АКПП - тёмный лес. Что такое классический гидромеханический "автомат". Часть 2 - Гидротрансформатор
Часть-1 - Основной принцип работы гидравлической муфты: :АКПП - тёмный лес. Что такое классический гидромеханический "автомат"
Для инженеров-пикабучников: здесь осознанно происходит подача информации качеством сильно ниже высокоточной инженерной мысли исключительно в целях осуществления ликбеза. Формулы, векторы силы - это мы специально бытовыми словами расскажем.
"Иногда важнее уметь объяснить своими словами, чем не суметь объяснить научными."
- Гераклит Виссарионович Цзы.
И так, в прошлой части мы начали с вентиляторов и получили гидромуфту.
На самом деле объяснить работу гидротрансформатора точно очень сложно словами, не рассказав о работе гидромуфты, потому что конструкция гидротрансформатора есть решение проблем гидромуфты.
Штош...
Состоит гидромуфта (рисунок выше) из двух примерно одинаковых крыльчаток с лопатками, которые выполняют абсолютно различные функции:
- центробежного гидронасоса* (2) с приваренным (прикрученным болтами) к нему внешним корпусом муфты (9), который вращает двигатель.
- гидравлической турбины (4), которая находится внутри корпуса муфты.
Зазоры между ними минимальны, но жесткой механической связи нет. Внутри объём заполнен маслом без воздуха.
* - центробежный насос гидромуфты (и гидротрансформатора) никогда не является насосом высокого давления для работы внешних механизмов и агрегатов, с которыми эта муфта работает. То есть, в АКПП, например, есть отдельный насос, который отвечает за давление в гидравлике коробки.
Работа гидромуфты
При вращении насоса двигателем масло из его центральной части под действием центробежной силы разлетается по каналам, образованным лопатками, на периферию, и вылетает на лопатки турбины. Масло отдаёт свою кинетическую энергию и создаёт на турбине радиальное усилие.
Отработавшее масло, двигаясь по каналам между лопатками турбины, возвращается к её центру и вылетает на лопатки насоса. Лопатки насоса захватывают сливающееся с турбины масло и оно снова разгоняется центробежной силой к периферии. Так происходит бесконечный обмен маслом между крыльчатками.
Слева - подача момента двигателя на насос, справа - выход с турбины. Круговые стрелки между крыльчатками - направление вращения потоков жидкости между лопатками крыльчаток.
Чтобы дальше разбираться, запомним краткие определения двух конкретных потоков, влияющих на работу агрегата:
1. Давление насоса (дальние от валов стрелки) - давление масла с лопаток насоса на лопатки турбины
2. Слив турбины (ближние к валам стрелки) слив масла с турбины на насос.
Очень давно одни умные люди решили, что это может разгонять автомобиль бесступенчато без коробки передач, присобачили гидромуфту на самодвижущуюся раскорячку и... о-па, она еле стартует с места, но едет потом относительно надёжно. Хмммм....
В чем проблема
Когда турбина еще не вращается или вращается на низких оборотах, слив отработавшего масла с неё бьёт в крыльчатку насоса практически под прямым углом. И на то, чтобы это масло в момент захвата лопатками насоса разгонялось до его угловой скорости, у двигателя тратится часть энергии.
Во-первых, это подтормаживает вращение двигателя, во-вторых превращает часть его мощности в излишний нагрев масла и в-третьих ухудшает подачу масла на насос. Потоки в насосе не развивают необходимых скоростей и КПД муфты далёк от максимума.
По мере разгона турбины влияние слива с неё на насос уменьшается, потоки в крыльчатках разгоняются и КПД подскакивает.
Гидротрансформатор крутящего момента
Проблему решили, установив на пути слива турбины сначала полностью неподвижную (запомним это) крыльчатку с направляющими лопатками для изменения траектории потока и направления его в плоскость движения лопаток насоса. Таким образом, насос избавили от гидравлического сопротивления при захвате масла.
Эта крыльчатка называется "реакторная крыльчатка" или "реактор", так как она (крыльчатка) является реактивной опорой для изменения направления потока под воздействием внешних сил:
Стрелка - направление потока "Слив с турбины" --> "Слив (с реактора) на насос (Impeller)".
Создавая реактивный момент для изменения траектории движения масла с турбины, крыльчатка реактора испытывает потребность провернуться против часовой стрелки. Запомним это. Но пока она закреплена у нас жёстко.
Когда конструкторы присобачили эту штуку внутрь гидромуфты, можно предположить что радость была несусветная. Но то, что не долгая - факт.
Радость в том, что на выходе из гидротрансформатора в момент старта турбины под нагрузкой не просто получили шустрый её разгон, но и обнаружили повышение крутящего момента. В современных гидротрансформаторах он равен примерно 2-3,5. Его назвали "коэффициент трансформации", что довольно близко к понятию "передаточное число" у шестеренчатых передач.
Не долгой радость была после того, как при разгоне турбины после ~50% оборотов, вся система начинает усиленно тормозить, душить двигатель, а момент на турбине падает почти до нуля, пока она не сбавит обороты. Далее всё начинается заново: большой момент, разгон и кирдык.
