sАВТОМОБИЛЬНЫЕ ГИДРОТРАНСФОРМАТОРЫИнженер А. НАРВУТ, конструктор автозавода имени ЛихачеваD № 8 журнала «За рулем» за 1957 " год читатели могли ознакомиться с устройством гидромуфты. Она имеет только два рабочих колеса: насосное и турбинное. Если между ними установить неподвижное лопастное колесо, соединенное с корпусом, — так называемый реактор, — то получится гидротрансформатор, т. е. устройство, используемое в автомобиле для плавного автоматического изменения крутящего момента. У гидромуфты при любой форме лопаток насосного и турбинного колес момент на турбинном колесе равен моменту на насосном колесе, а у гидротрансформатора момент на турбине равен сумме моментов на насосе и реакторе. Соотношение же между моментами на всех колесах гидротрансформатора зависит прежде всего от формы их лопаток, особенно от углов лопаток и расположения их кромок в рабочей полости гидротрансформатора, а также от соотношения скорости насоса и турбины. На примере современного гидротрансформатора автомобиля ЗИЛ-111 попытаемся выяснить некоторые особенности его работы. На рис. 1 показан круг циркуляции гидротрансформатора, т. е. разрез его рабочей полости вдоль оси 0—0 вращения колес, с условным совмещением кромок лопаток с плоскостью разреза. В данном гидротрансформаторе реактор разделен на два колеса, однако это не имеет принципиального значения. Как ив гидромуфте, жидкость отбрасывается лопатками насоса от оси к периферии и затем попадает на лопатки турбины. Но из турбины жидкость поступает сначала в реактор и, лишь Рис. 1Рис./ / У УУНасосное колесопройдя его, вновь оказывается в насосе. Если мысленно разрезать все колеса вдоль средней струйки (см. рис), а затем развернуть на плоскость этот кольцевой разрез, то получится четыре ряда лопаток (рис. 2). Крутящий момент на каждом колесе зависит от скорости потока жидкости, входящей на лопатки колеса и оставляющей их. При этом он тем больше, чем больше угол между направлением входа и выхода жидкости. Наибольший момент на колесе получился бы, если бы жидкость, попавшая на лопатки, могла бы оставить их, уходя назад навстречу направлению своего входа. Однако в действительности это неосуществимо. Поток жидкости, выходящей из насоса, всегда направлен вперед. Турбина имеет сильно изогнутые лопатки, выходные кромки которых направлены назад. Поток жидкости, подаваемый насосом, стремится вращать турбину в том же направлении, в котором вращается насос. Жидкость, выходящая с лопаток турбины, попадает в реактор, создавая момент, стремящийся вращать реактор в направлении, обратном направлению вращения насоса. Но реактор, сидящий на неподвижном вале, не может вращаться: его лопатки лишь воспринимают этот реактивный момент и меняют направление потока жидкости. Если бы не было этого изменения направления потока жидкости, моменты на насосе и турбине всегда были бы равны между собой, т. е. мы бы имели не гидротрансформатор, а гидромуфту. Когда момент на турбине окажется достаточным для преодоления сопроСредняя тивления движению, она начинает враструйка щаться, автомобиль трогается с места и разгоняется. По мере увеличения числа оборотов турбины меняется направление потока жидкости, причем так, что оно приближается к направлению входа в турбину. Однов'ременно уменьшается воздействие жидкости на лопатки реактора, а следовательно, и момент на нем. Плавное уменьшение момента на турбине по мере увеличения ее оборотов — важнейшая особенность любого гидротрансформатора. Способность гидротрансформатора преобразовывать подводимый момент ¥—*- Вытд оценивается отношением моментов на турбине и насосе, называемым коэффициентом трансформации. Для сравнения различных гидротрансформаторов Направление крашения берут максимальное значение этого коэффициента, которое всегда будет на режиме трогания с места, т. е. при Вход остановленной турбине. Выход Другим важным свойством гидроВход трансформатора является его «проВыход зрачность». Она характеризуется тем, как и насколько изменяется число оборотов насоса, а следовательно и двигаВыход теля, при изменении числа оборотов числа Направление турбины. Если с увеличением^орщенияоборотов турбины число оборотов двигателя возрастает, то гидротрансформатор обладает прямой «прозрачностью», если уменьшается — обратной, а если не изменяется — то он «непрозрачен». При максимальной скорости движения автомобиля двигатель должен отдавать максимальную мощность, т. е. развивать высокие обороты. Вместе с тем наиболее экономично он работает на средних оборотах. Следовательно, чтобы гидротрансформатор обеспечивал при средних скоростях движения работу двигателя на экономичных режимах, а также повышение числа оборотов до максимальных при наибольших скоростях, он должен иметь значительную прямую «прозрачность». У гидротрансформатора, как иу гидромуфты, коэффициент полезного действия в случае неподвижной турбины равен нулю и увеличивается с повышением числа ее оборотов. Однако кпд гидромуфты, будучи на малых скоростях турбины ниже кпд гидротрансформатора, по мере разгона турбины непрерывно увеличивается и может достичь 98%. У гидротрансформатора же, увеличиваясь, он достигает максимального значения, около 85—90%, а затем на больших скоростях падает до нуля. Дело в том, что почти на всех режимах направление потока жидкости значительно отличается от направления входных кромок лопаток, что и вызывает значительные потери, называемые «потерями на удар». Поэтому в автомобильных гидротрансформаторах при высоких скоростях движения применяют либо переход на режим гидромуфты, либо блокирование. Переход на режим гидромуфты осуществляется автоматически. Выше было указано, что с повышением числа оборотов турбины направление потока жидкости на ее выходе изменяется. Это изменение настолько велико, что поток, выходящий из турбины, начинает ударяться не в вогнутую, рабочую сторону лопаток реактора, а в выпуклую, тыльную. Когда его направление совпадает с направлением потока, выходящего из реактора, момент на последнем будет равен нулю. С дальнейшим увеличением числа оборотов турбины момент на реакторе изменяет свой знак, поскольку изменяется направление усилия жидкости, толкающей лопатки реактора, и последний, благодаря муфте свободного хода, начинает без нагрузки вращаться в том же направлении, что и насос. Передавать момент при этом будут только насос и турбина, что превращает гидротрансформатор в гидромуфту, а кпд начнет возрастать. Реактор устанавливают на муфте свободного хода, которая обычно состоит из роликов, расположенных между двумя 'кольцами. Наружное кольцо, соединенное с реактором, имеет скосы, так что ролики либо заклиниваются между ними и внутренним неподвижным кольцом — при натекании жидкости на вогнутые стороны лопаток,—либо выкатывают-Турбинное колесо13у ..." ..,-•*у уНаправление дЬишения шидкасти ся, освобождая реактор, — при натекании жидкости -на выпуклые стороны лопаток. Гидротрансформаторы, которые могут работать на режимах гидромуфты, называются комплексными. Переход на режим гидромуфты, т. е. на. прямую гидравлическую передачу, происходит плавно, без толчка и.ступенчатого изменения характеристик. Блокирование, т. е. механическое соединение насоса с турбиной при отключающемся реакторе, а иногда и просто отключение гидротрансформатора, дает еще большее повышение кпд. В данном случае осуществляется переход на прямую механическую передачу, но зато теряются достоинства гидропередачи, определяемые отсутствием жесткой связи между двигателем и колесами автомобиля. Но на малых и иногда средних скоростях при желании использовать бесступенчатое изменение характеристик гидротрансформатора приходится мириться с его пониженным, по сравнению с механической передачей, кпд, а значит, в конечном счете, расплачиваться за дополнительные преимущества излишним расходом топлива. Итак, качества гидротрансформатора полностью определяются его характеристиками, а приблизительно —- коэффициентом трансформации при трогании с места (К 0 ), «прозрачностью» и максимальным кпд. Эти величины зависят прежде всего от углов лопаток и размещения колес в «круге циркуляции». На рис. 3 изображен гидротрансформатор с реактором перед нососом Ис центростремительной турбиной, т. е. стурбиной, у которой вход расположен дальше от оси вращения, нежели выход. Имеются гидротрансформаторы ис реактором, расположенным перед турбинами, т. е, турбинами, у которых вход расположен ближе к оси вращения, чем выход. Однако на автомобилях используются преимущественно гидротрансформаторы первого типа, показанные на рис. 1 и 2, Гидротрансформатор тем экономичнее, чем