Гидродинамическая передача

Гидродинамическая передача — это механизм, предназначенный для передачи крутящего момента от двигателя к трансмиссии или рабочему органу машины посредством динамического взаимодействия потока жидкости с лопастными колёсами. Относится к классу гидравлических передач, в которых энергия передаётся за счёт изменения момента количества движения рабочей жидкости (обычно специального масла), циркулирующей в замкнутом контуре. Основными разновидностями гидродинамической передачи являются гидромуфта и гидротрансформатор.

История

Первые теоретические основы гидродинамической передачи были заложены в конце XIX — начале XX века. В 1905 году немецкий инженер Герман Фёттингер (Hermann Föttinger) предложил конструкцию гидротрансформатора, предназначенного для использования на судах в качестве редуктора, снижающего частоту вращения гребного винта относительно вала паровой турбины. Патент на это устройство был получен в 1905 году. Однако из-за низкого КПД первых образцов (около 60—70 %) и сложности изготовления широкое применение гидродинамических передач началось только в 1930-х годах, после появления более совершенных технологий обработки металлов и синтетических масел.

В 1930-е годы гидротрансформаторы начали устанавливать на автобусы и тяжёлые грузовики в США и Европе. В 1940-х годах они стали применяться в танкостроении (например, на немецком танке «Пантера» в 1943 году). В СССР первые серийные гидромеханические передачи появились в 1950-х годах на автобусах ЛиАЗ и троллейбусах ЗиУ. Массовое внедрение гидротрансформаторов в легковые автомобили произошло в 1960-х годах, прежде всего в США (коробки передач типа Hydra-Matic). К началу XXI века гидродинамические передачи стали стандартом для городских автобусов, строительной техники и многих моделей легковых автомобилей с автоматическими коробками передач.

Принцип действия

Работа гидродинамической передачи основана на преобразовании механической энергии двигателя в кинетическую энергию потока жидкости и обратно. Основными элементами являются:

• Насосное колесо (импеллер) — жёстко связано с ведущим валом (например, с коленчатым валом двигателя). При вращении оно разгоняет жидкость от центра к периферии, создавая поток с высоким моментом количества движения.
• Турбинное колесо — жёстко связано с ведомым валом (например, с входным валом коробки передач). Поток жидкости ударяет в его лопатки, передавая крутящий момент и заставляя турбину вращаться.
• Реактор (статор) — неподвижное лопастное колесо, установленное между турбиной и насосом. Его задача — изменять направление потока жидкости, возвращающейся от турбины к насосу, что позволяет увеличить крутящий момент на ведомом валу (в гидротрансформаторе). В гидромуфте реактор отсутствует.

Рабочая жидкость (масло) циркулирует по замкнутому тороидальному объёму. В гидротрансформаторе, благодаря реактору, при разнице частот вращения насосного и турбинного колёс происходит увеличение крутящего момента (трансформация). По мере выравнивания скоростей момент выравнивается, и гидротрансформатор переходит в режим гидромуфты.

Классификация

Гидродинамические передачи классифицируются по нескольким признакам.

По типу

• Гидромуфта — передаёт крутящий момент без изменения его величины (коэффициент трансформации равен 1). Обеспечивает плавное включение и демпфирование колебаний, но не увеличивает момент. Применяется в приводах вентиляторов, насосов, в некоторых коробках передач (например, в системах с двухдиапазонными трансмиссиями).
• Гидротрансформатор — способен увеличивать крутящий момент в 2—3,5 раза (в зависимости от конструкции). После выхода на режим гидромуфты (блокировка) работает как гидромуфта. Является основным элементом большинства автоматических коробок передач.

По числу колёс

• Одноколёсные (только насосное колесо) — не применяются, так как не обеспечивают передачи момента.
• Двухколёсные (насос + турбина) — гидромуфты.
• Трёхколёсные (насос + турбина + реактор) — классические гидротрансформаторы.
• Многоколёсные (с несколькими турбинами или реакторами) — используются в специальных трансмиссиях (например, в некоторых типах строительной техники).

По возможности блокировки

• Без блокировки — всегда работают с проскальзыванием (потери на трение жидкости).
• С блокировкой — оснащены фрикционной муфтой, которая при определённых условиях жёстко соединяет насосное и турбинное колёса, исключая проскальзывание и повышая КПД до 95—98 %. Современные гидротрансформаторы легковых автомобилей почти всегда имеют блокировку.

Устройство и характеристики

Основные элементы

Гидротрансформатор состоит из корпуса, заполненного рабочей жидкостью, внутри которого размещены три лопастных колеса. Насосное колесо обычно выполнено заодно с корпусом. Между турбинным и насосным колёсами установлен реактор, закреплённый на неподвижной оси через обгонную муфту. Обгонная муфта позволяет реактору вращаться в одну сторону, когда его работа не требуется (в режиме гидромуфты). Для блокировки используется поршень или многодисковая муфта, управляемая гидравликой.

