Гидростатическая коробка передач. Что такое гидравлическая трансмиссия

В статье рассматривается вопрос развития трансмиссии гусеничных бульдозеров класса тяги 10…15 т на гусенице.

Для начала немного истории. Само понятие « бульдозер» возникло в конце XIX в. и означало мощную силу, преодолевающие любые барьеры. К гусеничным тракторам это понятие стали относить в 1930-е гг., образно характеризуя мощь гусеничной машины с закрепленным спереди металлическим щитом, перемещающим грунт. В качестве базы первоначально использовали трактор сельскохозяйственного назначения с главной особенностью - гусеничным ходом, обеспечивающим максимальное сцепление с грунтом. Гусеница определяется как бесконечный рельс. К изобретению ее, как и ко всем ключевым фундаментальным открытиям, имели отношение русские ученые. Один из первых патентов зарегистрирован в России около 1885 г.

Одной из особенностей гусеничного хода является возможность поворота за счет отключения одного из траков, или его блокирования, или включения его в противоход. На рис. 1 показана типовая схема механической трансмиссии, которую использовали и на первых гусеничных бульдозерах и применяют до сих пор.

Достоинства данной схемы - простота конструкции агрегатов, к.п.д. более 95%, низкая стоимость и минимальные затраты времени на ремонт.

В период бурного роста мировой экономики в 1955-1965 гг. и развития технологий механообработки и химической отрасли параллельно несколько производителей гусеничных бульдозеров применили гидромеханическую трансмиссию (ГМТ). Она строилась на базе гидротрансформатора (ГТР), получившего к тому времени широкое распространение на тепловозах. ГМТ на бульдозерах была востребована в первую очередь в тяжелом классе: более 15 т тяги, и характеризуется возможностью получать максимальный момент на нулевой скорости, т. е. при максимальном сцеплении гусеницы с грунтом и максимальном сопротивлении перемещаемой массы грунта. Единственным и критичным недостатком помимо технологической сложности оставались высокие механические потери - 20…25% у одноступенчатого ГТР, применяемого в подавляющем большинстве на гусеничных бульдозерах с использованием ГМТ. Схема гидромеханической трансмиссии представлена на рис. 2.

Достоинства данной схемы - максимально возможная тяга на гусеницы, более простое управление по сравнению с механической трансмиссией, эластичная связь двигатель-гусеница.

Необходимость использовать дорогостоящие планетарные КП и бортовые редукторы вызвана передачей более высокого крутящего момента, чем в механической трансмиссии, - до двух раз. Схему ГМТ на сегодняшний день используют лидирующие производители гусеничных бульдозеров Komatsu и Caterpillar. Лишь Челябинский тракторный завод обеспечивает немалую долю механических трансмиссий, более 50 лет выпуская практически не изменившуюся копию Caterpillar 1960-х гг.

Следующей технологической ступенью развития трансмиссии гусеничных бульдозеров стало применение схемы « гидронасос (ГН) - гидромотор (ГМ)» под общим термином « гидростатическая трансмиссия» (ГСТ). Начало широкого использования ГН-ГМ было положено военными при совершенствовании приводов артиллерийских орудий, где требовалась высокая скорость перемещения подвижных частей, имеющих немалую инерционную массу, что исключало использование жесткой механической связи.

Трансмиссия именно такого типа сегодня преимущественно распространена на спецтехнике среднего и тяжелого класса : гидростатическую трансмиссию применяют все лидеры рынка экскаваторной техники. Применение ГСТ в экскаваторах связано с выполнением ими основной работы исполнительными механизмами с гидропередачей усилия. Распространению ГСТ также способствовало совершенствование технологий механообработки и широкое распространение синтетических масел, производимых под заранее заданные параметры использования, а кроме того, и развитие микроэлектроники, позволившее реализовывать сложные алгоритмы управления ГСТ. Схема гидростатической трансмиссии представлена на рис. 3.

Достоинства данной схемы:

• высокий к.п.д. - более 93%;
• максимально возможная тяга на гусеницы выше, чем у ГМТ, за счет меньших потерь;
• лучшая ремонтопригодность благодаря минимальному количеству агрегатов и их унификации разными производителями, в основном не выпускающими готовые гусеничные бульдозеры;
• это же обеспечивает минимальную стоимость агрегатов;
• максимально простое управление одним джойстиком, позволяющее без доработок реализовывать дистанционное управление, в том числе с помощью радиосвязи;
• эластичная связь двигатель-гусеница;
• малые габаритные размеры, что позволяет использовать высвободившееся пространство под навесное оборудование;
• возможность макроконтроля состояния всей трансмиссии по одному параметру - температуре рабочей жидкости;
• максимально возможная маневренность - нулевой радиус разворота за счет противохода траков;
• возможность 100%-ного отбора мощности на гидрофицированное навесное оборудование от штатного гидронасоса;
• возможность дешевой программной, а также технологической модернизации в ближайшем будущем за счет элементарного перехода на рабочую жидкость с новыми свойствами, полученными на основе нанотехнологий.

