Przekładni hydrokinetycznej - Torque converter

Odcięcie konwertera momentu obrotowego ZF
Wyciętym model Nyomatékváltó

Konwerter momentu obrotowego jest rodzajem sprzęgła hydraulicznego , że transfery obracanie mocy z głównego silnika napędowego , jak silnik spalania wewnętrznego , do obracającego się napędzanego obciążenia. W pojeździe z automatyczną skrzynią biegów konwerter momentu obrotowego łączy źródło zasilania z obciążeniem. Zwykle znajduje się między flexplate silnika a skrzynią biegów. Równoważnym miejscem w ręcznej skrzyni biegów byłoby sprzęgło mechaniczne .

Główną cechą przemiennika momentu obrotowego jest jego zdolność do zwiększania momentu obrotowego, gdy wyjściowa prędkość obrotowa jest tak niska, że ​​pozwala na odprowadzenie płynu z zakrzywionych łopatek turbiny od stojana, gdy jest on zablokowany ze sprzęgłem jednokierunkowym , zapewniając w ten sposób odpowiednik przekładni redukcyjnej . Jest to cecha wykraczająca poza proste sprzęgło płynowe, które może dopasować prędkość obrotową, ale nie zwielokrotnia momentu obrotowego, a tym samym zmniejsza moc.

Systemy hydrauliczne

Zdecydowanie najbardziej rozpowszechnioną formą przekładni hydrokinetycznej w skrzyniach biegów samochodowych jest urządzenie hydrokinetyczne opisane w tym artykule. Istnieją również systemy hydrostatyczne , które są szeroko stosowane w małych maszynach, takich jak koparki kompaktowe .

Systemy mechaniczne

Istnieją również konstrukcje mechaniczne do przekładni bezstopniowych, które również mają zdolność zwielokrotniania momentu obrotowego. Należą do nich przekładnia hydrokinetyczna Constantinesco oparta na wahadle, przekładnia zębata z tarczą cierną Lambert oraz Variomatic z rozsuwanymi kołami pasowymi i napędem pasowym.

Stosowanie

Funkcjonować

teoria operacji

Równaniami ruchu przekładni hydrokinetycznej steruje XVIII-wieczne równanie maszyny wirnikowej Leonharda Eulera :

Równanie rozszerza się o piątą potęgę promienia; w rezultacie właściwości przekładni hydrokinetycznej są bardzo zależne od wielkości urządzenia.

Elementy przekładni hydrokinetycznej

Sprzęgło płyn znajduje się w odległości dwóch elementem, który jest niezdolny do pomnożenia moment obrotowy, zaś moment obrotowy konwerter ma co najmniej jeden dodatkowy element stojana, który zmienia charakterystyka napędu podczas okresach wysokiego poślizgu, produkujących wzrost momentu obrotowego.

W przekładni hydrokinetycznej znajdują się co najmniej trzy elementy wirujące: wirnik napędzany mechanicznie przez źródło napędu ; turbina napędzająca obciążenie ; oraz stojan, który jest umieszczony pomiędzy wirnikiem a turbiną, dzięki czemu może zmieniać przepływ oleju powracającego z turbiny do wirnika. Klasyczna konstrukcja przekładni hydrokinetycznej nakazuje zapobiegać obracaniu się stojana w każdych warunkach, stąd termin stojan . W praktyce jednak stojan jest zamontowany na sprzęgle jednokierunkowym , które zapobiega przeciwobrotowi stojana w stosunku do głównego napędu, ale umożliwia obrót do przodu.

Od czasu do czasu wprowadzano modyfikacje do podstawowej konstrukcji trójelementowej, szczególnie w zastosowaniach, w których wymagane jest wyższe niż normalne zwielokrotnienie momentu obrotowego. Najczęściej przybierały one formę wielu turbin i stojanów, z których każdy został zaprojektowany do wytwarzania różnych wartości zwielokrotnienia momentu obrotowego. Na przykład automatyczna skrzynia biegów Buick Dynaflow była konstrukcją bez zmiany biegów i w normalnych warunkach polegała wyłącznie na konwerterze w celu zwielokrotnienia momentu obrotowego. Dynaflow wykorzystywał pięcioelementowy konwerter do wytwarzania szerokiego zakresu zwielokrotnienia momentu obrotowego potrzebnego do napędzania ciężkiego pojazdu.

