Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna

1

Przekładnie hydrostatyczne

(dla ruchu obrotowego)

1. Określenia podstawowe i systematyka

Przekładnia hydrostatyczna jest hydraulicznym układem napędowym obrotowym, składającym

się z pompy wyporowej jako generatora energii ciśnienia i silnika wyporowego przetwarzającego tę
energię na energię mechaniczną ruchu obrotowego. Przetwarzanie przenoszonego przez przekładnię
strumienia mocy polega na dostosowywaniu prędkości i momentu obrotowego silnika do wymagań,
wynikających z warunków eksploatacji napędzanego mechanizmu. Sposób w jaki ta transformacja
zachodzi, określa się za pomocą przełożenia prędkości kątowych (albo obrotowych) lub momentów.

Sprawność całkowita przekładni hydrostatycznej określa się jako stosunek mocy oddawanej na

wale silnika Ns do mocy dostarczanej na wał pompy Np

P

S

C

N

N

=

η

Inaczej sprawność całkowitą możemy określić jako iloczyn sprawności całkowitej pompy ηcp,

sprawności całkowitej silnika ηcs , sprawności całkowitej instalacji i układu sterowania przekładnią
η

IUS

:

IUS

CS

CP

c

η

η

η

η

⋅

⋅

=

Zakładając sprawność η

IUS

= 1 możemy napisać:

S

P

C

η

η

η

⋅

=

Przełożenie dynamiczne id przekładni hydrostatycznej jest to stosunek momentu na wale silnika Ms do
momentu na wale pompy Mp

P

S

d

M

M

i =

Przełożenie kinematyczne ik przekładni hydrostatycznej to stosunek prędkości obrotowej pompy np do
prędkości obrotowej silnika ns

S

P

k

n

n

i =

.

Przy poczynionym wcześniej założeniu η

IUS

= 1 można również zapisać, że sprawność całkowita

przekładni wynosi:

k

d

P

P

S

S

P

S

C

i

i

n

M

n

M

N

N

=

⋅

⋅

=

=

η

Przełożenie przekładni hydrostatycznej może być stałe lub zmienne. Przekładnię o stałym przełożeniu
otrzymuje się z jednostek wyporowych nie nastawnych, a więc takich, dla których parametry εg = εs =
1. Przełożenie wyraża się wówczas tylko ilorazem chłonności właściwej silnika i wydajności właściwej
generatora; jest więc definiowane podobnie jak w przekładniach mechanicznych, wartościami
proporcjonalnymi do wymiarów geometrycznych elementów pędzonego i pędzącego.

Zmiany przełożenia przekładni hydrostatycznej można dokonać stopniowo lub bezstopniowo.

Stopniową zmianę przełożenia przekładni można uzyskać stosując jako generator pompy
wielostrumieniowe, łączone wg określonego systemu z silnikiem o stałej chłonności. Zasadę tę można
odwrócić. Ciągła, bezstopniowa zmiana przełożenia przekładni hydrostatycznych wymaga ciągłej,

Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna

2

bezstopniowej zmiany natężenia przepływu strumienia zasilającego silnik. Jeśli przekładnia jest
zestawiona z nie nastawnych jednostek wyporowych, to ciągłą zmianę prędkości obrotowej wału
silnika można uzyskać tylko stosując sterowanie dławieniowe.

Przekładnie hydrostatyczne sterowane dławieniowo są obarczone dużymi stratami i stosuje się

je tylko w układach napędowych małej mocy, rzędu kilku kW.

Z większymi sprawnościami pracują przekładnie hydrostatyczne sterowane objętościowo,

zbudowane z nastawnych jednostek napędowych. Ze względu na sposób sterowania można wśród nich
wyróżnić:
- przekładnie z pompą o zmiennej, sterowanej wydajności, dla której w najogólniejszym przypadku
parametr nastawy εg zmienia się w przedziale i z silnikiem o stałej chłonności, w którym εs = 1;
- przekładnie z pompą stałej wydajności o parametrze εg = 1 i z silnikiem o nastawnej chłonności, dla
którego parametr εs zmienia się ciągle w przedziale
- przekładnie z obiema sterowanymi jednostkami napędowymi, w których zarówno εg jak i εs
przyjmują dowolne wartości.