Косвенным подтверждением таких преимуществ является выбор ГСТ лидером немецких производителей спецтехники компанией Liebherr в качестве базовой в конструкции всей спецтехники, в том числе гусеничных бульдозеров. Таблица всех преимуществ, недостатков и особенностей эксплуатации различных типов трансмиссий, в том числе « новой» для Caterpillar и реально реализованной еще в 1959 г. заводом ЧТЗ на бульдозере ДЭТ-250 электромеханической трансмиссии, приведена на сайте www.TM10.ru Завода « ДСТ-Урал».

Конечно, читатели обратили внимание на предпочтения авторов статьи. Да, мы делаем свой выбор в пользу ГСТ и считаем, что именно такое решение позволит преодолеть технологическое отставание лидеров производства спецтехники в России и оторваться от восточного соседа - Китая, претендующего на легкое поглощение нашего рынка бульдозеров. Новый бульдозер ТМ с трансмиссией на компонентах Bosсh Rexroth класса тяги 13…15 т будет представлен « ДСТ-Урал» уже в июле. Рабочая масса нового бульдозера останется 23,5 т, мощность - 240 л.с. и максимальная тяга - 25 т, что с 5%-ным отставанием соответствует аналогу Liebherr PR744 (24 , 5 т, 255 л.с.). Еще раз напомним о существующих возможностях отечественного машиностроения. К примеру, мы первыми в мировой практике применили схему тележек на каретках качания в 10-м классе гусеничных бульдозеров на серийном выпуске. До этого ее могли себе позволить производители только в тяжелом классе этих машин массой более 30 т, где цены в разы выше. Рыночная цена бульдозера ТМ10 на каретках качания с гидростатической трансмиссией планируется не более 4,5 млн. руб.

НАСОС регулируемый МОТОР нерегулируемый

1 – клапан предохранительный насоса подпитки; 2 – клапан обратный; 3 – насос подпитки; 4 – сервоцилиндр; 5 – вал гидронасоса;
6 – люлька; 7 – сервоклапан; 8 – рычаг сервоклапана; 9- фильтр; 10 – бак; 11 – теплообменник; 12 – вал гидромотора; 13 – упор;
14 – золотник клапанной коробки; 15 – клапан переливной; 16 – клапан предохранительный высокого давления.

Гидростатическая трансмиссия ГСТ

Гидростатическая трансмиссия ГСТ предназначена для передачи вращательного движения от приводного двигателя к исполнительным органам, например, к ходовой части самоходных машин, с бесступенчатым регулированием частоты и направления вращения, с КПД близким к единице. Основной комплект ГСТ состоит из регулируемого аксиально-поршневого гидронасоса и нерегулируемого аксиально-поршневого гидромотора. Вал насоса механически связывают с выходным валом приводного двигателя, вал мотора - с исполнительным механизмом. Частота вращения выходного вала мотора пропорциональна углу отклонения рычага механизма управления (сервоклапана).

Управление гидротрансмиссией осуществляется изменением оборотов приводного двигателя и изменением положения рукоятки или джойстика, связанного с рычагом сервоклапана насоса (механически, гидравлически или электрически).

При работающем приводном двигателе и нейтральном положении рукоятки управления вал мотора неподвижен. При изменении положения рукоятки вал мотора начинает вращаться, достигая максимальных оборотов при максимальном отклонении рукоятки. Для реверса необходимо отклонение рычага в обратную сторону от нейтрали.

Функциональная схема ГСТ.

В общем случае объемный гидропривод на основе ГСТ включает в себя следующие элементы: регулируемый аксиально-поршневой гидронасос в сборе с насосом подпитки и механизмом пропорционального управления, нерегулируемый аксиально-поршневой мотор в сборе с клапанной коробкой, фильтр тонкой очистки с вакуумметром, масляный бак для рабочей жидкости, теплообменник, трубопроводы и рукава высокого давления (РВД).

