Гидротрансформатор



Гидротрансформатор
Гидротрансформатор
Гидротрансформатор
Гидротрансформатор
Гидротрансформатор
Гидротрансформатор
Гидротрансформатор
Гидротрансформатор
Гидротрансформатор

 


Владельцы патента RU 2533379:

Рудевский Олег Григорьевич (RU)

Изобретение относится к машиностроению и, в частности, к устройствам для передачи вращения. В гидротрансформаторе (ГТР) энергия передается жидкостью, которая проходит через турбину, двигаясь внутри лопаток турбинного колеса, выполненных в форме закрытого закругленного русла - канала, и находясь с ними в силовом взаимодействии. Лопатки турбинного колеса ГТР выполнены в форме закрытого закругленного русла - канала и установлены подвижно относительно оси вращения ГТР с возможностью изменять величину и направление крутящего момента внешним управлением. Достигается упрощение конструкции трансмиссии, улучшение маневренности машины и увеличение силы тяги на ведущих колесах машины. 4 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к машиностроению и, в частности, к устройствам для передачи вращения. Сущность изобретения: в гидротрансформаторе (далее по тексту - ГТР) энергия передается жидкостью, которая проходит через турбину, двигаясь внутри лопаток турбинного колеса, выполненных в форме закрытого закругленного русла - канала, и находясь с ними в силовом взаимодействии, существующем и научно доказанном, например, в учебнике "Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы" под редакцией Т.М. Башты, изд. "Машиностроение", Москва, 1970, §1.47. "Силы действия потока на стенки канала" - стр.167 и пример 15 - стр.168.

Из научно-технической литературы, например: [1]…[5] известны устройства для передачи вращения - гидромеханические передачи (далее по тексту - ГМП). В качестве прототипа выбрана двухступенчатая ГМП ЛАЗ-НАМИ ([3], стр.206), параметры и характеристики которой приведены в [6]. ГМП ЛАЗ-НАМИ включает в себя основные части: механическую коробку передач (далее по тексту - МКП) и гидротрансформатор (далее по тексту - ГТ), основными составляющими которого являются рабочие колеса: насоса, турбины и реактора.

Недостатками прототипа при его использовании как товарного продукта для трансмиссии машины являются сложность конструкции МКП и саморегулируемость ГТ, которая ограничивает маневренность машины и силу тяги на ведущих колесах машины.

Задачей изобретения является упрощение конструкции трансмиссии, улучшение маневренности машины и увеличение силы тяги на ведущих колесах машины.

Техническим результатом, который может быть получен при реализации и использовании ГТР в качестве товарного продукта для трансмиссии машины является: упрощение конструкции трансмиссии, улучшение маневренности машины и увеличение силы тяги на ведущих колесах машины.

Результат достигается тем, что лопатки турбинного колеса ГТР выполнены в форме закрытого закругленного русла - канала (далее по тексту - лопатки) и установлены подвижно относительно оси вращения ГТР с возможностью изменять величину и направление крутящего момента внешним управлением.

Общие сведения

Существенное различие в характеристиках соответственно и эксплуатационных свойствах ГМП и ГТР определяется принципиальным различием в особенностях рабочих процессов, происходящих в ГМП, а именно в ГТ, и ГТР.

В ГТ при вращении рабочего колеса насоса жидкость (представляет собой одно бесконечное и непрерывное кольцевое звено) проходит из линии подвода (вход в рабочее колесо) в линию отвода (выход из рабочего колеса) последовательно через все рабочие колеса непрерывным потоком, обтекая гидродинамические профили - лопатки рабочих колес и находясь с ними в силовом взаимодействии, и возвращается к входу в насос.

В ГТР при подаче в напорную полость турбины, например, центробежным насосом из бака жидкость (не должна обязательно представлять собой одно бесконечное и непрерывное кольцевое звено) проходит из линии подвода (вход в турбинное колесо) в линию отвода (выход из турбинного колеса) непрерывным потоком, двигаясь внутри лопаток турбинного колеса и находясь с ними в силовом взаимодействии, и из сливной полости турбины возвращается в бак. При этом на турбине ГТР образуется крутящий момент Мтгтр, который определяется по формуле:

Р - сила действия потока на стенки канала лопатки турбины ГТР;

R - расстояние между осью вращения ГТР и вектором Р;

z - количество лопаток.