Chociaż nie jest to ściśle część klasycznej konstrukcji konwertera momentu obrotowego, wiele konwerterów samochodowych zawiera sprzęgło blokujące, aby poprawić wydajność przenoszenia mocy podczas przelotu i zmniejszyć ciepło. Zastosowanie sprzęgła blokuje turbinę z wirnikiem, powodując, że całe przeniesienie mocy jest mechaniczne, eliminując tym samym straty związane z napędem hydraulicznym.

Fazy ​​operacyjne

Konwerter momentu obrotowego ma trzy etapy działania:

  • Stoisko . Główne urządzenie poruszające dostarcza energię do wirnika, ale turbina nie może się obracać. Na przykład, w samochodzie, ten etap działania miałby miejsce, gdy kierowca wrzucił skrzynię biegów na bieg, ale uniemożliwia ruch pojazdu, kontynuując hamowanie . W momencie przeciągnięcia konwerter momentu obrotowego może wytworzyć maksymalny zwielokrotniony moment obrotowy, jeśli zostanie przyłożona wystarczająca moc wejściowa (wynikowe zwielokrotnienie nazywa się współczynnikiem przeciągnięcia ). Faza przeciągnięcia faktycznie trwa przez krótki okres, kiedy obciążenie (np. pojazd) początkowo zaczyna się poruszać, ponieważ będzie bardzo duża różnica między prędkością pompy i turbiny.
  • Przyspieszenie . Obciążenie przyspiesza, ale nadal istnieje stosunkowo duża różnica między prędkością wirnika i turbiny. W tych warunkach konwerter będzie wytwarzał zwielokrotnienie momentu obrotowego, które jest mniejsze niż to, które można osiągnąć w warunkach przeciągnięcia. Wielkość mnożenia będzie zależeć od rzeczywistej różnicy między prędkością pompy i turbiny, a także od różnych innych czynników konstrukcyjnych.
  • Sprzęg . Turbina osiągnęła około 90 procent prędkości wirnika. Zwielokrotnianie momentu obrotowego zasadniczo ustało, a przemiennik momentu obrotowego zachowuje się w sposób podobny do prostego sprzęgła hydrokinetycznego. W nowoczesnych zastosowaniach motoryzacyjnych zwykle na tym etapie eksploatacji stosuje się sprzęgło blokujące, co ma tendencję do zwiększania efektywności paliwowej .

Kluczem do zdolności konwertera momentu obrotowego do zwielokrotnienia momentu obrotowego jest stojan. W klasycznej konstrukcji sprzęgła hydrokinetycznego okresy dużego poślizgu powodują, że przepływ płynu powracającego z turbiny do wirnika jest przeciwny do kierunku obrotów wirnika, co prowadzi do znacznej utraty sprawności i generowania znacznego ciepła odpadowego . W tych samych warunkach w przemienniku momentu obrotowego powracający płyn zostanie przekierowany przez stojan tak, aby wspomagał obrót wirnika zamiast go utrudniać. W rezultacie znaczna część energii powracającego płynu jest odzyskiwana i dodawana do energii dostarczanej do wirnika przez główne urządzenie poruszające. Działanie to powoduje znaczne zwiększenie masy płynu kierowanego do turbiny, powodując wzrost wyjściowego momentu obrotowego. Ponieważ powracający płyn początkowo porusza się w kierunku przeciwnym do obrotu wirnika, stojan będzie podobnie próbował obracać się w przeciwnych kierunkach, ponieważ wymusza zmianę kierunku płynu, czemu zapobiega jednokierunkowe sprzęgło stojana .

W przeciwieństwie do promieniowo prostych łopatek stosowanych w sprzęgle płynnym, turbina i stojan przekładni hydrokinetycznej wykorzystują łopatki ustawione pod kątem i zakrzywione. Kształt łopatek stojana zmienia ścieżkę płynu, zmuszając go do zbieżności z obrotem wirnika. Dopasowana krzywa łopatek turbiny pomaga prawidłowo skierować powracający płyn do stojana, aby ten mógł wykonać swoją pracę. Kształt łopatek jest ważny, ponieważ drobne zmiany mogą powodować znaczące zmiany w działaniu konwertera.

Podczas faz przeciągnięcia i przyspieszania, w których następuje zwielokrotnienie momentu obrotowego, stojan pozostaje nieruchomy dzięki działaniu jego sprzęgła jednokierunkowego. Jednak w miarę zbliżania się przekładni hydrokinetycznej do fazy sprzężenia energia i objętość płynu powracającego z turbiny będą się stopniowo zmniejszać, powodując również zmniejszenie ciśnienia na stojanie. W fazie sprzęgania powracający płyn zmieni kierunek, a teraz będzie obracał się w kierunku wirnika i turbiny, co spowoduje próbę obrócenia stojana do przodu. W tym momencie sprzęgło stojana zostanie zwolnione, a wirnik, turbina i stojan będą się obracać (mniej więcej) jako całość.

