Поэтапное описание работы гидростатической трансмиссии. Гидростатические транмиссии, основы проектирования. Строительные машины и оборудование, справочник
Гидростатические трансмиссии, выполненные по
закрытой гидросхеме, нашли широкое применение в приводах хода
спецтехники. В основном это машины, у которых движение является одной из
основных функций, например, фронтальные погрузчики, бульдозеры,
экскаваторы-погрузчики, с/х комбайны,
лесозаготовительные форвардеры и харвесторы.
В гидросистемах таких машин регулирование потока рабочей жидкости осуществляется в широком диапазоне как насосом, так и гидромотором. Закрытые гидросхемы часто используются для привода рабочих органов вращательного движения: бетоносмесители, буровые установки, лебедки и т.п.
Рассмотрим типовую структурную гидросхему машины и выделим в ней контур гидростатической трансмиссии хода. Существует много исполнений закрытых гидростатических трансмиссий, в которых гидросистема включает насос с переменным рабочим объемом, обычно с наклонной шайбой, и регулируемый гидромотор.
Гидромоторы в основном используются радиально-поршневые или аксиально-поршневые с наклонным блоком цилиндров. В малогабаритной технике часто применяются аксиально-поршневые гидромоторы с наклонной шайбой с постоянным рабочим объемом и героторные гидромашины.
Управление рабочим объемом насоса осуществляется пропорциональной
гидравлической или электрогидравлической пилотной системой или прямым
сервоуправлением. Для автоматического изменения параметров
гидродвигателя в зависимости от действия внешней нагрузки в управлении
насосом
используются регуляторы.
Например, регулятор мощности в гидростатических трансмиссиях хода позволяет без вмешательства оператора снизить скорость машины при возрастающем сопротивлении движению и даже полностью остановить ее, не позволяя двигателю заглохнуть.
Регулятор давления обеспечивает постоянный крутящий момент рабочего органа при всех режимах работы (например, силу резания вращающейся фрезы, шнека, шарошки буровой установки и т.п.). В любых каскадах управления насосом и гидромотором пилотное давление не превышает 2,0-3,0 МПа (20-30 бар).
Рис. 1. Типовая схема гидростатической трансмиссии спецтехники
На рис. 1 показана распространенная схема гидростатической трансмиссии хода машины. В пилотную гидросистему (систему управления насосом) включен пропорциональный клапан, управляемый педалью хода. Фактически это механически управляемый редукционный клапан.
Он питается от вспомогательного насоса системы восполнения утечек (подпитки). В зависимости от степени нажатия на педаль пропорциональный клапан регулирует величину пилотного потока, поступающего в цилиндр (в реальной конструкции – плунжер) управления наклоном шайбы.
Давление управления преодолевает сопротивление пружины цилиндра и поворачивает шайбу, изменяя величину рабочего объема насоса. Таким образом, оператор изменяет скорость машины. Реверс силового потока в гидросистеме, т.е. изменение направления движения машины осуществляется соленоидом «А».
Соленоид «В» управляет регулятором гидромотора, который устанавливает максимальный или минимальный его рабочий объем. В транспортном режиме движения машины устанавливается минимальный рабочий объем гидромотора, благодаря которому он развивает максимальную частоту вращения вала.
В период выполнения машиной силовых технологических операций устанавливается максимальный рабочий объем гидромотора. В этом случае он развивает максимальный крутящий момент при минимальной частоте вращения вала.
При достижении уровня максимального давления в силовом контуре 28,5 МПа управляющий каскад автоматически уменьшит угол наклона шайбы до 0° и защитит насос и всю гидросистему от перегрузки. Ко многим мобильным машинам с гидростатической трансмиссией предъявляются жесткие требования.
Они должны обладать высокой скоростью (до 40 км/ч) в транспортном режиме и преодолевать большие силы сопротивления при выполнении силовыхтехнологических операций, т.е. развивать максимальную тяговую силу. Примером могут служить колесные фронтальные погрузчики, сельскохозяйственные и лесозаготовительные машины.
В гидростатических трансмиссиях хода таких машин используются регулируемые гидромоторы с наклонным блоком цилиндров. Как правило, это регулирование релейное, т.е. обеспечивает две позиции: максимальный или минимальный рабочий объем гидромотора.
Вместе с тем существуют гидростатические трансмиссии, которые требуют пропорционального управления рабочим объемом гидромотора. При максимальном рабочем объеме крутящий момент генерируется при высоком давлении в гидросистеме.
Рис. 2. Схема действия сил в гидромоторе при максимальном рабочем объеме
На рис. 2 изображена схема действия сил в гидромоторе при максимальном рабочем объеме. Гидравлическая сила Fг раскладывается на осевую Fо и радиальную Fр. Радиальная сила Fр создает крутящий момент.
