Преобразователь крутящего момента что это

Преобразователи частоты

В данной статье мы рассмотрим что такое частотный преобразователь, сферы применения преобразователей частоты, их плюсы и минусы, а также схемы частотников.

1. Виды преобразователей частоты
2. Способы управления преобразователем
3. Режимы управления частотными преобразователями
4. Преимущества частотных преобразователей
5. Сферы применения

Преобразователи частоты (или частотники) – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.

Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.

Виды преобразователей частоты

Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:

Серия VF-51 – универсальный и компактный преобразователь частоты с перегрузкой 150%, мощностью от 0,4 до 22 кВт. Подходит для применения с насосами, вентиляторами, станками и конвейерами.

Серия VF-101 – специализированный преобразователь частоты с перегрузкой 150%, мощностью от 0,75 до 1120 кВт, совместим с различными сетевыми протоколами. Подходит для систем отопления, вентиляции и кондиционирования, а также насосов, общепромышленных применений, в том числе с тяжелыми пусками.

Электромашинные частотники.

Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.

Электронные преобразователи.

Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.

Непосредственные преобразователи частоты

Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.

Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.

Плюсы непосредственных преобразователей частоты:

• Возможностью рекуперации электроэнергии в сеть при работе в режиме торможения двигателя. Непосредственное включение обеспечивает двусторонний обмен электричеством.
• Высоким к.п.д. за счет однократного преобразования частоты.
• Возможностью наращивания мощности за счет присоединения дополнительных преобразователей.
• Широким диапазоном низких частот. Непосредственные преобразователи обеспечивают стабильную работу привода на малых скоростях.

Минусы непосредственных преобразователей частоты:

• Аппроксимированная форма выходного напряжения с наличием постоянных составляющих и субгармоник. Такая форма переменного напряжения на выходе устройства вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижает момент, создает помехи.
• Частота напряжения на выходе преобразователя не превышает аналогичную характеристику сетевого напряжения. Таким образом, при помощи этих устройств можно только снижать скорость вращения двигателей.
• Основная сфера непосредственных преобразователей – электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.

Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

• Возможностью получения выходного напряжения с частотой как выше, так и ниже аналогичного параметра сети питания. Частотники на базе схемы двойного преобразования используют для высоко- средне- и низкоскоростных электроприводов.
• Чистой синусоидальной формой напряжения на выходе. Схема преобразователя позволяет получать переменное напряжение с минимальным отклонением от синусоидальной формы.
• Возможностью построения простых и сложных силовых и управляющих схем для приводов с различными требованиями к скорости реагирования, диапазону скоростей.
• Возможностью адаптации к сетям постоянного тока. Преобразователи данного типа можно приспособить для питания от резервных и аварийных источников постоянного тока без дополнительных устройств. Это позволяет применять такие частотники в приводах ответственного оборудования с резервными источниками электроэнергии.
• Разнообразием алгоритмов управления. Преобразователи со звеном постоянного тока можно запрограммировать и адаптировать практически ко всем электроприводам, в том числе и претенциозным, где требуется особо точное регулирование скорости и момента.

Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

• Относительно большую массу и габариты, что обусловлено наличием выпрямительного, фильтрующего и инверторного блоков.
• Повышенные потери мощности. Схема двойного преобразования несколько уменьшает общий к.п.д.

Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока

Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:

• Выпрямителя. Для ЧП используются диодные и тиристорные преобразователи постоянного тока. Первые отличаются высоким качеством постоянного напряжения практически с полным отсутствием пульсации, низкой стоимостью и надежностью. Однако диодные выпрямители не позволяют реализовать возможность рекуперации электроэнергии в сеть при торможении двигателя. Выпрямители на тиристорах обеспечивают возможность протекания тока в обоих направлениях и позволяют отключать преобразователь от сети без дополнительной коммутирующей аппаратуры.
• Фильтра. Выходное напряжение тиристорных управляемых выпрямителей имеет значительную пульсацию. Для ее сглаживания используют реакторы, емкостные или индуктивно-емкостные фильтры.
• Инвертора. В ЧП используют инверторы напряжения и тока. Последние обеспечивают рекуперацию электроэнергии в сеть и применяются для управления электрическими машинами с частым пуском, реверсом и остановкой, например, крановыми двигателями.
• Частотники на базе инверторов напряжения выдают на выходе напряжение формы “чистый синус”. Благодаря этому преобразователи такого типа получили наиболее широкое распространение.
• Микропроцессора. Этот блок осуществляет управление входным выпрямителем, прием и обработку сигналов с датчиков, взаимодействие с автоматизированной системой высшего уровня, запись и хранение информации о событиях, формирует выходное напряжения ЧП соответствующей частоты. А также выполняет функции защиты от перегрузок, обрыва фазы и других аварийных и ненормальных режимов работы.

