Моторно-трансмиссионные установки (МТУ) предназначены для вырабатывания, трансформации и применения в виде полезной работы энергии используемого топлива. Функциональные возможности транспортных средств, в частности трактора, определяются разнообразием регулирующих свойств МТУ. Совокупный потенциал регулирующих свойств МТУ трактора должен быть весьма высоким. При этом должно обеспечиваться раздельное и совместное регулирование в заданных пределах тягового усилия и скорости движения трактора, крутящего момента [1].
Для оценки свойств двигателей приняты следующие основные характеристики и параметры:
- внешняя скоростная характеристика, представляющая собой зависимости крутящего момента, мощности и удельного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала (Рис. 1);
- коэффициент приспособляемости двигателя, определяемый отношением максимального значения крутящего момента к его значению при номинальной частоте вращения коленчатого вала;
- для оценки приспособляемости тракторных двигателей используют также коэффициент запаса крутящего момента;
- коэффициент снижения частоты вращения двигателя, характеризуемый отношением частоты вращения коленчатого вала на режиме максимального крутящего момента к частоте вращения на номинальном режиме работы;
- многопараметровая характеристика двигателя (Рис. 2), представляющая собой зависимости удельных расходов топлива и мощности от крутящего момента (среднего эффективного давления) и частоты вращения коленчатого вала.
Для трансмиссии приняты следующие параметры: диапазоны непрерывного или ступенчатого регулирования крутящего момента и частоты вращения (т. е. отношение максимальных значений этих параметров к минимальным на выходном валу), КПД, нагружающие возможности или прозрачность ее характеристики. При этом прозрачность характеристики определяет степень использования внешней характеристики двигателя.
При трансмиссии с непрозрачной характеристикой на внешней характеристике двигателя реализуется лишь режим, соответствующий номинальной частоте вращения коленчатого вала [2].
Современные тракторные МТУ создаются в основном на базе дизелей и механических или гидромеханических трансмиссий. Тракторные трансмиссии по свойствам, параметрам и конструктивному исполнению разнообразны. Например, в гидромеханических трансмиссиях в качестве преобразователей использованы гидродинамические трансформаторы, объемные гидропередачи и гидродинамические муфты. Механические ступенчатые трансмиссии различаются между собой распределением передач и способом их переключения. Имеются и другие конструктивные решения механических трансмиссий. Разнообразие конструктивных решений трансмиссий объясняется условиями работы тракторов. Однако при этом немаловажное значение имеют свойства тракторных дизелей.
Дизели получили преимущественное распространение на тракторах в основном благодаря высокой топливной экономичности. С внедрением газотурбинного наддува созданы условия для дальнейшего совершенствования рабочих процессов тракторных дизелей и улучшения их удельных и экономических показателей. Применение турбонаддува и охлаждения наддуваемого воздуха позволило увеличить литровую мощность тракторных дизелей до 15—17 кВт/л и снизить удельные расходы топлива на номинальном режиме до 230—250 г/(кВт-ч). Тем не менее, еще не использованы полностью возможности, связанные с оптимизацией рабочего процесса дизеля с турбонаддувом, повышением его механического КПД, в том числе путем применения поршневой группы пониженного трения [3].
Если турбонаддув является эффективным средством повышения экономичности дизелей, то при этом коэффициент приспособляемости практически не изменяется. Его значения по-прежнему остаются невысокими и составляют 1,10—1,15, т. е. коэффициент запаса крутящего момента на конкретном участке характеристики не превышает 10—15%. Как видно из Рис. 1.1, режим максимальной мощности дизеля совпадает, как правило, с режимом номинальной частоты вращения коленчатого вала. В частности, мощность на режиме максимального крутящего момента меньше максимальной мощности на 20—25%. Между тем именно на эту зону конкретном участка характеристики чаще всего приходятся наиболее экономичные режимы работы дизеля с турбонаддувом. Следует отметить, что область средних частот вращения наиболее экономична на частичных подачах топлива при неполной нагрузке дизеля (см. рис. 2). Аналогичное изменение удельных расходов топлива характерно также для зарубежных дизелей с турбонаддувом.
Отмеченные особенности дизелей с турбонаддувом определяют характер их использования на тракторах. Наиболее выгодным с точки зрения энергоотдачи является режим максимальной мощности дизеля. Однако надежная работа на этом режиме может быть обеспечена только при установившемся характере нагружения дизеля, когда относительные отклонения нагрузки от ее среднего значения не превышают коэффициент запаса крутящего момента. Поэтому возможности использования конкретного участка характеристики в зоне минимальных расходов топлива еще более ограничены.
За критерий оптимизации моторно-трансмиссионной установки в данной статье принята степень использования мощности двигателя, т.к. он наглядно показывает, насколько эффективно работает трансмиссия, как точно подобраны характеристики двигателя и трансмиссии, качество комплексного регулирования моторно-трансмиссионной установки в целом. Степень использования мощности двигателя получают экспериментально, по графикам тяговых кривых. Степень использования мощности рассчитывается как отношение площади под реальными тяговыми кривыми к площади под потенциальной кривой.
Совершенствование моторно-трансмиссионных установок с целью повышения экономичности может быть достигнуто следующим образом:
- Применение коробок передач с безразрывным потоком мощности. Существуют разработки Санкт-Петербургского Государственного технического университета, фирмы «Renault»;
- Применение бесступенчатых механизмов поворота на основе гидрообъемной передачи. Разработка ВолгГТУ;
- Применение бесступенчатой трансмиссии с комбинацией механической и гидростатической передачи. Разработка фирмой «Fendt».