Код документа: RU2066408C1
Изобретение относится к области гидродинамических передач и предназначено для использования в трансмиссиях БМП, т-в и других боевых машин, имеющих высокую удельную мощность (свыше 20 л.с./т) и ограниченные объемы моторно-трансмиссионного отделения. Может быть также использовано для трасмиссий автомобилей, тягачей и других наземных транспортных средств гражданского назначения.
Известны трех- и четырехколесные комплексные гидротрансформаторы с расположением насосного и турбинного колес симметрично относительно вертикальной оси круга циркуляции и с расположением колеса (колес) реактора в нижней части круга циркуляции с симметрией входных и выходных кромок (см. например, Н. Д. Мазалов, С. М. Трусов "Гидромеханические коробки передач", "Машиностроение", М. 1971 рис. 46, 48 и 49 или П.П. Горбунов, Ф. А. Черпак, К. Я. Львовский "Гидромеханические трансмиссии тракторов", "Машиностроение", М. 1966, рис. 31, 34, 40).
Наиболее близким аналогом гидротрансформатора, который принят за прототип по настоящей заявке, является гидротрансформатор по авторскому свидетельству СССР 390747, кл. В 60 К 17/10 F 16 H 41/26 за 1974 год.
Вышеуказанные технические решения, как аналогов так и прототипа, имеют очертания проточной части рабочей полости в меридиональном сечении различной формы, в том числе и с внутренним тором круга циркуляции, выполненным тремя сопряженными друг с другом дугами окружностей. Насосное колесо у этих гидротрансформаторов имеет угол наклона лопаток по средней линии тока на входе 30-100o (здесь и далее в материалах заявки угол отсчитывается между вектором минимальной скорости и отрицательным направлением окружной скорости U) и число лопаток 15-36, турбинное колесо имеет угол наклона лопаток по средней линии тока на входе 120-145o, на входе 20-40o и число лопаток 15-35, а колесо реактора имеет угол наклона лопаток по средней линии тока на выходе 140-170o и число лопаток 9-23.
Гидротрансформаторы с некоторыми из вышеуказанных кругов циркуляции имеют достаточно высокие внешние характеристики и значения максимального, КПД у них достигают 90-92% (см. Н.Д. Мазалов, С.М. Трусов "Гидромеханические коробки передач", стр. 67).
В основном, это гидротрансформаторы, у которых круг циркуляции развит в радиальном направлении за счет относительного уменьшения минимального диаметра круга циркуляции Do, что достигается очертанием наружного тока в виде окружности (прототип).
Разработка нового поколения БМП показала, что необходимая маневренность и подвижность может быть обеспечена с применением гидромеханической трансмиссии на мощность 400-600 л.с. с гидротрансформатором, имеющим активный диаметр 340 мм ≅ Da ≅ 380 мм. При этом вопросы базовости и унификации моторно-трансмиссионного отделения для ряда машин легкой категории по массе легче решаются с гидротрансформатором меньшего диаметра, например, с Da 340 мм. Уменьшение же активного диаметра Da известных отработанных гидротрансформаторов с приемлемыми характеристиками до Da 340 мм ведет автоматически к уменьшению минимального диаметра круга циркуляции Do, что практически исключает возможность разработки с этими гидротрансформаторами надежных муфт свободного хода при указанной передаваемой мощности.
В комплексном гидротрансформаторе, принятом за прототип, с уменьшением диаметра до размеров, например, Da 340-380
мм минимальный диаметр
круга циркуляции становится равным Do 126,5-141,4 мм, т.к. Do Da 4 r1 Da 4 • 0,317 Da/2 0,372 Da, где r1
радиус окружности наружного тора,
0,317 отношение радиуса r1 к максимальному радиусу круга циркуляции. У трансмиссий на мощность N ≈ 500 л.с.
турбинный вал
гидротрансформатора имеет диаметр порядка 50 мм. Для гидротрансформатора с Da 340 мм размер, предназначенный для муфты свободного хода, в радиальном направлении становится
равным примерно
75 мм. Этого размера не достаточно для размещения муфты свободного хода при такой передаваемой мощности. Кроме этого, гидротрансформатор по прототипу с углом выхода лопаток насосного
колеса равным
β12 20-105o не дает возможности получить высокую энергоемкость и КПД при прямой прозрачности внешней характеристики и значениях коэффициента трансформации
момента на
стоп-режиме Кo 2,0-2,5, что необходимо для транспортных средств с высокой удельной мощностью.