И так, у нас есть два агрегата: древняя гидромуфта, которая при старте - хер, а потом прёт, и гидротрансформатор, который со старта прёт, а дальше - хер.
Выходит, что нам надо как-то сделать чтобы наши "карета не превращалась в тыкву, а тыква превратилась в карету": гидротрансформатор как-то превращался в гидромуфту. Хмммм....
Короче.
Они установили реактор на обгонную муфту и проблема была решена без сложных дополнительных механизмов: после разгона турбины до ~50% оборотов реактор, заблокированный от вращения против часовой стрелки обгонной муфтой, перестаёт влиять на систему, а система давлением слива турбины начинает влиять на реактор, увлекая его в свободное вращение на обгонной муфте по часовой стрелке. И гидротрансформатор автоматически переходит в режим гидромуфты.
Обгонная муфта реактора.
И так я описал вам два режима работы гидротрансформатора из четырёх.
Интересный факт. При разгоне, в АКПП гидротрансформатор проходит каждый раз оба режима, на каждой передаче: гидротрансформатор --> гидромуфта --> переключение -->гидротрансформатор --> гидромуфта --> переключение...
Смотрим видео: https://preview.redd.it/a78md7tzeab01.gif?format=mp4&s=d...
Процесс увеличения крутящего момента.
(Сейчас будет объяснение, от которого слабонервные технари и прочие инженеры будут блевать и, к сожалению ставить минусы и срать в комментах) :)
Допустим, наше авто стоит на месте. Двигатель запущен, передача включена, турбина в гидротрансформаторе у нас неподвижна и мы вжали газ в пол. Двигатель выходит на обороты, близкие к пику максимального крутящего момента.
Тут надо вспомнить, что у технически подкованных людей есть такое понятие, как "работа на единицу времени". Сымитируем собой технически подкованного человека...
Замедлим время в 100500 раз и поместим себя на одну лопатку турбины с отличным видом на проносящиеся мимо нас лопатки насоса.
Возьмём единицу времени типа "секунда". В течении этого времени мы с вами будем наблюдать (можно даже открыть прохладное пивко и жевать попкорн), как мимо нас плавно, из стороны в сторону, проносятся лопатки насоса, между которыми из движущегося между ними канала брызжет в рожу под давлением масло. Вжуххххх...
Масло ударяется в нашу с вами лопатку, отдаёт свою кинетическую энергию и канал насоса "уезжает" куда-то в сторону. Влияние канала на нашу лопатку закончено, работа проделана. Но наша с вами секунда ещё не закончилась.
Затем, с той же стороны, откуда появился прошлый, "приезжает" следующий канал, отдавая нам новую порцию масла, которая отдаёт нашей лопатке ещё энергию. И так, кратковременными ударами нашей лопатке отдаётся одна и та же сила множество раз.
(Примерно так же работает ударный гайковёрт, перфоратор, отбойный молоток и т.д.)
Таким образом, в момент превращения кинетической энергии масла в механическую работу множество раз, на выходе мы получаем увеличенную в несколько раз энергию, которая создаёт на турбине повышенный момент. То, во сколько раз он увеличился, называется "коэффициент трансформации" момента. Его, конечно, можно попробовать конструктивно увеличить, но это может потянуть за собой тучу проблем, как минимум с перегревом масла. Поэтому с этим давно не экспериментируют.
По мере разгона с нуля и перехода в режим гидромуфты коэффициент трансформации мгновенно начинает падать, как только турбина начала вращение и в итоге с 2-3,5 единиц достигает своего минимума - 0,9.
Что это значит?
"Коэффициент трансформации" аналогичен передаточному числу редуктора. Только у редуктора он постоянный, а в нашем случае - переменный. Однако, при его максимуме какой бы момент ни выдавал ваш двигатель - 50 Нм на холостых оборотах или 200 Нм при нажатии на газ, можно вычислить что мы получаем на выходе из гидротрансформатора при коэффициенте "3".
Если двигатель работает на холостых, выдавая 50 Нм, вы включили передачу и отпустили тормоз, то на выходе гидротрансформатора вы получили 150 Нм и ваша машина начинает уверенно катиться вперёд.
Ели вы нажали с места газ и двигатель выдал 200 Нм, то на выходе гидротрансформатора мы получим 600 Нм.
Такого не будет, если у вас "механика".
Поэтому, часто один и тот же автомобиль в комплектации с АКПП имеет на одну передачу меньше, чем в комплектации с "механикой".
В принципе, гидротрансформатор можно смело называть гидродинамическим вариатором. И опытные автомобили в начале прошлого века, у которых вместо коробки передач стоял только гидротрансформатор, в истории автомобилестроения - были.
Падение КПД из-за падения коэффициента трансформации по мере разгона
Пока турбина имела небольшие обороты, отработавшее масло легко поднималось вдоль её лопаток от периферии в центр. При разгоне турбины возникает центробежная сила, которая начинает останавливать эти потоки, тем самым создавая сопротивление давлению с насоса на турбину. А так как система работает когда с насоса идёт большое давление, то эффективность падает.
Спасибо за внимание, продолжение - в следующей части. Дальше будет уже короче и проще.
P.S.: В моих постах нет ни одной копипасты изначально. Попытаетесь обвинить - кидайте пруфы (не сможете).