Характеристики

• Коэффициент трансформации (K) — отношение крутящего момента на турбине к моменту на насосе при неподвижной турбине (K > 1). Для легковых автомобилей K = 1,8—2,5, для грузовых — до 3,5.
• КПД — максимальный КПД гидротрансформатора без блокировки составляет 85—92 % (на режиме гидромуфты). При трансформации момента КПД ниже — от 60 до 85 %. С блокировкой КПД приближается к 98 %.
• Диапазон регулирования — отношение максимальной и минимальной частот вращения турбины при заданном моменте. Определяется конструкцией лопаток.
• Рабочая жидкость — специальные гидравлические масла с вязкостью 5—15 сСт при 100 °C, обладающие высокой термоокислительной стабильностью. Объём масла в гидротрансформаторе легкового автомобиля — 2—6 литров.

Применение

Гидродинамические передачи широко применяются в различных отраслях техники.

Автомобилестроение

• Легковые автомобили — гидротрансформаторы используются в классических автоматических коробках передач (АКПП) и в вариаторах (CVT) с гидромуфтой. В 2020-х годах до 60 % новых автомобилей в мире оснащаются АКПП, большинство из которых содержат гидротрансформатор.
• Грузовые автомобили и автобусы — гидротрансформаторы и гидромуфты применяются в тяжёлых трансмиссиях для плавного трогания и защиты двигателя от перегрузок. Например, автобусы ЛиАЗ-5256 (Россия) оснащались гидромеханической передачей.
• Спецтехника — бульдозеры, экскаваторы, погрузчики (например, Caterpillar, Komatsu) используют гидротрансформаторы для бесступенчатого регулирования скорости и увеличения тягового усилия.

Железнодорожный транспорт

• Тепловозы — гидродинамические передачи (гидропередачи) применяются на маневровых и пассажирских тепловозах (например, ТГМ, ТЭМ, ЧМЭ). Они обеспечивают плавное трогание и высокий КПД на малых скоростях.
• Дрезины и мотовозы — для лёгкого подвижного состава.

Судостроение

• Гребные винты — гидромуфты и гидротрансформаторы используются для передачи вращения от дизеля или турбины к гребному винту, обеспечивая реверс и регулирование частоты вращения без реверсивной зубчатой передачи.
• Подруливающие устройства — для маневрирования судов.

Промышленность

• Приводы насосов и вентиляторов — гидромуфты применяются для плавного пуска мощных насосов и вентиляторов (например, на тепловых электростанциях), снижая пусковые токи и механические нагрузки.
• Конвейеры и дробилки — гидротрансформаторы защищают привод от перегрузок.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Плавность работы — отсутствие жёсткой механической связи между ведущим и ведомым валом позволяет сглаживать рывки и вибрации.
• Автоматическое регулирование — гидротрансформатор изменяет крутящий момент в зависимости от нагрузки без внешнего управления.
• Защита от перегрузок — при резком возрастании сопротивления проскальзывание жидкости предотвращает поломку двигателя и трансмиссии.
• Высокая надёжность — при правильной эксплуатации ресурс гидротрансформатора может превышать 500 000 км пробега.

Недостатки

• Потери энергии — проскальзывание жидкости приводит к снижению КПД по сравнению с механической передачей (особенно при трогании).
• Тепловыделение — значительная часть энергии теряется в виде тепла, что требует эффективной системы охлаждения.
• Сложность и стоимость — гидротрансформаторы дороже и сложнее в производстве, чем фрикционные сцепления.
• Вес и габариты — гидродинамические передачи тяжелее и занимают больше места, чем механические аналоги.

Критика и альтернативы

В конце XX — начале XXI века гидродинамические передачи подвергались критике за относительно низкий КПД по сравнению с механическими коробками передач (МКПП) и роботизированными коробками (РКПП). Развитие технологий привело к появлению альтернатив:

• Двойное сцепление (DCT) — обеспечивает быстрое переключение передач без разрыва потока мощности и с КПД, близким к МКПП.
• Вариатор (CVT) — бесступенчатое регулирование, часто использует не гидромуфту, а многодисковое сцепление или электромагнитную муфту.
• Электрические трансмиссии — в гибридных и электромобилях гидротрансформатор заменяется электродвигателем-генератором, что повышает общий КПД.

Тем не менее, гидродинамические передачи остаются распространёнными благодаря своей надёжности, плавности и простоте управления. В 2020-х годах они продолжают доминировать в сегменте тяжёлой техники и городских автобусов.

Источники

• Фёттингер Г. Гидродинамические передачи. — М.: Машгиз, 1953. — 320 с.
• Петров В. А. Гидродинамические передачи автомобилей. — М.: Машиностроение, 1975. — 256 с.
• Козлов В. И. Автоматические коробки передач: устройство и ремонт. — М.: За рулём, 2010. — 240 с.
• ГОСТ 17697-72. Передачи гидродинамические. Термины и определения. — М.: Издательство стандартов, 1972.
• Яковлев В. Н. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. — М.: Высшая школа, 2008. — 368 с.