Целью настоящего изобретения является уменьшение габаритов узла гидротрансформатора в радиальном направлении при сохранении высоких значений его КПД и работоспособной муфты свободного хода.
Указанная цель достигается тем, что образованная колесами рабочая полость в меридиональной плоскости выполнена в виде эллиптического кольца, вытянутого параллельно оси вращения гидротрансформатора так, что минимальный диаметр ее выбран из соотношения
Другой целью изобретения является упрощение изготовления колес гидротрансформатора путем размещения точек сопряжения дуг окружности, образующих нижнюю часть круга циркуляции по наружному и внутреннему торам, в межколесных зазорах, примыкающих к колесу реактора.
На фиг. 1 схематично изображено меридиональное сечение гидротрансформатора, на фиг. 2 и 3 круги циркуляции предлагаемого гидротрансформатора и гидротрансформатора ГТК-ХУ-380: на фиг. 4 изображено образование наружного и внутреннего торов круга циркуляции предлагаемого по данной заявке гидротрансформатора.
Гидротрансформатор (фиг. 1) содержит центробежное насосное колесо 1 центростремительное турбинное колесо 2 и колесо реактора 3 с муфтой свободного хода 4, расположенной на неподвижном элементе 5. Как было сказано выше, проектирование гидротрансформаторов с уменьшенными габаритами в радиальном направлении на основе известных образцов приводят к практически непригодным кругам циркуляции по наименьшему диаметру Da.
Проектирование и практическое использование гидромеханических трансмиссий для специальных транспортных машин различных категорий по массе и удельной мощности показывает, что при передаче через гидротрансформатор мощности порядка N ≥ 500 л.с. граничным активным диаметром Da, допускающим использование круга циркуляции прототипа или его аналогов являются диаметры Da 380-390 мм.
В предлагаемом гидротрансформаторе (фиг. 2, 4) для получения требуемых параметров внешне характеристики и габаритов в радиальном направлении минимальный диаметр
рабочей полости в
меридиональной плоскости выбран из соотношения
Наименьший диаметр Do круга циркуляции, равный 140,2 мм комплексного гидротрансформатора ГТК-ХУ-380 (фиг. 3 круг циркуляции; характеристика таблица 1) с Da 380 мм на мощность 400-600 л.с. должен быть принят за базовый для разработки новых кругов циркуляции, если их активный диаметр менее 380 мм. Гидротрансформатор ГТК-ХУ-380 был также разработан для проведения опытных работ по новой БМП.
Только это дает возможность иметь проверенную работоспособность муфты свободного хода, позволить выбрать отводные каналы для подпитки полости ГТ рабочей жидкостью достаточно большого сечения и, тем самым, обеспечить приемлемый тепловой режим работы трансмиссии при допустимых давлениях подпитки. Если использовать метод геометрического подобия, то, например, для гидротрансформатора с Da 340 мм наименьший диаметр гидротрансформатора ГТК-ХУ-380 равен Do 125 мм, а для прототипа Da 126 мм.
Разность между требуемым наименьшим диаметром круга циркуляции (⌀ 140 мм) и получаемым геометрическим подобием для кругов типа прототипа ((⌀ 125 мм)) составляет 15 мм или
Дальнейшее построение нового круга циркуляции ведется в направлении определения отрезка Δrвн (фиг. 2) между точками пересечения вертикальной оси симметрии круга с наружным и внутренним торами на меньшем его радиусе.
Для обработанного круга циркуляции с Da 380 мм, Δrвн=37,7 мм.. Используя геометрическое подобие, например, для Da 340 мм, получаем Δrвн=32 мм при внутреннем диаметре Da 125 мм (см. выше). При переходе на Do 140 мм, из условия сохранения меридиональной площади находим новое Δrвн=29,5 мм.. Базируя полученные отрезки Δrвн этих двух кругов циркуляции на единый наименьший диаметр круга циркуляции (⌀ 140 мм) получаем разность 35,7-29,5 6,2 мм или
В предлагаемом комплексном гидротрансформаторе лопатки всех колес в меридиональной плоскости по наружному тору размещены на (0, 9-0,92) L, где L - периметр наружного тора, а по внутреннему тору на (0,94-0,95) l, где l - периметр внутреннего тора. У прототипа по наружному и внутреннему тору лопатки размещены на 0,98 длины периметра.
Отношение длин разверток лопаток насосного и турбинного колес по наружному тору к длинам разверток этих же лопаток по внутреннему тору выполнено в пределах 1,76-1,86 против 2,15-2,85 у прототипа. Вышеприведенные сравнения показывают, что отношению к прототипу в предлагаемом гидротрансформаторе будут снижены потери на трение и особенно на "удар", что обусловливает получение высоких значений КПД как в максимуме, так и в точке перехода на режим гидромуфты.