Поэтому, чем больше угол α (угол наклона блока цилиндров), тем выше сила Fр (крутящий момент). Плечо действия силы Fр, равное расстоянию от оси вращения вала до точки контакта поршня в обойме гидромотора, остается постоянным.
Рис. 3. Схема действия сил в гидромоторе при движении к минимальному рабочему объему
Когда угол наклона блока цилиндров уменьшается (угол α), т.е. рабочий объем гидромотора стремится к своему минимальному значению, сила Fр, а следовательно, крутящий момент на валу гидромотора также уменьшается. Схема действия сил в этом случае показана на рис. 3.
Характер изменения крутящего момента наглядно виден из сравнения векторных диаграмм для каждого угла наклона блока цилиндров гидромотора. Подобное управление рабочим объемом гидромотора широко используется в гидроприводах различных машин и оборудования.
Рис. 4. Схема типового управления гидромотором силовой лебедки
На рис. 4 показана схема типового управления гидромотором силовой лебедки. Здесь каналы А и В являются рабочими портами гидромотора.
В зависимости от направления движения силового потока рабочей жидкости в них обеспечивается прямое или реверсивное вращение. В показанной позиции у гидромотора максимальный рабочий объем. Рабочий объем гидромотора меняется при подачеуправляющего сигнала в его порт Х.
Пилотный поток рабочей жидкости, проходя через золотник управления, воздействует на плунжер перемещения блока цилиндров, который, поворачиваясь с высокой скоростью, быстро изменяет величину рабочего объема гидромотора.
Рис. 5. Характеристика управления гидромотором
На графике на рис. 5 показана характеристика управления гидромотором, она носит линейный характер обратной функции. Часто в сложных машинах для привода рабочих органов используются раздельные гидравлические контуры.
При этом одни из них выполнены по открытой гидравлической схеме, другие
требуют использования гидростатических трансмиссий. В качестве примера
можно привести полноповоротный одноковшовый экскаватор. В нем вращение
поворотной платформы и движение машины обеспечивают гидромоторы с
группой клапанов.
Конструктивно клапанная коробка устанавливается непосредственно на гидромоторе. Питание контура гидростатической трансмиссии от гидронасоса, работающего по открытой гидросхеме, осуществляется с помощью гидрораспределителя.
Рис. 6. Схема контура гидростатической трансмиссии, питаемого из открытой гидросистемы
Он обеспечивает подачу силового потока рабочей жидкости в контур гидростатической трансмиссии в прямом или обратном направлении. Схема такого гидравлического контура показана на рис.6.
Здесь изменение рабочего объема гидромотора осуществляется плунжером, управляемым пилотным золотником. На пилотный золотник может действовать как внешний сигнал управления, передаваемый по каналу Х, так и внутренний от избирательного клапана «ИЛИ».
Как только в нагнетательную линию гидроконтура подается силовой поток рабочей жидкости, избирательный клапан «ИЛИ» открывает доступ сигналу управления к торцу пилотного золотника и он, открывая рабочие окна, направляет порцию жидкости в плунжер привода блока цилиндров.
В зависимости от величины давления в нагнетательной линии рабочий объем
гидромотора меняется от нормальной позиции в сторону своего уменьшения
(высокая скорость/низкий крутящий момент) или увеличения (низкая
скорость/высокий крутящий момент). Таким способом осуществляется
управление
движением.
Если золотник силового гидрораспределителя переместился в противоположную позицию, направление движения силового потока изменится. Избирательный клапан «ИЛИ» займет другую позицию и направит сигнал управления в пилотный золотник из другой линии гидроконтура. Регулирование гидромотора осуществится аналогично.
Помимо управляющих компонентов данный гидроконтур содержит два комбинированных (антикавитационный и антишоковый) клапана, настроенных на пиковое давление 28,0 МПа, и систему вентиляции рабочей жидкости, предназначенную для принудительного ее охлаждения.
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.
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).
Гидростатическая трансмиссия — это гидравлический привод с закрытым (замкнутым) контуром, в состав которого водят один или несколько гидравлический насосов и моторов. Наиболее частое применение гидростатической трансмиссии — привод хода машин на колёсном или гусеничном ходу — где гидропривод предназначен для передачи механической энергии от приводного двигателя к исполнительному органу.
Гидростатическая трансмиссия — это гидравлический привод с закрытым (замкнутым) контуром, в состав которого водят один или несколько гидравлический насосов и моторов. В российской и советской литературе для таких гидроприводов применяется другое название — гидрообъемная передача. Наиболее частое применение гидростатической трансмиссии — привод хода машин на колёсном или гусеничном ходу — где гидропривод предназначен для передачи механической энергии от приводного двигателя к мосту, колесу или ведущей звезде гусеничной машины, посредством регулирования подачи насоса и выходной тяговой мощности за счёт регулирования гидромотора.
