Гидромеханика

Технические характеристики

Схема ГМКП

На машинах, где в качестве трансмиссии выступает автоматический тип КПП, имеется гидротрансформатор (гидравли­ческий механизм). Работа гидротрансформатора позволяет машине преодолевать многие препятствия, которые могут встретиться во время передвижения по пересеченной местности, так как повышается сцепления колес с дорогой. Сам корпус данного устройства дополнен специальным насосным колесом. Старт осуществляется плавно, без рывков. Кроме того, в АКПП имеются фрикционные муфты сцепления.

Работает гидротрансформатор благодаря осуществлению циркуляции масла, которое в его сторону поступает от насосного диска. Переключение скоростных режимов выполняется автоматически. Его основная функция – передача момента силы от двигателя к колесам. Турбина напрямую связана с валом, который имеется на коробке. Помимо насосного и турбинного колеса ГМКП включает реакторное колесо, функция которого заключается в обеспечении усиления крутящего момента. Циркуляция залитого горючего происходит по замкнутому кругу. На продолжительный срок рассчитан блок управления.

Принцип работы на автомобиле с гидромеханической коробки передач заключается в автоматическом преобразовании крутящего момента силовой установки. Когда реактор достигает максимального значения скорости вращения, установленный гидротрансформатор перестает изменять крутящий момент. Это позволяет обеспечить плавный разгон транспортного средства.

Таким образом, гидромеханика облегчает управление транспортным средством. Благодаря работе электроники, быстро осуществляется смена скоростей, повышается комфорт при передвижении, силовой агрегат в меньшей степени подвергается нагрузкам.

Разновидности гидромеханики

Коробки автомат долгое время устанавливались исключительно на автомобили среднего класса и категории премиум. На сегодняшний день агрегат получил массовое использование и пользуется у автолюбителей все большей популярностью. АКПП способны значительно повысить комфорт во время вождения, но стоит учесть, что такие узлы отличаются по разновидностям, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Разобравшись в принципе работы гидромеханических коробках передачи, можно будет определиться с выбором, какой тип АКПП подходит конкретному водителю. Стоит упомянуть о следующих типах гидромеханических КП:

• Гидромеханический автомат. Это одна из первых трансмиссий подобного рода, которая появилась как альтернатива «механике». Конструкция представляет собой комбинацию гидротрансформатора и планетарной КП. Наличие электронных компонентов позволяют значительно повысить функциональные особенности агрегата.
• Вариаторная трансмиссия. Пользуется меньшей популярностью из-за того, что отсутствуют привычные фиксированные ступени. К преимуществам можно отнести максимальную плавность хода, а объясняется это как раз отсутствием смены передачей. Конструкция бесступенчатой трансмиссии выглядит следующим образом: для передачи крутящего используется привычный гидравлический преобразователь, а изменение крутящего момента происходит за счет изменения диаметра ведущего и ведомого шкива. Данные компоненты соединяются при помощи ремня и цепи, а изменение диаметра будет зависеть от скорости и нагрузки.
• Роботизированная коробка. Массово начала использоваться около 20 лет назад.  От механики отличий немного, имеется сцепление, но разница заключается в том, управление работой сцепления происходит в автоматическом режиме. К преимуществам «робота» можно отнести невысокую стоимость, динамичный разгон и экономию топлива. Что касается недостатков, главным является снижение уровня комфорта.
• Преселективные коробки с двойным сцеплением. К таким относятся устройства DSG или Powershift. Агрегат можно отнести к роботизированным КП, но с более высокими техническими характеристиками. По конструкции напоминает привычную механику, но в этот раз инженеры использовали сразу два агрегата, помещенные в одну коробку.

Роботизированные агрегаты и АКПП – это устройства, цель которых заключается в упрощении взаимодействия водителя с трансмиссией.

Гидротрансформатор

Гидротрансформатор представляет собой гидравли­ческий механизм, который размещен между двигателем и механической коробкой передач. Он состоит из трех колес с лопатками:

• насосного (ведущего);
• турбинного (ведомого);
• реактора.

Насосное колесо 3 закреплено на маховике 1 двигателя и образует корпус гидротрансформатора, внутри которого размещены тур­бинное колесо 2, соединенное с первичным валом 5 коробки передач  и реактор 4, установленный на роликовой муфте 6 свободного хода. Внутренняя полость гидротрансформатора на 3/4 своего объема заполнена специальным маслом малой вязкости.

Каждое колесо имеет наружный и внутренний торцы, между которыми располагаются профилированные лопасти, образующие каналы для протока жидкости. Все колеса гидротрансформатора максимально приближены друг к другу, а вытеснению жидкости препятствуют специальные уплотнения.