Способы управления преобразователем

По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:

ЧП со скалярным управлением

Частотники этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью, простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП используют для приводов насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

ЧП с векторным управлением

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.

ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости. Последние используются для приводов с широким диапазоном регулирования скорости до 1:1000, необходимости позиционирования точного положения вала, регулирования момента при низких скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости применяют для приводов с более низкими требованиями.

Режимы управления частотными преобразователями

В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:

1) Ручное управление.

Пуск и остановка электродвигателя осуществляются с панели или пульта управления частотника. При этом преобразователь осуществляет регулировку частоты вращения и остановку при возникновении аварийных ситуаций автоматически.

2) Внешнее управление.

ЧП с поддержкой интерфейсов передачи данных можно подключать к удаленному ПК для контроля текущих параметров и задания режимов работы привода.

3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.

В таком режиме ЧП является исполнительным механизмом внешней системы управления.

4) Управление по событиям.

Некоторые модели ЧП позволяют запрограммировать время пуска или остановки, работу двигателя в другом режиме. Преобразователи такого типа применяют для полностью или частично автоматизированного технологического оборудования.

Преимущества частотных преобразователей.

Основные преимущества использования частотных преобразователей:

1) Экономия электроэнергии.

Применение ЧП позволяет снизить пусковые токи и регулировать потребляемую мощность двигателя в зависимости от фактической нагрузки.

2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.

Плавный пуск и регулировка скорости вращения момента на валу позволяют увеличить межремонтный интервал и продлить срок эксплуатации электродвигателей.
Возможность отказаться от редукторов, дросселирующих задвижек, электромагнитных тормозов и другой регулирующей аппаратуры. снижающей надежность и увеличивающей энергопотребление оборудования.

3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.

ЧП не имеют движущихся частей, нуждающихся в регулярной чистке и смазке.

4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.

Во многих частотниках реализована возможность подключения удаленных устройств телеметрии и телемеханики, они могут встраиваться в многоуровневые системы автоматизации.

5) Широкий диапазон мощности двигателей.

Частотные преобразователи устанавливают как на однофазные конденсаторные двигатели мощностью менее 1 кВт, так и на синхронные электромашины мощностью в десятки МВт.

6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

ЧП комплектуют защитой от перегрузок, коротких замыканий, пропадания фаз. Преобразователи также обеспечивают перезапуск при возобновлении подачи электроэнергии после ее отключения.
Возможность бесступенчатой точной регулировки частоты вращения без потерь мощности, что невозможно при использовании редукторов.

7) Снижение уровня шума работающего двигателя.

Возможность замены двигателей постоянного тока асинхронными электрическими машинами с частотными регуляторами. Для оборудования, требующего регулировки момента и скорости вращения, часто используются двигатели постоянного тока, скорость вращения которых пропорциональна поданному напряжению. Такие электрические машины стоят дороже асинхронных и требуют дорогостоящих промышленных выпрямителей. Замена двигателей постоянного тока на асинхронные электромашины с частотным управлением дает хороший экономический эффект.

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

• Для кранов и грузоподъемных машин . Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
• Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
• Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов. Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
• Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

Гидротрансформатор АКПП (или конвертер крутящего момента)

Проще говоря, гидротрансформатор передает энергию от двигателя к ведущему валу АКПП. Он действует как автоматическое сцепление, соединяя крутящий момент с коробкой передач, а также позволяет двигателю работать на малых оборотах (на холостом ходу) во время остановки автомобиля на передаче.

Гидротрансформатор может либо увеличивать крутящий момент, передаваемый от двигателя, либо функционировать в качестве гидромуфты. Он также служит в качестве маховика двигателя, сглаживая вращение двигателя, т. к. его сила инерции помогает поддерживать вращение коленвала между силовыми импульсами поршней. Отсюда идет и поглощение торсионных колебаний и вибраций двигателя и трансмиссии посредством жидкости, т. к. здесь нет прямого механического соединения через конвертер.