В предлагаемом гидротрансформаторе отношение угла наклона лопатки по внутреннему тору к углу лопатки по наружному тору на входе в насосное колесо выполнено в пределах 0,85-1,06 против 1,15-1,45 у прототипа. Уменьшение значений этого отношения улучшает условия входа потока в насосное колесо при прочих равных условиях. Следуя теоретическим предпосылкам (см. например, работы С.М. Трусова, А.Н. Нарбута, С.П. Стесина и др.) можно утверждать, что исходя из параметров лопастной системы гидротрансформатора-прототипа невозможно создать гидротрансформатор с прозрачной нагрузочной характеристикой и КПД η≥ 90% в круге циркуляции с увеличенным Do. При этом наиболее существенно должен быть изменен угол выхода лопаток сн насосного колеса β12 (β12 прототипа 20-105).
Известна также взаимосвязь максимальных КПД и коэффициента трансформации покрывающая, что поддержание высокого к.п.д. гидротрансформатора ηmax≥ 90% при высокой энергоемкости возможно только за счет понижения максимального коэффициента трансформации на стоп-режимe Кo до 2,0-2,5 и даже 1,5-1,6. А так как Кo зависит от момента на насосном колесе, а момент, в свою очередь, зависит от выходного угла лопаток насосного колеса, то выбор этих углов является важным моментом.
Для
предлагаемого гидротрансформатора с учетом вышеизложенного, а также на основании имеющегося у
заявителей опыта экспериментально-конструкторских работ в области создания гидродинамических передач для
трансмиссий ВГМ угол выхода в радианах лопастной системы насосного колеса предлагается
определять по эмпирической зависимости:
Варианты гидротрансформаторов комплектовались из турбинного колеса с углом наклона лопаток по средней линии тока β22=30; двух колес реактора с углами выхода β32=147° и 156° и трех насосных колес. Углы наклона лопаток на средней линии тока на выходе у испытанных насосных колес были равны 106o, 115o и 127o (см. акт испытаний).
Геометрические соотношения и размеры по кругу циркуляции были выполнены в соответствии с вышеуказанными отличительными признаками.
Проверка заявленного
соотношения для β12 по экспериментальным данным первого, второго и третьего вариантов
показывает удовлетворительную сходимость вычисленных углов выхода из насосных колес с
испытаниями:
Первый вариант:
Таким образом, заявленные отличительные признаки позволяют создавать для современных транспортных средств легкой категории по массе гамму гидротрансформаторов с улучшенными в радиальном направлении габаритами и высокими преобразующими свойствами.
Тактико-экономическую эффективность по данному изобретению можно показать на сравнении заявленного технического решения и базовым объектом. Базовым объектом в данном случае должен быть принят гидротрансформатор ГТК-ХУ-380 (таблица I и фиг. 3 настоящей заявки), прошедший ходовые испытания на новой 5МП и показавший высокую работоспособность по узлу муфты свободного хода. Гидротрансформатор ГТК-ХУ-380 имеет активный диаметр 380 мм и максимальный КПД около 93% что находится на уровне лучших известных образцов (см. табл. 1).
Установка гидротрансформатора ГТК-ХУ-380 в более жесткие условия по мощности и габаритам, указанные в данной заявке (см. выше) привела бы к существенному проигрышу по к.п.д. и тепловыделению. Ориентировочные расчетные оценки и проработки показывают, что установка базового объекта в отведенные габариты по диаметрам Da и Do при Da 340 мм приводит к понижению максимального КПД до 6% т.е. дает ηmax =87%.. В гидротрансформаторах, разработанных с использованием заявленных отличительных признаков, согласно стендовым испытаниям сохраняются высокие значения КПД ηmax не ниже 90% что приводит по сравнению с базовым объектом к уменьшению тепловыделению до 30% Это весьма существенно для машин с малогабаритными узлами гидротрансформатора, в которых возможности систем охлаждения также весьма ограничены из-за стесненности объектов моторно-трансмиссионных отделений, как это имеет место в БМП и других военных гусеничных машинах.
Использование: для трансмиссий автомобилей, тягачей и других наземных транспортных средств. Сущность изобретения: образованная колесами рабочая полость в меридиальной плоскости выполнена в виде эллиптического кольца, вытянутого параллельно оси вращения гидротрансформатора так, что минимальный диаметр ее выбран из соотношения: