The Analysis and Design of a Hydraulic Transmission for Automotive Use

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THE ANALYSIS AND DESIGN OP A HYDRAULIC ffiANSMISSION FOR AUTOMOTIVE USE

THESIS

S u b m itte d i n p a r t i a l f u l f i l l m e n t o f th e r e q u ir e m e n ts f o r th e d eg ree of

MASTER OF MECHANICAL ENGINEERING a t th e

POLYTECHNIC INSTITUTE OF BROOKLYN

Leon J . M in tz

J u n e 1950

A p p ro v e d :

T h ^ W A dvisèy

p a rtm e M

ProQuest Number: 27591461

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ACKNOWLEDGMENT The a u t h o r t a k e s t h i s o p p o r t u n i t y t o p r e s e r v e p e r m a n e n t l y an e x p r e s s io n o f a p p r e c i a t i o n f o r th e in v a l u a b l e g u id an c e a f f o r d e d h im i n t h i s w ork by P r o f e s s o r B*. L . M i d g e t t e , Head o f t h e D e p a r tm e n t o f M e c h a n ic a l E n g i n e e r i n g o f t h e I n s t i t u t e .

TABLE OF CONTENTS

P art I.

In tro d u c tio n

................ ......................

P ag e 1 3

P art I I .

The I d e a l T r a n s m i s s i o n .

P art I I I .

The B a s i c L i n e a r G o v e r n o r ..................

11

P a r t IV .

The D e t e r m i n a t i o n o f G o v e rn o r C h a r a c t e r ­ istic s

16

P a r t V.

S am ple G o v e r n o r D e s i g n .

P a r t V I.

C o n c lu sio n s

....................

.............

A p p e n d ix A . #A M e c h a n ic a l G o v e r n o r B i b l i o g r a p h y .............................................

21 36

................

38 41

I.

Introduction U n t i l s e v e r a l y e a r s a g o , a l l a u to m o tiv e tr a n s m is s io n s

w e re f o u r o r f i v e s p e e d g e a r b o x e s w i t h e i t h e r m an u a l o r a u t o ­ m atic s h i f t s .

T h e s e t r a n s m i s s i o n s made n e c e s s a r y a c l u t c h ,

d r i v e s h i f t , d i f f e r e n t i a l r e a r e n d , a n d two a x l e s t o t r a n s m i t t h e e n g i n e p o w er t o t h e w h e e l s .

A lth o u g h th e f i r s t e n t i r e l y

m an u a l s y s te m s w e re g r a d u a l l y made a u t o m a t i c , no b a s i c c h a n g e was made u n t i l t h r e e y e a r s a g o when t h e h y d r a u l i c t o r q u e c o n ­ v e r t e r was i n t r o d u c e d . W h ile t h e t o r q u e c o n v e r t e r made t h e t r a n s m i s s i o n s y s t e m v a s t l y more f l e x i b l e by p r o v i d i n g a n i n f i n i t e num ber o f t o r q u e a n d s p e e d r a t i o s W i t h i n a s m a l l r a n g e , t h e s y s t e m was n o t s im ­ p l i f i e d s i n c e a l l o f t h e o l d c o m p o n e n ts w e re s t i l l n e c e s s a r y . E ven t h e g e a r bo x c o u l d n o t be e l i m i n a t e d b e c a u s e i t was n e c ­ e s s a r y t o c h an g e t h e r a n g e a n d a l s o t o p r o v i d e a r e v e r s e . The t o r q u e c o n v e r t e r r e p r e s e n t s one o f two p o s s i b l e m eth o d s of p ro d u cin g a tr a n s m is s io n h y d r a u l i c a l l y . c o n v e rte r i s k i n e tic energy.

T h eb asis o f th e

I t c o n sists of a c e n trifu g a l

puiTp i n s e r i e s w i t h a t u r b i n e , w i t h a s t a t o r , o r a s e r i e s o f s t a t o r s , b e tw e e n t h e t u r b i n e o u t l e t a n d t h e pump i n l e t .