Элементы и узлы ГСТ можно разделить на 4 функциональные группы:

1. Основной контур гидравлической цепи ГСТ. Назначение основного контура гидравлической цепи ГСТ – передача потока мощности от вала насоса к валу мотора. В основной контур входят полости рабочих камер насоса и мотора и линии высокого и низкого давлений с перетекающей по ним рабочей жидкостью. Величина потока рабочей жидкости, его направление определяются оборотами вала насоса и углом отклонения рычага механизма пропорционального управления насоса от нейтрали. При отклонении рычага от нейтрального положения в ту или иную сторону, под действием сервоцилиндров изменяется угол наклона наклонной шайбы (люльки), что определяет направление потока и вызывает соответствующее изменение рабочего объема насоса от нуля до текущего значения, при максимальном отклонении рычага рабочий объем насоса достигает максимального значения. Рабочий объем мотора постоянен и равен максимальному объему насоса.

2. Линия всасывания (подпитки). Назначение линии всасывания (подпитки):

· - снабжение рабочей жидкостью линии управления;

· - пополнение рабочей жидкости основного контура для компенсации утечек;

· - охлаждение рабочей жидкости основного контура за счет пополнения жидкостью из масляного бака, прошедшей через теплообменник;

· - обеспечение минимального давления в основном контуре на разных режимах;

· - очистка и указатель загрязненности рабочей жидкости;

· - компенсация колебаний объема рабочей жидкости, вызванной температурными изменениями.

3. Назначение линий управления:

· - передача давления на исполнительный сервоцилиндр поворота люльки.

4. Назначение дренажа:

· - отвод утечек в масляный бак;

· - отвод излишков рабочей жидкости;

· - отвод тепла, отвод продуктов износа и смазка трущихся поверхностей деталей гидромашин;

· - охлаждение рабочей жидкости в теплообменнике.

Работа объемного гидропривода обеспечивается автоматически клапанами и золотниками, находящимися в насосе, насосе подпитки, коробке клапанной мотора.

В гидрообъемных бесступенчатых передачах крутящий момент и мощность с ведущего звена (насоса) на ведомое звено (гидромотор) передается жидкостью по трубопроводам. Мощность N, кВт, потока жидкости определяется произведением напора H, м, на расход Q, м3/с:

N = HQpg / 1000,
где р - плотность жидкости.

Гидрообъемные передачи не обладают внутренним автоматизмом, для изменения передаточного числа требуется САУ. Однако для гидрообъемной передачи не нужен механизм реверса. Задний ход обеспечивается изменением соединения насоса с линиями нагнетания и возврата жидкости, что заставляет вал гидромотора вращаться в обратном направлении. При регулируемом насосе не нужна муфта начала движения.

Гидрообъемные передачи (как и электропередачи) по сравнению с фрикционными и гидродинамическими имеют гораздо более широкие компоновочные возможности. Они могут быть частью комбинированной гидромеханической коробки передач при последовательном или параллельном соединении с механическим редуктором. Кроме того, они могут быть частью комбинированной гидромеханической трансмиссии, когда гидромотор установлен перед главной передачей - рис. а (сохранен ведущий мост с главной передачей, дифференциалом, полуосями) либо в двух или во всех колесах установлены гидромоторы - рис. а (они дополнены редукторами, выполняющими функции главной передачи). В любом случае гидросистема является замкнутой, причем в нее включен насос подпитки для поддержания избыточного давления в линии возврата. Из-за потерь энергии в трубопроводах обычно считают целесообразным применение гидрообъемной трансмиссии при максимальном расстоянии между насосом и гидромотором 15… 20 м.

Рис. Схемы трансмиссий автомобилей с гидрообъемными или с электрическими передачами:
а - при использовании мотор-колес; б - при использовании ведущего моста; Н - насос; ГМ - гидромотор; Г - генератор; ЭМ - электромотор

В настоящее время гидрообъемные передачи применяются на малых автомобилях-амфибиях, например «Джиггер» и «Мул», на автомобилях с активными полуприцепами, на небольших сериях большегрузных (полной массой до 50 т) самосвалов и на опытных городских автобусах.

Широкое применение гидрообъемных передач сдерживается в основном их высокой стоимостью и недостаточно высоким КПД (около 80…85%).

Рис. Схемы гидромашин объемного гидропривода:
а - радиально-поршневой; б - аксиально-поршневой; е - эксцентриситет; у - угол наклона блока

Из всего многообразия объемных гидромашин: винтовых, шестеренных, лопастных (шиберных), поршневых - для автомобильных гидрообъемных передач в основном находят применение радиально-поршневые (рис. а) и аксиально-поршневые (рис. б) гидромашины. Они позволяют использовать высокое рабочее давление (40… 50 МПа) и могут быть регулируемыми. Изменение подачи (расхода) жидкости обеспечивается у радиально-поршневых гидромашин изменением эксцентриситета е, у аксиально-поршневых - угла у.