Przekładnie z obiema nastawnymi jednostkami napędowymi mogą być sterowane sekwencyjnie

lub równocześnie. W pierwszym przypadku najpierw korzysta się z zakresu zmienności parametru
nastawy wydajności generatora εg, a następnie zmienia się parametr nastawy chłonności silnika εs. W
drugim przypadku, tj. w przekładniach ze sterowaniem równoczesnym, zmiana parametrów obu
jednostek jest dokonywana równocześnie wg określonego programu. oddziaływać

Ze względu na wzajemne usytuowanie pompy i silnika, przekładnie objętościowe można

podzielić na luźne i zwarte. W przekładniach luźnych, nazywanych również rozdzielnymi, obie
jednostki mogą być oddalone od siebie na dowolną odległość, ograniczoną jedynie przez dopuszczalne
straty hydrauliczne w łączących je przewodach. Można je zatem porównywać z przekładniami
cięgnowymi. Wałki - wejściowy (pompy) i wyjściowy (silnika) - mogą być więc usytuowane dowolnie
w przestrzeni przeznaczonej do zabudowy układu napędowego. W przekładniach zwartych
(zablokowanych) pompa i silnik są zbudowane we wspólnym, zamkniętym kadłubie spełniającym
również rolę zbiornika cieczy roboczej. Pod względem konstrukcji przekładnie te są porównywalne ze
skrzynkami przekładniowymi.

Przekładnie hydrostatyczne objętościowe można również podzielić ze względu na konstrukcję

jednostek wyporowych (generatora i silnika), z których są zestawione. Podział ten odnosi się częściej
do przekładni zwartych, chociaż i w przypadku przekładni luźnych jest stosowany. Zgodnie z nim
dzielą się one na przekładnie łopatkowe, przekładnie tłoczkowe promieniowe lub tłoczkowe osiowe.

Przekładnie hydrostatyczne mogą pracować w obiegu otwartym lub zamkniętym .Zasada ta

może być podstawą do dalszego lub innego jeszcze podziału na przekładnie otwarte i zamknięte. W
przekładni otwartej cała ciecz krążąca między pompą a silnikiem przechodzi przez zbiornik. Oznacza
to, że zasysany przez pompę ze zbiornika czynnik roboczy po przejściu przez silnik wraca znów do
zbiornika. Do zbiornika spływają również przecieki związane z elementami składowymi przekładni. W
przekładniach zamkniętych czynnik spływający z silnika wraca bezpośrednio do przewodu ssącego
pompy. Nieuniknione, na skutek strat objętościowych w elementach, ubytki cieczy krążącej w obiegu
zamkniętym muszą być systematycznie uzupełniane. Dokonuje tego dodatkowa pompa tłocząca
czynnik do przewodu łączącego silnik z pompą po stronie niskiego ciśnienia. Wydajność pompy musi
być większa od sumy strat objętościowych wszystkich elementów tworzących przekładnie. Zadaniem
tej pompy jest również stałe wprowadzenie do obiegu pewnej objętości czynnika świeżego,
schłodzonego w zbiorniku i nie dopuszczanie w ten sposób do wzrostu temperatury czynnika
obiegowego przekładni ponad dopuszczalną wartość.

Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna

3

Odrębną grupę przekładni hydrostatycznych stanowią przekładnie z rozdziałem strumienia

mocy, zwane często przekładniami hydromechanicznymi. Ich cechą podstawową jest podział
strumienia mocy, doprowadzonego przez wałek wejściowy, w obrębie przekładni na dwa równoległe
strumienie, łączące się na wałku wyjściowym. Rozdział ten dokonuje się w różnym stosunku zależnie
od nastawy jednostek wyporowych. Dzięki temu wykorzystuje się zalety lub eliminuje wady zwykłej
przekładni hydrostatycznej, w określonych zakresach przełożeń, zachowując przy tym możliwość
bezstopniowej jej nastawy.

2. Zalety i wady przekładni hydrostatycznej
Zalety:

- możliwość bezstopniowej realizacji przełożenia i prędkości ruchu roboczego,

- zdolność przenoszenia bardzo dużych mocy przez zwarte mechanizmy,

- posiadają zabezpieczenie przed przeciążeniem,

- daleko posunięta unifikacja i normalizacja,
- duża swoboda usytuowania poszczególnych elementów i zespołów sterujących na konstrukcji

maszyny,

- mała bezwładność elementów ruchowych, duża szybkość reakcji.

Wady:

- duże koszty zakupu elementów,

- wrażliwe na zanieczyszczenia,

- nieuniknione wycieki oleju,

- mała sprawność przy małych ε,

- hałas pracujących urządzeń,

- ciecz hydrauliczna zmienia swoje własności pod wpływem zmian temperatury.

3. Przekładnia hydrostatyczna pracująca w układzie zamkniętym z pompą o zmiennej
wydajności i silnikiem o stałej chłonności

3.1. Symbol graficzny i schemat poglądowy

3.2. Schemat przekładni i zasada działania

Na rysunku przedstawiono schemat dokładny w/w przekładni. Przekładnię tą można złożyć z

jednostek produkowanych w Łodzi w Zakładach Elementów Hydrauliki Siłowej. Prostokąt 1 (linia
punktowa cienka) zawiera wszystkie elementy zabudowane w pompie a prostokąt 2 w silniku
hydraulicznym. Obie jednostki połączone są trzema przewodami (dwa stanowią główny obieg oleju,
jeden przewód odprowadza przecieki oleju do zbiornika).

Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna

4

Jednostka główna pompy (o zmiennej wydajności) tłoczy olej do silnika a olej wypływający z

silnika wraca na ssanie pompy (układ zamknięty). Olej oddaje w silniku energię i wprawia go w ruch
obrotowy.

Występujące przecieki wewnętrzne w pompie i silniku uzupełniane są przez pompę zębatą 8

zabezpieczoną zaworem 9 ustawionym na ciśnieniu ok. 1,3 MPa. Olej podawany przez pompę 8,
kierowany jest przez zawory zwrotne 10 zawsze do linii niskociśnieniowej (dzięki temu w przewodzie
ssącym pompy głównej jest nadciśnienie).

Silnik hydrauliczny osiowo - tłoczkowy przystosowany jest do pracy dwukierunkowej. Posiada

zabudowane 2 zawory bezpieczeństwa 12 ograniczające maksymalne ciśnienie do wartości 35 MPa.
Dodatkowo w silniku zamontowany jest rozdzielacz sterowany ciśnieniem z przewodów głównych,
który łączy automatycznie zawór maksymalny 14 (ustawiony na ok. 0,9 MPa) z przewodem
niskociśnieniowym. Stąd wynika, że nadwyżka oleju podawanego przez pompę zębatą 8 przelewa się
przez zawór 14 do korpusu silnika, obmywa i chłodzi jego wnętrze a następnie przewodem
odprowadzającym przecieki (linia kreskowa) dopływa do wnętrza pompy. Chłodzi wnętrze pompy i
spływa (otworem w górnej części korpusu) przez chłodnicę oleju 5 do zbiornika oleju 3.

Pompa zębata 8 ma wydajność ok. 10-20% wydajności pompy głównej. Zasysa ona olej ze

zbiornika przez filtr (małe opory) o dokładności oczyszczenia około 15 µm.

Zbiornik oleju nie ma objętości jak w układzie otwartym, ale znacznie mniejszą zależną od

stopnia nagrzewania się oleju w układzie, od miejsca zabudowy przekładni (pojazd, urządzenie
stacjonarne) i od wielkości jednostek głównych.

1

2

11

8

9

10

12

14

13

8

7

5

4

3

6

Rys.1 Schemat przekładni hydrostatycznej z pompą o zmiennej wydajności i silnikiem o stałej
chłonności: 1- blok pompy z zaworami, 2 – blok silnika z zaworami, 3 – zbiornik oleju, 4 – filtr, 5 –
chłodnica, 6 – zawór odcinający, 7 – przewód obiegu głównego, 8 – przewód przecieków, 9 – zawór
przelewowy w pompie, 10 – zawór zwrotny, 11 – regulator wydajności pompy, 12 – zawory
bezpieczeństwa, 13 – rozdzielacz, 14 – zawór przelewowy w silniku

Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna

5

Obroty silnika są zmieniane wydajnością pompy głównej. Do sterowania wydajnością pompy

służy regulator 11 podający olej z pompy zębatej do siłowników wychylających tarczę oporową pompy
głównej, . Regulator może być sterowany ręcznie lub elektrycznie.

Obroty silnika zmienia się bezstopniowo a po przesterowaniu regulatora w drugą stronę

uzyskuje się zmianę kierunku obrotów silnika.

Zawór 6 wykorzystywany jest w sytuacjach, gdy przy awarii silnika napędzającego pompę

zachodzi potrzeba np. holowania pojazdu.


3.3 Charakterystyki przekładni

Charakterystykę zewnętrzną idealną w/w przekładni (dla np=const.) przedstawiono na rysunku

2. Maksymalny moment na wale silnika wynika z przyjęcia maksymalnego spadku ciśnienia na silniku.
W rzeczywistości moment, który pojawi się na wale silnika zależy od oporów ruchu napędzanej
maszyny roboczej i jego wartość może być dowolna (ale musi znajdować się poniżej linii poziomej
stałego momentu.














3.4. Zastosowanie przekładni

Niżej wymieniono typowe przykłady zastosowania omawianej przekładni hydrostatycznej

- napęd kół jezdnych maszyn rolniczych (kombajny zielonkowe, zbożowe), ciągnikow

ciężkich, koparek, ładowarek, wózków widłowych,

- napęd wciągarek dźwigów,

- napęd kół czerpakowych koparek ziemnych,

- napęd elementów roboczych traków do drewna,

- napęd elementów roboczych mlewników,

- napęd wciągarek i mechanizmów na statkach,

- napęd mechanizmów roboczych maszyn rolniczych .

4. Przekładnia hydrostatyczna pracująca w układzie zamkniętym z pompą o zmiennej
wydajności i silnikiem o zmiennej chłonności

Rys. 2 Charakterystyka zewnętrzna przekładni

Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna

6

5. Współczynniki sprawności silnika obrotowego

Sprawność całkowita (ogólna) silnika hydraulicznego wyraża stosunek mocy N

2

oddanej na wale do

mocy doprowadzonej z czynnikiem roboczym N

1

:

1

2

N

N

C

=

η

.

Rys. 3 Schemat przekładni hydrostatycznej z pompą o zmiennej wydajności i z silnikiem o zmiennej
chłonności (elementy składowe przekładni opisane jak na rys. 1)

Rys. 4 Symbol graficzny przekładni i jej charakterystyka zewnętrzna

Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna

7

Sprawność objętościową silnika wyraża stosunek chłonności teoretycznej Q do chłonności

rzeczywistej Qrz :

rz

Q

Q

=

η

.

Chłonność rzeczywista jest większa od teoretycznej o wartość przecieków występujących w silniku
(przecieki wewnętrzne).
Sprawność hydrauliczno-mechaniczna silnika zdefiniowana jest jako stosunek momentu
rzeczywistego uzyskiwanego na wale silnika do momentu teoretycznego (bez strat hydraulicznych i
mechanicznych w silniku):

t

rz

hm

M

M

=

η

.

Sprawność całkowitą silnika można też wyrazić iloczynem sprawności objętościowej i

hydrauliczno - mechanicznej

hm

V

m

h

V

C

η

η

η

η

η

η

⋅

=

⋅

⋅

=

.

6. Przykłady zastosowań przekładni hydrostatycznych w maszynach roboczych

Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna

8

Napęd hydrostatyczny równoległy z przekładnią zębatą sumującą i sprzęgłem. 1-pompa o zmiennej wydajności, 2,3- silnik o
zmiennej chłonności, 4- wał napędowy, 5- przekładnia główna z mechanizmem różnicowym, 6- pompa uzupełniająca
przecieki, 7- silnik spalinowy, 8- przekładnia sumująca