При работающем двигателе насосное, колесо вращается вместе с маховиком двигателя. Масло под действием центробежной силы поступает к наружной части насосного колеса, воздействует на лопатки турбинного колеса и приводит его во вращение. Из турбинного колеса масло поступает в реактор, который обеспечивает плавный и безударный вход жидкости в насосное колесо и существенное увеличение крутящего момента. Таким образом, масло циркулирует по замкнутому кругу и обеспечивается передача крутящего момента в гидротрансформаторе.

Характерной особенностью гидротрансформатора является увеличение крутящего момента при его передаче от двигателя к первичному валу коробки передач. Наибольшее увеличение крутящего момента на турбинном колесе гидротрансформатора получается при трогании автомобиля с места, при этом коэффициент трансформации может составлять до 2,4. В этом случае реактор неподвижен  так как заторможен муфтой свободного хода. По мере разгона автомобиля увеличивается скорость вращения насосного и турбинного колес. При этом муфта свободного хода расклинивается и реактор начинает вращаться с увеличивающейся скоростью, оказывая все меньшее влияние на передаваемый крутящий момент. После достижения реактором максимальной скорости вращения гидротрансформатор перестает изменять крутящий момент и переходит на режим работы гидромуфты. Таким образом, происходит плавный разгон автомобиля и бесступенчатое изменение крутящего момента.

Гидротрансформатор автоматически устанавливает необходимое передаточное число между коленчатым валом двигателя и к ведущими колесами автомобиля, Это обеспечивается следующим  образом: с уменьшением скорости вращения ведущих колес автомобиля при возрастании сопротивления движению возрастает динамический напор жидкости от насоса на турбину, что приводит к росту крутящего момента на турбине, следовательно, на ведущих колесах автомобиля.

КПД гидротрансформатора определяет экономичность его работы. Максимальное значе­ние КПД гидротрансформатора может быть от 0,85 до 0,97, но обычно находится в диапазоне от 0,7 до 0,8. В комплексном гидротрансформаторе на режиме гидромуфты можно получить максимальное значение КПД  до 0,97.

Изменение режимов работы гидротрансформатора происходит автоматически. Если увеличивать нагрузку на выходе из гидротрансформатора, то происходит уменьшение угловой скорости турбины, что приводит к увеличению коэффициента трансформации.

К сожалению, гидротрансформатор имеет малый диапазон передаточных чисел, не обеспечивает движения задним ходом, не разобщает двигатель от трансмиссии (необходима сложная система опорожнения проточных частей от рабочей жидкости). Поэтому за гидро­трансформатором устанавливают специальную планетарную коробку передач, которая компенсирует указанные недостатки.

Планетарный механизм

В большинстве современных АКПП гидротрансформатор действует в паре с планетарной системой. Она занимается передачей крутящего момента к фрикционным муфтам. В самом простом варианте усилие направляется на центральную шестерню (солнечную). Два дополнительных сателлита (вспомогательные шестерни) находятся в постоянной сцепке с центральной шестерней благодаря нанесенным на эти элементы зубчикам. Сателлиты не фиксируются, а свободно вращаются вокруг своих осей. Механизм шестеренок находится внутри коронного колеса, которое в зависимости от включенной передачи фиксируется или приходит в движение. В момент фиксации коронной шестерни начинает двигаться ведомый вал (на него передается усилие). В противном случае сателлиты передают момент на коронную шестерню, оставляя ведомый вал в неподвижном состоянии. Для переключения передач в планетарные АКПП устанавливаются фрикционные муфты. Каждая из них выглядит как несколько дисков, представляющих собой тонкие пластины из гладкого металла. Каждая пластинка покрыта специальным фрикционным составом, предотвращающим ее износ. На части их можно найти шлицы. Между муфтами расположены прокладки. Прижимаются друг к другу они при помощи гидравлического поршня, функционирующего при подаче рабочей жидкости. При возрастании в нем давления фрикционы плотно смыкаются, становясь почти единым целым. После падения давления жидкости в гидравлическом поршне фрикционные диски возвращаются на место с помощью пружины. Работа фрикционов тесно связана с функционированием тормозных и планетарных механизмов. На эти моменты передаются команды системы управления КПП и крутящий момент двигателя. Без их участия не производится торможение двигателем и запуск на буксире. Механический узел действует слаженно и четко.

планетарная система

Исторический очерк

Появление прикладного интереса к проблематике современной гидромеханики задокументировано ещё с античности. Например, греческий учёный Архимед в своём трактате о плавающих телах сформулировал первые принципы гидростатики.