Nieuniknione jest, że część energii kinetycznej płynu zostanie utracona z powodu tarcia i turbulencji, powodując, że konwerter generuje ciepło odpadowe (rozpraszane w wielu zastosowaniach przez chłodzenie wodą). Efekt ten, często określany jako strata pompowania, będzie najbardziej widoczny w warunkach przeciągnięcia lub w ich pobliżu. W nowoczesnych konstrukcjach geometria łopatek minimalizuje prędkość oleju przy niskich prędkościach obrotowych wirnika, co pozwala na długotrwałe zatrzymanie turbiny z niewielkim niebezpieczeństwem przegrzania (np. gdy pojazd z automatyczną skrzynią biegów zostanie zatrzymany na sygnale ulicznym lub w korku podczas wciąż na biegu).

Sprawność i zwielokrotnienie momentu obrotowego

Przemiennik momentu obrotowego nie może osiągnąć 100-procentowej sprawności sprzęgła. Klasyczna trzyelementowa przekładnia hydrokinetyczna ma krzywą sprawności, która przypomina ∩: zerową sprawność w momencie przeciągnięcia, ogólnie zwiększającą sprawność w fazie przyspieszania i niską sprawność w fazie sprzęgania. Utrata sprawności, gdy przetwornica wchodzi w fazę sprzęgania, jest wynikiem turbulencji i zakłóceń przepływu płynu generowanych przez stojan i, jak wspomniano wcześniej, jest zwykle niwelowana przez zamontowanie stojana na sprzęgle jednokierunkowym.

Nawet przy zastosowaniu jednokierunkowego sprzęgła stojana, konwerter nie może osiągnąć tego samego poziomu sprawności w fazie sprzęgania, co sprzęgło hydrodynamiczne o równoważnej wielkości. Pewna strata wynika z obecności stojana (chociaż obracającego się jako część zespołu), ponieważ zawsze generuje on turbulencje pochłaniające energię. Większość strat jest jednak spowodowana przez zakrzywione i ustawione pod kątem łopatki turbiny, które nie pochłaniają energii kinetycznej z masy płynu, jak również promieniowo proste łopatki. Ponieważ geometria łopatek turbiny jest kluczowym czynnikiem w zdolności konwertera do zwielokrotniania momentu obrotowego, kompromisy między zwielokrotnieniem momentu obrotowego a wydajnością sprzęgła są nieuniknione. W zastosowaniach motoryzacyjnych, gdzie ciągła poprawa oszczędności paliwa była nakazana przez siły rynkowe i dekret rządowy, prawie uniwersalne zastosowanie sprzęgła blokującego pomogło wyeliminować konwerter z równania wydajności podczas jazdy.

Maksymalna wielkość zwielokrotnienia momentu obrotowego wytwarzana przez przekształtnik w dużym stopniu zależy od wielkości i geometrii łopatek turbiny i stojana i jest generowana tylko wtedy, gdy przemiennik znajduje się w fazie przeciągnięcia lub w jej pobliżu. Typowe współczynniki zwielokrotnienia momentu obrotowego wynoszą od 1,8:1 do 2,5:1 dla większości zastosowań motoryzacyjnych (chociaż konstrukcje wieloelementowe stosowane w Buick Dynaflow i Chevrolet Turboglide mogą produkować więcej). Specjalistyczne konwertery przeznaczone do przemysłowych, kolejowych lub ciężkich morskich systemów przesyłowych są zdolne do powielania nawet 5,0:1. Ogólnie rzecz biorąc, istnieje kompromis między maksymalnym zwielokrotnieniem momentu obrotowego a wydajnością — konwertery o wysokim przełożeniu momentu obrotowego są zwykle stosunkowo nieefektywne poniżej prędkości sprzęgła, podczas gdy konwertery o niskim przełożeniu momentu obrotowego mają tendencję do zapewniania mniejszego możliwego zwielokrotnienia momentu obrotowego.

