Гидравлическая муфта

Маховик автомобильной жидкости Daimler 1930-х годов

Гидромуфты или гидравлическая муфта является гидродинамическим или «гидрокинетической» устройства , используемым для передачи механической энергии вращающимся. ^[1] Он использовался в автомобильных трансмиссиях как альтернатива механическому сцеплению . Он также широко применяется в приводах судовых и промышленных машин, где важна работа с регулируемой скоростью и управляемый запуск без ударной нагрузки системы передачи энергии.

Такие гидрокинетические приводы следует отличать от гидростатических приводов , таких как комбинации гидравлического насоса и двигателя .

История [ править ]

Гидравлическая муфта является результатом работы Германа Феттингера , который был главным конструктором на заводе AG Vulcan в Штеттине . ^[2] Его патенты от 1905 года касались как гидравлических муфт, так и гидротрансформаторов .

Доктор Густав Бауэр из компании Vulcan-Werke сотрудничал с английским инженером Гарольдом Синклером из компании Hydraulic Coupling Patents Limited, чтобы адаптировать муфту Феттингера к трансмиссии автомобиля в попытке смягчить крен, который Синклер испытал во время езды на лондонских автобусах в 1920-е годы ^[2] . В октябре 1926 года начались переговоры с лондонской компанией General Omnibus и испытания шасси ассоциированного автобуса Daimler. Перси Мартин из Daimler решил применить этот принцип к частным автомобилям группы Daimler. ^[3]

В 1930 году компания Daimler из Ковентри, Англия, начала внедрять систему трансмиссии с использованием гидравлической муфты и самоизменяющейся коробки передач Wilson для автобусов и их флагманских автомобилей . К 1933 году система использовалась во всех новых автомобилях Daimler, Lanchester и BSA, производимых группой, от тяжелых коммерческих автомобилей до небольших автомобилей. Вскоре он был распространен на военные автомобили Daimler. Эти муфты описаны как сконструированные в соответствии с патентами Vulcan-Sinclair и Daimler. ^[3]

В 1939 году корпорация General Motors представила Hydramatic drive , первую полностью автоматическую автомобильную трансмиссию, установленную на серийно выпускаемых автомобилях. ^[2] Hydramatic использовала гидравлическую муфту.

Первые тепловозы с гидравлическими муфтами также были произведены в 1930-х годах ^[4].

Обзор [ править ]

Гидравлическая муфта состоит из трех компонентов, а также гидравлической жидкости :

• Корпус, также известный как кожух ^[5] (который должен иметь маслонепроницаемое уплотнение вокруг приводных валов), содержит жидкость и турбины.
• Две турбины (веерообразные компоненты):
  • Один подключен к входному валу; известное как насос или рабочее колесо , ^[5] первичное колесо ^[5] входная турбина
  • Другой соединен с выходным валом, известным как турбина , выходная турбина , вторичное колесо ^[5] или бегунок.

Приводная турбина, известная как «насос» (или ведущий тор ^[a] ), вращается первичным двигателем , которым обычно является двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель . Движение крыльчатки сообщает жидкости как прямое, так и вращательное движение наружу.

Гидравлическая жидкость направляется в «насос», форма которого силы потока в направлении выходного «турбины» (или ведомых тора ^[A] ). Здесь любая разница в угловых скоростях «входного каскада» и «выходного каскада» приводит к результирующей силе на «выходной турбине», вызывающей крутящий момент; таким образом заставляя его вращаться в том же направлении, что и насос.

Движение жидкости фактически тороидальное - движение в одном направлении по траекториям, которые можно представить себе как на поверхности тора :

• Если есть разница между входной и выходной угловыми скоростями, движение имеет круговую составляющую (т. Е. Вокруг колец, образованных секциями тора).
• Если входная и выходная каскады имеют одинаковые угловые скорости, чистая центростремительная сила отсутствует - и движение жидкости является круговым и соосным с осью вращения (то есть вокруг краев тора), поток жидкости отсутствует. от одной турбины к другой.

Скорость сваливания [ править ]

Важной характеристикой гидромуфты является ее скорость срыва. Скорость остановки определяется как максимальная скорость, с которой насос может вращаться, когда выходная турбина заблокирована и приложен полный входной крутящий момент (при скорости остановки). В условиях остановки вся мощность двигателя на этой скорости будет рассеиваться в гидравлической муфте в виде тепла, что может привести к повреждению.