Особенность рабочего процесса определяет характерные особенности конструкции, свойств, параметров и характеристик ГТР:

- для изменения величины и направления Мтгтр не требуется реактор (опора);

- ГТР не обладает саморегулируемостью, т.е. Мтгтр не зависит от i - отношения скорости вращения ведомого вала nтгтр к скорости вращения ведущего вала nд;

- КПД ГТР φ не зависит от i;

- при R=Const Мтгтр=f(nд) и пропорционален nд2;

- при R=Const nтгтр=f(nд) и прямо пропорциональна nд;

- φ подобен КПД центробежного насоса ГТР φн и φ=f(φн);

- при nд=Const и R≠Const Мтгтр=f(nтгтр) и связаны обратно пропорциональной зависимостью.

Описание устройства и работы

На фиг.1 изображена конструктивная схема ГТР, в которой для снижения потерь энергии насос и турбина установлены соосно и предельно сближены. Положение элементов схемы соответствует работе в установившемся режиме.

ГТР состоит из насоса, например центробежного (далее по тексту - насос), основными элементами проточной части которого являются подвод 1, насосное колесо 2 и отвод 3. Насосное колесо 2 соединено с ведущим валом 4 штифтом 5. Ведомый вал 6 жестко соединен с кожухом 7 турбины, которая также включает в себя жестко связанное с кожухом 7 турбинное колесо, основными элементами которого являются диск 8 и подвижно соединенные с ним лопатки 9 с каналами (см. сечения Б-Б и В-В). Рычаг 10 внешней системы управления шарнирно связан со скобой 11, подвижно соединенной с диском 12, который имеет возможность передвигаться вдоль по ведомому валу 6 и связан с ним шпонкой 13. Диск 12 жестко соединен с гайками 14, которые имеют возможность передвигаться вдоль по участкам с многозаходной резьбой осей вращения лопаток 9. При перемещении диска 12 вдоль по валу 6 гайки 14 вращают лопатки 9, чем обеспечивается изменение величины и направления Мтгтр.

ГТР работает следующим образом:

Перед пуском двигателя внешнее управление (водитель автомобиля, автоматическое устройство и пр.) воздействием через рычаг 10, скобу 11, диск 12, гайки 14 устанавливает лопатки 9 в начальное положение, при котором R=0 (Мтгтр=0) и кожух 7 перекрывает отверстия каналов (снижается пусковой момент).

После пуска насос, приводимый во вращение моментом двигателя Мд с числом оборотов nд, подает жидкость производительностью Q и с напором Н из подвода 1 по отводу 3 через каналы лопаток 9 в подвод 1. При этом на каждой лопатке возникает Р, которая при конструкции лопатки в форме отвода с углом поворота 180° определяется (см. выше упомянутый учебник) по формуле:

ρ - плотность жидкости;

V - средняя скорость движения жидкости в канале;

F - площадь сечения канала.

Для преодоления момента сопротивления приводимого механизма М2 внешнее управление вращением лопаток 9 обеспечивает R, при котором Мтгтр2 и в единицу времени передается энергия - передаваемая мощность Nтгтр, равная:

Характерные особенности параметров и характеристик ГТР

Характерные особенности параметров и характеристик ГТР определяет их взаимосвязь. Связь между конструктивными и геометрическими параметрами ГТР осуществляется через параметры потока рабочей жидкости (пренебрегая трением в опорах).

При определении взаимосвязи приняты допущения:

- движение жидкости в ГТР имеет турбулентный режим;

- механические, объемные потери, дисковое трение и трение о воздух - пренебрежимо малы;

- гидравлические потери в каналах не зависят от скорости, направления вращения и положения лопаток относительно оси ГТР.

Подставим в (1) выражения (2), (3) и, опуская промежуточные преобразования, получаем:

Поскольку согласно теории подобия лопастных насосов Q прямо пропорциональна nд, то из (5) при R=Const следует: Мтгтр=f(nд) и пропорционален nд2.

Определим nтгтр, используя (4):

NH - энергия, передаваемая жидкости насосным колесом 2 в единицу времени;

NП - потери энергии в единицу времени при движении жидкости по каналам лопаток;

hп - потери напора в канале лопатки.

Баланс энергии (напора) потока жидкости между сечениями на входе и выходе канала в лопатке согласно уравнению Бернулли равен:

рвх - давление на входе в канал;

рвых - давление на выходе из канала;

ξвх, ξвых, ξот, - коэффициенты сопротивления соответственно входа, выхода и поворота канала;

λ - коэффициент потерь на трение;

l - длина канала;

d - диаметр канала.

