Hydrostatic drive in transmissions of special self-propelled vehicles

Full Text

В настоящее время гидрообъемные передачи включаются в состав трансмиссий тракторов, самоходных сельскохозяйственных машин, экскаваторов, дорожных катков и в состав бесступенчатых механизмов поворота гусеничных машин [1-3]. 1. Гидрообъемная передача Гидрообъемная передача – это сочетание двух гидравлических машин: объемного насоса, преобразующего механическую энергию привода в энергрию потока жидкости, и объемного гидродвигателя (гидромотора), преобразующего энергию потока жидкости в механическую работу (рисунок 1). а) Насос б) Гидромотор Рисунок 1. Полуконструктивная схема гидрообъемной передачи В корпусе 1 на шлицах приводного вала 7 закреплен блок цилиндров 2, в расточках которого устанавливаются предпочтительно нечетное число поршней 3, опирающихся на опорные башмаки 9. Величина хода поршней, а следовательно, и подача насоса определяется углом наклона диска 8. Составной частью конструкции такого типа передачи является распределительное устройство – прецизионная пара: поверхность блока цилиндров (приставное дно) и стальной распределительный диск 4. Приставное дно крепится к стальному блоку цилиндров. Таблица 1. Основные данные аксиально-поршневых гидравлических машин с наклонным диском фирмы «Зауэр» Гидравлические машины аксиально-поршневой конструкции имеют небольшую массу и очень малый момент инерции вращающихся масс. В таблице 1 представлены исходные данные аксиально-поршневых гидравлических машин с наклонным диском фирмы «Зауэр», выпускаемых в России по лицензии. Нерегулируемый гидромотор (рисунок 1) содержит те же составные части, но наклонный диск является неподвижной частью его корпуса. Защита гидрообъемной передачи от перегрузки обеспечивается предохранительными клапанами 6. При выборе гидрообъемной передачи установочная мощность гидравлических машин не должна превосходить мощности источника энергии (двигателя), в противном случае она будет недогружена. Рисунок 2. Гидравлическая система, обеспечивающая функционирование гидрообъемной передачи Длительная и стабильная работа гидрообъемной передачи обеспечивается системой подпитки (рисунок 2), на котором представлена гидрообъемная передача с регулируемыми гидравлическими машинами 1 и 16. Эта система с открытым кругом циркуляции рабочей жидкости создает напор во всасывающей гидролинии, осуществляет её охлаждение и фильтрацию, компенсирует объемные потери мощности. Система содержит насос 5 с предохранительным клапаном 6, напорный клапан 11, ограничивающий давление рабочей жидкости во всасывающей гидролинии, трехпозиционный распределитель 12, обратные клапаны 7 и 8, предохранительные клапаны 9 и 10. 2. Диапазон изменения передаточных отношений гидрообъемной передачи с регулируемыми гидравлическими машинами Такая гидрообъемная передача имеет широкий диапазон передаточных отношений , (1) где: - частота вращения вала гидромотора, мин-1; - максимальная частота вращения приводного вала насоса, мин-1; и - рабочие (конструктивные) объемы насоса и гидромотора; и - объемные КПД насоса и гидромотора соответственно; и - параметры регулирования насоса и гидромотора: ; , (2) где: и - текущие рабочие объемы насоса и гидромотора, л/об. Для реверсивных гидравлических машин: ; . Следовательно, . (3) Исходя из уравнения (1), изменение скорости вращения вала гидромотора в рассматриваемой гидрообъемной передаче (рисунок 2) осуществляется последовательно: сначала скорость вращения вала гидромотора увеличивается изменением рабочего объема насоса (, ) при сохранении рабочего объема максимальным (). В этом диапазоне скорость вращения вала гидромотора возрастает до величины, соответствующей максимальной мощности гидрообъемной передачи: . На втором диапазоне скорость вращения вала гидромотора продолжает увеличиваться снижением его рабочего объема до минимальной величины , определяемой режимом самоторможения, при котором развиваемый или крутящий момент становится меньше момента сопротивления , приведенного к его валу (). Диапазон кинематического изменения передаточного отношения , согласно (1), определяется из зависимости: , (4) где: - максимальное передаточное отношение гидрообъемной передачи в конце второго периода при , . , (5) - минимальное передаточное отношение гидрообъемной передачи на левой границе рабочей области, рисунок 3, при , . , (6) и - соответственно объемный КПД насоса при , ; и - соответственно объемный КПД гидромотора при ,. Для гидрообъемной передачи аксиально-поршневого типа с однотипными регулируемыми