Гидростатическая трансмиссия имеет массу преимуществ перед механическим приводом. Одно из достоинств — упрощение механической разводки по машине. Это позволяет получить выигрыш в надежности, ведь зачастую при большой нагрузке на машину карданы не выдерживают и приходится ремонтировать машину. В северных условиях это происходит ещё чаще при низких температурах. За счёт упрощения механической разводки удается так же освободить место для вспомогательного оборудования. Применение гидростатической трансмиссии может позволить полностью убрать валы и мосты, заменив их насосной установкой и гидромоторами с редукторами, встраиваемыми прямо в колеса. Либо, в более простом варианте, гидромоторы могут быть встроены в мост.
Первая из упомянутых схем, где гидромоторы встраиваются в колеса, может быть применима для колёсных машин, но более интересен вариант такого гидропривода для гусеничной техники. Для таких машин Sauer-Danfoss разработал так же и систему управления на базе гидронасосов и гидромоторов серии 90, серии H1 и серии 51 — . Микроконтроллерное управление позволяет обеспечить комплексный контроль над машиной начиная от управления дизельным двигателем. В процессе работы система обеспечивает синхронизацию бортов для прямолинейного хода машины и бортовой поворот машины с помощью руля или электрического джойстика.
Вторая упомянутая выше схема применяется для тракторов или другой колёсной техники. Это гидропривод, в котором есть один гидронасос и один гидромотор, встраиваемый в ведущий мост. Для управления гидроприводом может использоваться как механическое или гидравлическое управление, так и самые передовые технологии электроуправления с использованием встроенного в гидронасос контроллера. Программа для управления таким гидроприводом так же может быть в микроконтроллере MC024, установленном отдельно. Так же как для «Dual Path» позволяет обеспечить управление не только гидростатической трансмиссией, но и двигателем по шине CAN . Электроуправление позволяет обеспечить ещё более плавное и точное регулирование скорости передвижения и тяговой мощности машины.
Недостатком же гидростатической трансмиссии можно считать не высокий КПД, который значительно ниже, чем у механической передачи. Однако по сравнению с механическими трансмиссиями, включающими коробки передач, гидростатическая трансмиссия оказывается экономичнее и быстрее. Происходит это по причине того, что в момент ручного переключения передач приходится отпускать и нажимать педаль газа. Именно в этот момент двигатель тратит много мощности, а скорость машины меняется рывками. Всё это негативно сказывается как на скорости, так и на расходе топлива. В гидростатической трансмиссии этот процесс происходит плавно и двигатель работает в более экономичном режиме, что повышает долговечность всей системы.
Для гидростатической трансмиссии Sauer-Danfoss разрабатывает несколько серий гидронасосов и гидромоторов. Наиболее распространены и российской и зарубежной технике регулируемые аксиально-поршневые . Их производство началось ещё в 90-х годах прошлого столетия и сейчас это полностью отлаженная линейка оборудования, умеющая массу преимуществ перед так называемой ГСТ 90, производимой многими отечественными и зарубежными компаниями. К преимуществам относятся компактность агрегатов, возможность исполнения тандемных насосных агрегатов и все варианты регулирования от механического до электрогидравлического на базе микроконтроллерного управления системы PLUS+1.
В связке с гидронасосами серии 90 часто применяются регулируемые аксиально-поршневые . Способы регулирования рабочего объема у них так же могут быть разные. Пропорционалньое электроуправление позволяет плавно регулировать мощность во всем диапазоне. Дискретное электроуправление позволяет работать в режимах малой и высокой мощности, что применяется либо для различного рода грунта, либо для езды по ровной или холмистой местности.
Новейшей разработкой Sauer-Danfoss являются и серии H1. Принципиальная схема их работы аналогична гидравлическим насосам серии 90 и моторам серии 51 соответственно. Но по сравнению с ними конструкция была проработана с применением новейших технологий. Было уменьшено количество деталей, что обеспечивает большую надежность, уменьшены габариты. Но главным отличие от старых серий можно считать наличие лишь одного варианта управления — электрического. Это современная тенденция — применять системы на базе сложной электроники, контроллеров. И серия H1 полностью разработана для таких современных требований. Одним из знаков того является вариант исполнения гидронасосов со встроенным контроллером, упомянутый выше.
Так же существуют аксиально-поршневые гидронасосы и гидромоторы серий 40 и 42, которые применимы в гидростатической трансмисcии малой мощности, где рабочий объем гидронасоса не превышает 51 см 3 . Такие гидроприводы могут быть у малых коммунальных уборочных машин, мини-погрузчиков, косилок и другой малогабаритной техники. Зачастую в таком гидроприводе могут применяться героторные гидромоторы. Так в погрузчиках Bobcat применяются . Для другой техники применимы героторные гидромоторы серий OMT , OMV , а для совсем легкой технике .
