Гидравлические агрегаты и системы

(Общая информация о технических возможностях некоторых агрегатов и систем, разрабатываемых для комплектации различных механических транспортных средств.)

В этом материале мы хотим затронуть вопрос о реальной возможности создания уже сегодня абсолютно совершенного, по техническим параметрам, автомобиля или любой другой рабочей машины.

Автомобиль, как средство передвижения, это, прежде всего, набор функциональных агрегатов и систем. Степень его совершенства зависит от того, насколько хорошо эти системы выполняют свои функции и насколько они автоматизированы, а также от степени их автоматического взаимодействия между собой.

Большинство из существующих на сегодня автомобильных агрегатов и систем (силовые агрегаты, трансмиссии, тормозные системы, подвески и др.) являются далекими от совершенства. Очень редко отдельные из них имеют незначительную степень автоматизации, а их взаимодействие между собой в автоматическом режиме отсутствует полностью. Все они как бы работают по принципу "каждый сам за себя".

Исходя из этого, становится понятно, что в принципе невозможно создать качественно новый, в техническом плане, автомобиль или другую рабочую машину, используя в их конструкции традиционные агрегаты и системы, которые давно уже исчерпали все мыслимые резервы их совершенствования и не вносят принципиально новых идей.

В этом материале мы постараемся подать сравнительные характеристики некоторых, из разработанных нашими специалистами, гидростатических агрегатов и систем и показать, не открывая сути изобретений, за счет чего наши разработки имеют значительно лучшие рабочие показатели, чем их существующие аналоги.

В нескольких словах по некоторым из предлагаемых систем это можно выразить следующим образом: значительное улучшение рабочих характеристик наших систем достигается за счет резкого повышения КПД (коэффициента полезного действия) составляющих их агрегатов, расширения диапазона регулирования параметров этих агрегатов, применения более экономичных гидравлических схем и использования автоматических блоков комплексного управления этими системами.

Предлагаемое здесь к рассмотрению поэтапное комплексное усо¬вершенствование автомобиля предусматривает замену почти всех его функциональных систем новейшими агрегатами и системами, разрабатываемыми на основе реально существующих изобретений. К таким новейшим системам можно отнести следующие:

  • силовые агрегаты нового типа, в том числе и многотопливные двигатели внутреннего сгорания с бесступенчато изменяемым рабочим объемом;
  • автоматические полнопоточные бесступенчатые гидростатические и статодинамические трансмиссии;
  • полуавтоматические тормозные системы;
  • многовариантные контрольно-резисторные рулевые механизмы;
  • независимые автоматические гидроактивные подвески;
  • центральные координационные автоматические блоки;
  • автоматические многопоточные объемные рабочие гидросистемы и гидроприводные манипуляторы (для специальных рабочих машин).

Каждая из названных систем позволит предельно улучшить отдельные из функциональных показателей автомобиля или другой рабочей машины, но только их комплексное применение и обеспечение автоматического взаимодействия между собой, в любой ситуации без вмешательства водителя, позволит создавать действительно уникальные машины. Такие машины по техническим характеристикам, управляемости и степени активной безопасности граничат с абсолютным совершенством.

Общая же автоматика автомобиля всегда будет работать по обес¬печению приоритетов движения, где на первом месте находится его безопасность и недопущение режимов перегрузки систем.

Преимущества автомобиля, оснащенного комплексом указанных систем, будут хорошо видны из описания работы этих систем и их автоматического взаимодействия между собой.

1. Автоматическая бесступенчатая гидротрансмиссия.

Гидростатические объемные трансмиссии (трансмиссии, у которых гидронасосы или гидромоторы - или и те, и другие - имеют регулируемый рабочий объем). Такие трансмиссии могут не только передавать момент вращения от двигателя до колес рабочей машины, но и изменять его по величине в достаточном диапазоне без последовательного присоединения механической ступенчатой коробки передач. А чем больше диапазон изменения величины момента вращения или так называемый диапазон изменения передаточного числа трансмиссии, тем выше тягово-скоростные характеристики рабочей машины.