гидравлическими машинами: , . (7) На рисунке 3 представлены экспериментальные характеристики регулируемых гидравлических машин фирмы «Зауэр» 23 типоразмера [2]. Диапазон изменения кинематического передаточного отношения для гидрообъемной передачи : , (8) где: и - соответственно кинематические передаточные отношения регулируемых насоса и гидромотора в рабочей области при благоприятном КПД ( = 21 МПа). Для гидрообъемной передачи с однотипными гидравлическими машинами (), согласно (7) , . (9) Диапазон изменения сопротивления движению по совокупности грунтовых условий составляет пределы 8…11 [3]. В гидрообъемной передаче как составной части трансмиссии рассматриваемых специальных машин, исходя из уравнения (8), диапазон может быть распределен поровну, таблица 1. Следовательно: . (10) Минимальные значения параметров регулирования гидравлических машин , , пренебрегая с допустимой погрешностью и для номинальной расчетной нагрузки = 21 МПа, согласно (9) составят: . (11) Рисунок 3. Графики зависимости объемного и механического КПД регулируемых гидравлических машин фирмы «Зауэр» 23 типоразмера при = 7, 21, 35 МПа, = 6º, 12º и 18º Рассматриваемая гидрообъемная передача с регулируемыми гидравлическими машинами обладает жесткими техническими характеристиками, представляющими графические зависимости крутящего момента и мощности , снимаемых с вала гидромотора от его частоты вращения и (рисунок 4). Рисунок 4. Механические характеристики гидрообъемной передачи с регулируемыми гидравлическими машинами При повышении скорости вращения вала гидромотора на первом диапазоне в пределах (рисунок 4) следует: ; . (12) При крутящий момент сохраняет постоянную величину ; мощность гидрообъемной передачи повышается до максимального значения (при ). С увеличением частоты вращения вала гидромотора с мощность гидрообъемной передачи сохраняется постоянной ; крутящий момент, снимаемый с вала гидромотора, изменяется по гиперболическому закону: ; ; . (13) 3. Полнопоточные гидрообъемные трансмиссии Полнопоточные гидрообъемные трансмиссии, которыми оснащаются тракторы, самоходные сельскохозяйственные машины, дорожные катки можно свести в три группы: нераздельно-агрегатные, гидрообъемно-механические и раздельно-агрегатные. Первую группу составляют трансмиссии машин с колесной формулой 4к2, содержашие гидрообъемную передачу и главную передачу с межколесным дифференциалом (рисунок 5). Рисунок 5. Кинематические схемы трансмиссий На рисунке 5а представлена гидрообъемная трансмиссия, включающая регулируемый насос, нерегулируемый гидромотор и задний мост. Ей оснащаются трансмиссии тракторов небольшой массы и малой мощности, в которых гидрообъемная передача выполняет функцию бесступенчатой коробки передач. Диапазон изменения передаточного отношения составляет величину . На рисунке 5б представлена схема трансмиссии трактора «Лукас Т-100» (Великобритания) мощностью 75 кВт, включающая гидрообъемную передачу с регулируемыми гидравлическими машинами с диапазоном и задний мост. Вторую группу составляют гидрообъемно-механические трансмиссии (рисунок 5в), включающие гидрообъемную передачу, механическую коробку передач на 2…3 ступени и задний мост. В России такими трансмиссиями оснащены: косилка-плющилка КПС-5Г, самоходный комбайн кормоуборочный КСК-100, картофелеуборочный комбайн КСК-4, зерноуборочный комбайн «Дон-1200» и «Дон-1500», в которых установлены гидрообъемная передача с регулируемым насосом и нерегулируемым гидромотором ГСТ-90 фирмы «Зауэр» 23-го типоразмера (таблица 1). В состав трансмиссии входят механические агрегаты и механизмы серийных тракторов, а гидрообъемная передача выполняет функцию бесступенчатой коробки передач. Кинематическая схема (рисунок 4г) с регулируемыми гидравлическими машинами и с двухступенчатой коробкой передач использована в трансмиссиях семейства тракторов «Интернейшнл Харвестр» (США). К третьей группе относятся раздельно-агрегатные гидрообъемные трансмиссии, которые характерны тем, что имеют регулируемый насос и два параллельно включенных гидромотора (рисунок 6), выполняющие, как и предыдущие, полную функцию трансмиссии и межколесного дифференциала для тракторов с колесной формулой 4к2 и 4к4а. Рисунок 6. Кинематические схемы раздельно-агрегатных гидрообъемных трансмиссий Гидрообъемные трансмиссии (рисунки 6а и 6в) оснащены высокооборотными гидравлическими машинами и понижающими бортовыми передачами. Диапазоны изменения передаточных отношений составляют соответственно и . Гидрообъемная трансмиссия (рисунок 6б) оснащена высокооборотным регулируемым насосом и двумя низкооборотными высокомоментными гидромоторами, которые встроены в ведущие колеса трактора. Рассмотренные трансмиссии (рисунки 5 и 6) выполняют все функции трансмиссии самоходных машин: · стоянку на месте при нулевой подаче регулируемого насоса; · трогание с места и разгон до максимальной скорости; · большой скоростной и силовой диапазоны передаточных отношений и полное реверсирование; · плавное и экстренное торможение, исключая установку остановочных тормозов, заменяя их стояночными для удержания машины на косогорах; · выполнение функции межколесного дифференциала (рисунок 6); · обеспечение прогрессивной характеристики машины. 