Charakterystyki przekładni hydrokinetycznej muszą być dokładnie dopasowane do krzywej momentu obrotowego źródła zasilania i zamierzonego zastosowania. Zmiana geometrii łopatek stojana i/lub turbiny zmieni charakterystykę momentu obrotowego i utyku, jak również ogólną sprawność jednostki. Na przykład automatyczne skrzynie biegów wyścigów drag często używają konwerterów zmodyfikowanych w celu uzyskania wysokich prędkości przeciągnięcia w celu poprawy momentu obrotowego poza linią i szybszego wejścia w zakres mocy silnika. W pojazdach drogowych zazwyczaj stosuje się przekładnie hydrokinetyczne o niższym stopniu przeciągnięcia, aby ograniczyć wytwarzanie ciepła i zapewnić bardziej stabilne odczucie charakterystyki pojazdu.

Cechą konstrukcyjną spotykaną kiedyś w niektórych automatycznych skrzyniach biegów General Motors był stojan o zmiennym skoku, w którym kąt natarcia łopatek mógł się zmieniać w odpowiedzi na zmiany prędkości obrotowej i obciążenia silnika. Efektem tego była zmiana wielkości zwielokrotnienia momentu obrotowego wytwarzanego przez konwerter. Przy normalnym kącie natarcia stojan powodował, że konwerter wytwarzał umiarkowaną ilość mnożenia, ale z wyższą wydajnością. Gdyby kierowca nagle otworzył przepustnicę, zawór przestawiłby skok stojana na inny kąt natarcia, zwiększając zwielokrotnienie momentu obrotowego kosztem wydajności.

Niektóre przemienniki momentu obrotowego wykorzystują wiele stojanów i/lub wiele turbin, aby zapewnić szerszy zakres zwielokrotnienia momentu obrotowego. Takie konwertery wieloelementowych są bardziej powszechne w środowiskach przemysłowych niż w przekładniach samochodowych, ale zastosowań motoryzacyjnych, takich jak Buick „s Triple Turbine Dynaflow i Chevrolet ” s Turboglide istniał również. Buick Dynaflow wykorzystał charakterystykę zwielokrotniania momentu obrotowego swojego zestawu przekładni planetarnych w połączeniu z konwerterem momentu obrotowego dla niskiego biegu i ominął pierwszą turbinę, wykorzystując tylko drugą turbinę wraz ze wzrostem prędkości pojazdu. Nieuniknionym kompromisem z tym układem była niska wydajność i ostatecznie te skrzynie biegów zostały wycofane na rzecz bardziej wydajnych jednostek trzybiegowych z konwencjonalnym trzyelementowym przemiennikiem momentu obrotowego. Stwierdzono również, że sprawność konwertera momentu obrotowego jest maksymalna przy bardzo niskich prędkościach.

Blokowane przekładnie hydrokinetyczne

Jak opisano powyżej, straty napędzania w przemienniku momentu obrotowego zmniejszają sprawność i generują ciepło odpadowe. W nowoczesnych zastosowaniach motoryzacyjnych tego problemu zwykle unika się, stosując sprzęgło blokujące, które fizycznie łączy wirnik i turbinę, skutecznie zmieniając konwerter w sprzęgło czysto mechaniczne. Rezultatem jest brak poślizgu i praktycznie brak strat mocy.

Pierwszym samochodowym zastosowaniem zasady blokowania była wprowadzona w 1949 r. przez Packard 's Ultramatic skrzynia biegów, która blokowała konwerter przy prędkościach podróżnych, odblokowując się, gdy przepustnica była dociśnięta, aby przyspieszyć przyspieszanie lub gdy pojazd zwalniał. Ta cecha była również obecna w niektórych przekładniach Borg-Warner produkowanych w latach 50. XX wieku. W kolejnych latach wypadł z łask ze względu na swoją dodatkową złożoność i koszty. Pod koniec lat 70. sprzęgła blokujące zaczęły pojawiać się ponownie w odpowiedzi na zapotrzebowanie na lepszą oszczędność paliwa i są obecnie prawie uniwersalne w zastosowaniach motoryzacyjnych.

Tryby pojemności i awarii

Podobnie jak w przypadku podstawowego sprzęgła płynowego, teoretyczna zdolność przenoszenia momentu obrotowego konwertera jest proporcjonalna do , gdzie jest gęstością masową płynu (kg/m 3 ), jest prędkością wirnika ( obr/min ) i jest średnicą (m). W praktyce maksymalna zdolność przenoszenia momentu obrotowego jest ograniczona właściwościami mechanicznymi materiałów użytych w elementach przekształtnika, a także zdolnością przekształtnika do rozpraszania ciepła (często poprzez chłodzenie wodą). Aby zwiększyć wytrzymałość, niezawodność i ekonomikę produkcji, większość obudów konwerterów samochodowych ma konstrukcję spawaną. Jednostki przemysłowe są zwykle montowane w obudowach skręcanych śrubami, co jest cechą konstrukcyjną, która ułatwia proces kontroli i naprawy, ale zwiększa koszty produkcji konwertera.

