Układ napędowy z przekładnią hydrauliczną różni się od układu napędowego z przekładnią mechaniczną tylko tym, że zamiast zębatej skrzyni biegów układ z przekładnią hydrauliczną posiada hydrauliczną skrzynię biegów. Skrzynia ta jednocześnie spełnia zadania sprzęgła głównego. Poza tymi elementami reszta układu napędowego jest podobna jak w układzie z przekładnią mechaniczną.
W przekładni hydraulicznej moment obrotowy oraz prędkość obrotowa z wału korbowego silnika na wał napędny osi przenoszone są za pomocą cieczy, najczęściej jest to olej przekładniowy. Istnieją dwa urządzenia, które wchodzić mogą w skład hydraulicznej skrzyni biegów i przenoszą moment obrotowy i prędkość obrotową z wału korbowego na oś napędną. Są to:
- sprzęgło hydrauliczne;
- przetwornik hydrauliczny.
Budowa i zasada działania sprzęgła hydraulicznego jest opisana w opisie przekładni mechanicznej. Różnica jest tylko taka, że sprzęgło to nie łączy silnika ze skrzynią biegów tylko jest częścią skrzyni biegów.
Zasada działania i budowa przetwornika hydraulicznego niewiele się różnią od budowy i działania sprzęgła hydraulicznego. Istotną różnicę stanowi zastosowanie w przetworniku kierownicy i związane z tym zmiany w zasadzie działania.
Przetwornik hydrauliczny składa się z:
- koła łopatkowego pompy odśrodkowej, które połączone jest z wałem korbowym silnika (wałem napędzającym);
- koła łopatkowego turbiny, które połączone jest z wałem napędzanym, który z kolei łączy się z osią napędną pojazdu;
- koła łopatkowego kierownicy, które jest przymocowane do kadłuba przetwornika hydraulicznego.
Pompa i turbina osadzone są we wspólnej, zamkniętej, szczelnej obudowie, w której znajduje się sztywno osadzona kierownica i jej łopatki. Moment obrotowy wału korbowego silnika spowoduje obracanie się pompy, która jest na tym wale osadzona. Jeśli przetwornik wypełniony jest cieczą to obrót łopatek pompy wprawi w ruch ciecz, która z kolei sprawi, że łopatki turbiny zaczną się obracać. Ponieważ turbina jest połączona na stałe z wałem napędowym i dalej z resztą układu więc pojazd zacznie się poruszać. Ciecz po przepłynięciu przez łopatki turbiny trafia na łopatki kierownicy i dalej na łopatki pompy. W ten sposób obieg cieczy jest zamknięty.
W odróżnieniu do sprzęgła hydraulicznego, w przetworniku hydraulicznym następuje zmiana momentu obrotowego i prędkości turbiny w stosunku do pompy, inaczej mówiąc zmiana momentu i prędkości osi napędnej w stosunku do momentu i prędkości silnika. Dzieje się tak dzięki zastosowaniu nieruchomej kierownicy. Energia napędowa pompy wprawia w ruch ciecz, która płynie w kierunku turbiny. Masa turbiny zmniejsza prędkość cieczy, ale jednocześnie energia cieczy wytwarza moment obrotowy, dzięki któremu turbina wprawiona jest w ruch. Moment obrotowy turbiny jest inny niż moment obrotowy pompy. Różnica momentów jest przejmowana przez łopatki kierownicy. Gdyby przetwornik był pozbawiony nieruchomej kierownicy to energia cieczy wytworzona przez obracającą się pompę byłaby tracona i ciecz mogłaby wytworzyć na łopatkach turbiny tylko taki moment jaki jest na łopatkach pompy - tak się dzieje w sprzęgle hydraulicznym.
Dużą zaletą przekładni hydraulicznej jest automatyczne dopasowanie się momentu obrotowego turbiny do warunków jazdy niezależnie od prędkości obrotowej i momentu pompy. Przykładowo podczas jazdy pod górę opory trakcji rosną, a więc moment hamujący, który działa na oś napędną rośnie. Ponieważ oś napędna jest połączona poprzez wał napędny z turbiną ma to wpływ na prędkość obrotową turbiny. Jeśli więc prędkość obrotowa osi zmaleje to zmaleje także prędkość obrotowa turbiny, spowoduje to zwiększenie się momentu hamującego na ciecz, która napiera na łopatki turbiny. Energia napędowa cieczy wytworzona przez pompę będzie napierała na łopatki turbiny co w konsekwencji zwiększy moment obrotowy turbiny i dalej układu napędowego.
Takie zdarzenie nie ma wpływu na prędkość obrotową i moment pompy, gdyż pompa jest napędzana poprzez wał korbowy silnika.
Takie możliwości przetwornika są jednak ograniczone sprawnością przetwornika. Przetwornik ma największą sprawność tylko przy określonym stosunku prędkości obrotowej i momentu obrotowego turbiny w stosunku do pompy. Sprawność ta jest różna dla różnych przetworników. Przy innym stosunku tych parametrów dla danego przetwornika sprawność ta maleje co zwiększa straty w układzie napędowym.
Hydrauliczna skrzynia biegów z jednym przetwornikiem hydraulicznym nie ma większego zastosowania w trakcji spalinowej ze względu na niewielkie możliwości w zakresie regulacji prędkości i momentu obrotowego. Zwykle hydrauliczna skrzynia biegów składa się z kilku przetworników i kilku sprzęgieł hydraulicznych, które pracują każdy w innym zakresie jazdy. Każdy przetwornik i sprzęgło różnią się od siebie pochyleniem i wielkością łopatek co daje inne przełożenie prędkości obrotowej turbiny w stosunku do pompy. W związku z tym każdy przetwornik i sprzęgło mają największą sprawność przy innym przełożeniu co przekłada się na bardziej ekonomiczne wykorzystanie przekładni (mniejsze straty mocy).
Liczba przetworników i sprzęgieł hydraulicznych w skrzyni biegów związana jest z mocą pojazdu. Zazwyczaj stosowane są skrzynie biegów zbudowane z:
- jednego przetwornika i jednego sprzęgła;
- jednego przetwornika i dwóch sprzęgieł;
- dwóch przetworników;
- dwóch przetworników i jednego sprzęgła;
- dwóch przetworników i dwóch sprzęgieł;
- trzech przetworników.
Każdy przetwornik i każde sprzęgło stanowią osobny bieg w skrzyni biegów. Przy małych prędkościach ze względu na sposób działania stosowane są przetworniki hydrauliczne, przy prędkościach wyższych przetworniki są wyłączone, a działają sprzędła hydrauliczne (maja większą sprawność niż przetworniki).
Podobnie jak w zębatej skrzyni biegów, w hydraulicznej skrzyni stosowanie dużej ilości przetworników i sprzęgieł hydraulicznych komplikuje budowę skrzyni (co może mieć negatywne skutki w eksploatacji) oraz podraża koszt pojazdu, a jednocześnie nie zwiększa możliwości ruchowych pojazdu. Z tego powodu ilość elementów w skrzyni biegów jest ograniczona.
W czasie pracy pracujący przetwornik lub sprzęgło napełnione musi być cieczą (wynika to z zasady działania). W danej chwili napełniony cieczą jest tylko pracujący element, pozostałe są opróżnione. Zmiana biegu więc wiąże się z opróżnieniem jednego urządzenia (przetwornika lub sprzęgła), a napełnieniem drugiego. Do wykonywania tych czynności służą specjalne urządzenia, które są umieszczone w kabinie maszynisty i steruje nimi maszynista, albo działają samoczynnie. Napełnianie i opróżnianie samoczynne uzależnione jest od prędkości jazdy.
Ponieważ krążąca ciecz nagrzewa się do wysokiej temperatury więc musi być chłodzona. W tym celu hydrauliczna skrzynia biegów musi być wyposażona w chłodnicę cieczy lub w wymiennik ciepła, który połączony jest z układem chłodzenia silnika. Ciecz wypływająca z przetwornika lub sprzęgła przepływa do wymiennika ciepła, gdzie zostaje ochłodzona i z powrotem wprowadzana jest do urządzenia.
Wielkość hydraulicznej skrzyni biegów zależy od prędkości obrotowej urządzenia napędzającego - pompy. Im ta prędkość jest większa tym wymiary skrzyni mogą być mniejsze. Ponieważ prędkość obrotowa wału korbowego silnika napędzającego pompę nie jest duża (w granicach 600 - 1600 obr/min.), dąży się do zwiększenia prędkości obrotowej pompy. W tym celu przed skrzynią biegów umieszcza się przekładnie zębatą, która zwiększa prędkość obrotową pompy w stosunku do prędkości obrotowej wału korbowego. W ten sposób zmniejsza się wymiary skrzyni biegów, ale jednocześnie zwiększa się straty w układzie napędowym co jest mankamentem. To rozwiązanie stosuje się zwykle w przekładniach, w których prędkość obrotowa silnika jest mniejsza od 1000 obr/min.
W hydraulicznych skrzyniach biegów oprócz przetworników i sprzęgieł znajdują się często dodatkowe przekładnie zębate, które także uczestniczą w przenoszeniu momentu obrotowego i prędkości obrotowej.
Wśród wielu stosowanych systemów hydraulicznych skrzyni biegów istnieje kilka tych, które są najczęściej stosowane:
- hydrauliczne skrzynie biegów z równoległym układem hydrauliczno - mechanicznym. Odznaczają się tym, że zmiana stosunku prędkości obrotowej i momentu obrotowego dokonywana jest wyłącznie przez elementy hydrauliczne, a sprzężone z nimi przekładnie zębate przenoszą moc na dalszą część układu. Elementy hydrauliczne pracują kolejno w odpowiednim dla siebie zakresie jazdy. Najbardziej popularną przekładnią tego typu jest przekładnia systemu "Voith".
- hydrauliczne skrzynie biegów z szeregowym układem hydrauliczno - mechanicznym. Ten system charakteryzuje się tym, że przetwornik hydrauliczny połączony jest z grupą kół zębatych. Zmiana momentu obrotowego odbywa się poprzez włączanie i wyłączanie odpowiednich par kół zębatych za pomocą sprzęgieł pomocniczych (np. kłowych). Popularną skrzynią biegów tego typu jest skrzynia "Mekydro";
- hydrauliczne skrzynie biegów z wielofunkcyjnym elementem hydraulicznym. Działanie tych skrzyń biegów jest bardziej skomplikowane niż tych wyżej wymienionych. W tej grupie znaleźć można wiele rozwiązań. W wszystkich znaleźć można złożony przetwornik, który rozszerza zakres zmiany momentu obrotowego w stosunku do zwykłego przetwornika, albo w czasie pracy jego charakterystyka się zmienia, co powoduje zmiany w przenoszeniu momentu obrotowego. Często z przetwornikiem pracują dodatkowe elementy mechaniczne. W tej grupie popularna jest skrzynia "Lysholm-Smith".
Przekładnia hydromechaniczna
Przekładnie hydromechaniczne są połączeniem przekładni mechanicznej oraz hydraulicznej. Działa to w ten sposób, że w zakresie niższych prędkości moment obrotowy przenoszony jest za pomocą urządzeń hydraulicznych, a w zakresie dużych prędkości moment przenoszony jest za pomocą urządzeń wyłącznie mechanicznych, a elementy hydrauliczne są wyłączone.
CHARAKTERYSTYKA POJAZDÓW Z PRZEKŁADNIĄ HYDRAULICZNĄ.
Charakterystyka pociągowa pojazdów z przekładnią hydrauliczną jest zależna od budowy skrzyni biegów w przekładni. Na poniższym rysunku pokazana jest charakterystyka przekładni z jednym przetwornikiem.
Z wykresu widać, że jest to linia ciągła. Krzywa ta jednak znacznie odbiega od krzywej idealnej i dlatego w skrzyniach biegów zwiększa się liczbę przetworników, dzięki temu polepsza się charakterystykę pociągową. Siła pociągowa zmienia się w sposób prawie ciągły do momentu zmiany biegu. W tym czasie krzywa się załamuje i zmienia się lekko charakterystyka.
Jeśli skrzynia biegów zbudowana jest z przetworników i sprzęgieł to skrzynia wykazuje pewne podobieństwo do mechanicznej skrzyni biegów.