4. Гидрообъемная трансмиссия трактора «БИМА-300» (Франция) Трансмиссия (рисунок 7) включает четыре гидрообъемные передачи, кинематически связанные с ведущими колесами, колесной формулы 4к4б. Каждая из них содержит быстроходный регулируемый насос типоразмера «22» фирмы «Зауэр» (таблица 1) и нерегулируемый двухступенчатый, высокомоментный гидромотор 13Н30 «Ройс», встроенный в ведущее колесо, образуя конструкцию «мотор-колесо». Согласующий редуктор не только распределяет поток мощности двигателя, но и обеспечивает оптимальную частоту вращения приводных валов регулируемых насосов, при которых объемные потери мощности минимальны. В таблице 2 для сравнительной оценки даны характеристики отечественного трактора К-701, однотипного по назначению с трактором «БИМА-300», но у которого рабочий объем гидромоторов изменяется ступенчато за счет отключения части цилиндров. При отключении всех цилиндров обеспечивается движение трактора накатом. Двухдиапазонная гидрообъемная трансмиссия обеспечивает прогрессивную характеристику трактора. Характеристики гидравлических машин гидрообъемной передачи «БИМА-300» даны в таблице 3. Рисунок 7. Схема гидрообъемной трансмиссии трактора «БИМА-300» Таблица 2. Характеристики тракторов К-701 и «БИМА-300» Таблица 3. Скорость движения трактора: · для рабочего режима движения: , (14) · в транспортном режиме движения: . (15) Крутящий момент на ведущих колесах в режиме рабочего движения: . (16) Крутящий момент на ведущих колесах в транспортном режиме движения: . (17) Полнопоточная гидрообъемная передача трактора «БИМА-300» обеспечивает высокие тяговые качества и возможность работы с комплексом навесного оборудования и прицепных сельскохозяйственных машин. В трансмиссии трактора «БИМА-300» не предусмотрены агрегаты и механизмы, присущие тракторам с механической трансмиссией. Колодочные тормоза предназначены для удержания машины на косогорах, хотя конструктивно они могут быть использованы и как остановочные при движении трактора накатом в случае отключения всех цилиндров двухступенчатых гидромоторов. Выводы 1. Гидрообъемная трансмиссия тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин выполняет все её функции, обеспечивая прогрессивную тяговую характеристику. 2. Диапазоны изменения кинематического и силового передаточных отношений гидрообъемной передачи с регулируемыми гидравлическими машинами соответствуют такому показателю сопротивления движению машины по совокупности грунтовых условий . 3. Гидрообъемная передача обладает жесткими механическими характеристиками по крутящему моменту и мощности, снимаемых с вала гидромотора (рисунок 4). 4. В компоновке гидрообъемно-механических трансмиссий универсальных, универсально-пропашных тракторов, самоходных комбайнов средней мощности предпочтительно использовать нераздельно-агрегатные конструкции гидрообъемной передачи с регулируемым насосом и нерегулируемым гидромотором, механическую коробку передач на 2÷3ступени с фрикционным включением, а в заднем мосту стояночные тормоза вместо остановочных. 5. В моторно-трансмиссионной установке если частота вращения коленчатого вала двигателя не равна максимальной скорости вращения приводного вала насоса, то необходимо предусмотреть установку между двигателем и гидрообъемной передачей согласующего редуктора. Установочная мощность гидравлических машин не должна превосходить мощности двигателя. 6. Нагрузка гидрообъемной передаче и кинематически связанных с ней агрегатов и механизмов трансмиссии по давлению рабочей жидкости устанавливается автоматически при любом передаточном отношении, величина её зависит от силы тяги по сцеплению ведущих колес с грунтом.

About the authors

L. N Krumboldt

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru
Ph.D., Prof.

F. P Golovashkin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru
Ph.D.

A. G Strelkov

“MMZ” JSC

Email: avt@mami.ru
Ph.D.

References

Supplementary files