Кроме того, задняя ступица корпуса гидротрансформатора приводит в действие масляный насос трансмиссии, обеспечивающий подачу достаточного объема жидкости к гидравлической системе. Насос работает все время, пока вращается двигатель, что является важным фактором при буксировке автомобиля. Если автомобиль буксируется приводными колесами (приводными колесами по земле), и двигатель не работает, оси приводят в движение вторичный вал коробки передач и промежуточный вал на подшипниках, которые не получают смазку. Существует большая вероятность поломки автомобиля при буксировании его на большие расстояния и на высоких скоростях (или на скоростях больше положенных).

Гидротрансформатор расположен на стороне впуска блока шестерен коробки передач и подсоединен к ведущему диску. Ведущий, или гибкий диск соединяет гидротрансформатор с фланцем маховика коленчатого вала двигателя. Зубчатый венец маховика стартера, который заставляет двигатель вращаться, подсоединен к ведущему диску.

Основные компоненты гидротрансформатора.

Крыльчатка насоса (или насосное колесо) – вмонтирована в корпус гидротрансформатора, с многочисленными изогнутыми лопастями, внутри радиально встроенными. Кольцо с направляющими установлено на внутренних гранях (краях) лопастей с целью обеспечения равномерного потока рабочей жидкости. Когда крыльчатка насоса начинает вращаться под действием коленчатого вала двигателя, рабочая жидкость внутри насосного колеса начинает вращаться вместе с ним. При увеличении скорости насосного колеса центробежные силы устремляют жидкость к турбине и от нее.

Крыльчатка насоса ГТ

Лопасти статора захватывают Converter case – корпус гидротрансформатора

рабочую жидкость на выходе Pump Impeller – насосное колесо
из турбины и направляют ее Guide ring – кольцо с направляющими
обратно к насосному колесу. Drive plate – ведущий диск
From engine – от двигателя
Vane – лопасть

Турбинное колесо (или турбина) – расположено внутри корпуса гидротрансформатора, но не крепится к нему. Ведущий вал коробки передач крепится при помощи шлицев к ступице турбины, притом, что гидротрансформатор подсоединен к коробке передач. Множество вогнутых лопастей установлены на турбинном колесе. Кривизна лопастей турбины противоположна кривизне лопастей насосного колеса. Поэтому, когда рабочая жидкость вытесняется из насосного колеса, она попадает на вогнутые лопасти турбины и крутящий момент передается к ведущему валу коробки передач, вращая его в том же направлении, что и коленчатый вал двигателя.

Турбина ГТ
Жидкость попадает Guide ring — кольцо с направляющими
на вогнутые лопасти турбинного Transmission input shaft – ведущий вал коробки
колеса и крутящий момент передается Turbine runner – турбинное колесо
к ведущему валу коробки передач. From engine – от двигателя, vane — лопасть
Перед тем как перейти к следующему компоненту гидротрансформатора необходимо изучить понятие гидромуфты, элементы которой мы только что описали. Когда первые автоматические коробки передач были введены в 30-х – 40-х годах, единственными составляющими их тогда были – насосное колесо и турбина. Данный же компонент является средством передачи крутящего момента от двигателя к коробке передач, а также позволяет двигателю работать на малых оборотах (на холостом ходу) во время остановки автомобиля на передаче. Однако, первые гидромуфты имели недостаток – давали слабое (недостаточное) ускорение. Двигатель должен был работать до тех пор, пока автомобиль не набирал скорость.

Проблема возникала из-за того, что лопасти насосного колеса и турбины были изогнуты в разные стороны по отношению друг к другу. Жидкость из турбины попадала на лопасти насосного колеса в направлении противоположном вращению двигателя.

Обратите внимание на рисунок, изображенный ниже. Стрелка, обозначенная пунктирной линией, указывает путь рабочей жидкости, если бы статора здесь не было, как например в гидромуфте. Потребляемая мощность двигателя должна обеспечивать не только перекачивание жидкости, но также и ослабление силы потока жидкости, исходящей из турбины.

Статор был введен в разработку для уменьшения контрпродуктивной силы потока рабочей жидкости из турбины противоположно вращению двигателя. Это не только решает проблему, но и является дополнительным преимуществом в увеличении крутящего момента, подаваемого к насосному колесу.Статор – расположен между насосным колесом и турбиной. Он установлен на валу статора гидротрансформатора, который крепится к корпусу коробки передач. Лопасти статора получают жидкость на выходе из турбинного колеса и направляют ее таким образом, что она ударяется о задние стенки лопастей насосного колеса, давая тем самым насосному колесу увеличенный крутящий момент. Преимущество увеличенного крутящего момента может составлять вплоть до 30 и даже 50%.

