Гидростатическая трансмиссия назначение устройство работа. Гидростатические трансмиссии спецтехники

Гидростатическая передача в легковых автомобилях до настоящего времени не применяется, поскольку она дорога и ее КПД относительно низок. Наиболее часто она используется в специальных машинах и транспортных средствах. В то же время гидростатический привод имеет много возможностей для применения; он особенно пригоден для трансмиссии с электронным управлением.

Принцип гидростатической передачи состоит в том, что источник механической энергии, например двигатель внутреннего сгорания, приводит гидронасос, подающий масло в тяговый гидравлический двигатель. Обе эти группы соединены между собой трубопроводом высокого давления, в частности, гибким. Это упрощает конструкцию машины, отпадает необходимость применения многих зубчатых колес, шарниров, осей, поскольку обе группы агрегатов могут быть расположены независимо друг от друга. Мощность привода определяется объемами гидронасоса и гидродвигателя. Изменение передаточного отношения в гидростатическом приводе бесступенчатое, его реверсирование и гидравлическая блокировка весьма просты.

В отличие от гидромеханической передачи, где соединение тяговой группы с преобразователем крутящего момента жесткое, в гидростатическом приводе передача усилий производится только через жидкость.

В качестве примера работы обеих трансмиссий рассмотрим переезд автомобиля с ними через складку местности (дамбу). При въезде на дамбу у автомобиля с гидромеханической трансмиссией возникает , в результате чего при постоянной частоте вращения скорость автомобиля снижается. При спуске с вершины дамбы двигатель начинает действовать как тормоз, однако направление буксования гидротрансформатора меняется и поскольку гидротрансформатор имеет низкие тормозные свойства при таком направлении буксования, автомобиль разгоняется.

У гидростатической передачи при спуске с вершины дамбы гидродвигатель выполняет функцию насоса и масло остается в трубопроводе, соединяющем гидродвигатель с насосом. Соединение обеих групп привода происходит через находящуюся под давлением жидкость, которая обладает той же степенью жесткости, что и упругость валов, сцеплений и зубчатых колес в обычной механической трансмиссии. Разгона автомобиля поэтому при спуске с дамбы не произойдет. Гидростатическая передача особенно пригодна для автомобилей повышенной проходимости.

Принцип гидростатического привода показан на рис. 1. Привод гидронасоса 3 от двигателя внутреннего сгорания производится через вал 1 и наклонную шайбу, а регулятором 2 управляют углом наклона этой шайбы, что изменяет подачу жидкости гидронасосом. В случае, изображенном на рис. 1, шайба установлена жестко и перпендикулярно оси вала 1 и вместо нее наклоняется корпус насоса 3 в кожухе 4 . Масло подается из гидронасоса по трубопроводу 6 в гидродвигатель 5 , имеющий постоянный объем, а из него - вновь возвращается по трубопроводу 7 в насос.

Если гидронасос 3 расположен соосно валу 1 , то подача масла им равна нулю и гидродвигатель в этом случае блокирован. Если насос наклонен вниз, то он подает масло в трубопроводе 7 и оно возвращается в насос по трубопроводу 6 . При постоянной частоте вращения вала 1 , обеспечиваемой, например, регулятором дизеля, управление скоростью и направлением движения автомобиля производится всего лишь одной рукояткой регулятора.

В гидростатическом приводе можно использовать несколько схем регулирования:

• насос и двигатель имеют нерегулируемые объемы. В этом случае речь идет о «гидравлическом вале», передаточное отношение является постоянным и зависит от отношения объемов насоса и двигателя. Такая трансмиссия для применения в автомобиле неприемлема;
• насос имеет регулируемый, а двигатель - нерегулируемый объем. Этот способ наиболее часто применяется в транспортных средствах, так как предоставляет большой диапазон регулирования при относительно простой конструкции;
• насос имеет нерегулируемый, а двигатель - регулируемый объем. Эта схема неприемлема для привода автомобиля, поскольку с ее помощью нельзя обеспечить торможение автомобиля через трансмиссию;
• насос и двигатель имеют регулируемые объемы. Такая схема предоставляет наилучшие возможности регулирования, но весьма сложна.

Применение гидростатической передачи позволяет отрегулировать выходную мощность вплоть до остановки выходного вала. При этом даже на крутом спуске можно остановить автомобиль перемещением рукоятки регулятора в нулевое положение. В этом случае трансмиссия гидравлически заблокирована и необходимость в применении тормозов отпадает. Для движения автомобиля достаточно передвинуть рукоятку вперед или назад. Если в трансмиссии используется несколько гидродвигателей, то соответствующим их регулированием можно достичь реализации работы дифференциала или его блокировки.

В гидростатической трансмиссии отсутствует целый ряд агрегатов, например, коробка передач, сцепление, карданные валы с шарнирами, главная передача и др. Это выгодно с позиции снижения массы и стоимости автомобиля и компенсирует достаточно высокую стоимость гидравлического оборудования. Все сказанное, в первую очередь, относится к специальным транспортным и технологическим средствам. В то же время, с точки зрения экономии энергии, гидростатическая трансмиссия имеет большие преимущества, например, для применения в автобусах.

