ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ВАРИАТОРОВ

Дифференциальный гидромеханический вариатор предназначен для автоматического бесступенчатого преобразования вращательного движения между валом двигателя и валом рабочего органа машин и механизмов с целью обеспечения оптимального режима совместной работы двигателя и вариатора при изменяющейся произвольно величине внешней нагрузки на рабочем органе.

Дифференциальные гидромеханические вариаторы могут быть весьма разнообразны по своей кинематической схеме и структуре. Дифференциальный гидромеханический вариатор можно рассматривать состоящим из двух гидромеханических дифференциальных механизмов, отличающиеся от известных наличием гидравлической связи между кинематическими звеньями, представляющими собой дифференциальные схемы шестеренных гидромашин, что позволяет получить различные значения распределение потоков гидравлической и механической мощностей и обеспечивает автоматическое регулирование параметров дифференциального гидромеханического вариатора. При этом для увеличения коэффициента трансформации в кинематическую схему вариатора могут быть включены дополнительно механический дифференциальный механизм с различным значением внутреннего передаточного числа и дополнительный ряд зубчатых передач.

Проектирование дифференциальных гидромеханических вариаторов представляет собой сложную комплексную проблему, решение которой может быть разбито на три самостоятельных этапа [1, 2]. Первым этапом проектирования является установление кинематической схемы вариатора. Вторым этапом проектирования является разработка конструктивных форм механизма. Третьим этапом проектирования является разработка технологических и технико-экономических показателей проектируемого механизма. [3, 4].

Проектирование кинематической схемы. Проектирование кинематической схемы дифференциального гидромеханического вариатора заключается в определении оптимальных схем гидромеханических дифференциальных механизмов, являющихся кинематическими звеньями вариатора, и выборе их передаточных чисел исходя из условия равновесия ротора вариатора (водила) при максимальном коэффициенте трансформации. При этом необходимо учитывать некоторые дополнительные условия, связанные с конструктивными требованиями.

Кинематическая схема дифференциального гидромеханического вариатора, составленная из двух гидромеханических дифференциальных механизмов с шестернями внешнего зацепления, изображена на Рисунке 1.

Эта схема обладает высоким значением КПД при давлениях жидкости до 10-15 МПа и применима в трансмиссиях легковых автомобилей с максимальным коэффициентом трансформации меньше 5.

При определении передаточных чисел кинематических звеньев схемы вариатора изображенного на Рисунке 1 приходиться предварительно задаваться необходимым максимальным коэффициентом трансформации и передаточным числом дифференциального гидронасоса. Дальнейший процесс проектирования можно проводить по алгоритму, схема которого представлена на Рисунке 2.

При неподвижном водиле вариатора крутящий момент от внешнего источника энергии передается на входное звено дифференциального гидронасоса. При передаче максимального крутящего момента, на водиле со стороны дифференциального гидронасоса действует реактивный момент, определяемый по формуле:

где М1 – подводимый момент, Н∙м; i21 – передаточное число дифференциального гидронасоса; λн – коэффициент перераспределения гидростатических моментов в гидронасосе; εН1 – КПД механического потока мощности в дифференциальном гидронасосе.

Этот момент имеет направление, совпадающее с направлением вращения входного звена вариатора. При относительном вращении шестерен дифференциального гидронасоса создается гидравлический поток рабочей жидкости, который создает крутящий момент на выходном валу дифференциального гидромотора 

М ВЫХ = -M1iгhГНhГМ = -KmaxM1 ,

где iг – гидравлическое передаточное число вариатора; εГН – КПД гидравлического потока мощности на дифференциальном гидронасосе; εГМ – КПД гидравлического потока мощности на дифференциальном гидромоторе; Кmax – максимальный коэффициент трансформации вариатора.

Гидравлическое  передаточное  число  необходимое  для  обеспечения  максимального  коэффициента трансформации определиться по формуле:

где VОМ  – рабочий объем дифференциального гидромотора, м3; VОН  – рабочий объем дифференциального гидронасоса, м3.