При установившемся движении жидкости:

Подставим в (6) выражения (7), (8), (9), (15), (11), (10), (12), (16), (1) и, опуская промежуточные преобразования, получаем:

Поскольку согласно теории подобия лопастных насосов Q прямо пропорциональна nд, то из (17) при R=Const следует: nтгтр=f(nд) и прямо пропорциональна nд.

Определение φ:

Связь между объемным весом и плотностью жидкости:

Подставим в (18) выражения (4), (5), (17), (19), (8), (15), (11), (10), (12), (16), (2), (3), (13), (3), (20) и, опуская промежуточные преобразования, получаем:

Поскольку принято ξ=Const, то из (21) следует: φ подобен φн и φ=f(φн).

Определим R из (5) и (17), приравняем правые части уравнений и, опуская промежуточные преобразования, получаем:

Из (5), (17) и (22) при Q=Const, т.е. при nд=Const и R≠Const следует: Мтгтр=f(nтгтр) и связаны обратно пропорциональной зависимостью.

Для определения Ннп=f(Q) подставим в (11) выражения (10),(12), (16),(2),(3),(13),(3),(20) и, опуская промежуточные преобразования, получаем:

Возможность достижения заявленного технического результата

ГТР обеспечивает достижение заявленного технического результата, что подтверждает сравнение характеристики Мтгтр=f(nтгтр) на выходном валу привода грузового автомобиля ЗИЛ-130, включающего ГТР и двигатель ЗИЛ-130 (далее по тексту - машины №1), например, с характеристиками Мт=f(nт) и Мт=f1(nт) на выходном валу привода грузового автомобиля ЗИЛ-130, включающего тот же двигатель и прототип (далее по тексту - машины №2).

Выходная характеристика Мтгтр=f(nтгтр) является функцией Q, F и z, а Q, в свою очередь, является функцией F, z и hп. Для выполнения расчетов требуется характеристика насоса Н=f(Q) и зависимость потребного напора Ннп=f(Q). За Н=f(Q), ввиду ее отсутствия, принята характеристика аналога (см. фиг.2). Аналогом выбран центробежный насос фирмы "Grundfos" марки NB/NK 150-200: диаметр рабочего колеса Дрк=224 мм, мощность на валу насоса - 106,3 кВт, n=2900 об/мин, наибольший КПД - 85,6% (согласно фирменному каталогу насосов).

С целью совместить работу двигателя на максимальной мощности и работу ГТР с наибольшим φ (φн=85,6%), т.е. чтобы мощность на валу насоса ГТР Nнв=Nд=116,1 кВт при nд=3000 об/мин, характеристика Н=f(Q) пересчитана по формулам подобия лопастных насосов при допущении пренебрежимо малого изменения φн. В результате диаметр рабочего колеса насоса ГТР Дгтр=223 мм и совмещение определяет характерная точка А с параметрами: Q=818 м3/час и Н=44,7 м (см. фиг.2). С целью выполнения последующих расчетов фиг.2 дополнена графиками Н=f(Q) при различных nд.

Из (23) определяем F:

При вычислении F принято: Q=818 м3/час и Ннп=44,7 м (см. параметры точки А), z=20 шт., ξ=0,72 (величина обеспечивается конструктивно и технологически, в том числе, выполнением входного и выходного участков канала в форме соответственно конфузора и диффузора).

График Ннп=f(Q) представлен на фиг.2.

Мт=f1(nт) подобна Мт=f(nт) при включении понижающей передачи с передаточным числом uk1=1,79 (см. [6], рис.36 и глава 2, п.2.7).

На фиг.3 представлены графики Мтгтр=f(nтгтр), Мт=f(nт) и Мт=f1(nт). Для сопоставления фиг.3 дополнена графиками скоростной характеристики Мд=f(nд), Nд=f(nд) и удельного расхода топлива ge=f(nд) (см. [6], рис.15).

Особенности параметров и характеристик ГТР наглядно представлены на фиг.4 графиками Мтгтр=f(nд), nтгтр=f(nд), φ=f(φн) и Мтгтр=f(nтгтр). Координаты точек графиков определены графоаналитическим расчетом с применением (5), (17), (21) и (22), использованием параметров точек пресечения Ннп=f(Q) с Н=f(Q) при различных nд на фиг.2 и Rmac=240 мм.