Выше уже упоминалось о целесообразности аккумулирования энергии и получаемом энергетическом выигрыше, когда двигатель работает с постоянной частотой вращения в оптимальной зоне своей характеристики и его частота вращения не изменяется при переключении передач или изменении скорости автомобиля. Отмечалось также и то, что вращающиеся массы, соединенные с ведущими колесами, должны быть как можно меньше. Говорилось, кроме того, о преимуществах гибридного привода, когда при разгоне используются наибольшая мощность двигателя, а также мощность, накопленная в аккумуляторе. Все эти преимущества удается легко реализовать в гидростатическом приводе, если в его системе разместить гидроаккумулятор высокого давления.

Схема такой системы представлена на рис. 2. Приводимый двигателем 1 насос 2 с постоянным объемом подает масло в аккумулятор 3 . Если аккумулятор заполнен, регулятор давления 4 подает импульс электронному регулятору 5 об остановке двигателя. Из аккумулятора масло под давлением подается через центральное управляющее устройство 6 к гидродвигателю 7 и из него сбрасывается в масляный бак 8 , из которого вновь забирается насосом. У аккумулятора имеется ответвление 9 , предназначенное для питания дополнительного оборудования автомобиля.

В гидростатическом приводе обратное направление движения жидкости можно использовать для торможения автомобиля. В этом случае гидродвигатель забирает масло из бака и подает его под давлением в аккумулятор. Таким способом можно аккумулировать энергию торможения для дальнейшего ее использования. Недостаток всех аккумуляторов состоит в том, что любой из них (жидкостный, инерционный или электрический) имеет ограниченную емкость, и если аккумулятор заряжен, он больше не может накапливать энергию, и ее избыток должен быть сброшен (например, преобразован в теплоту) так же, как и в автомобиле без аккумулирования энергии. В случае гидростатического привода эта проблема решается применением редукционного клапана 10 , который при наполненном аккумуляторе перепускает масло в бак.

У городских маршрутных автобусов благодаря аккумулированию энергии торможения и возможности зарядки жидкостного аккумулятора во время остановок двигатель можно было бы отрегулировать на меньшую мощность и при этом обеспечить соблюдение необходимых ускорений при разгоне автобуса. Такая схема привода позволяет экономично реализовать движение в городском цикле, ранее описанное и изображенное на рис. 6 в статье .

Гидростатический привод можно удобно скомбинировать с обычной зубчатой передачей. В качестве примера приведем комбинированную трансмиссию автомобиля. На рис. 3 дана схема такой трансмиссии от маховика двигателя 1 к редуктору 2 главной передачи. Крутящий момент через цилиндрическую зубчатую передачу 3 и 4 подводится к поршневому насосу 6 с постоянным объемом. Передаточное отношение цилиндрической передачи соответствует IV-V передачам обычной механической коробки передач. При вращении насос начинает подавать масло в тяговый гидродвигатель 9 с регулируемым объемом. Наклонная регулирующая шайба 7 гидродвигателя соединена с крышкой 8 корпуса трансмиссии, а корпус гидродвигателя 9 соединен с ведущим валом 5 главной передачи 2 .

При разгоне автомобиля шайба гидродвигателя имеет наибольший угол наклона и масло, нагнетаемое насосом, создает большой момент на валу. Помимо этого на вал действует и реактивный момент насоса. По мере разгона автомобиля наклон шайбы уменьшается, следовательно, уменьшается и крутящий момент от корпуса гидродвигателя на валу, однако давление масла, подаваемого насосом, увеличивается и, следовательно, возрастет и реактивный момент этого насоса.

При уменьшении угла наклона шайбы до 0° насос гидравлически блокирован и передача крутящего момента от маховика к главной передаче будет осуществляться только парой шестерен; гидростатический привод будет выключен. Это улучшает КПД всей трансмиссии, так как гидродвигатель и насос отключены и вращаются в заблокированном положении вместе с валом, с КПД, равным единице. Кроме того, исчезают износ и шум гидроагрегатов. Этот пример - один из многих, показывающих возможности применения гидростатического привода. Масса и размеры гидростатической передачи определяются величиной максимального давления жидкости, которое в настоящее время достигло 50 МПа.

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.

Во многих современных машинах и механизмах используется новая гидростатическая трансмиссия. Несомненно, она устанавливается в более дорогих моделях мини тракторов и поскольку переключать скорости не нужно, то её можно назвать автоматической.

Такая трансмиссия отличается от механической коробки передач тем, что в ней нет шестерён, а вместо них используется гидравлическое оборудование, которое состоит из гидравлического насоса и гидравлического двигателя переменного объёма.

Управление такой трансмиссией осуществляется одной педалью, а сцепление в таком тракторе служит для включения вала отбора мощности. Перед запуском двигателя, проверяем тормоз, нажав на него, затем выжимаем сцепление и устанавливаем ручку отбора мощности в нейтральное положение. После этого, поворачиваем ключ и заводим трактор.

Направление движения, осуществляется реверсом, устанавливаем рычаг реверса в положение вперёд, нажимаем на педаль хода, и поехали. Чем сильнее мы нажимаем на педаль, тем быстрее едем. Если отпустить педаль, трактор останавливается. Если скорости не достаточно, то необходимо увеличить газ, специальным рычагом.

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.