W wysokowydajnych, wyścigowych i wysokowydajnych konwerterach komercyjnych pompa i turbina mogą być dodatkowo wzmocnione przez proces zwany lutowaniem piecowym , w którym stopiony mosiądz jest wciągany do szwów i połączeń w celu wytworzenia silniejszego połączenia między łopatkami, piastami i pierścieniem pierścieniowym ( s). Ponieważ proces lutowania piecowego tworzy mały promień w miejscu, w którym ostrze styka się z piastą lub pierścieniem, wystąpi teoretyczny spadek turbulencji, co spowoduje odpowiedni wzrost wydajności.

Przeciążenie konwertera może skutkować kilkoma trybami awarii, niektóre z nich mają potencjalnie niebezpieczny charakter:

  • Przegrzanie : Ciągły wysoki poziom poślizgu może przeciążyć zdolność konwertera do rozpraszania ciepła, powodując uszkodzenie uszczelek elastomerowych, które zatrzymują płyn wewnątrz konwertera. Spowoduje to przeciek jednostki i ostatecznie przestanie działać z powodu braku płynu.
  • Zatarcie sprzęgła stojana : Wewnętrzne i zewnętrzne elementy jednokierunkowego sprzęgła stojana zostają trwale połączone ze sobą, zapobiegając w ten sposób obracaniu się stojana podczas fazy sprzęgania. Najczęściej zatarcie jest wywoływane przez duże obciążenie i późniejsze odkształcenie elementów sprzęgła. W końcu dochodzi do zacierania się współpracujących części, co powoduje napad. Przetwornica z zatartym sprzęgłem stojana będzie wykazywać bardzo słabą wydajność podczas fazy sprzęgania, a w pojeździe silnikowym zużycie paliwa drastycznie wzrośnie. Przegrzanie konwertera w takich warunkach zwykle występuje przy próbie kontynuowania pracy.
  • Uszkodzenie sprzęgła stojana : Bardzo gwałtowne przyłożenie mocy może spowodować obciążenie udarowe sprzęgła stojana, powodując pęknięcie. W takim przypadku stojan będzie się swobodnie obracał w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu pompy i prawie nie nastąpi przenoszenie mocy. W samochodzie efekt jest podobny do poważnego przypadku poślizgu skrzyni biegów i pojazd jest prawie niezdolny do poruszania się o własnych siłach.
  • Odkształcenie i fragmentacja łopatek: Jeśli zostaną poddane nagłemu obciążeniu lub nadmiernemu nagrzaniu konwertera, łopatki pompy i/lub turbiny mogą zostać zdeformowane, oddzielone od piast i/lub pierścieni lub mogą rozpaść się na fragmenty. Przynajmniej taka awaria spowoduje znaczną utratę sprawności, wywołując objawy podobne (choć mniej wyraźne) do objawów towarzyszących awarii sprzęgła stojana. W skrajnych przypadkach nastąpi katastrofalne zniszczenie konwertera.
  • Balonowanie : Długotrwała praca przy nadmiernym obciążeniu, bardzo gwałtowne przyłożenie obciążenia lub praca konwertera momentu obrotowego przy bardzo wysokich obrotach może spowodować fizyczne zniekształcenie kształtu obudowy konwertera z powodu ciśnienia wewnętrznego i/lub naprężenia wywołanego przez bezwładność. W ekstremalnych warunkach balonowanie spowoduje pęknięcie obudowy konwertera, co spowoduje gwałtowne rozproszenie gorącego oleju i fragmentów metalu na dużym obszarze.

Producenci

Aktualny

Przeszłość

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ Sprzęgła i przetworniki hydrodynamiczne . Podręcznik motoryzacyjny (wyd. 3). Roberta Boscha . 1993. s. 539. Numer ISBN 0-8376-0330-7.
  2. ^ "Espacenet - dokument oryginalny" . Cały świat.espacenet.com. 1933-03-07 . Pobrano 21.07.2014 .
  3. ^ „Zarchiwizowana kopia” . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 2010-03-02 . Źródło 2009-10-31 .CS1 maint: zarchiwizowana kopia jako tytuł ( link )
  4. ^ [1]

Zewnętrzne linki