Гидротрансформатор - Torque converter

ZF в разрезе гидротрансформатора
Визитная карточка гидротрансформатора

А гидротрансформатор это тип гидравлическая муфта который передает вращающую силу от первичный двигатель, как двигатель внутреннего сгорания к вращающейся ведомой нагрузке. В автомобиле с автоматическая коробка передач, преобразователь крутящего момента подключает источник питания к нагрузке. Обычно он находится между двигателем. гибкая пластина и трансмиссия. Аналогичным местом в механической коробке передач будет механическая коробка передач. схватить.

Основная характеристика гидротрансформатора - это его способность крутящий момент когда выходная частота вращения настолько мала, что позволяет жидкости, выходящей из изогнутых лопаток турбины, отклоняться от статора, когда он заблокирован своей односторонней муфтой, таким образом обеспечивая эквивалент редуктор. Эта особенность выходит за рамки простой гидравлической муфты, которая может соответствовать скорости вращения, но не увеличивает крутящий момент, что снижает мощность.

Некоторые из этих устройств также оснащены механизмом «блокировки», который жестко связывает двигатель с трансмиссией, когда их скорости почти равны, чтобы избежать пробуксовки и, как следствие, потери эффективности.

Гидравлические системы

Безусловно, самая распространенная форма гидротрансформатора в автомобильные трансмиссии - это гидрокинетическое устройство, описанное в этой статье. Это также гидростатический системы, которые широко используются в небольших машинах, таких как компактные экскаваторы.

Механические системы

Есть также механические конструкции для бесступенчатые трансмиссии и они также имеют возможность умножать крутящий момент. К ним относятся маятниковые Гидротрансформатор Constantinesco, то Трансмиссия привода с фрикционным зацеплением Ламберта и Вариоматический с раздвижными шкивами и ременной передачей.

использование

Функция

Теория Операции

В уравнениях движения гидротрансформатора преобладают Леонард Эйлер уравнение турбомашины восемнадцатого века:

Уравнение расширяется, чтобы включить радиус пятой степени; в результате свойства гидротрансформатора сильно зависят от размера устройства.

Элементы гидротрансформатора

А гидравлическая муфта представляет собой двухэлементный привод, который не может увеличивать крутящий момент, в то время как преобразователь крутящего момента имеет по крайней мере один дополнительный элемент - статор - который изменяет характеристики привода в периоды высокого проскальзывания, вызывая увеличение выходного крутящего момента.

В гидротрансформаторе есть как минимум три вращающихся элемента: рабочее колесо, которое механически приводится в движение первичный двигатель; турбина, которая приводит в движение нагрузка; и статор, который расположен между рабочим колесом и турбиной, так что он может изменять поток масла, возвращающийся от турбины к рабочему колесу. Классическая конструкция гидротрансформатора требует, чтобы статор не вращался ни при каких условиях, отсюда и термин статор. Однако на практике статор устанавливается на обгонная муфта, который предотвращает вращение статора в противоположных направлениях относительно первичного двигателя, но допускает вращение вперед.

В базовую трехэлементную конструкцию периодически вносятся изменения, особенно в приложениях, где требуется увеличение крутящего момента, превышающее нормальное. Чаще всего они имеют форму нескольких турбин и статоров, каждый из которых спроектирован так, чтобы производить разную величину увеличения крутящего момента. Например, Бьюик Dynaflow автоматическая трансмиссия имела конструкцию без переключения передач и в нормальных условиях полагалась исключительно на преобразователь для увеличения крутящего момента. В Dynaflow использовался пятиэлементный преобразователь для обеспечения широкого диапазона увеличения крутящего момента, необходимого для движения тяжелого транспортного средства.

Хотя это не является строго частью классической конструкции гидротрансформатора, многие автомобильные преобразователи включают муфта блокировки для повышения эффективности крейсерской передачи мощности и снижения нагрева. Применение муфты блокирует турбину с крыльчаткой, в результате чего вся передача мощности становится механической, что устраняет потери, связанные с гидравлическим приводом.

Фазы эксплуатации

Гидротрансформатор имеет три ступени работы:

  • Ларек. Первичный двигатель передает мощность на крыльчатку, но турбина не может вращаться. Например, в автомобиле этот этап работы будет происходить, когда водитель установит коробка передач на передаче, но не дает автомобилю двигаться, продолжая применять тормоза. При остановке гидротрансформатор может производить максимальное увеличение крутящего момента, если приложена достаточная входная мощность (результирующее умножение называется коэффициент стойла). Фаза остановки на самом деле длится в течение короткого периода, когда груз (например, транспортное средство) первоначально начинает двигаться, поскольку будет очень большая разница между скоростью насоса и турбины.
  • Ускорение. Нагрузка увеличивается, но по-прежнему существует относительно большая разница между скоростью вращения крыльчатки и турбины. В этом случае преобразователь будет производить меньшее увеличение крутящего момента, чем могло бы быть достигнуто в условиях остановки. Величина умножения будет зависеть от реальной разницы между скоростями насоса и турбины, а также от различных других проектных факторов.
  • Связь. Турбина достигла примерно 90 процентов скорости рабочего колеса. Увеличение крутящего момента практически прекратилось, и преобразователь крутящего момента ведет себя аналогично простой гидравлической муфте. В современном автомобильный применения, обычно на этом этапе эксплуатации применяется блокирующая муфта, процедура, которая имеет тенденцию улучшать эффективность топлива.

Ключ к способности гидротрансформатора увеличивать крутящий момент лежит в статоре. В классике гидравлическая муфта конструкции, периоды высокого проскальзывания приводят к тому, что поток жидкости, возвращающийся от турбины к рабочему колесу, противоположен направлению вращения рабочего колеса, что приводит к значительной потере эффективности и генерации значительных отходящее тепло. В тех же условиях в гидротрансформаторе возвращаемая жидкость будет перенаправлена ​​статором, чтобы способствовать вращению крыльчатки, а не препятствовать ей. В результате большая часть энергии возвращающейся жидкости восстанавливается и добавляется к энергии, прикладываемой к рабочему колесу первичным двигателем. Это действие вызывает значительное увеличение массы жидкости, направляемой в турбину, что приводит к увеличению выходного крутящего момента. Поскольку возвращающаяся жидкость первоначально движется в направлении, противоположном вращению рабочего колеса, статор также будет пытаться вращаться в противоположных направлениях, поскольку он заставляет жидкость изменять направление, эффект, который предотвращается односторонняя муфта статора.

В отличие от радиально прямых лопаток, используемых в простой гидравлической муфте, в турбине и статоре гидротрансформатора используются угловые и изогнутые лопатки. Форма лопастей статора - это то, что изменяет путь жидкости, заставляя его совпадать с вращением рабочего колеса. Соответствующая кривая лопаток турбины помогает правильно направлять возвращающуюся жидкость к статору, чтобы последний мог выполнять свою работу. Форма лопастей важна, поскольку незначительные изменения могут привести к значительным изменениям в характеристиках преобразователя.

Во время фаз срыва и ускорения, в которых происходит увеличение крутящего момента, статор остается неподвижным из-за действия его односторонней муфты. Однако по мере приближения гидротрансформатора к фазе сцепления энергия и объем жидкости, возвращающейся из турбины, будут постепенно уменьшаться, вызывая аналогичное уменьшение давления на статор. Находясь в фазе соединения, возвращающаяся жидкость изменит направление на противоположное и теперь будет вращаться в направлении рабочего колеса и турбины, в результате чего будет предпринята попытка вращения статора вперед. В этот момент муфта статора отключится, и крыльчатка, турбина и статор все (более или менее) повернутся как единое целое.

Неизбежно некоторая часть жидкости кинетическая энергия будут потеряны из-за трения и турбулентности, в результате чего преобразователь будет выделять отработанное тепло (рассеиваемое во многих приложениях за счет водяного охлаждения). Этот эффект, часто называемый насосными потерями, будет наиболее выражен в условиях сваливания или около него. В современных конструкциях геометрия лопастей сводит к минимуму скорость масла при низких скоростях рабочего колеса, что позволяет турбине останавливаться на длительные периоды с небольшой опасностью перегрева (например, когда автомобиль с автоматической коробкой передач останавливается на светофоре или в пробке, когда все еще на передаче).

Увеличение КПД и крутящего момента

Гидротрансформатор не может обеспечить 100-процентный КПД муфты. Классический трехэлементный преобразователь крутящего момента имеет кривую КПД, напоминающую ∩: нулевой КПД при остановке, обычно повышающий КПД во время фазы ускорения и низкий КПД на фазе сцепления. Потеря эффективности, когда преобразователь входит в фазу соединения, является результатом турбулентности и помех потока жидкости, создаваемых статором, и, как упоминалось ранее, обычно преодолевается путем установки статора на односторонней муфте.

Даже с преимуществом односторонней муфты статора преобразователь не может достичь такого же уровня эффективности в фазе соединения, как гидравлическая муфта того же размера. Некоторые потери возникают из-за наличия статора (даже если он вращается как часть узла), поскольку он всегда создает некоторую поглощающую энергию турбулентность. Однако большая часть потерь происходит из-за изогнутых и наклонных лопаток турбины, которые не поглощают кинетическую энергию от массы жидкости, а также из-за радиально прямых лопаток. Поскольку геометрия лопаток турбины является решающим фактором в способности преобразователя увеличивать крутящий момент, неизбежны компромиссы между увеличением крутящего момента и эффективностью соединения. В автомобильной промышленности, где неуклонное улучшение экономии топлива требовалось рыночными силами и постановлением правительства, почти универсальное использование муфты блокировки помогло исключить преобразователь из уравнения эффективности во время крейсерской эксплуатации.

Максимальное увеличение крутящего момента, производимое преобразователем, в значительной степени зависит от размера и геометрии лопаток турбины и статора и создается только тогда, когда преобразователь находится в фазе остановки или около нее. Типичный Пусковой момент Коэффициенты умножения варьируются от 1,8: 1 до 2,5: 1 для большинства автомобильных приложений (хотя многоэлементные конструкции, используемые в Бьюик Dynaflow и Chevrolet Турбоглайд мог бы произвести больше). Специализированные преобразователи, разработанные для промышленных, железнодорожных или тяжелых судовых систем передачи энергии, способны к умножению до 5,0: 1. Вообще говоря, существует компромисс между максимальным увеличением крутящего момента и эффективностью - преобразователи с высоким коэффициентом торможения имеют тенденцию быть относительно неэффективными ниже скорости сцепления, тогда как преобразователи с низким коэффициентом торможения обычно обеспечивают меньшее возможное увеличение крутящего момента.

Характеристики гидротрансформатора должны быть тщательно согласованы с кривая крутящего момента источника питания и предполагаемого применения. Изменение геометрии лопастей статора и / или турбины приведет к изменению характеристик торможения крутящего момента, а также общей эффективности агрегата. Например, дрэг-рейсинг В автоматических трансмиссиях часто используются преобразователи, модифицированные для получения высоких оборотов при остановке с целью улучшения крутящего момента вне сети и более быстрого перехода в диапазон мощности двигателя. В шоссейных транспортных средствах обычно используются преобразователи крутящего момента с более низкой стойкостью, чтобы ограничить тепловыделение и обеспечить более четкое ощущение характеристик автомобиля.

Особенность дизайна, которая когда-то встречалась в некоторых Дженерал Моторс автоматических трансмиссий был статор изменяемого шага, в котором лопасти угол атаки может изменяться в зависимости от изменений оборотов двигателя и нагрузки. Эффектом этого было изменение величины увеличения крутящего момента, производимого преобразователем. При нормальном угле атаки статор заставлял преобразователь производить умеренное умножение, но с более высоким уровнем эффективности. Если водитель резко откроет дроссельную заслонку, клапан переключит шаг статора на другой угол атаки, увеличивая умножение крутящего момента за счет эффективности.

В некоторых преобразователях крутящего момента используется несколько статоров и / или несколько турбин для обеспечения более широкого диапазона увеличения крутящего момента. Такие многоэлементные преобразователи чаще встречаются в промышленных условиях, чем в автомобильных трансмиссиях, но автомобильные приложения, такие как Бьюик с Тройная турбина Dynaflow и Chevrolet с Турбоглайд тоже существовали. Buick Dynaflow использовал характеристики увеличения крутящего момента своей планетарной передачи в сочетании с преобразователем крутящего момента для пониженной передачи и обходил первую турбину, используя только вторую турбину при увеличении скорости автомобиля. Неизбежным компромиссом с этой компоновкой была низкая эффективность, и в конечном итоге эти трансмиссии были прекращены в пользу более эффективных трехскоростных агрегатов с обычным трехэлементным преобразователем крутящего момента. Также обнаружено, что эффективность гидротрансформатора максимальна на очень низких скоростях.

Гидротрансформаторы с блокировкой

Как описано выше, толкающие потери в преобразователе крутящего момента снижают эффективность и генерируют отходящее тепло. В современных автомобильных приложениях этой проблемы обычно можно избежать, используя муфта блокировки который физически связывает рабочее колесо и турбину, эффективно превращая преобразователь в чисто механическое соединение. В результате нет проскальзывания и практически никаких потерь мощности.

