1.3. Tổng quan về hệ thống truyền lực thủy cơ có biến mô thủy lực
1.3.2. Hệ thống truyền động thủy động
1.3.2.1. Tổng quan.
Truyền động thủy động là một tổ hợp các cơ cấu thủy lực và máy thủy lực, thông thường chủ yếu là có hai máy thủy lực cánh dẫn: bơm ly tâm và tua bin thủy lực.
Trong truyền động thủy động dùng môi trường chất lỏng làm không gian để truyền cơ năng mà dùng chủ yếu là động năng của dòng chất lỏng chuyển động còn phần lực tĩnh rất ít (áp suất chất lỏng p khoảng từ (0,15 - 0,3) MN/m2, vận tốc của dòng chất lỏng từ (50 – 60) m/s).
Cơ năng được truyền từ bộ phận dẫn động đến bộ phận công tác, trong đó có thể biến đổi vận tốc, lực, mô men và biến đổi dạng theo quy luật của chuyển động.
Truyền động thủy động phù hợp với việc truyền công suất lớn và đặc điểm êm dịu ổn định và dễ tự động hóa mà các truyền động khác không có.
Truyền động thủy động ra đời từ đầu thế kỷ thứ 20, xuất phát từ việc tìm phương pháp truyền công suất lớn với vận tốc cao của các động cơ đến chân vịt tàu thủy. Nhưng nó được nghiên cứu kỹ và sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp trong khoảng 50 năm gần đây, nhất là trong ngành động lực.
Năm 1907 truyền động thủy động được dùng trên các hạm đội để truyền và biến mô men quay, nhưng lúc này có kết cấu rất cồng kềnh, nặng và hiệu suất chung rất thấp (nhỏ hơn 70%) do bơm và tua bin đặt xa nhau, chất lỏng được truyền từ bơm đến tua bin thông qua hệ thống các đường ống và mối nối.
Do đó, Fttinger (người Đức) đã nghiên cứu và đề xuất ghép bánh bơm và bánh tua bin lại gần nhau trong một vỏ chung, loại bỏ các ống dẫn, mối nối và các bộ phận phụ khác. Trên cơ sở đó người ta thực hiện hai kết cấu của mômen động thủy động khác nhau rõ rệt là khớp nối thủy lực và biến mô men thủy lực.
Nhược điểm lớn nhất của truyền động thủy động là khả năng khuếch đại mômen khoảng 2-3 lần nếu tăng lên nữa thì hiệu suất sẽ giảm thấp. Để tăng mômen động cơ lên đáng kể và mở rộng phạm vi vận tốc làm việc đồng thời để tăng hiệu suất chung, người ta dùng truyền động thủy cơ. Nó gồm truyền lực thủy lực kết hợp
17
với biến tốc cơ khí. Phần thủy lực đảm bảo tính chất làm việc êm, tự động thay đổi vô cấp vận tốc của trục bị dẫn phù hợp với tải trọng tác dụng lên trục đó. Phần cơ khí tỷ số giữa các trục dẫn và bị dẫn được lớn hơn, làm cho hiệu suất chung của bộ truyền có trị số cao đáp ứng yêu cầu sử dụng nhiều loại.
1.3.2.2. Biến mô thủy lực.
Các chức năng của bộ biến mô:
- Tăng mômen do động cơ tạo ra.
- Đóng vai trò như một ly hợp thuỷ lực để truyền hay không truyền mômen động cơ đến hộp số.
- Hấp thụ các dao động xoắn của động cơ và hệ thống truyền lực.
- Có tác dụng như một bánh đà để làm đều chuyển động quay của động cơ.
- Dẫn động bơm dầu của hệ thống điều khiển thuỷ lực.
Phân loại biến mô: biến mô thuỷ lực được phân loại dựa theo - Dựa vào số bánh tuabin trong một buồng làm việc:
+ Biến mô một cấp: có một cánh bơm, một cánh tuabin, một hoặc hai bánh phản ứng
+ Biến mô hai cấp: có một cánh bơm, một cánh tuabin, một hoặc hai bánh phản ứng
+ Biến mô nhiều cấp: có nhiều bánh tuabin trong một buồng làm việc - Dựa vào dạng bánh tuabin:
+ Biến mô thuỷ lực có bánh tuabin ly tâm làm cho cánh bơm được cường hoá + Biến mô thuỷ lực có bánh tuabin hướng trục
+ Biến mô thuỷ lực có banh tuabin ly tâm
- Dựa theo chiều quay của bánh tuabin so với bánh bơm:
+ Biến mô thuận: chiều quay của bánh bơm cùng chiều với chiều quay của bánh tuabin loại nay mô men thay đổi cả về trị số và dấu
+ Biến mô nghịch: chiều quay của bánh tuabin ngược chiều với chiều quay của bánh bơm loại này chỉ có mô men thay đổi ìê giá trị mà không thay đổi về dấu
18 a. Kết cấu.
- Bánh bơm: Được gắn với vỏ biến mô và có rất nhiều cánh có dạng cong lắp theo hướng kính ở bên trong, số lượng cánh và biên dạng cánh được chọn theo công suất động cơ sử dụng chúng và loại hệ thống truyền lực phía sau. Trên cánh bơm còn lắp đặt vành dẫn hướng ở phía cạnh trong của cánh để dẫn hướng cho dòng chảy của bơm được êm
Hình 1.3. Kết cấu bánh bơm.
1- Bánh bơm, 2- Vành dẫn hướng , 3- Vỏ biến mô, 4- Vỏ hộp số, 5- Trục sơ cấp hộp số, 6- Bu lông nối tấm dẫn động với bánh bơm,7- Tẫm dẫn động, 8- Cánh van.
Với nhiệm vụ là giúp tích tụ năng lượng lên các dòng dầu chuyển động trong biến mô nhờ lấy năng lượng từ trục khuỷu động cơ thì kết cấu và chất lượng bề mặt cánh bơm ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất và cả quá trình khuếch đại mô men của biến mô. Vì vậy việc đúc liền và gia công bề mặt cánh bơm trên bánh bơm đòi hỏi công nghệ gia công rất cao không phải hãng sản xuất ô tô nào cũng làm được, còn phương pháp lắp rời từng cánh lên bánh mang cánh thì được chấp nhận rộng rãi và nhanh chóng vì tính công nghệ và tính kinh tế cao của phương pháp này.
Ngày nay đa số các biến mô thủy lực dùng trên ô tô điều chế tạo theo phương pháp lắp từng cánh rời nhưng nếu là biến mô này sử dụng trên tàu biển hay phương tiện thuộc lĩnh vực quân sự thì phương pháp đúc liền các cánh với vỏ biến mô được dùng nhiều hơn.
1 3 2
4
5
6
7
8 Mvào, nvào
2
19
- Tuốc bin: Rất nhiều cánh quạt được lắp trong tuốc bin. Hướng cong của các cánh này ngược chiều với các cánh trên cách bơm. Tuốc bin lắp trên trục sơ cấp hộp số sao cho các cánh của nó đối diện với các cánh trên bánh bơm, giữa chúng có khe hở rất nhỏ.
Hình 1.4. Kết cấu bánh tuốc bin
1- Bánh tuốc bin; 2- Vành dẫn hướng; 3- Vỏ bộ biến mô;4 - Vỏ hộp số;
5- Trục sơ cấp hộp số; 6- Cánh van. Mt , nt - Mômen và số vòng quay tua bin Cánh tua bin được thiết kế với góc đặt cánh lớn hơn so với cánh bơm. Vì cánh tua bin có nhiệm vụ thu nhận động năng và áp năng được vận chuyển theo dòng dầu đi ra từ cánh bơm. Ngoài ra về số lượng cánh là bằng số lượng cánh mang trên bánh bơm, cũng được thiết kế các vành dẫn hướng để dòng chảy được êm. Công nghệ chế tạo và yêu cầu bề mặt của bánh tua bin có nhiều điểm tương đồng với nhau.
- Bộ đảo chiều : là bộ phận đặt giữa bánh bơm và tua bin. Công dụng của bộ đảo chiều là thay đổi chiều dòng dầu chuyển động từ tâm tua bin đến tâm bánh bơm
Chiều dòng dầu chuyển động từ bánh bơm sang bánh tua bin là cùng chiều với chiều quay kim đồng hồ, nhưng chiều dòng dầu đi qua bánh tua bin thì ngược lại.
Nếu để dòng dầu trở lai bánh bơm thì chiều của nó sẽ đối diện với chiều dòng dầu đi ra từ bánh bơm. Bánh bơm phải sử dụng một phần mômen từ động cơ để làm thay đổi chiều chuyển động dòng dầu của dòng dầu đến từ tua bin.
1 2
4
5
6 2
Mt, nt
20
Khi áp dụng bộ đảo chiều, nó điều chỉnh chiều chuyển động của dòng dầu sau khi ra khỏi bánh tua bin cùng chiều với chiều dòng dầu đi ra khỏi bánh bơm.
Bộ đảo chiều gồm có : bánh phản ứng lắp ghép với khớp một chiều - Bánh phản ứng :
Hình 1.5. Bánh phản ứng
1- Bánh phản ứng; 2- Khớp một chiều; 3- Trục stator; 4- Vỏ hộp số;
5- Trục sơ cấp hộp số. M, n – Mô men và số vòng quay trục sơ cấp hộp số.
Trên bánh phản ứng bố trí nhiều cánh để tiếp nhận dòng dầu đi ra từ cánh tuabin và hướng cho chúng đập vào mặt sau của cánh bơm làm cho cánh bơm được
“cường hóa”. Khi chất lỏng qua bánh phản ứng sẽ truyền cho nó một mômen quay, nhưng do bánh cố định với vỏ nên có tác dụng như một điểm tựa và truyền lại cho chất lỏng một mômen động lượng. Nếu bánh phản ứng quay tự do thì mômen quay của trục dẫn truyền cho trục bị dẫn không thay đổi. Khi đó biến mômen làm việc như một khớp nối thủy lực.
Tuy không đóng vai trò chủ đạo trong việc truyền công suất nhưng bánh phản ứng lại có vai trò quyết định tới hiệu suất của cả biến mô thủy lực trong một số trường hợp, đồng thời là khả năng giúp biến mô khuếch đại mô men do động cơ sinh ra trong một số trường hợp. Đây là lý do chính bánh phản ứng được thiết kế cùng bánh bơm và bánh tua bin trong cùng một biến mô thủy lực.
4
5
M, n
2 3 1
21 - Khớp một chiều:
Bánh phản ứng với mục đích khuếch đại mômen động cơ sinh ra và ngăn chặn hiện tượng giảm hiệu suất của biến mô thủy lực, khi tốc độ bánh tua bin gần bằng tốc độ bánh bơm thì bánh phản ứng cần phải có khớp một chiều đi liền cùng kết cấu của nó. Hiện nay trong các loại hộp số tự động có hai loại khớp một chiều hay sử dụng nhiều nhất là loại dùng bi trụ và loại dùng con lăn.
+ Khớp một chiều dạng bi trụ.
Hình 1.6. Khớp một chiều dạng bi trụ
1 - Vành ngoài;
2 - Bi trụ;
3 - Lò xo tỳ;
4 - Đệm tỳ;
5 -Vành trong;
6 - Mặt rãnh chêm
Dạng trụ lăn (Hình 1.6), bao gồm bốn chi tiết: vành trong, vành ngoài, các bi trụ và lò xo tỳ giữ bi trụ luôn tiếp xúc với các vành. Bề mặt làm việc của một vành được làm ở dạng hình trụ, còn vành kia dạng cong theo hướng tạo nên chiều rộng chứa bi thay đổi (dạng đường cong thân khai). Do vậy, giữa chúng tạo thành hình chêm.
Nguyên lý làm việc:
Gồm một vành trụ trong trơn và một vành ngoài có mặt cong theo hướng tạo nên chiều rộng chứa bi thay đổi. Các viên bi trụ nằm trong rãnh chêm này và luôn luôn được tỳ sát vào thành bằng các lò xo tạo xu hướng luôn khóa giữa hai vành với nhau. Khi các viên bi chạy vào chỗ hẹp tạo trạng thái khóa. Sự dịch chuyển của viên bi phụ thuộc vào chiều quay, chiều nghiêng của mặt chêm.
+ Khớp một chiều dạng cam.
Loại thứ hai hay được dùng là loại dùng con lăn dạng cam để thực hiện khóa.
Có kết cấu bao gồm:Vành trong, vành ngoài, các con lăn bằng thép và lò xo giữ có
2 1
3
5 4
6
22
nhiệm vụ giữ cho các con lăn luôn có xu hướng tỳ vào hai vành và khóa vành ngoài với vành trong (hình 1.7a và 1.7b). Tuy chỉ với kết cấu rất đơn giản như vậy nhưng khớp một chiều này lại đóng vai trò rất quan trọng trong việc giúp cho bánh phản ứng đạt được ý đồ thiết kế đưa ra.
Hình 1.7a. Khớp một chiều dạng cam.
1- Vành ngoài; 2- Cam; 3- Vành trong; 4- Lò xo giữ.
Con lăn dạng cam được lắp giữa hai vành trong và ngoài của bánh phản ứng, có nhiệm vụ chỉ cho hai vành trong và ngoài của stator quay tự do với nhau theo chiều A
còn theo chiều B thì không được.
Khi vòng ngoài có hướng quay theo hướng như (hình 1.7a), nó sẽ ấn vào đầu các con lăn. Do khoảng cách L1< L nên con lăn bị nghiêng đi, cho phép vòng ngoài quay.
Khi vòng ngoài có hướng quay theo chiều ngược lại, con lăn không thể nghiêng đi do khoảng cách L2 > L. Kết quả làm cho con lăn có tác dụng như một miếng chêm khóa vành ngoài và giữ cho nó không chuyển động. Lò xo giữ được lắp thêm để trợ giúp thêm con lăn, nó giữ cho các con lăn luôn nghiêng một chút theo hướng khóa vòng ngoài.
23
Hình 1.7b. Khớp một chiều dạng cam.
b. Sơ đồ và nguyên lý làm việc.
Sơ đồ nguyên lý làm việc của biến mômen thủy lực (hình 1.8a). Ngoài các bánh bơm và bánh tua bin còn có thêm một bộ phận nữa là bánh phản ứng. Bánh phản ứng được đặt trên khớp hành trình tự do (khớp một chiều) cho phép quay tự do theo một chiều.
Nguyên lý làm việc:
Bánh bơm 1 được gắn cố định với tấm dẫn động 7 nối cứng với trục khuỷu động cơ 9 và quay với tốc độ góc ωb
Bánh tua bin 11 được lắp trên trục bị động 1 (trục sơ cấp hộp số) bằng then hoa và quay với tốc độ góc ωT
24
Hình 1.8a. Sơ đồ nguyên lý của biến mô men thủy lực.
1- Bánh bơm; 2- Vành dẫn hướng; 3- Vỏ biến mô; 4- Vỏ hộp số; 5- Trục sơ cấp hộp số; 6- Bu lông; 7- Tấm dẫn động; 8- Khớp một chiều; 9- Trục khuỷu động cơ; 10 - Bánh phản ứng; 11- Bánh tua bin; 12- Vành dẫn hướng bánh tua bin; Mb, nb- Mô men và số vòng quay bánh bơm. Mt, nt - Mô men và số vòng quay bánh tua bin
Các bánh nằm trong một vành xuyến khép kín tạo buồng công tác và được nạp đầy chất lỏng có áp suất dư. Hình dạng buồng công tác đảm bảo tổn thất năng lượng ít nhất khi chất lỏng chuyển từ bánh này sang bánh khác
Trong biến mô men tryền năng lượng qua chất lỏng. Chất lỏng có áp suất đóng vai trò truyền năng lượng giữa tua bin và bánh bơm. Cụ thể bánh bơm (B), tua bin (T), bánh phản ứng (P) đặt trong dầu có áp suất và đặt trong vỏ kín, khi bánh bơm quay cùng với động cơ làm cho dầu chuyển động, dưới tác dụng của lực ly tâm dầu
6
5 4 3 2
Mt, nt Mb, nb
R2 R1
7 8
10 11 12 9
1
25
chạy ra ngoài và tăng tốc độ. Ở mép bên ngoài dầu đạt tốc độ cao nhất và hướng theo các bánh trong bánh bơm đập vào bánh của tua bin, tại tua bin nó truyền năng lượng và giảm dần tốc độ theo các cánh dẫn của tua bin chạy vào trong. Khi dầu tới mép trong bánh tua bin nó rơi vào cánh của bánh phản ứng và theo các cánh dẫn chuyển sang bánh bơm. Cứ như thế chất lỏng chuyển động tuần hoàn theo đường xoắn ốc trong giới hạn hình xuyến (B→T,T →P,P→B).
Hình 1.8b. Chuyển động của dòng dầu trong biến mô.
Quá trình dầu chuyển động trong bánh bơm là quá trình tích năng, quá trình dầu di chuyển trong bánh tua bin là quá trình truyền năng lượng, còn trong bánh phản ứng là quá trình đổi hướng chuyển động.
Nguyên lý làm việc của biến mô men thủy lực dựa trên cơ sở của định luật biến thiên mô men động lượng và được giải thích như sau: Tại điểm dòng dầu đi vào bánh bơm, tốc độ dòng chất lỏng trung bình, biểu diễn bằng đường chấm gạch (hình 1.8c) có giá trị tuyệt đối là vb1. Tốc độ này có thể phân tích thành hai thành phần: Tốc độ vòng hay còn gọi là tốc độ theo ub1 và tốc độ tương đối wb1.
26
Hình 1.8c. Sơ đồ nguyên lý làm việc của biến mô men thủy lực.
Sau khi đi vào bánh bơm, chất lỏng chuyển động theo profin cánh dẫn đi từ tâm ra mép ngoài (hình 1.8c). Dòng chất lỏng có tốc độ là vb2 =ub2+wb2 (1.1)
Khi chuyển động từ trong ra ngoài bánh bơm trong vòng lưu thông, năng lượng và động lượng của dòng chất lỏng tăng lên nhờ mô men truyền cho bánh bơm từ trục khuỷu động cơ. Hiệu mô men động lượng của chất lỏng đối với trục quay của bánh bơm khi đi vào và đi ra khỏi nó chính bằng mô men trên trục bánh bơm và xác định theo biểu thức :
Mb =m(R2.νb2.cosα −R1.νb1.cosβ) (1.2) Ở đây:
g
m= G: Khối lượng chất lỏng chảy qua bánh bơm trong một giây.
R1, R2: Bán kính bánh công tác ở điểm vào và điểm ra của chất lỏng trên quỹ đạo trung bình.
a, b: Góc tương ứng giữa các vec-tơ tốc độ tuyệt đối vb1, vb2 và các tốc độ theo ub1, ub2 (hình 1.7c).
Khi chất lỏng đi ra khỏi bánh bơm thì cũng là đi vào bánh tua bin. Vì giữa bánh bơm và bánh tua bin không có bánh phản ứng nên động năng của dòng chất
γ
Ut1
Vt1
wt1
Ut2
Vt2
wt2
R1
R2
nt
α
Wb1
Vb1
Ub1
Vb2
Wb2
Ub2 α
β
R2
R1
nb
Vb1
Vt1
27
lỏng khi ra khỏi bánh bơm và vào bánh tua bin không thay đổi, nhưng vận tốc tuyệt đối của dòng chất lỏng khi ra khỏi bánh tua bin sẽ thay đổi chiều (do hình dạng của bánh tua bin).
Điều này có nghĩa là khi đi từ ngoài vào trong, chất lỏng truyền cho tua bin một mômen bằng về trị số với mô men trên trục bánh bơm. Mặc khác theo định luật biến thiên mômen động lượng thì mô men tác dụng lên bánh tua bin cũng chính bằng hiệu mô men động lượng của chất lỏng đối với trục quay tua bin khi đi vào và ra khỏi nó, do đó :
( 2 b2cosα 1 t1cosγ)
b
t M mRv Rv
M = = − (1.3)
Ở đây: γ - Góc giữa ut1 và vt1 tại điểm ra của bánh tuốc bin.
Khi ra khỏi bánh tua bin, dòng chất lỏng chảy qua bánh phản ứng được gắn cố định thông qua khớp một chiều và tác dụng lên nó một mô men Mp cùng hướng với mô men Mb và có giá trị bằng:
Mp=m(R1vb1cosβ −R1vt1cosγ) (1.4) So sánh các biểu thức (1.1), (1.2) và (1.3) ta thấy rõ rằng:
Mt =(Mb +Mp) (1.5) Nếu không có bánh phản ứng thì: vt1 = vb1 và γ =β
Nên : Mt = Mb (1.6)
Tức là biến mô men trở thành ly hợp thủy động nên chỉ có tác dụng truyền mà không biến đổi mô men.
Bánh phản ứng cố định làm lệch dòng chất lỏng chảy ra từ bánh tua bin về phía hướng quay của bánh bơm, tạo điều kiện cho sự quay của nó, vì thế để quay bánh bơm chỉ đòi hỏi một mô men Mb < Mt. Đó là nguyên lý của sự biến đổi mô men trong biến mô men thủy lực.
Khi tốc độ quay của bánh bơm nb = const, sự tăng tải trọng tác dụng lên trục bánh tua bin làm giảm tốc độ quay nt của nó, do vậy lực ly tâm tác dụng lên chất lỏng hướng ngược chiều với dòng chảy trong bánh đó giảm, làm lưu lượng chất