Величина Rmac определена по (5) из условия Мтгтр0т0т*uk1 при nт=nтгтр=0 (см. фиг.3), т.е. при трогании машин и nд=3000 об/мин, т.е. Q=818 м3/час.

Сравнение выходных характеристик (см. фиг.3) показывает, что при одинаковых эксплуатационных условиях, диаметре шин 1020 мм, передаточном числе главной передачи - 6,32 ([6], табл.3.3), при равных исходных параметрах сравниваемых выходных характеристик и отсутствии МКП:

- до скорости nтгтрmac=nт1 (соответствует скорости движения машин 20 км/час) машина №1 разгонится под действием максимального и постоянного момента Мтгтр0 на 18% быстрее, чем машина №2, т.к. Мтгтр0тср=1,18 (принимая уменьшение Мт на участке Мт0…Мт1 по линейной зависимости), кроме того, Мтгтр0 на 45% больше Мт1;

- Мтгтр2 на 30% больше Мт2 при nтгтр2=nт2 (соответствует скорости движения машин 70 км/час).

Таким образом, использование ГТР в качестве товарного продукта для трансмиссии машины обеспечивает:

- упрощение конструкции трансмиссии за счет исключения МКП;

- улучшение маневренности машины за счет более высоких разгонных свойств привода с ГТР;

- увеличение силы тяги на ведущих колесах машины за счет передачи приводом с ГТР более высокого крутящего момента.

Источники информации

1. Гидротрансформаторы/А.Н. Нарбут, М.: изд. "Машиностроение", 1966, (стр.63…64).

2. Планетарные и гидромеханические передачи колесных и гусеничных машин/А.В. Петров, изд. "Машиностроение", Москва, 1966 (стр.313…373).

3. Проектирование трансмиссий автомобилей: Справочник/Под общ. ред. А.И. Гришкевича. М.: Машиностроение, 1984. - 272 с. (стр.191…211).

4. Автомобиль: Основы конструирования: Учебник / Н.Н.Вишняков и др. - 2 изд., - М.: Машиностроение, 1986. - 304 с. (стр.108…109).

5. Патенты РФ: №2086427, №2188352, №2294848.

6. Тягово-скоростные качества автомобилей: Справочник/ авт. Бортницкий П.И., Задорожный В.И., Киев, изд. "Вища школа", 1978 (рис.36 и глава 2, п.2.7).

Гидротрансформатор содержит насос и турбину, отличающийся тем, что лопатки турбинного колеса выполнены в форме закрытого закругленного русла - канала и установлены подвижно относительно оси вращения гидротрансформатора с возможностью изменять величину и направление крутящего момента внешним управлением.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к гидравлическим тормозам с регулируемым сопротивлением вращению на транспорте и в составе тренажеров. Гидродинамический тормоз содержит корпус, два диаметрально противоположно расположенных подпружиненных вытеснителя, крышку и закрепленный на центральном приводном валу кулачок.

Изобретение относится к конструкциям гидродинамических передач, устанавливаемых на путевых машинах, предназначенных для ремонта и поддержания текущего состояния пути.

Изобретение относится к строительным транспортным средствам, движение которых обеспечивается за счет гидравлического насоса. .

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, а именно к системам управления блокировкой гидротрансформатора транспортных средств. .

Изобретение относится к гидравлическим передачам гидродинамического типа. .

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в энергомашиностроении, тепловозо- и судостроении, авиации, тракторо- и автомобилестроении.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в энергетических установках летательных аппаратов и наземных транспортных средств.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в гидравлических передачах для преобразования энергии текучей среды в механическую энергию выходного звена.

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к гидродинамическим передачам и может быть использовано в трансмиссиях самоходных машин. .

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для передачи крутящего момента. .

Изобретение относится к области машиностроения , в частности к устройствам для передачи вращения.Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей .

Изобретение относится к машиностроению, а именно к блокируемой гидромуфте, которая может быть использована для обеспечения плавного включения и дальнейшего синхронного вращения полумуфт.

Изобретение относится к машиностроению , в частности к предохранительным гидромуфтам, применяемым в приводах горных, металлургических, строительно-дорожных и других машин.

Изобретение относится к области автотракторной техники, а более конкретно к механизмам сцепления. Управляемое соединение вращающихся валов содержит полый конец передающего вала и, по преимуществу, профилированный конец принимающего вала, который расположен внутри полого конца передающего вала. Полый конец передающего вала оснащен, по меньшей мере, одной плунжерной группой со средством управления ходом жидкости. Достигается надёжность работы. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх