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 przeło\
enia 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
NS
·C =
NP
Inaczej sprawność całkowitą mo\
emy okreÅ›lić jako iloczyn sprawnoÅ›ci caÅ‚kowitej pompy ·cp,
sprawnoÅ›ci caÅ‚kowitej silnika ·cs , sprawnoÅ›ci caÅ‚kowitej instalacji i ukÅ‚adu sterowania przekÅ‚adniÄ…
·IUS:
·c = ·CP Å"·CS Å"·IUS
ZakÅ‚adajÄ…c sprawność ·IUS = 1 mo\
emy napisać:
·C = ·P Å"·S
Przeło\
enie dynamiczne id przekładni hydrostatycznej jest to stosunek momentu na wale silnika Ms do
momentu na wale pompy Mp
M
S
id =
M
P
Przeło\
enie kinematyczne ik przekładni hydrostatycznej to stosunek prędkości obrotowej pompy np do
prędkości obrotowej silnika ns
nP
ik = .
nS
Przy poczynionym wcześniej zało\
eniu ·IUS = 1 mo\
na równie\
zapisać, \
e sprawność całkowita
przekładni wynosi:
NS M Å" nS id
S
·C = = =
NP M Å" nP ik
P
Przeło\
enie przekładni hydrostatycznej mo\
e być stałe lub zmienne. Przekładnię o stałym przeło\
eniu
otrzymuje siÄ™ z jednostek wyporowych nie nastawnych, a wiÄ™c takich, dla których parametry µg = µs =
1. Przeło\
enie wyra\
a 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 przeło\
enia przekładni hydrostatycznej mo\
na dokonać stopniowo lub bezstopniowo.
Stopniową zmianę przeło\
enia przekładni mo\
na uzyskać stosując jako generator pompy
wielostrumieniowe, łączone wg określonego systemu z silnikiem o stałej chłonności. Zasadę tę mo\
na
odwrócić. Ciągła, bezstopniowa zmiana przeło\
enia przekładni hydrostatycznych wymaga ciągłej,
Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna
1
bezstopniowej zmiany natÄ™\
enia przepływu strumienia zasilającego silnik. Jeśli przekładnia jest
zestawiona z nie nastawnych jednostek wyporowych, to ciągłą zmianę prędkości obrotowej wału
silnika mo\
na uzyskać tylko stosując sterowanie dławieniowe.
Przekładnie hydrostatyczne sterowane dławieniowo są obarczone du\
ymi stratami i stosuje siÄ™
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 mo\
na wśród nich
wyró\
nić:
- przekładnie z pompą o zmiennej, sterowanej wydajności, dla której w najogólniejszym przypadku
parametr nastawy µg zmienia siÄ™ w przedziale i z silnikiem o staÅ‚ej chÅ‚onnoÅ›ci, w którym µs = 1;
- przekÅ‚adnie z pompÄ… staÅ‚ej wydajnoÅ›ci o parametrze µg = 1 i z silnikiem o nastawnej chÅ‚onnoÅ›ci, dla
którego parametr µs zmienia siÄ™ ciÄ…gle w przedziale
- przekÅ‚adnie z obiema sterowanymi jednostkami napÄ™dowymi, w których zarówno µg jak i µs
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 wydajnoÅ›ci generatora µg, a nastÄ™pnie zmienia siÄ™ parametr nastawy chÅ‚onnoÅ›ci silnika µs. 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 mo\
na
podzielić na luz
ne i zwarte. W przekładniach luz
nych, nazywanych równie\
rozdzielnymi, obie
jednostki mogą być oddalone od siebie na dowolną odległość, ograniczoną jedynie przez dopuszczalne
straty hydrauliczne w Å‚Ä…czÄ…cych je przewodach. Mo\
na 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
równie\
rolę zbiornika cieczy roboczej. Pod względem konstrukcji przekładnie te są porównywalne ze
skrzynkami przekładniowymi.
Przekładnie hydrostatyczne objętościowe mo\
na równie\
podzielić ze względu na konstrukcję
jednostek wyporowych (generatora i silnika), z których są zestawione. Podział ten odnosi się częściej
do przekładni zwartych, chocia\
i w przypadku przekładni luz
nych 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
mo\
e być podstawą do dalszego lub innego jeszcze podziału na przekładnie otwarte i zamknięte. W
przekładni otwartej cała ciecz krą\
ąca między pompą a silnikiem przechodzi przez zbiornik. Oznacza
to, \
e zasysany przez pompę ze zbiornika czynnik roboczy po przejściu przez silnik wraca znów do
zbiornika. Do zbiornika spływają równie\
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 krą\
Ä…cej 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 równie\
stałe wprowadzenie do obiegu pewnej objętości czynnika świe\
ego,
schłodzonego w zbiorniku i nie dopuszczanie w ten sposób do wzrostu temperatury czynnika
obiegowego przekładni ponad dopuszczalną wartość.
Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna
2
 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 ró\
nym stosunku zale\
nie
od nastawy jednostek wyporowych. Dzięki temu wykorzystuje się zalety lub eliminuje wady zwykłej
przekładni hydrostatycznej, w określonych zakresach przeło\
eń, zachowując przy tym mo\
liwość
bezstopniowej jej nastawy.
2. Zalety i wady przekładni hydrostatycznej
Zalety:
- mo\
liwość bezstopniowej realizacji przeło\
enia i prędkości ruchu roboczego,
- zdolność przenoszenia bardzo du\
ych mocy przez zwarte mechanizmy,
- posiadajÄ… zabezpieczenie przed przeciÄ…\
eniem,
- daleko posunięta unifikacja i normalizacja,
- du\
a swoboda usytuowania poszczególnych elementów i zespołów sterujących na konstrukcji
maszyny,
- mała bezwładność elementów ruchowych, du\
a szybkość reakcji.
Wady:
- du\
e koszty zakupu elementów,
- wra\
liwe na zanieczyszczenia,
- nieuniknione wycieki oleju,
- maÅ‚a sprawność przy maÅ‚ych µ,
- 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 poglÄ…dowy
3.2. Schemat przekładni i zasada działania
Na rysunku przedstawiono schemat dokładny w/w przekładni. Przekładnię tą mo\
na zło\
yć z
jednostek produkowanych w A
odzi w Zakładach Elementów Hydrauliki Siłowej. Prostokąt 1 (linia
punktowa cienka) zawiera wszystkie elementy zabudowane w pompie a prostokÄ…t 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
3
11
1
2
13
12
6
10
14
8
9
5
4
7
8
3
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
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, \
e nadwy\
ka 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 (maÅ‚e opory) o dokÅ‚adnoÅ›ci oczyszczenia okoÅ‚o 15 µm.
Zbiornik oleju nie ma objętości jak w układzie otwartym, ale znacznie mniejszą zale\
nÄ… od
stopnia nagrzewania się oleju w układzie, od miejsca zabudowy przekładni (pojazd, urządzenie
stacjonarne) i od wielkości jednostek głównych.
Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna
4
 Obroty silnika są zmieniane wydajnością pompy głównej. Do sterowania wydajnością pompy
słu\
y regulator 11 podający olej z pompy zębatej do siłowników wychylających tarczę oporową pompy
głównej, . Regulator mo\
e być sterowany ręcznie lub elektrycznie.
Obroty silnika zmienia siÄ™ bezstopniowo a po przesterowaniu regulatora w drugÄ… stronÄ™
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 zale\
y od oporów ruchu napędzanej
maszyny roboczej i jego wartość mo\
e być dowolna (ale musi znajdować się poni\
ej linii poziomej
stałego momentu.
Rys. 2 Charakterystyka zewnętrzna przekładni
3.4. Zastosowanie przekładni
Ni\
ej wymieniono typowe przykłady zastosowania omawianej przekładni hydrostatycznej
- napęd kół jezdnych maszyn rolniczych (kombajny zielonkowe, zbo\
owe), ciÄ…gnikow
ciÄ™\
kich, koparek, ładowarek, wózków widłowych,
- napęd wciągarek dz
wigów,
- 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
Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna
5
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
5. Współczynniki sprawności silnika obrotowego
Sprawność całkowita (ogólna) silnika hydraulicznego wyra\
a stosunek mocy N2 oddanej na wale do
mocy doprowadzonej z czynnikiem roboczym N1 :
N2
·C = .
N1
Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna
6
Sprawność objętościową silnika wyra\
a stosunek chłonności teoretycznej Q do chłonności
rzeczywistej Qrz :
Q
· = .
Qrz
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):
M
rz
·hm = .
M
t
Sprawność całkowitą silnika mo\
na te\
wyrazić iloczynem sprawności objętościowej i
hydrauliczno - mechanicznej
·C = ·V Å"·h Å"·m =·V Å"·hm .
6. Przykłady zastosowań przekładni hydrostatycznych w maszynach roboczych
Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna
7
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 ró\
nicowym, 6- pompa uzupełniająca
przecieki, 7- silnik spalinowy, 8- przekładnia sumująca
Konspekt: Przekładnia hydrostatyczna
8