Статор ГТ

Лопасти статора получают жидкость
на выходе из турбинного колеса и
устремляют ее обратно к насосному колесу

(см. рис.)
Pump impeller – насосное колесо
Transmission case – корпус коробки передач
Stator – статор
Turbine runner – турбинное колесо
One-way clutch – муфта свободного хода
Stator shaft – вал статора
From engine – от двигателя
To rear of pump Impeller – к задней стороне насосного колеса
Path of fluid if there was no stator – поток жидкости, если бы статора здесь не было
Curved vane – изогнутая лопасть
From turbine runner – от турбинного колеса

Муфта свободного хода позволяет статору вращаться в том же направлении, что и коленчатый вал двигателя. Однако, если статор начнет вращаться в обратном направлении, муфта свободного хода блокирует статор. Поэтому, вращается статор или блокируется, зависит от направления потока жидкости от лопастей.

Гидротрансформатор — Torque converter

ZF Вырезка гидротрансформатора Вырезанная модель гидротрансформатора

A гидротрансформатор — это тип гидравлической муфты, которая передает крутящий момент от первичного двигателя, такого как двигатель внутреннего сгорания, на вращающуюся ведомую нагрузку. В автомобиле с автоматической коробкой передач преобразователь крутящего момента подключает источник питания к нагрузке. Обычно он располагается между гибкой пластиной двигателя и коробкой передач. Эквивалентным местом в механической коробке передач будет механическое сцепление.

. Основная характеристика гидротрансформатора — это его способность умножать крутящий момент, когда частота вращения на выходе настолько мала, что пропускает жидкость. сходит с изогнутых лопаток турбины, чтобы отклониться от статора, когда он заблокирован своей односторонней муфтой, таким образом обеспечивая эквивалент редуктора . Это отличительная особенность простой гидравлической муфты, которая может соответствовать скорости вращения, но не увеличивает крутящий момент, тем самым снижая мощность.

Некоторые из этих устройств также оснащены механизмом «блокировки», который жестко связывает двигатель с трансмиссией, когда их скорости почти равны, чтобы избежать проскальзывания и, как следствие, потери эффективности.

• 1 Гидравлические системы
• 2 Механические системы
• 3 Использование
• 4 Функция
  • 4.1 Принцип работы
  • 4.2 Элементы преобразователя крутящего момента
  • 4.3 Рабочие фазы
  • 4.4 КПД и увеличение крутящего момента
  • 4.5 Преобразователи крутящего момента с блокировкой
  • 4.6 Емкость и виды отказов
  • 5.1 Ток
  • 5.2 Прошлые

  Гидравлические системы

  Наиболее распространенной формой гидротрансформатора в автомобильных трансмиссиях является гидрокинетическое устройство, описанное в этой статье. Существуют также гидростатические системы, которые широко используются в небольших машинах, таких как компактные экскаваторы.

  Механические системы

  Существуют также механические конструкции для бесступенчатых трансмиссий И у этих тоже есть возможность умножать крутящий момент. К ним относятся маятниковый преобразователь крутящего момента Constantinesco, фрикционная приводная трансмиссия Ламберта и Variomatic с раздвижными шкивами и ременным приводом.

  Использование

  • автоматических коробок передач на легковых автомобилях, таких как легковые автомобили, автобусы и внедорожные грузовики.
  • Форвардеры и другие автомобили большой грузоподъемности.
  • Морские двигательные установки.
  • Промышленная передача энергии, такая как конвейерные приводы, почти все современные вилочные погрузчики, лебедки, буровые установки, строительная техника и железнодорожные локомотивы.

  Функция

  Теория работы

  В уравнениях движения гидротрансформатора доминирует Леонард Эйлер уравнение турбомашины восемнадцатого века:

  Уравнение расширяется и включает пятую степень радиуса; в результате свойства гидротрансформатора сильно зависят от размера устройства.

  Элементы гидротрансформатора

  A гидравлическая муфта — это двухэлементный привод, который не может увеличивать крутящий момент, в то время как гидротрансформатор имеет как минимум один дополнительный элемент — статор, который изменяет характеристики привода во время высокого проскальзывания, что приводит к увеличению крутящего момента на выходе.

  В преобразователе крутящего момента есть по крайней мере три вращающихся элемента: крыльчатка, которая приводится в движение механическим приводом первичным двигателем ; турбина, приводящая в движение нагрузку ; и статор, который расположен между рабочим колесом и турбиной, так что он может изменять поток масла, возвращающийся от турбины к рабочему колесу. Классическая конструкция гидротрансформатора требует, чтобы статор не вращался ни при каких условиях, отсюда и термин «статор». Однако на практике статор установлен на обгонной муфте , которая предотвращает вращение статора в противоположных направлениях относительно первичного двигателя, но допускает вращение вперед.

  В базовую трехэлементную конструкцию периодически вносились изменения, особенно в приложениях, где требуется большее, чем обычно, увеличение крутящего момента. Чаще всего они имеют форму нескольких турбин и статоров, каждый из которых спроектирован так, чтобы производить разную величину увеличения крутящего момента. Например, автоматическая трансмиссия Buick Dynaflow имела конструкцию без переключения передач и в нормальных условиях полагалась исключительно на преобразователь для увеличения крутящего момента. В Dynaflow использовался пятиэлементный преобразователь для обеспечения широкого диапазона увеличения крутящего момента, необходимого для движения тяжелого транспортного средства.

  Хотя это и не является строго частью классической конструкции гидротрансформатора, многие автомобильные преобразователи включают муфту блокировки для повышения эффективности передачи мощности в крейсерском режиме и уменьшения нагрева. Применение муфты блокирует турбину с рабочим колесом, в результате чего вся передача мощности осуществляется механически, что устраняет потери, связанные с гидравлическим приводом.

  Рабочие фазы

  Гидротрансформатор имеет три этапа работы:

  • Опрокидывание . Первичный двигатель передает мощность на крыльчатку, но турбина не может вращаться. Например, в автомобиле этот этап работы может происходить, когда водитель включил передачу трансмиссии, но не дает транспортному средству двигаться, продолжая применять тормоза. При остановке гидротрансформатор может обеспечить максимальное увеличение крутящего момента, если приложена достаточная входная мощность (результирующее умножение называется передаточным числом при остановке). Фаза остановки на самом деле длится в течение короткого периода, когда груз (например, транспортное средство) первоначально начинает двигаться, поскольку будет очень большая разница между скоростью насоса и турбины.
  • Ускорение . Нагрузка увеличивается, но по-прежнему существует относительно большая разница между скоростью вращения крыльчатки и турбины. В этом случае преобразователь будет производить меньшее увеличение крутящего момента, чем могло бы быть достигнуто в условиях остановки. Величина умножения будет зависеть от фактической разницы между скоростями насоса и турбины, а также от различных других проектных факторов.
  • Муфта . Турбина достигла примерно 90 процентов скорости рабочего колеса. Увеличение крутящего момента практически прекратилось, и преобразователь крутящего момента ведет себя аналогично простой гидравлической муфте. В современных автомобилестроительных приложениях обычно на этом этапе работы применяется блокировочная муфта, процедура, которая имеет тенденцию к повышению топливной экономичности.

  Ключ к способности гидротрансформатора умноженный крутящий момент лежит в статоре. В классической конструкции гидравлической муфты периоды высокого проскальзывания приводят к тому, что поток жидкости, возвращающийся от турбины к крыльчатке, противодействует направлению вращения крыльчатки, что приводит к значительной потере эффективности и возникновению значительного отходящее тепло. В тех же условиях в гидротрансформаторе возвращаемая жидкость будет перенаправлена ​​статором, чтобы способствовать вращению крыльчатки, а не препятствовать ей. В результате большая часть энергии возвращающейся жидкости восстанавливается и добавляется к энергии, прикладываемой к рабочему колесу первичным двигателем. Это действие вызывает значительное увеличение массы жидкости, направляемой в турбину, что приводит к увеличению выходного крутящего момента. Поскольку возвращающаяся жидкость изначально движется в направлении, противоположном вращению рабочего колеса, статор также будет пытаться вращаться в противоположных направлениях, поскольку он заставляет жидкость менять направление, эффект, который предотвращается односторонней муфтой статора .

  В отличие от радиально прямых лопаток, используемых в простой гидравлической муфте, в турбине и статоре гидротрансформатора используются угловые и изогнутые лопатки. Форма лопастей статора — это то, что изменяет путь жидкости, заставляя его совпадать с вращением рабочего колеса. Соответствующая кривая лопаток турбины помогает правильно направлять возвращающуюся жидкость к статору, чтобы последний мог выполнять свою работу. Форма лопастей важна, поскольку незначительные изменения могут привести к значительным изменениям в характеристиках преобразователя.

