Вращающий момент от коленчатого вала дизеля передается обычно через эластичную муфту и зубчатую передачу на вал гидравлической муфты или гидротрансформатора, на котором насажено насосное колесо (рис.12).
Эти аппараты в основном состоят из насосного и турбинного колес. Кроме того, в гидравлической муфте имеется кожух, закрывающий насосное колесо, а в гидротрансформаторе - направляющий аппарат. При вращении насосного колеса масло, находящееся между лопатками, под действием центробежной силы отбрасывается от центра колеса к периферии. Таким образом, вращаясь, насосное колесо создает динамический напор жидкости (обычно масла), которая поступает в турбинное колесо.
Рис.12 Аппараты гидропередачи:
а – гидромуфта; 1 – ведущий вал; 2 – насосное колесо; 3 - наружный корпус; 4 – турбинное колесо; 5 – ведомый вал;
б – гидротрансформатор; 1 – ведущий вал; 2 – насосное колесо; 3 - турбинное колесо; 4 – неподвижный направляющий аппарат; 5 – ведомый вал
Поток жидкости, обладая запасом кинетической энергии, давит на лопатку турбинного колеса и заставляет его вращаться. От вала турбинного колеса вращающий момент, увеличенный в несколько раз, через систему зубчатых колес, отбойный вал с кривошипами, сцепные дышла либо через карданные валы и осевые редукторы передается на движущие оси тепловоза, приводя его в движение. Привод к движущим колесам может быть комбинированным - при помощи карданного вала и сцепных дышел.
Поток жидкости, выйдя из турбинного колеса, теряет значительную долю кинетической энергии, снова поступает в насосное колесо через направляющий аппарат (при гидротрансформаторе) или непосредственно (при гидромуфте).
Следовательно, во время работы гидравлических аппаратов совершается непрерывная циркуляция жидкости по кругу: насосное колесо, турбинное, снова насосное колесо и т.д. При этом жидкость циркулирует без каких-либо промежуточных трубопроводов.
Непременным условием циркуляции масла между насосным и турбинным колесами является разность его давлений, причем давление на выходе из насосного колеса должно быть больше, чем на входе в турбинное колесо. Достигается это за счет разности скоростей насосного и турбинного колес. Вращение турбинного колеса при работе гидропередачи всегда меньше скорости вращения насосного колеса. Разность числа оборотов насосного и турбинного колес называется скольжением.
Обычно скольжение выражается в процентах от числа оборотов насосного колеса.
Гидравлическая муфта рассчитывается на передачу заданного вращающего момента при скольжении 3—5%. При этом коэффициент полезного действия составляет 0,95—0,97%. Вращающий момент гидромуфты зависит от величины скольжения. При скольжении, равном нулю, т. е. когда скорость вращения насосного и турбинного колес одинакова, вращающий момент будет равен также нулю, а при скольжении, близком к 100%, вращающий момент будет максимальным. Гидравлическая муфта передает вращающий момент без изменения. Моменты на насосном и турбинном колесах равны. Следовательно, коэффициент трансформации (изменения вращающего момента) гидромуфты всегда равен единице.
В отличие от гидромуфты гидротрансформатор имеет возможность изменять (трансформировать) вращающий момент в широких пределах наподобие обычного механического редуктора, откуда и происходит название «гидротрансформатор».
Изменение вращающего момента достигается при помощи направляющего аппарата, по конструкции представляющего собой неподвижно закрепленное колесо, лопатки которого расположены между лопатками турбинного и насосного колес. Вращающий момент меняет свою величину за счет изменения направления потока жидкости на лопатках направляющего аппарата.
Например, если турбинное колесо неподвижно (момент трогания тепловоза с места), поток масла, прошедший через него, вынужден резко изменить свое направление, проходя через направляющий аппарат, вследствие особой формы его лопаток. Это приводит к тому, что реакция струи, т. е. давление ее на лопатки турбинного колеса и вращающий момент будут максимальными.
По мере раскручивания турбинного колеса (тепловоз набирает скорость) направление потока масла будет выравниваться, давление на лопатки и вращающий момент уменьшаться.
Нагрузка же на насосное колесо во всех случаях будет постоянной независимо от скорости вращения турбинного колеса, так как жидкость, пройдя через лопатки направляющего аппарата, имеет постоянное направление по отношению к насосному колесу.
Комплексный гидротрансформатор, схематический разрез которого показан на рис. 13, так же, как и обычный гидротрансформатор, имеет насосное 1 и турбинное 2 колеса. Отличным по конструкции и характеру работы является направляющий аппарат 3. Он состоит из двух рядом расположенных лопастных колес, насаженных на муфты свободного хода, названные автологами. Автологи закреплены на, неподвижном полом валу 4.
Колеса направляющего аппарата имеют возможность свободно вращаться на автологах в одну сторону и заклиниваться при вращении в противоположную сторону. При этом заклиниваться может одно колесо, а другое — вращаться вместе с насосным колесом или оба сразу. Заклинивания направляющего аппарата происходят при трогании тепловоза с места и при небольшом числе оборотов турбинного колеса, когда поток масла, выходящий из турбинного колеса, направлен в сторону, противоположную вращению. В этом случае происходит трансформация вращающего момента. При повышении числа оборотов турбинного колеса поток масла направлен в сторону вращения колес и они будут свободно вращаться. В этом случае работают только насосное и турбинное колеса и вращающий момент передается на ведомый вал без изменения.
Комплексные гидротрансформаторы описанного типа применены на тепловозах ТГМ2, ТГМЗ.
Рис. 13 Комплексный гидротрансформатор:
а - схематический разрез; б- характеристика гидротрансформатора; 1 - насосное колесо; 2 - турбинное колесо; 3 - направляющий аппарат; 4 -полый вал автолога; 5 -вал турбинного колеса; 6 - ролики; 7 - вал насосного колеса; МТ- вращающий момент турбинного колеса; Мн- вращающий момент насосного колеса; nT -число оборотов турбинного колеса; nH - число оборотов насосного колеса; h - коэффициент полезного действия трансформатора