Первым автомобильным применением принципа блокировки было Packard с Ultramatic трансмиссия, представленная в 1949 году, которая блокировала гидротрансформатор на крейсерской скорости, разблокировавшись, дроссель был поставлен на пол для быстрого ускорения или при замедлении автомобиля. Эта функция также присутствовала в некоторых Борг-Уорнер трансмиссии 1950-х гг. В последующие годы он потерял популярность из-за своей дополнительной сложности и стоимости. В конце 1970-х муфты с блокировкой стали снова появляться в ответ на потребность в улучшенной экономии топлива, и теперь они почти универсальны в автомобильной промышленности.

Емкость и режимы отказа

Как и в случае с базовой гидравлической муфтой, теоретический крутящий момент гидротрансформатора пропорционален , куда - массовая плотность жидкости (кг / м³), скорость рабочего колеса (об / мин ), и диаметр (м).[1] На практике максимальный крутящий момент ограничен механическими характеристиками материалов, используемых в компонентах преобразователя, а также способностью преобразователя рассеивать тепло (часто посредством водяного охлаждения). Для повышения прочности, надежности и экономичности производства большинство корпусов преобразователей автомобилей имеют сварную конструкцию. Промышленные блоки обычно собираются с корпусами на болтах, что упрощает процесс осмотра и ремонта, но увеличивает стоимость производства преобразователя.

В высокопроизводительных, гоночных и тяжелых коммерческих преобразователях насос и турбина могут быть дополнительно усилены с помощью процесса, называемого пайка в печи, в котором расплавленная латунь втягивается в швы и соединения для создания более прочного соединения между лопатками, ступицами и кольцевым кольцом (кольцами). Поскольку процесс пайки в печи создает небольшой радиус в точке, где лопатка встречается со ступицей или кольцевым кольцом, произойдет теоретическое уменьшение турбулентности, что приведет к соответствующему увеличению эффективности.

Перегрузка преобразователя может привести к нескольким режимам отказа, некоторые из них потенциально опасны по своей природе:

  • Перегрев: Постоянно высокое проскальзывание может нарушить способность преобразователя рассеивать тепло, что приведет к повреждению эластомер уплотнения которые удерживают жидкость внутри конвертера. Это вызовет протечку устройства и, в конечном итоге, остановку работы из-за нехватки жидкости.
  • Заедание муфты статора: Внутренние и внешние элементы односторонняя муфта статора становятся постоянно заблокированными, предотвращая вращение статора во время фазы соединения. Чаще всего заедание происходит из-за сильной нагрузки и последующей деформации компонентов сцепления. В итоге, раздражающий сопрягаемых частей, что вызывает заедание. Преобразователь с заеданием муфты статора будет демонстрировать очень низкий КПД во время фазы сцепления, а в автомобиле расход топлива резко возрастет. Перегрев преобразователя в таких условиях обычно происходит, если продолжать работу.
  • Поломка муфты статора: Очень резкое приложение мощности может вызвать ударную нагрузку на муфту статора, что приведет к поломке. Если это произойдет, статор будет свободно вращаться в противоположных направлениях в направлении, противоположном направлению вращения насоса, и передача мощности практически не произойдет. В автомобиле эффект аналогичен серьезному случаю пробуксовки трансмиссии, и автомобиль практически не может двигаться своим ходом.
  • Деформация и фрагментация клинка: Если преобразователь подвергается резкой нагрузке или чрезмерному нагреву, лопатки насоса и / или турбины могут деформироваться, отделиться от их ступиц и / или кольцевых колец, или могут разбиться на фрагменты. По крайней мере, такой отказ приведет к значительной потере эффективности, вызывая симптомы, аналогичные (хотя и менее выраженным) тем, которые сопровождают отказ муфты статора. В крайнем случае произойдет катастрофическое разрушение преобразователя.
  • Полеты на воздушном шаре: Продолжительная работа при чрезмерной нагрузке, очень резком приложении нагрузки или работе гидротрансформатора на очень высоких Об / мин может привести к физическому искажению формы корпуса преобразователя из-за внутреннего давления и / или напряжения, вызванного инерцией. В экстремальных условиях раздувание приведет к разрыву корпуса преобразователя, что приведет к сильному рассеянию горячего масла и металлических фрагментов по большой площади.

Производители

Текущий

Прошлое

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Гидродинамические муфты и преобразователи. Справочник по автомобилестроению (3-е изд.). Роберт Бош. 1993. стр. 539. ISBN  0-8376-0330-7.
  2. ^ «Эспаснет - Оригинальный документ». Worldwide.espacenet.com. 1933-03-07. Получено 2014-07-21.
  3. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2010-03-02. Получено 2009-10-31.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  4. ^ [1]

внешняя ссылка