  Во время фаз опрокидывания и ускорения, в которых происходит увеличение крутящего момента, статор остается неподвижным из-за действия его односторонней муфты. Однако по мере приближения гидротрансформатора к фазе сцепления энергия и объем жидкости, возвращающейся из турбины, будут постепенно уменьшаться, вызывая аналогичное уменьшение давления на статор. Находясь в фазе соединения, возвращающаяся жидкость изменит направление и теперь будет вращаться в направлении рабочего колеса и турбины, в результате чего будет предпринята попытка вращения статора вперед. В этот момент муфта статора отключится, и крыльчатка, турбина и статор все (более или менее) повернутся как единое целое.

  Неизбежно, часть кинетической энергии жидкости будет потеряна из-за трения и турбулентности, в результате чего преобразователь будет выделять избыточное тепло (рассеиваемое во многих приложениях за счет водяного охлаждения). Этот эффект, часто называемый насосными потерями, будет наиболее выражен в условиях сваливания или около него. В современных конструкциях геометрия лопастей сводит к минимуму скорость масла при низких оборотах рабочего колеса, что позволяет турбине останавливаться на длительные периоды времени с небольшой опасностью перегрева (например, когда автомобиль с автоматической коробкой передач останавливается на светофоре или в пробке, когда все еще на передаче).

  КПД и увеличение крутящего момента

  Преобразователь крутящего момента не может обеспечить 100-процентный КПД муфты. Классический трехэлементный преобразователь крутящего момента имеет кривую КПД, напоминающую ∩: нулевой КПД при остановке, обычно повышающий КПД во время фазы ускорения и низкий КПД на фазе сцепления. Потеря эффективности, когда преобразователь входит в фазу соединения, является результатом турбулентности и помех потока жидкости, создаваемых статором, и, как упоминалось ранее, обычно преодолевается путем установки статора на односторонней муфте.

  Даже с преимуществом односторонней муфты статора преобразователь не может достичь такого же уровня эффективности в фазе соединения, как гидравлическая муфта того же размера. Некоторые потери возникают из-за наличия статора (даже если он вращается как часть узла), поскольку он всегда создает некоторую турбулентность, поглощающую энергию. Однако большая часть потерь происходит из-за изогнутых и наклонных лопаток турбины, которые не поглощают кинетическую энергию от массы жидкости, а также из-за радиально прямых лопаток. Поскольку геометрия лопаток турбины является решающим фактором в способности преобразователя увеличивать крутящий момент, компромисс между увеличением крутящего момента и эффективностью соединения неизбежен. В автомобильной промышленности, где неуклонное повышение экономии топлива требовалось рыночными силами и постановлением правительства, почти универсальное использование муфты блокировки помогло исключить преобразователь из уравнения эффективности во время крейсерской эксплуатации.

  Максимальное увеличение крутящего момента, создаваемое преобразователем, в значительной степени зависит от размера и геометрии лопаток турбины и статора и создается только тогда, когда преобразователь находится в фазе остановки или около нее. Типичный коэффициент умножения крутящего момента при сваливании находится в диапазоне от 1,8: 1 до 2,5: 1 для большинства автомобильных приложений (хотя многоэлементные конструкции используются в Buick Dynaflow и Chevrolet Turboglide может производить больше). Специализированные преобразователи, разработанные для промышленных, железнодорожных или тяжелых судовых систем передачи электроэнергии, способны к умножению до 5,0: 1. Вообще говоря, существует компромисс между максимальным увеличением крутящего момента и эффективностью — преобразователи с высоким коэффициентом торможения имеют тенденцию быть относительно неэффективными ниже скорости сцепления, тогда как преобразователи с низким коэффициентом торможения обычно обеспечивают меньшее возможное увеличение крутящего момента.

  Характеристики преобразователя крутящего момента должны быть тщательно согласованы с кривой крутящего момента источника питания и предполагаемого применения. Изменение геометрии лопастей статора и / или турбины приведет к изменению характеристик торможения крутящего момента, а также общей эффективности агрегата. Например, в автоматических трансмиссиях для дрэг-рейсинга часто используются преобразователи, модифицированные для обеспечения высоких скоростей сваливания, чтобы улучшить крутящий момент вне сети и быстрее перейти в диапазон мощности двигателя. В шоссейных транспортных средствах обычно используются преобразователи крутящего момента с более низкой стойкостью, чтобы ограничить тепловыделение и обеспечить более четкое ощущение характеристик автомобиля.

  Конструктивной особенностью некоторых автоматических трансмиссий General Motors был статор с изменяемым шагом, в котором угол атаки лопастей мог изменяться в зависимости от изменения оборотов двигателя и нагрузки. Эффектом этого было изменение величины увеличения крутящего момента, производимого преобразователем. При нормальном угле атаки статор заставлял преобразователь производить умеренное умножение, но с более высоким уровнем эффективности. Если водитель резко откроет дроссельную заслонку, клапан переключит шаг статора на другой угол атаки, увеличивая умножение крутящего момента за счет эффективности.

  В некоторых преобразователях крутящего момента используется несколько статоров и / или несколько турбин, чтобы обеспечить более широкий диапазон увеличения крутящего момента. Такие многоэлементные преобразователи чаще встречаются в промышленных условиях, чем в автомобильных трансмиссиях, но автомобильные приложения, такие как Buick Triple Turbine Dynaflow и Chevrolet Турбоглайд тоже существовал. Buick Dynaflow использовал характеристики увеличения крутящего момента своей планетарной передачи в сочетании с гидротрансформатором для пониженной передачи и обходил первую турбину, используя только вторую турбину по мере увеличения скорости автомобиля. Неизбежным компромиссом с этой компоновкой была низкая эффективность, и в конечном итоге эти трансмиссии были прекращены в пользу более эффективных трехскоростных агрегатов с обычным трехэлементным преобразователем крутящего момента. Также установлено, что КПД гидротрансформатора максимален при очень низких скоростях.

  Преобразователи крутящего момента с блокировкой

  Как описано выше, управляющие потери в преобразователе крутящего момента снижают эффективность и генерируют отходящее тепло. В современных автомобильных приложениях этой проблемы обычно удается избежать за счет использования муфты блокировки, которая физически связывает рабочее колесо и турбину, эффективно превращая преобразователь в чисто механическое соединение. В результате нет проскальзывания и практически никаких потерь мощности.

  Первым автомобильным применением принципа блокировки была трансмиссия Packard Ultramatic, представленная в 1949 году, которая блокировала преобразователь на крейсерских скоростях и разблокировалась при дроссельная заслонка была опущена для быстрого ускорения или при замедлении автомобиля. Эта функция также присутствовала в некоторых коробках передач Borg-Warner, выпущенных в 1950-х годах. В последующие годы он потерял популярность из-за своей дополнительной сложности и стоимости. В конце 1970-х муфты блокировки снова начали появляться в ответ на потребность в улучшенной экономии топлива, и теперь они почти универсальны в автомобильной промышленности.

  Пропускная способность и виды отказов

  Как и в случае базовой гидравлической муфты, теоретический крутящий момент преобразователя пропорционален r N 2 D 5 D ^ > , где r — массовая плотность жидкости (кг / м³), N — скорость рабочего колеса (об / мин ), а D — диаметр (м). На практике максимальный крутящий момент ограничен механическими характеристиками материалов, используемых в компонентах преобразователя, а также способностью преобразователя рассеивать тепло (часто посредством водяного охлаждения). Для повышения прочности, надежности и экономичности производства большинство корпусов преобразователей автомобилей имеют сварную конструкцию. Промышленные блоки обычно собираются с корпусами на болтах, что упрощает процесс осмотра и ремонта, но увеличивает стоимость производства преобразователя.

  В высокопроизводительных, гоночных и тяжелых промышленных преобразователях насос и турбина могут быть дополнительно усилены с помощью процесса, называемого пайка в печи, при котором расплавленная латунь втягивается в швы и соединения для получения более прочная связь между лопастями, ступицами и кольцевым кольцом (кольцами). Поскольку процесс пайки в печи создает небольшой радиус в точке, где лопатка встречается со ступицей или кольцевым кольцом, произойдет теоретическое уменьшение турбулентности, что приведет к соответствующему увеличению эффективности.

  Перегрузка преобразователя может привести к нескольким режимам отказа, некоторые из которых потенциально опасны по своей природе:

  • Перегрев : постоянные высокие уровни скольжения могут подавить способность преобразователя рассеивать тепло, что приведет к повреждению эластомеруплотнения, удерживающие жидкость внутри преобразователя. Это приведет к протечке устройства и, в конечном итоге, к остановке работы из-за нехватки жидкости.
  • Заклинивание муфты статора : внутренние и внешние элементы односторонней муфты статора навсегда заблокируются вместе, таким образом предотвращая вращение статора во время фазы соединения. Чаще всего заедание происходит из-за сильной нагрузки и последующей деформации компонентов сцепления. В конце концов, возникает истирание сопрягаемых частей, что вызывает заедание. Преобразователь с заеданием муфты статора будет демонстрировать очень низкий КПД во время фазы сцепления, а в автомобиле потребление топлива резко возрастет. Перегрев преобразователя в таких условиях обычно происходит при попытке продолжения работы.
  • Поломка муфты статора : Очень резкое приложение мощности может вызвать ударную нагрузку на муфту статора, что приведет к поломке. Если это произойдет, статор будет свободно вращаться в противоположных направлениях в направлении, противоположном направлению вращения насоса, и передача мощности практически не произойдет. В автомобиле эффект аналогичен серьезному случаю проскальзывания трансмиссии, и транспортное средство практически не может двигаться своим ходом.
  • Деформация и фрагментация лопасти : при резкой нагрузке или чрезмерном нагреве лопатки преобразователя, насоса и / или турбины могут быть деформированы, отделены от их ступиц и / или кольцевых колец или могут развалиться на фрагменты. По крайней мере, такой отказ приведет к значительной потере эффективности, вызывая симптомы, аналогичные (хотя и менее выраженным) тем, которые сопровождают отказ муфты статора. В крайних случаях произойдет катастрофическое разрушение преобразователя.
  • Раздувание : продолжительная работа при чрезмерной нагрузке, очень резкое приложение нагрузки или работа преобразователя крутящего момента на очень высоких оборотах в минуту может вызвать форма корпуса преобразователя должна быть физически искажена из-за внутреннего давления и / или напряжения, вызванного инерцией. В экстремальных условиях вздутие живота вызовет разрыв корпуса преобразователя, что приведет к сильному разлету горячего масла и металлических фрагментов по большой площади.

  Производители

  Current

  • Aisin AW, used в автомобилях
  • Allison Transmission, используется в автобусах, мусоровозах, пожарных, строительных, распределительных, военных и специальных приложениях
  • BorgWarner, используется в автомобилях
  • Exedy, используется в автомобили
  • Isuzu, используемые в автомобилях
  • Jatco, используемые в автомобилях
  • LuK USA LLC, производит преобразователи крутящего момента для Ford, GM, Allison Transmission и Hyundai
  • Subaru, используемые в автомобилях
  • Twin Disc, используемых в транспортных средствах, судостроении и нефтепромыслах
  • Valeo, производит Torque преобразователь для Ford, GM, Mazda, Subaru
  • Voith Turbo-Transmission, используемый во многих тепловозах и дизельных двигателях
  • ZF Friedrichshafen, автомобили, лесохозяйственные машины, популярные в городе автобусные приложения

  Прошлые

  • Lysholm-Smith, названные в честь своего изобретателя, Альфа Лисхолма, производились Leyland Motors и использовались в автобусах с 1933 по 2009 год, а также некоторые легкие и Ulster Transport Authority дизельные многоканальные двигатели
  • Mekydro, используемые в British Rail Class 35 локомотивов Hymek.
  • Packard, используется в автомобильной трансмиссии Ultramatic
  • Rolls-Royce (Twin Disc), используется в некоторых дизельных агрегатах British United Traction
  • Vickers-Coates

  См. Также

  • Муфта
  • Гидравлическая муфта
  • Сервомеханизм
  • Усилитель крутящего момента
  • Водяной тормоз

  Справочная информация

  1. ^Гидродинамические муфты и преобразователи. Справочник по автомобилестроению (3-е изд.). Роберт Бош. п. 539. ISBN 0-8376-0330-7 .
  2. ^«Espacenet — Исходный документ». Worldwide.espacenet.com. 1933-03-07. Проверено 21 июля 2014.
  3. ^«Архивная копия». Архивировано с оригинального 02.03.2010. Проверено 31 октября 2009 г. CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка )
  4. ^[1]

  Внешние ссылки

  На Викискладе есть материалы, связанные с преобразователями крутящего момента .

  • Статья HowStuffWorks о гидротрансформаторах
  • Видео на YouTube о гидротрансформаторах

  Датчики крутящего момента

  

  Датчик крутящего момента или преобразователь крутящего момента — это устройство для измерения и регистрации крутящего момента на вращающихся системах, таких как двигатель, коленчатый вал, коробка передач, трансмиссия, ротор и т.д. Статический момент относительно легко измерить, но динамический крутящий момент измерить сложнее, так как это обычно требует передачи некоего сигнала (электрического или магнитного) с измерительного вала в статической системе.

  Похожие публикации:

  1. Как проверить датчик охлаждающей жидкости на ваз 2112
  2. Как снять задний фонарь т5
  3. Мегаампер это сколько ампер
  4. Рено кпп tl4 сколько масло в коробку