меньше искривлены его лопатки и чем ближе они к лопаткам гидромуфты. Вместе с тем, чем в большей степени гидротрансформатор с центростремительной турбиной может преобразовывать момент, тем ниже его кпд и «прозрачность», тем хуже его режим гидромуфты; при этом при переходе на режим гидромуфты кпд может упасть до 80% и даже ниже. Так, гидротрансформатор автомобиля «Волга» имеет максимальный кпд 89%, а на ре= жимах гидромуфты—97%, а К0 2,1. Обороты двигателя от момента трогания автомобиля до переключения на режим гидромуфты увеличиваются приблизительно в 1,5 раза. Гидротрансформатор автомобиля МАЗ-530 имеет максимальный кпд соответственно 83% и 93%, а Ко = 4, и обороты двигателя этого автомобиля до перехода на режим гидромуфты остаются почти неизменными. Кроме описанных одноступенчатых гидротрансформаторов, в настоящее время в некоторых случаях применяются двух- и трехступенчатые гидротрансформаторы. У них вместо одной турбины имеются две или три турбины, разделенные реакторами и насосами. Перед насосом устанавливается турбина, что обеспечивает высокую «прозрачность».Рис. 3. 1 — коленчатый вал; 2 — первый реактор; 3 — турбина; 4 — зубчатый обод; 5 — насос; 6 — второй реактор; 7 — наружное кольцо муфты свободного хода- 8 — ролик муфты: 9 — втулка муфты; 10 — вал реакторов; 11 — вал турбины.Работа многоступенчатого, например трехступенчатого, гидротрансформатора отличается от работы одноступенчатого тем, что в нем поток жидкости, выходящий из первого реактора, попадает в турбину второй ступени, создавая на выходном валу дополнительный момент. Выйдя из нее, этот поток проходит через второй реактор, вновь приобретая свое прежнее направление, и входит в турбину третьей ступени, а из нее поступает в насос. Трехступенчатые гидротрансформаторы могут обеспечить коэффициент трансформации при трогаиии с места 4,5—6 и высокую «прозрачность». Однако их максимальный кпд равен 8085%, переход же на режимы гидромуфты, помимо того, что его сложно осуществить, не дает значительного выигрыша. Первоначально гидротрансформаторы применялись в судах вместо пары шестерен, т. е. как преобразователи скорости вращения. Позднее их стали использовать в качестве преобразователей момента. Причем одно время считали, что они могут с успехом 'заменить все передачи переднего хода. Но даже для легкового автомобиля вместо трех передач переднего хода (передаточное число первой передачи 2,5—3) нужен гидротрансформатор с Ко = 4. Однако в целях повышения «прозрачности» и кпд пришлось применять гидротрансформаторы с меньшим К0 и ввести, кроме прямой, автоматизированную понижающую передачу. Затем и этого оказалось мало. В настоящее время ряд американских фирм («Форд», «Крайслер», «Шевроле», «Бюик») начал выпускать автоматические трехступенчатые трансмиссии. Возврат к трем передачам, хотя и автоматизированным, по-видимому, отражает некоторое разочарование в способностях гидротрансформатора самостоятельно выполнять роль первоклассной бесступенчатой трансмиссии. Теперь ему отводится второстепенная роль: он сглаживает работу на механических передачах, переход с одной передачи на другую и выполняет другие функции, как дополнительный элемент, улучшающий качества трансмиссии; способность его преобразовывать момент используется в меньшей степени. Но даже в этом случае гидротрансформатор имеет серьезные достоинства. Подобная картина наблюдается ив развитии трансмиссий с гидротрансформаторами для грузовых автомобилей. Конечно, каждый новый шаг в развитии конструкций трансмиссий с гидротрансформаторами не вызывает полного отказа от прежних конструкций. Это объясняется, в частности, тем, что автомобили даже одного и того же типа работают в разнообразных условиях, для каждого из которых могут оказаться наиболее эффективными различные трансмиссии. Например, грузовой автомобиль, эксплуатируемый на междугородных линиях по шоссе и подавляющую часть времени движущийся на прямой передаче, вряд ли. имеет смысл оборудовать гидротрансформатором с автоматической трансмиссией. Грузовой автомобиль, используемый в городе с интенсивным уличным движением и вынужденный делать частые остановки и разгоны, сможет работать более производительно, если его снабдить автоматической трансмиссией с гидротрансформатором. Наконец установка гидро-