Гидростатические трансмиссии имеют большое распространение на различных рабочих машинах благодаря чрезвычайной гибкости их компоновки, удобству управления и другим положительным факторам.

И в то же время существующие гидрообъемные трансмиссии имеют довольно низкий КПД, который, на разных тягово-скоростных режимах работы машины колеблется от 35% до 80%. Средний КПД при этом составляет около 60%.

Гидростатическая трансмиссия, создаваемая по новой схеме и с учетом применения новейших гидроактивных агрегатов (гидронасосов и гидромоторов) с более высоким и стабильным КПД, обеспечит машине диапазон бесступенчатого изменения момента вращения в 2-3 раза больший, чем у лучших из существующих аналогов. А если к этому добавить и возможность установки механизма пропорциональной блокировки гидромотор-колес машины, который значительно повышает ее проходимость и управляемость в сложных дорожных условиях, то сравнение с аналогами выглядит еще лучше.

Автоматика трансмиссионно-силового блока обеспечивает машине несколько скоростных режимов движения плюс автоматическую корректировку скорости движения на каждом режиме в зависимости от изменения нагрузки и других внешних факторов, влияющих на безопасность движения. Кроме того, эта автоматика поддерживает работу двигателя машины по возможности в оптимальном режиме, спасая его от перегрузок и повышенного расхода топлива, а также автоматически поддерживает заданную водителем скорость движения машины при изменении величины и значения нагрузки.

Такая автоматика трансмиссии в своей работе учитывает следующие факторы:

  • задаваемую водителем, через отклонение педали хода, желаемую скорость движения;
  • общую нагрузку (сопротивление движению);
  • информацию, поступающую от автоматики подвески;
  • информацию, поступающую от рулевого механизма;
  • информацию, поступающую от тормозной системы.

На основании данных, получаемых от вышеназванных систем, автоматика трансмиссии корректирует:

  • скорость движения машины;
  • рабочий объем, частоту и момент вращения двигателя;
  • передаточное число трансмиссии (рабочие объемы и давление на ее гидронасосе и гидромоторах);
  • частоту и момент вращения отдельно на каждом колесе.

Кроме того, автоматическая корректировка силовых и скоростных параметров позволяет на любой технике (тяговой или скоростной) одинаково эффективно использовать любые двигатели - низкооборотные, высокооборотные или даже газовые турбины (турбореактивные двигатели), так как при этом существующее понятие "приемистость двигателя" теряет актуальность, поглощаясь абсолютной приемистостью такой трансмиссии.

Применение в таких трансмиссиях гидронасосов и гидромоторов, разработанных НКГ, позволит сохранить и приумножить их преимущества и, в то же время, сдвинуть диапазон КПД в зону 70-90% со средним КПД около 80%, а в отдельных вариантах исполнения и более 90%.

При этом, учитывая бесступенчатую работу такой трансмиссии, при полной автоматизации управления трансмиссионно-силовым блоком рабочей машины, обший КПД машины может превышать КПД такой же машины с многоступенчатой механической трансмиссией. Полный КПД трансмиссии рабочей машины отражается на расходе топлива «на единицу выполняемой работы» и зависит от многих отдельных факторов:

1.1. КПД использования приводного двигателя (дизеля).

КПД использования двигателя зависит от величины удельного расхода топлива – г/кВт/ч. - которая, в свою очередь, зависит от скоростного режима работы двигателя и от режима его загрузки. Удельный расход топлива наименьший при оптимальных оборотах двигателя и возрастает на 10% и более при отклонении от оптимальных оборотов в ту или иную сторону. То есть использование автоматики, контролирующей скоростной режим и нагрузку двигателя, может увеличивать экономичность рабочей машины, способствовать повышению общего КПД - до 10% и более.

1.2. КПД трансмиссии.

КПД гидрообъемной трансмиссии зависит от ее схемы и КПД рабочих узлов, причем промежуточные золотниковые блоки имеют КПД близкий к 100%, а снижение общего КПД идет в основном за счет активных регулируемых гидромашин - гидронасосов и гидромоторов.

Влияние же схемы трансмиссии на ее КПД можно объяснить так:

гидрообьемная трансмиссия с закрытой циркуляцией имеет дополнительные потери, в том числе и на привод насоса подпитки. Кроме того для тяжелых рабочих машин, где требуется большое (10-16 кратное) изменение диапазона передаточного числа трансмиссий, используют и гидромотор, и гидронасос с регулируемыми рабочими объемами. Существующие гидромоторы обеспечивают максимум пятикратное изменение параметров и двух трехкратное изменение идет за счет гидронасоса. При этом и КПД трансмиссии снижается суммарно по линии обеих гидромашин.

У нас же сам гидромотор обеспечивает 10-16 кратное изменение рабочих параметров, следовательно, и потери ниже.

1.3. КПД активных регулируемых гидронасосов и гидромоторов.

Снижение КПД (потери) регулируемых гидростатических машин идет по нескольким основным направлениям. Величина потерь по этим направлениям зависит от принципа действия гидромашины и варианта ее исполнения. Основными направлениями потерь регулируемых гидростатических машин (без учета влияния характерных особенностей различных рабочих жидкостей) являются следующие:

1.3.1. Естественное просачивание рабочей жидкости в дренаж - зависит от изменения производительности и рабочего давления гидромашины — не оказывает существенного влияния на общий КПД гидромашины.

1.3.2. Механическое сопротивление вращению (без учета сопротивления узла преобразования энергии п. 1.3.4.) - зависит от изменения рабочего давления и частоты вращения гидромашины - не оказывает существенного влияния на общий КПД гидромашины.

1.3.3. Потери на сжимаемость рабочей жидкости - зависит от изменения рабочих объема и давления гидромашины - очень сильно влияет на снижение КПД гидронасоса при некоторых режимах его работы. Так, для аксиально-поршневых регулируемых гидронасосов (а развитие гидростатических активных агрегатов идет в основном по использованию именно этого принципа действия), возможны режимы работы, при которых — только благодаря потерям на сжимаемость жидкости в рабочих полостях насоса - КПД насоса не только падает до нуля, но и может иметь отрицательную величину.

Это будет происходить, например, при работе регулируемого гидронасоса при максимальном рабочем давлении и при рабочем объеме до 10% от максимального (если, при этом, сжимаемость рабочей жидкости достигает 10%).

При этом КПД гидронасоса будет равен нулю, а если еще уменьшить его рабочий объем, то он начнет перекачивать рабочую жидкость в обратном направлении из магистрали нагнетания в магистраль всасывания. То есть наблюдается явное несоответствие между расчетной и фактической производительностью гидромашины. Потери, связанные с указанным эффектом уменьшаются с увеличением рабочего объема гидронасоса или со снижением его рабочего давления.

Пояснения же предоставляемые предприятиями производящими такие гидромашины, будто сжимаемость жидкости в гидронасосе есть положительный фактор, обеспечивающий мягкость работы всей гидросистемы, является обманом, призванным скрыть один из самых серьезных недостатков существующих принципов действия гидромашин. На самом деле мягкость работы любой гидросистемы в достаточной мере обеспечивают амортизирующие свойства маслопроводов, которые никак не влияют на КПД системы.

1.3.4. Механическое сопротивление узла преобразования энергии гидравлического потока в механическую энергию вращения вала гидромашины (для гидромотора) или, наоборот (для гидронасоса) — зависит от изменения рабочих объема и давления регулируемой гидромашины - сильно влияет на снижение КПД гидромашины.

Так, у аксиально-поршневых гидромашин, регулирование рабочего объема производится отклонением плоскости опорной шайбы от плоскости перпендикулярной к продольной оси блока цилиндров гидромашины. Тут значительное снижение КПД этого блока преобразования энергии происходит за счет того, что отклонение указанных плоскостей часто выходит за рамки некоторого оптимального (по многим параметрам) угла, причем для работы гидромашины в режимах гидронасоса и гидромотора, оптимальные углы имеют различную величину (меньше - для гидронасоса, больше - для гидромотора).

1.4. Все указанные потери, за счет которых происходит снижение КПД гидромашины, изменяются по величине при изменении рабочих объема и давления этой гидромашины. Так, при увеличении рабочего объема или давления, что приводит к пропорциональному росту мощности гидромашины, почти все из указанных направлений потерь увеличиваются, но не пропорционально возрастающей мощности, а с некоторым отставанием (причем для разных направлений потерь это отставание имеет различную величину). Именно поэтому и происходит увеличение общего КПД гидромашины при увеличении ее рабочего объема и давления.

Предлагаемые нами к производству гидромашины не имеют конструктивных недостатков приводящих к потерям указанным выше в п.п. 1.3.3 и 1.3.4, так как КПД механизмов преобразования энергии разработанных нами гидромашин близок к 100% на всех режимах изменения рабочих объема и давления.

2. Механизм пропорциональной блокировки гидромотор-колес.

Этот механизм в автоматическом режиме поддерживает угловую скорость вращения каждого из ведущих гидромотор-колес соответствующую скорости движения рабочей машины и радиусу поворота движения.

То есть, при движении по прямой, гидромоторы в ступицах колес получают одинаковые по производительности силовые потоки рабочей жидкости и вращаются с одинаковой скоростью. При движении по дуге - на повороте - производительность силовых потоков изменяется: на гидромотор колеса идущего по внешнему радиусу поворота поток увеличивается, а на гидромотор колеса идущего по внутреннему радиусу поворота поток уменьшается.

При этом суммарный поток на все гидромоторы остается неизменным. Тем самым автоматически поддерживается необходимая угловая скорость вращения всех колес, пропорциональная радиусу поворота, и при неизменной линейной скорости движения рабочей машины. Этим осуществляется пропорциональная блокировка колес, что на 25-35% повышает проходимость машины.

К тому же это значительно лучше механической блокировки дифференциала, так как кроме повышения проходимости рабочей машины повышается и ее управляемость, в то время как механическая блокировка значительно ухудшает управляемость машины.

3. Многорежимный механизм ограничения максимальной скорости движения транспортных средств.

Описанная выше бесступенчатая автоматическая гидротрансмиссия может комплектоваться механизмом ограничения максимальной скорости движения, который позволяет на много продлить срок службы двигателя транспортного средства.

Так рабочая машина, при отсутствии или малой нагрузке на крюке (при малом сопротивлении движению), сможет развивать максимально допустимую для нее скорость не при максимальных оборотах двигателя, как у всех существующих машин, а лишь при 50-70% от них. В этом случае гидротрансмиссия работает, как повышающая передача при низких оборотах двигателя, но, в то же время, оператор не может увеличить обороты двигателя, превысив тем самим максимально допустимую скорость движения рабочей машины, так как у него нет связи с рычагом подачи топлива на двигателе, которым управляет автоматика трансмиссии.

Обороты и мощность двигателя повышаются автоматически при увеличении нагрузки и вместе с изменением передаточного числа гидротрансмиссии так, чтобы максимальная скорость движения рабочей машины никогда не превышала предельно допустимую.

Для примера рассмотрим работу трехрежимного механизма ограничения максимальной скорости движения рабочей машины, где ее величина по режимам может распределяться следующим образом:

  • первый режим - при перемещении педали хода от начального положения до упора скорость машины изменяется от 0 до 15% от максимальной;
  • второй режим - при таком же перемещении педали хода скорость машины изменяется от 0 до 45% от максимальной;
  • третий режим - при таком же перемещении педали хода скорость машины изменяется от нуля до максимальной.

При этом, на каждом из указанных режимов, рабочая машина может развивать максимальное тяговое усилие, а ее двигатель, в зависимости от нагрузки, может выходить на максимальные обороты и мощность. То есть, с изменением режимов, изменяется чувствительность педали хода к изменению скорости движения при автоматической корректировке нагрузки. Сами же переключения режимов могут производиться - например, кнопочным пультом - без прекращения движения и в любой последовательности.

Возможно также подключение автоматического режима коррекции максимально допустимой скорости движения в зависимости от изменения внешних факторов: рельефа дороги, крена машины, центробежного ускорения при прохождении поворотов, качества дорожного покрытия.

4. Независимая автоматическая гидроактивная подвеска.

Автоматика такой гидроактивной подвески может поддерживать ав¬томобиль в горизонтальном положении или в положении параллельном профилю дороги независимо от уклонов дороги, центробежных ускорений действующих на автомобиль при прохождении поворотов или от неравномерности загрузки автомобиля.

При изменении загрузки автомобиля автоматика его подвески сохраняет заданный водителем клиренс, увеличивая или уменьшая жесткость подвески при неизменной величине ее хода. Кроме того, автоматика такой подвески, взаимодействуя с центральным координационным блоком, при прохождении крутых поворотов или уклонов дороги, ограничивает допустимую скорость движения автомобиля в диапазоне, не допускающем его опрокидывания.

При автоматической корректировке скорости движения автомобиля автоматикой подвески могут учитываться следующие факторы:

  • задаваемая водителем, через отклонение педали хода, желаемая скорость движения;
  • степень загрузки автомобиля и распределение массы по его продольной, поперечной и вертикальной осях;
  • заданный водителем клиренс автомобиля;
  • центробежные или центростремительные опрокидывающие моменты, действующие на автомобиль;
  • рельеф дороги, ее поперечный и продольный уклоны;
  • качество дорожного покрытия.

Автоматика такой подвески сделает движение автомобиля более безопасным и, даже в случае, если водитель попытается ввести автомобиль в крутой поворот на скорости, которая грозит ему опрокидыванием, автоматика его подвески "примет меры". За доли секунды, учитывая все вышеназванные факторы, автоматика подвески воздействует, через центральный координационный блок, на автоматику трансмиссии и снизит скорость движения автомобиля до максимально возможной, но безопасной для прохождения данного поворота.

5. Тормозная система.

При использовании разработанных нами систем замедление движения и остановка автомобиля производится одинаково на ровной местности, на склоне или подъеме. В одном из вариантов исполнения системы замедление скорости движения автомобиля прямо пропорционально зависит от положения педали хода, которая, будучи отпущенной водителем, плавно возвращается в изначальное положение, так же плавно снижая скорость движения автомобиля.

Более интенсивное замедление скорости автомобиля производится педалью тормоза, причем отклонение педали тормоза до 30% от ее начального положения действует на трансмиссию автомобиля, принудительно снижая его скорость, и только при отклонении педали тормоза больше чем на 30% происходит автоматическое отключение трансмиссии и вовлечение в работу основного тормоза.

Такая тормозная система позволяет затормаживать автомобиль с любой интенсивностью и, в то же время, практически не использует в работе детали основного тормоза, сохраняя их от износа. Можно также добавить, что обеспечение эффективного торможения педалью тормоза производится при любом положении всех других педалей и рычагов машины.

Не менее эффективно выглядит и работа стояночного тормоза, который воздействует на трансмиссию, блокируя вращение ведущего гидромотора. При нажатии на педаль хода, при трогании автомобиля с места, рычаг стояночного тормоза автоматически переводится в положение "выключено" разблокируя трансмиссию, что упрощает трогание автомобиля с места на подъемах и склонах.

6. Блок общей автоматики.

Особого внимания заслуживает взаимодействие всех систем автомобиля: двигателя, трансмиссии, тормозной системы, подвески и рулевого механизма через центральный координационный блок, который может автоматически контролировать и корректировать, спасая рабочую машину от перегрузок и ошибок оператора - следующие параметры машины:

  • рабочий объем, частоту и момент вращения двигателя
  • в зависимости от заданной скорости движения и общей нагрузки;
  • частоту и момент вращения отдельно на каждом колесе
  • в зависимости от нагрузки на нем и радиуса поворота машины;
  • скорость машины
  • в зависимости от общей нагрузки, рельефа дороги и качества дорожного покрытия;
  • параметры подвески
  • в зависимости от степени загрузки машины, ее скорости, рельефа дороги и качества дорожного покрытия.

Применение на машинах всего комплекса указанных автоматических систем позволит:

  • значительно повысить безопасность их движения;
  • упростить управление машинами;
  • повысить их управляемость и маневренность;
  • на 25-35% снизить расход топлива;
  • на 30-45% продлить срок службы двигателей;
  • на 25-30% повысить проходимость машин.

Применение указанных и других новейших систем возможно не только на автомобилях, но и на любых специальных рабочих машинах: автопогрузчиках, тракторах, экскаваторах, комбайнах, коммунальных и строительных машинах, а также на боевой технике.

Рабочие характеристики машин и их автоматизация на таком уровне на сегодня недоступны ни одной из ведущих машиностро¬ительных компаний во всем мире.

7. Многопоточные рабочие гидросистемы.

Разработанные нами автоматические многопоточные рабочие гидро¬системы, как и их существующие аналоги, предназначаются для привода рабочих органов различных машин: экскаваторов, с/х и промышленных комбайнов и тракторов, погрузчиков, автокранов и т.п., а также для привода ходовой части шагающих машин.

7.1. Такая система состоит из нескольких основных блоков:

7.1.1. Блок управления (пульт) - может выполняться в нескольких вариантах типа "джойстик" или "манипулятор", лучшие из которых позволяют производить управление, например экскаватором - всеми его составными частями - одновременно и при помощи лишь одной рукоятки. Блок управления обеспечивает простое точное и плавное управление рабочими органами спецмашины, а в некоторых вариантах исполнения - даже наличие, зависящей от нагрузки, обратной связи между рабочим органом и рукоятью управления (что абсолютно невозможно у существующих аналогов).

7.1.2. Шестеренний гидронасос с регулируемым рабочим объемом позволяет повысить КПД системы и использовать в системе дешевую рабочую жидкость.

7.1.3. Специальный делитель гидропотока обеспечивает разделение выходящего силового потока от одного гидронасоса на много независимых гидропотоков на отдельные рабочие органы, а также обеспечивает изменение производительности отдельных гидропотоков независимо один от другого и разницы рабочих давлений на них.

Отклонение задаваемой производительности выходящих потоков, при граничном изменении нагрузок на них, составляет не более 10%, в то время как у аналогичных систем эта зависимость приводит к отклонению в 50% и более, вплоть до полной потери контроля над потоками.

7.1.4. Автоматический блок контроля и коррекции нагрузки управляет одновременно приводным дизелем (подачей топлива и частотой вращения), рабочим объемом гидронасоса и общей производительностью выходящих силовых потоков.

Автоматический блок поддерживает работу приводного дизеля все время в оптимальном режиме и по возможности (в зависимости от нагрузки) наиболее близко к его нижней границе, увеличивая тем самым на 35-45% срок службы дизеля и экономичность рабочей машины.

Кроме того, автоматический блок значительно упрощает работу оператора, принимая на себя контроль над общей нагрузкой на рабочих органах и коррекцию общей производительности силовых потоков и мощности двигателя в зависимости от изменения общей нагрузки. Автоматика гидросистемы также может корректировать работу управляющего блока и самого оператора, спасая рабочую машину от перегрузок и ошибок оператора. Так, в случае если оператор, одновременно задействовав несколько рабочих секций гидросистемы по их суммарной производительности, выходит за границы максимальной производительности гидронасоса, автоматика гидросистемы может блокировать дальнейшее отклонение рычагов управления или пропорционально снижать производительность гидропотоков на всех задействованных секциях гидросистемы так, чтобы их суммарная запрашиваемая производительность не превышала максимальной производительности гидронасоса.

Автоматизация такого уровня недоступна ни одной из существу¬ющих аналогичных систем или специальных рабочих машин.

А в отношении всех вышеуказанных систем можно добавить, что их основой служат несколько десятков разработанных новых технологий и «ноу-хау», которые не имеют себе равных в мировом машиностроении.