В середине XV века итальянский изобретатель Леонардо да Винчи занимался исследованием течения воды в каналах через водосливы и отверстия. Этот комплекс работ заложил фундамент экспериментальным методам в гидравлике. Итальянец Галлилео Галлилей и француз Блез Паскаль уделили много внимания вопросам гидростатики, фактически занимаясь развитием идей Архимеда. Итальянский математик Эванджелиста Торричелли создал и обосновал математическое выражение для скорости жидкости, вытекающей из отверстия — формулу Торричелли. Английский физик Исаак Ньютон вывел положения о внутреннем трении в потоке движущейся жидкости. Благодаря усилиям швейцарского физика Даниилa Бернулли и немецкого математика Леонарда Эйлера были созданы уравнения движения идеальной жидкости общего вида, что де факто положило начало теоретической гидромеханике. Однако в то время попытки применять эти уравнения давали приемлемые результаты только при решении узкого круга задач.

В конце XVIII века благодаря экспериментальным усилиям многих инженеров и исследователей появилось большое количество эмпирических формул, что увеличило разрыв между практической и теоретической частями гидродинамики. Однако исследование структуры потока жидкости привело к формированию в конце XIX века новых подходов к изучению течения жидкости, что позволило уменьшить эти противоречия. Значительный объём работы по тонким экспериментам с внутренним трением в процессе ламинарного движения жидкости был выполнен русским военным учёным Николаем Петровым. Исследования британского физика Осборна Рейнольдса позволили расширить понимание переходных процессов от ламинарного движения к турбулентному и разобраться в феномене гидравлического сопротивления.

Вслед за этим комплекс работ русского механика Николая Жуковского и немецкого физика Людвига Прандтля вывели понимание ряда фундаментальных проблем на новый уровень. В частности, их усилия позволили создать так называемые полуэмпирические теории турбулентности, которые нашли всемирное признание и практическое применение.

Сильные и слабые стороны гидромеханики

Гидромеханическая коробка представляет собой последовательное соединение трансформатора, планетарного узла с фрикционами гидравлической системы управления. Ее основное достоинство – отсутствие необходимости водителю переключать передачи вручную. Электроника делает это точно, благодаря чему отсутствует дискомфорт при движении, а двигатель не подвергается перегрузкам. Их отсутствие помогает сохранить его в целости на долгое время. При начале движения передача мощности также происходит без прерывания и рывков, что делает гидромеханику более совершенной, превосходящей по своим характеристикам механические коробки передач. Не зря их используют не только в автомобилестроении, но и устанавливают на танки (в Америке и Германии).

Слабой частью такой АКПП является гидротрансформатор

Недостатком такого механизма является его высокая стоимость и техническая сложность. При переключении передач можно заметить потерю производительности за счет пробуксовки фрикционов и тормозных лент. Слабой частью такой АКПП является и гидротрансформатор, из-за которого теряется крутящий момент. Несмотря на явные преимущества эффективность гидромеханики по результатам замеров составляет 86%, тогда как у обычной коробки она достигает 98%. Еще один недостаток – необходимость устанавливать системы подпитки охлаждения гидроагрегата. Они занимают место под капотом, из-за чего моторно-трансмиссионный отсек имеет большие габариты. Также автомобили с установленной гидромеханикой нельзя завести путем толкания или перемещения его на тросе. Для этой разновидности коробки, как и во всех автоматах, характерно отсутствие возможности регулировать потребление топлива. Описанный вариант гидромеханической АКПП является одним из самых примитивных. Сегодня разрабатываются более совершенные трансмиссии, которые устанавливают на легковые автомобили, выпущенные в последние годы. Гидромеханикой рекомендуется пользоваться тем, кто недавно сел за руль. Для новичка она незаменима тем, что самостоятельно переключать передачи нет необходимости.

Общие сведения

Считается, что гидромеханика включает в себя два основных раздела: гидростатику и гидродинамику. Ранее под гидромеханикой понималась вся гидроаэромеханика целиком, включая проблематику равновесия и движения сжимаемых сред, в XX веке наука о движении газов и сжимаемых жидкостей выделилась в отдельную отрасль гидроаэромеханики, которая стала называться газовой динамикой.

Гидромеханика изучает законы равновесия и движения жидкости, а также силовое взаимодействие между жидкостью и твёрдыми телами. При проведении исследований используются различные предположения, упрощения и экспериментальные данные, причем, оперируя определенными усреднёнными величинами, как правило, пытаются оценивать только принципиальные параметры явления; в результате получают возможность решать с помощью относительно простых приближенных эмпирических методов относительно сложные практические задачи механики жидкостей.

Другое название — механика жидкостей.

Кроме того, в область изучения гидромеханики как науки входит взаимодействие между жидкостью и телами, погружёнными в жидкость полностью либо частично, а также движущимися в жидкости.

В механике водонасыщенных горных пород гидромеханика — научное направление, изучающее основы механики водонасыщенных горных пород по проблемам гидрогеологии и инженерной геологии. Базируется на теории механики грунтов и геофильтрации.