Потери в объемных гидромашинах делят на объемные (утечки) и механические, к последним относят и гидравлические потери. Потери в трубопроводе делят на потери трения (они пропорциональны длине трубопровода и квадрату скорости жидкости при турбулентном течении) и местные (расширение, сужение, поворот потока).

Гидравлическая трансмиссия - совокупность гидравлических устройств, позволяющих соединить источник механической энергии (двигатель) с исполнительными механизмами машины (колесами автомобиля, шпинделем станка и т.д.) . Гидротранмиссию также называют гидравлической передачей. Как правило в гидравлической трансмиссии происходит передача энергии посредством жидкости от насоса к гидромотору (турбине).

В представленном ролике в качестве выходного звена использован гидродвигатель поступательного движения. В гидростатической трансмиссии используется гидродвигатель вращательного движения, но принцип работы, по-прежнему остается основанным на законе . В гидростатическом приводе вращательного действия рабочая жидкость подается от насоса к мотору . При этом в зависимости от рабочих объемов гидромашин могут изменяться момент и частота вращения валов. Гидравлическая трансмиссия обладает всеми достоинствами гидравлического привода: высокой передаваемой мощностью, возможностью реализации больших передаточных чисел, осуществления бесступенчатого регулирования, возможностью передачи мощности на подвижные, перемещающиеся элементы машины .

Способы регулирования в гидростатической трансмиссии

Регулирование скорости выходного вала в гидравлической трансмиссии может осуществлять путем изменения объема рабочего насоса (объемное регулирование), или с помощью установки дросселя либо регулятора расхода (параллельное и последовательное дроссельное регулирование). На рисунке показана гидротрансмиссия с объемным регулированием с замкнутым контуром.

Гидротрансмиссия с замкнутым контуром

Гидравлическая трансмиссия может быть реализована по замкнутому типу (закрытый контур), в этом случае в гидросистеме отсутствует гидравлический бак, соединенный с атмосферой.

В гидравлических системах замкнутого типа регулирование скорости вращения вала может осуществляться путем изменения рабочего объема насоса. В качестве насос-моторов в гидростатической трансмиссии чаще всего используют .

Гидротрансмиссия с открытым контуром

Открытой называют гидравлическую систему соединенную с баком, который сообщается с атмосферой, т.е. давление над свободной поверхностью рабочей жидкости в баке равно атмосферному. В гидротрасмиссиях отрытого типа возможно реализовать объемное, параллельное и последовательное дроссельное регулирование. На следующем рисунке показана гидростатическая трансмиссия с отрытым контуром.

Где используют гидростатические трансмиссии

Гидростатические трансмиссии используют в машинах и механизмах где необходимо реализовать передачу больших мощностей, создать высокий момент на выходном валу, осуществлять бесступенчатое регулирование скорости.

Гидростатические трансмиссии широко применяются в мобильной, дорожно-строительной технике, экскаваторах бульдозерах, на железнодорожном транспорте - в тепловозах и путевых машинах.

Гидродинамическая трансмиссия

В гидродинамических трансмиссиях для передачи мощности используются и турбины. Рабочая жидкость в гидравлических трансмиссиях подается от динамического насоса к турбине. Чаще всего в гидродинамической трансмиссии используются лопастные насосное и турбинное колесо, расположенные непосредственно друг напротив друга, таким образом, что жидкость поступает от насосного колеса сразу к турбинному минуя трубопроводы. Такие устройства объединяющие насосное и турбинное колесо называются гидромуфтами и гидротрансформаторами, которые не смотря на некоторые похожие элементы в конструкции имеют ряд отличий.

Гидромуфта

Гидродинамическую передачу, состоящую из насосного и турбинного колеса , установленных в общем картере называют гидромуфтой . Момент на выходном валу гидравлической муфты равен моменту на входном валу, то есть гидромуфта не позволяет изменить вращающий момент. В гидравлической трансмиссии передача мощности может осуществляться через гидравлическую муфту, которая обеспечит плавность хода, плавное нарастание крутящего момента, снижение ударных нагрузок.

Гидротрансформатор

Гидродинамическая передача, в состав которой входят насосное, турбинное и реакторное колеса , размещенные в едином корпусе называется гидротрансформатором. Благодаря реактору, гидротрасформатор позволяет изменить вращающий момент на выходном валу.

Гидродинамическая передача в а втоматическая коробка передач

Самым известным примером применения гидравлической передачи является автоматическая коробка передач автомобиля , в которой может быть установлены гидромуфта или гидротрансформатор. По причине более высоко КПД гидротрансформатора (по сравнению с гидромуфтой), он устанавливается на большинство современных автомобилей с автоматической коробкой передач.