The

s t a t o r c o n s e r v e s t h e e x i t v e l o c i t y o f t h e t u r b i n e a n d im­ p r e s s e s i t on t h e pump i n l e t t h u s p r o d u c i n g a t o r q u e m u l t i p l i ­ c a tio n .

The m a g n i t u d e o f t h e m u l t i p l i c a t i o n , f o r a n y g i v e n

d e s i g n , d e p e n d s on t h e s p e e d d i f f e r e n c e b e tw e e n t h e pump a n d th e tu r b in e ,

th u s g iv in g an i n f i n i t e l y v a r i a b l e tr a n s m is s io n

w i t h i n t h e r a n g e o f t h e m e c h a n ism .

The s e c o n d m eth o d o f p r o d u c i n g

a h y d ra u lic tra n sm issio n

i s b a s e d on p o t e n t i a l o r p r e s s u r e e n e r g y *

T h is t r a n s m i s s io n

c o n s i s t s o f a h y d r a u l i c p i s t o n p u n p , w h ic h d r i v e s f l u i d m o to r s m o u n te d o n t h e w h e e ls o f t h e a u t o . ra tio

The v a r i a t i o n o f t h e t o r q u e

i s o b t a i n e d by u s i n g e i t h e r a v a r i a b l e volum e pump o r a

v a r i a b l e volum e m o t o r .

The a d v a n t a g e o f t h i s

ty p e o f t r a n s m i s s io n

i s t h a t i t e l i m i n a t e s a l l o f t h e o t h e r m ec h an ism n e c e s s a r y t o c o n v e n tio n a l sy ste m s. The c l u t c h i s e l i m i n a t e d b e c a u s e t h e pump d i s p l a c e m e n t may b e r e d u c e d t o z e r o t o d i s c o n n e c t t h e e n g i n e f r o m t h e w h e e l s . The g e a r b o x i s no l o n g e r n e c e s s a r y s i n c e t h e r a n g e o f t h e v a r ­ i a b l e e le m e n t may b e made a s l a r g e a s n e c e s s a r y a n d r e v e r s i n g may b e a c c o m p l i s h e d b y r e v e r s i n g t h e d i r e c t i o n o f f lo w w i t h t h e volum e c o n t r o l o r w i t h a n a u x i l l i a r y v a l v e .

The d i i v e s h a f t ,

r e a r e n d a n d a x l e s a r e r e p l a c e d by t h e l i n e s c o n n e c t i n g t h e pump t o t h e m o t o r s .

The o n l y a d d i t i o n a l e le m e n t n e c e s s a r y b e ­

s i d e s pump a n d m o to r s i s a c o n t r o l s y s t e m t o s e t t h e p r o p e r tra n s m iss io n r a t i o under v a rio u s d riv in g c o n d itio n s . S i n c e t h e m e th o d l a s t d e s c r i b e d o f f e r s a d v a n t a g e s n o t o b ­ t a i n a b l e w i t h c o n v e n t i o n a l t r a n s m i s s i o n s y s te m s i t seem s d e ­ s i r a b l e t o i n v e s t i g a t e i t s p o s s i b i l i t i e s i n more d e t a i l .

I t is

t h e r e f o r e th e p u rp o se o f t h i s p a p e r to d e te rm in e th e n e c e s s a r y c h a r a c t e r i s t i c s o f an i d e a l a u to m o tiv e t r a n s m is s io n and to de­ s i g n a c o n t r o l s y s t e m f o r a t r a n s m i s s i o n w h ic h w i l l p r o d u c e th ese c h a r a c te r i s t i c s .

II.

The Ideal Transmission The f u n c t i o n o f a n a u t o m o t i v e t r a n s m i s s i o n i s t o t r a n s m i t

t h e p o w er p r o d u c e d by t h e e n g i n e t o t h e w h e e ls w i t h a s u i t a b l e to rq u e m u lt i p li c a t io n .

The p r o p e r t o r q u e r a t i o , h o w e v e r , v a r i e s

w i t h t h e c o n d i t i o n s u n d e r w h ic h t h e a u t o i s o p e r a t i n g , a n d i s n o t s o l e l y d e p en d e n t upon th e c a r s p e e d .

As a n i l l u s t r a t i o n o f

t h i s , c o n s id e r f i r s t an a u to t r a v e l i n g a t t h i r t y m ile s p e r hour a t c o n sta n t speed.

U nder t h e s e c o n d i t i o n s t h e t r a n s m i s s i o n

s h o u l d p r o v i d e a r a t i o w h ic h w i l l a l l o w t h e e n g i n e t o p r o d u c e t h e p ow er n e c e s s a r y w i t h minimum f u e l c o n s u m p ti o n .

T h is means t h a t

t h e e n g i n e s h o u l d b e o p e r a t e d a t n e a r l y w id e o p en t h r o t t l e s i n c d econom y, i n a n a u t o m o t i v e e n g i n e , d e p e n d s m ore on t h r o t t l e p o s i t i o n t h a n on e n g i n e s p e e d f o r a g i v e n p o w e r .

N ex t, c o n s id e r

t h e same a u t o a c c e l e r a t i n g w h i l e t r a v e l l i n g a t t h i r t y m i l e s p e r h o u r.

Now t h e p r o p e r r a t i o

i s one w h ic h w i l l a l l o w t h e e n g i n e

t o p r o d u c e s u f f i c i e n t pow er t o d r i v e t h e c a r a t t h i r t y m i l e s p e r h o u r p l u s en o u g h e x t r a po w er t o a l l o w t h e a u t o t o a c c e l e r a t e a t th e d e sire d r a t e .

These c o n d itio n s s h o u ld a l s o be f u l f i l l e d

w i t h maximum p o s s i b l e econoggr. O b v i o u s l y , i t w o u ld n o t b e p o s s i b l e t o m ee t b o t h o f t h e s e c o n d i t i o n s w i t h t h e same t r a n s m i s s i o n r a t i o .

What i s n e e d e d i s

a t r a n s m i s s i o n w h ic h i s i n f i n i t e l y v a r i a b l e w i t h i n a g i v e n r a n g e , a n d a g o v e r n i n g s y s t e m to a d j u s t t h e r a t i o

to m eet th e o p e r a t o r s

w ish e s. A g o v e r n i n g s y s t e m to r e s p o n d t o t h e d r i v e r ' s w i s h e s m u st be s e n s i t i v e to th e t h r o t t l e p e d a l of th e a u to s in c e t h i s i s

t h e o n l y way i n w h ic h t h e d r i v e r c a n t r a n s m i t h i s w i s h e s t o t h e c o n tro ls.

The g o v e r n o r m u s t a l s o b e s e n s i t i v e

to t h e a u t o s p e e d

s i n c e t h e p r o p e r r a t i o w i l l b e p a r t l y d e p e n d e n t on t h a t .

An i n ­

p u t f r o m t h e e n g i n e s p e e d i s n o t n e c e s s a r y b e c a u s e i t i s known i f t h e c a r s p e e d a n d t h e t r a n s m i s s i o n r a t i o . a r e known. A l l th e c h a r a c t e r i s t i c s n e c e s s a r y f o r an i d e a l tr a n s m i s s io n a r e s t a t e d above b u t i t

i s c o n v e n ie n t to r e s t a t e

them i n a f o r m

more e a s i l y u t i l i s a b l e i n d e s i g n i n g a t r a n s m i s s i o n .

The f i r s t

c o n d i t i o n o f maximum econoigy f o r c o n s t a n t s p e e d o p e r a t i o n i s r e a l l y one l i m i t o f t h e s e c o n d c o n d i t i o n o f maximum economy w i t h an y g i v e n a c c e l e r a t i o n p o t e n t i a l .

That i s ,

th e f i r s t c o n d itio n

i s one o f maximum economy w i t h z e r o a c c e l e r a t i o n p o t e n t i a l .

The

o t h e r l i m i t o f t h e s e c o n d c o n d i t i o n i s maximum a c c e l e r a t i o n p o t e n t i à l w i t h o u t r e a g r d t o econom y, s i n c e i t i s n o t p o s s i b l e to a c h i e v e b o t h a t t h e same t i m e . T h i s i m p l i e s t h a t t h e e n g i n e b e o p e r a t e d a t w id e o p e n t h r o t t l e a t maximum h o r s e p o w e r s p e e d r e ­ g a rd le s s of a u to speed. T h is se c o n d s ta te m e n t o f th e c o n d it i o n s s u g g e s ts t h a t th e g o v ern o r s e t th e tr a n s m is s io n r a t i o

t o g i v e maximum a c c e l e r a t i o n

when t h e t h r o t t l e p e d a l i s a t i t s maximum p o s i t i o n . w i l l b e shown t o d e p e n d o n l y on t h e a u t o s p e e d .

T h is r a t i o

When t h e t h r o t t l e

p e d a l i s a t any i n te r m e d i a t e p o s i t i o n th e g o v e rn o r o u tp u t sh o u ld b e m o d i f i e d to g i v e a r a t i o w h ic h p r o v i d e s a n a c c e l e r a t i o n p o ­ t e n t i a l i n p r o p o r tio n to th e c a r sp eed i n c r e a s e s ,

th e t h r o t t l e p e d a l s e t t i n g a n d t h e n a s be c o n tin u o u s ly m o d ifie d u n t i l th e c a r

i s m oving a t t h e maximum s p e e d p o s s i b l e , c o n s i s t a n t w i t h eco n o iy , a t th e t h r o t t l e

se ttin g .

16)

2 Lü #— CO >-

CL

CO

o cr H O O

Z

IL

o

CO Lü Z

o

CL

S

o o

z

^

CD C

A t r a n s m i s s i o n s y s t e m w h ic h w i l l m e e t t h e c o n d i t i o n s s t a t e d may b e p r o d u c e d w i t h t h e f o l l o w i n g c o m p o n e n ts :

(see P ig . I)

A v a r i a b l e volum e h y d r a u l i c pump d i r e c t l y c o u p l e d t o t h e e n g i n e s u p p l y i n g o i l u n d e r p r e s s u r e t o d r i v e f l u i d m o to r s c o u p l e d to th e a u to w h e e ls.

W ith a n y g i v e n s e t o f co m p o n en ts t h e volune

o u t p u t o f t h e punç) p e r r e v o l u t i o n w i l l be d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l to th e r a t i o o f a u to sp e e d to e n g in e s p e e d .

The r e q u i r e d c o n t r o l

sy ste m , m ust be s e n s i t i v e to a u to sp eed and t h r o t t l e p e d a l p o­ s i t i o n , a n d m u s t c o n t r o l t h e volum e o u t p u t p e r r e v o l u t i o n o f th e pump.

I n t h e f o l l o w i n g a n a l y s i s t h e pump w i l l b e c o n s i d e r e d a s

a n a x i a l p i s t o n t y p e ( P i g . 8) w i t h a v a r i a b l e p l a t e a n g l e , a n d t h e m o to r s a s e i t h e r g e a r o r v a n e t y p e . W ith t h i s p i c t u r e o f t h e d e s i r a b l e c h a r a c t e r i s t i c s o f a n i d e a l t r a n s m i s s i o n , a n d a s e t o f co m p o n e n ts w h ic h a r e c a p a b l e of p ro d u cin g th e s e c h a r a c t e r i s t i c s ,

i t i s n e c e s s a r y to e v o lv e a

s u i t a b l e p ro c e d u re f o r d e s ig n in g a c o n t r o l sy ste m , and to d e t e r ­ m ine w h a t d a t a w i l l b e n e c e s s a r y t o c a r r y t h r o u g h s u c h a p r o c e d ­ u re.

F i r s t c o n s i d e r t h e c o n d i t i o n s f o r maximum a c c e l e r a t i o n .

■

To g e t maximum p o w e r f o r . a c c e l e r a t i o n a t a n y a u t o s p e e d t h e e n g i n e m u s t o p e r a t e a t t h e p o i n t a t w h ic h i t w i l l make max­ imum pow er a v a i l a b l e a t t h e w h e e l s .

T h is w i l l h a p p e n a t w id e

open t h r o t t l e and a t a n e n g in e s p e e d a p p ro x im a te ly e q u a l to th e s p e e d f o r maximum b r a k e h o r s e p o w e r . re m a in c o n s t a n t i f

The e n g i n e c o n d i t i o n s w i l l

th e l o s s e s i n t h e s y s te m a r e ta k e n to be a

c o n s t a n t p e r c e n t a g e o f t h e pow er b e i n g t r a n s m i t t e d . a n y c a r s p e e d a n d any e n g i n e s p e e d :

T h u s, f o r

U)

% 3 Q. w z 3 O > UJ m < or


CM

O U.

{S')

h Tw N # = %

Ml

W here; T =. t o r q u e N = Speed E = e n g in e W =t w h e e l L e t: R = % /N ^

T ra n sm issio n r a t i o

Then: kT^/Tg =

R

b u t f o r maximum pow er

a n d T^ a r e c o n s t a n t .

T h erefo re: ( 1)

RNw- c o n s ta n t

Thus th e r e l a t i o n i s h y p e r b o l i c . Now t h e t r a n s m i s s i o n r a t i o , R, i s d e t e r m i n e d by t h e s t r o k e d , o f t h e pump: , R ï= C /d Where C i s a c o n s t a n t d e p e n d i n g on t h e r e l a t i v e and m o to rs.

s i z e s o f pump

T h erefo re:

d = C/R = CN^N, Where Ng i s c o n s t a n t . Thus d m u s t v a r y l i n e a r l y w i t h t h e c a r s p e e d , a n d s i n c e tbs g o v e r n o r o u t p u t J? , i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e s t r o k e o f t h e

W)

pulîÇ), t h e o u t p u t o f t h e g o v e r n o r , f o r maximum a c c e l e r a t i o n , m u st be l in e a r . The s e c o n d l i m i t i n g c o n d i t i o n ,

t h a t o f maximum economy a t

z e r o a c c e l e r a t i o n , r e q u i r e s t h a t c o n s t a n t s p e e d o p e r a t i o n be a t b e s t economy f o r t h e p o w er b e i n g p r o d u c e d .

T h is p o i n t o c c u rs a t

a b o u t 80% l o a d r e g a r d l e s s o f s p e e d s i n c e a u t o m o t i v e c a r b u r e t o r s e n r i c h t h e m i x t u r e a t h i g h e r l o a d s , a n d ecomamy i s a l s o p o o r a t low l o a d s b e c a u s e o f t h e h i g h pum ping l o s s e s .

T h is s u g g e s ts t h a t

th e t h r o t t l e p e d a l sh o u ld n o t c o n tr o l th e t h r o t t l e

d ire c tly but

r a t h e r t h r o u g h a cam w h ic h w o u ld k e e p t h e t h r o t t l e s e t a t a b o u t 80% l o a d f o r a l l p o s s i b l e c a r s p e e d s .

The t r a n s m i s s i o n r a t i o

w o u ld t h e n b e a d j u s t e d t o h o l d t h e e n g i n e s p e e d a t a p o i n t wheie j u s t e n o u g h power, was p r o d u c e d t o d r i v e t h e c a r .

T h is i d e a l can#

n o t b e c o m p l e t e l y r e a l i z e d b e c a u s e a t c a r s p e e d s b e lo w 20 mph t h e e n g i n e s e t a t 80% l o a d w i l l p r o d u c e m ore pow er t h a n i s n e c e s s a r y , when i t i s r u n n i n g a t i t s

l o w e s t sm o o th s p e e d .

A t t h e s e low

s p e e d s a co m pro m ise m u s t b e r e a c h e d b e tw e e n b e s t economy a n d sm ooth o p e r a t i o n . The a c t u a l r a t i o s n e e d e d t o m e e t t h e maximum economy c o n ­ d i t i o n c a n n o t b e so s i m p l y f o r m u l a t e d a s b e f o r e s i n c e t h e s e r a t i o s w i l l d e p e n d on t h e e n g i n e c h a r a c t e r i s t i c s ,

th e a i r drag o f th e

a u to , th e ro a d r o l l i n g r e s i s t a n c e o f th e a u to , and th e p erfo rm an ce c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e pump a n d w h e e l m o t o r s .

I t w i l l p ro b a b ly

n o t be p o s s ib le to ex p re ss th e v a r i a t i o n o f th e r a t i o f o r th is c o n d i t i o n i n a sim p le e x p r e s s io n , and t h e r e f o r e i t i s n e c e s s a r y t o d i s c u s s m e th o d s o f p l o t t i n g t h e n e c e s s a r y d a t a i n a f o r m w h i c h may b e e a s i l y u t i l i z e d .

yo)

I t i s now p o s s i b l e t o d e s i g n t h e b a s i c s p e e d - r e s p o n s i v e g o v e r n o r a n d d i s c u s s m e th o d s o f m o d if y i n g i t s th e re q u ire d tra n sm issio n c h a r a c t e r i s t i c s .

o u tp u t to g iv e

III.

The B a s i c L i n e a r G o v e rn o r A h y d r a u lic g o v ern o r c o n s is tin g o f a p o s i t iv e d isp la c em e n t

puîïÇ) a n d a s p r i n g l o a d e d p i s t o n i n a c y l i n d e r w i l l b e d i s c u s s e d . The punç) d i s c h a r g e s t h r o u g h a n o r i f i c e s l o t c u t i n t h e s i d e o f t h e c y l i n d e r so t h a t t h e p i s t o n p o s i t i o n w i l l d e t e r m i n e t h e s i z e o f th e o r i f i c e . c a r w h eel.

(P ig .3 ).

T h is g o v e r n o r pump w i l l b e d r i v e n b y a

The f o l l o w i n g sy m b o ls w i l l b e u s e d i n t h e d i s c u s s i o i :

q - g o v e r n o r pump d i s p l a c e m e n t p e r r e v o l u t i o n , c u . i n . N - pump s p e e d , r e v o l u t i o n s p e r m in u te Q - pump d i s p l a c e m e n t p e r m i n u t e , c u . i n . / m i n u t e A - g o v ern o r p i s t o n a r e a , s q . i n .

^

jZ - g o v e r n o r p i s t o n d i s p l a c e m e n t f r o m i n i t i a l p o s i t i o n , i n . jZo- i n i t i a l c o m p r e s s i o n o f s p r i n g , i n . k*- sp rin g c o n sta n t, l b s . / i n . w - w id th o f o r i f i c e s l o t a t any p o i n t , i n . V - v e l o c i t y o f f lo w t h r o u g h o r i f i c e , V

- S p e c i f i c volum e o f o i l ,

in ./m in u te

cu. i n ./ l b .

p - o il p ressu re, p si Pg^- a t m o s p h e r i c p r e s s u r e , p s i c^- O rific e c o e f f i c i e n t of d isc h a rg e g - a c c e le r a tio n of g r a v ity , in ./m in u te ^

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