Водило  воспринимает  также  реактивный  момент  со  стороны  дифференциального  гидромотора, направленный в противоположную сторону вращения входного звена вариатора и определяемый как

где λм – коэффициент перераспределения гидростатических моментов в гидромоторе; i2’3  – передаточное число дифференциального гидромотора; εН2 – КПД механического потока мощности в дифференциальном гидромоторе.

Условие равновесия водила дифференциального гидромеханического вариатора

Таким образом, при заданных передаточном числе дифференциального гидронасоса и максимальном коэффициенте трансформации вариатора из уравнения равновесия водила определяется передаточное число дифференциального гидромотора.

После определения кинематических параметров звеньев дифференциального гидромеханического вариатора необходимо определить конструктивные и геометрические параметры, к которым относятся рабочие объемы и кратность действия дифференциальных гидронасоса и гидромотора, модуль, числа зубьев и ширина шестерен.

Для уменьшения габаритов гидромашин числа зубьев желательно выбирать при всех прочих равных условиях возможно меньшим, а модуль большим [5, 6]. Для устранения подрезания ножек зубьев выполняют положительное смещение исходного контура.

Заключение. Предложенная методика проектирования бесступенчатых трансмиссий на базе дифференциальных гидромеханических вариаторов, заключающаяся в последовательном выборе передаточных чисел кинематических звеньев механизма из условия равновесия ротора вариатора (водила), а также основных параметров зубчатых зацеплений, обеспечивающих необходимые рабочие объемы гидромашин для передачи максимального крутящего момента, позволяет подобрать основные кинематические и силовые параметры передачи для различного класса транспортных средств, оценить влияние этих параметров на тягово-скоростные свойства автомобиля еще на стадии проектирования и осуществить оптимизацию выбранных параметров исходя из условий эксплуатации. А спроектированная бесступенчатая КП легкового автомобиля позволяет получить изменение тягового усилия на колесах в зависимости от скорости движения автомобиля автоматически и бесступенчато. [7, 8]

Список литературы

1.     Мавлеев И.Р. Разработка рациональных схем и конструкций высокомоментных гидромеханических вариаторов для транспортных средств: автореф. дис. …канд. техн. наук. – Набережные Челны, 2007. – 19 с.

2.     Салахов И.И. Разработка рациональных схем автоматических коробок передач на основе планетарной системы универсального многопоточного дифференциального механизма: автореф. дис. …канд. техн. наук.– Ижевск: ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, 2013. – 23 с.

3.     Мавлеев И.Р. Разработка рациональных схем и конструкций высокомоментных гидромеханических вариаторов для транспортных средств: дис. …канд. техн. наук. – Набережные Челны, 2007. — 147 с.

4.     Салахов И.И. Разработка рациональных схем автоматических коробок передач на основе планетарной системы универсального многопоточного дифференциального механизма: дис. …канд. техн. наук. – Ижевск: ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, 2013. – 177 с.

5.     Волошко В.В.,  Мавлеев И.Р.  Автоматические трансмиссии с  динамическими связями на базе дифференциальных гидромеханичексих вариаторов. [Текст] // Справочник. Инженерный журнал. М: ООО «Издательский дом «Спектр». – 2012. – №9. – С 50-55.

6.     Фасхиев Х.А., Волошко В.В., Мавлеев И.Р. Силовые соотношения в гидромеханическом дифференциальном механизме [Текст] // Справочник. Инженерный журнал. – 2013. – №9. – С. 38-43.

7.     Волошко В.В., Мавлеев И.Р., Салахов И.И., Шайхутдинов И.Ф. Автомобильная многоступенчатая коробка передач [Текст] // Справочник. Инженерный журнал. – 2014. – №11. – С. 46-49.

8.     Волошко В.В., Мавлеев И.Р., Салахов И.И. Автомобильная многоступенчатая коробка передач [Текст]. Патент №2508486 РФ // «Бюллетень изобретений». – 2014. – №6.