — температура окружающей среды, °С.

Первое определение параметров всегда делается по номограмме табл. А (по мощности и частоте вращения на входе).

Необходимо проконтролировать:

1) время запуска,

2) максимально достигаемую температуру масла в гидромуфте,

3) максимально возможное число пусков в час.

2.1.3.1 Расчет времени запуска Где: — частота вращения на выходе гидромуфты, ();

S (%) — скольжение гидромуфты, измеренное по кривым ее характеристик в зависимости от значения крутящего момента. S=4 для типоразмеров от 7K до 13K.

Вычисляем частоту вращения на выходе гидромуфты:

Вычисляем момент инерции, приведенный к выходу гидромуфты:

Рис 2.1 Номограмма подбора гидромуфты Вычисляем номинальный крутящий момент гидромуфты:

Вычисляем крутящий момент на выходе гидромуфты (момент сопротивления при пуске).

Время запуска будет равняться Вычисляем максимально достигаемую температуру. Для удобства расчета и контроля возможного повышения температуры гидромуфты в конце запуска в расчет не берется фактор вентиляции в фазе запуска:

Где С — общая термическая емкость, (ккал/?C), определяемая по таблице 2.2

Конечная температура гидромуфты в конце пуска равна Где: — конечная температура, ?C

T — температура окружающей среды, ?C

— повышение температуры в фазе запуска, ?C

— повышение температуры в рабочей фазе, ?C

Табл 2.1 Определение термической емкости С по типоразмеру гидромуфты Где K — коэффициент определяемый по номограмме (см. рис. 2.2, принимаем К=5,9

Вычисляем максимальное число пусков в час «Н»:

К теплоте от скольжения гидромуфты в рабочем режиме нужно добавить тепло, выделенное в течение запуска. Для того, чтобы дать время для рассеивания тепла не должны быть превышены следующие количество запусков в час Где — минимальное время функционирование гидромуфты в рабочей фазе:

Рис. 2.2 Номограмма определения коэффициента К

2.1.3 Совместная работа гидромуфты и ДВС.

Для построения характеристики совместной работы двигателя внутреннего сгорания и гидромуфты рассмотрим отдельно:

а) характеристику двигателя внутреннего сгорания (см. рис. 2.3, а), которая строится в координатах М — nдв, где nдв — частота вращения коленчатого вала двигателя.

На рис. 2.3, а — кривая 1 соответствует полному открытию дроссельной заслонки, кривая 2 частичному открытию;

б) характеристику гидромуфты (см. рис. 28, б) в координатах М— n2.

Для выявления нагружающих свойств гидромуфты строим ее входную характеристику (см. рис. 2.3, г). Характеристикой входа гидромуфты называется зависимость момента от частоты вращения насоса при i = const. Характеристики входа мы строим для ряда значений i = 0; 0,3; 0,5 и т. д. до i* по уравнению При этом требуется характеристику, представленную на рис. 2.3, б, перестроить в координатах —, считая, что = (см. рис. 2.3, в).

Построение характеристик входа (или нагрузочных характеристик) гидромуфты выполняем следующим образом: задаемся значением i; затем по графику находим соответствующее значение; вычисляем постоянную для данного i величину и по уравнению строим параболу

Аналогично строим параболы для других значений i (см. рис. 2.3, г).

Совместив на одном графике характеристики, показанные на рис. 2.3, а и г (см. также рис. 2.3, д), получаем точки 1, 2, 3, 4 пересечения кривых моментов насоса с кривой крутящих моментов двигателя. Эти точки являются точками совместной работы двигателя и гидромуфты.

Строим выходную характеристику привода, т. е. кривую изменения крутящего момента на валу турбины в зависимости от частоты вращения турбины при полностью открытой дроссельной заслонке двигателя (см. рис. 2.3, е). Эту зависимость иногда называется деформированной характеристикой двигателя. Каждой точке пересечения кривой нагрузки гидромуфты и кривой крутящего момента двигателя (см. рис. 2.3, д) соответствуют определенный крутящий момент М и частота вращения = nдв. Соответствующая частота вращения турбины составляет

С учетом изложенного построим кривую крутящих моментов на ведомом валу при совместной работе данного двигателя и гидромуфты. Если построить характеристики, показанные пи рис. 2.3, д и е, в одинаковом масштабе и наложить одну на другую, можно видеть, что все значения моментов (точки 1, 2, 3, 4) сдвинутся влево по горизонтали, так как по оси абсцисс отложена частота вращения где i < 1. Поэтому характеристику, показанную на рис. 2.3, е, называют деформированной характеристикой двигателя.

Особенностью деформированной характеристики является то, что она в отличие от характеристики двигателя имеет начало на оси ординат, т. е. привод с гидромуфтой позволяет получить любую скорость вала трансмиссии, связанного с валом турбины, вплоть до 0.

Как видно из рис. 2.3, ж, при наличии гидромуфты крутящий момент на валу двигателя при малой частоте вращения n2 больше, чем без гидромуфты. Это объясняется тем, что при наличии гидромуфты двигатель развивает большую частоту вращения и работает на режиме большего крутящего момента. Таким образом, сдвиг влево (деформация) кривой крутящих моментов вызван работой двигателя при различной частоте вращения. Из рис. 2.3, ж следует также, что двигатель может работать при остановленной турбине и что момент при трогании с места (п2 = 0) на ведомом валу привода мало отличается от максимального крутящего момента двигателя. Однако, если двигатель может работать при n2 — 0, этого еще недостаточно для его нормальной эксплуатации. Необходимо еще, чтобы двигатель с гидромуфтой работал устойчиво при всех изменениях нагрузки. Для рассмотрения этого вопроса воспользуемся характеристикой устойчивой работы двигателя внутреннего сгорания с гидромуфтой (см. рис. 2.3 з).

Из рис. 28, з видно, что если при работе двигателя с гидромуфтой при любом i >> 0 по какой-либо причине возрастет нагрузка на ведомом валу привода вплоть до его остановки, двигатель не заглохнет, а будет устойчиво работать на режиме, определяемом точкой В характеристики при частоте вращения n1, соответствующей i = 0. Если при этом крутящий момент двигателя почему-либо, например вследствие падения давления при всасывании, уменьшится до значения, соответствующего точке Б, то частота вращения двигателя также уменьшится и в связи с этим уменьшится момент, нагружающий двигатель до значения, определяемого точкой С.

Как следует из рис. 2.3, з, нагружающий момент уменьшается быстрее, чем момент двигателя, и поэтому вал двигателя снова начнет увеличивать частоту вращения, пока не установится новый равновесный режим работы.

Таким образом, работа двигателя с гидромуфтой будет устойчивой при условии, что тангенс угла наклона нагрузочной кривой моментов в точке В будет больше тангенса угла наклона кривой момента двигателя, т. е.

Требования, предъявляемые к характеристике гидромуфты, работающей совместно с двигателем внутреннего сгорания, следующие.

1. Для передачи номинальной мощности при максимальном к.п.д. характеристика входа гидромуфты при i = 0,97 должна проходить через точку А, в которой момент М = Мном (см. рис. 2.3, а).

2. При минимально устойчивой частоте вращения вала двигателя муфта должна нагружать двигатель моментом, не превышающим Мдв при. Это требование необходимо для того, чтобы при остановке транспортной машины ее не «вело» при включенном сцеплении, т. е. момент сопротивления передвижению машины должен быть больше момента, развиваемого гидромуфтой.

3. Для использования максимального момента двигателя характеристика входа гидромуфты при i = 0 должна проходить через точку В, в которой М = Ммах.

Известно, что двигатели внутреннего сгорания запускают вспомогательным оборудованием (например, стартером), и они не могут работать при частоте вращения, меньшей определенной минимальной nmin.

Гидромуфты позволяют осуществить разгон ведомого вала с места под нагрузкой, не перегружая двигатель, и обеспечить его устойчивую работу во всем диапазоне изменений скоростей ведомого вала. Одновременно с этим гидромуфта частично предохраняет ведомый вал привода от передачи ему крутильных колебаний вала двигателя и защищает двигатель от передачи толчков со стороны ведомой части. Гидромуфта допускает совместную работу нескольких двигателей в одной рабочей машине.

2.2 Расчет главной передачи

2.2.1 Требования к конструкции и классификация Главная передача — это механизм трансмиссии автомобиля, преобразующий крутящий момент и расположенный перед ведущими колесами автомобиля.

Основные требования к главной передаче сводятся к тому, что она должна: обеспечивать оптимальные тягово-динамические и топливно-экономические характеристики автомобиля при соответствующем выборе передаточных чисел; иметь высокий КПД; обеспечивать требуемый дорожный просвет; работать плавно и бесшумно; иметь высокую жесткость корпуса, опор и валов.

Главные передачи классифицируют по числу, виду и расположению зубчатых колес.

По числу зубчатых колес главные передачи подразделяются на одинарные — главные передачи с одной парой зубчатых колес и двойные — с двумя парами зубчатых колес.

Одинарные главные передачи по виду зубчатых колес подразделяются на конические — с коническими зубчатыми колесами, гипоидные — с гипоидным зацеплением зубчатых колес, цилиндрические — с цилиндрическими зубчатыми колесами, червячные — с червяком и червячным колесом.

Двойные главные передачи по расположению зубчатых колес подразделяются на центральные — двойные главные передачи, у которых обе пары зубчатых колес расположены в одном картере, и разнесенные — двойные главные передачи, у которых вторая пара зубчатых колес находится в приводе к каждому из ведущих колес.

По числу ступеней главной передачи различают одноступенчатые — главные передачи с одним передаточным числом и двухступенчатые — главные передачи, имеющие две переключаемые передачи с разными передаточными числами (высшую и низшую ступень).

2.2.2 Выбор конструктивных параметров и расчет главной передачи.

Двойная центральная главная передача имеет большие размеры, массу и стоимость по сравнению с одинарной, но позволяет получить большие передаточные числа без уменьшения дорожного просвета под картером главной передачи.

Двойная центральная главная передача, выполненная по первому варианту схемы, представлена на рис. 7.4. Вал с конической шестерней 9 установлен в двух конических роликоподшипниках 27 и 29 в отдельном корпусе 26, прикрепленном к картеру 25 болтами на регулировочных прокладках 8. Между подшипниками на валу установлены распорная втулка 28 и два шлифованных стальных кольца 6, подбором толщины которых регулируют затяжку подшипников. Подшипники затянуты шплинтуемой гайкой 1, которой также крепится фланец 2 карданного шарнира и упорная шайба. Корпус закрыт крышкой 5 с сальником 4. К фланцу приварен грязеотражатель 3.