Связь ступенчатой ​​схемы [ править ]

Модификацией простой гидравлической муфты является ступенчатая муфта, которая ранее производилась как «муфта STC» компанией Fluidrive Engineering.

Муфта STC содержит резервуар, в который стекает часть масла, но не все, когда выходной вал останавливается. Это снижает «лобовое сопротивление» первичного вала, что приводит к снижению расхода топлива на холостом ходу и снижению склонности автомобиля к «медленному скольжению».

Когда выходной вал начинает вращаться, масло под действием центробежной силы выбрасывается из резервуара и возвращается к основному корпусу муфты, так что нормальная передача мощности восстанавливается. ^[6]

Slip [ править ]

Гидравлическая муфта не может развивать выходной крутящий момент, если входная и выходная угловые скорости идентичны. ^[7] Следовательно, гидравлическая муфта не может обеспечить 100-процентный КПД передачи мощности. Из-за проскальзывания, которое происходит в любой гидравлической муфте под нагрузкой, некоторая мощность всегда будет теряться из-за гидравлического трения и турбулентности и рассеиваться в виде тепла. Как и другие гидродинамические устройства, его эффективность имеет тенденцию постепенно увеличиваться с увеличением масштаба, что измеряется числом Рейнольдса .

Гидравлическая жидкость [ править ]

Поскольку гидравлическая муфта работает кинетически, предпочтительны жидкости с низкой вязкостью . ^[7] Обычно используются всесезонные моторные масла или жидкости для автоматических трансмиссий . Увеличение плотности жидкости увеличивает крутящий момент, который может передаваться при заданной входной скорости. ^[8] Однако гидравлические жидкости, как и другие жидкости, подвержены изменению вязкости при изменении температуры. Это приводит к изменению характеристик трансмиссии, и поэтому там, где нежелательное изменение характеристик / эффективности должно быть сведено к минимуму, следует использовать моторное масло или жидкость для автоматических трансмиссий с высоким индексом вязкости .

Гидродинамическое торможение [ править ]

Гидравлические муфты также могут действовать как гидродинамические тормоза , рассеивая энергию вращения в виде тепла за счет сил трения (как вязких, так и текучих / контейнеров). Когда гидравлическая муфта используется для торможения, ее также называют замедлителем . ^[5]

Scoop Control [ править ]

Правильная работа гидромуфты зависит от ее правильного заполнения жидкостью. Недозаполненная муфта не сможет передать полный крутящий момент, а ограниченный объем жидкости также может перегреться, часто с повреждением уплотнений.

Если муфта преднамеренно спроектирована для безопасной работы при недостаточном заполнении, обычно за счет обеспечения достаточного резервуара для жидкости, который не взаимодействует с крыльчаткой, то контроль ее уровня заполнения может использоваться для управления крутящим моментом, который она может передавать, а в некоторых случаях также контролировать скорость груза. ^[b]

Контроль уровня заполнения осуществляется с помощью «совка», невращающейся трубы, которая входит во вращающуюся муфту через центральную неподвижную втулку. Перемещая этот совок, либо вращая его, либо выдвигая, он забирает жидкость из муфты и возвращает ее в сборный резервуар за пределами муфты. При необходимости масло может закачиваться обратно в муфту, или в некоторых конструкциях используется подача под действием силы тяжести - действия черпака достаточно, чтобы поднять жидкость в этот накопительный резервуар за счет вращения муфты.

Управление ковшом можно использовать для простого и бесступенчатого управления передачей очень больших крутящих моментов. В тепловозе Фелла , британском экспериментальном тепловозе 1950-х годов, использовались четыре двигателя и четыре сцепных устройства, каждое с независимым ковшом, для включения каждого двигателя по очереди. Он обычно используется для обеспечения приводов с регулируемой скоростью . ^{[9] [10]}

Приложения [ править ]

Промышленное [ править ]

Гидравлические муфты используются во многих промышленных приложениях, связанных с вращательной силой ^{[11] [12],} особенно в приводах машин, которые включают запуск с высоким моментом инерции или постоянную циклическую нагрузку.

Железнодорожный транспорт [ править ]

Гидравлические муфты используются в некоторых тепловозах как часть системы передачи энергии. Self-Changing Gears производят полуавтоматические трансмиссии для British Rail, а Voith производит турбо-трансмиссии для дизельных агрегатов, которые содержат различные комбинации гидравлических муфт и гидротрансформаторов.

Автомобильная промышленность [ править ]

Гидравлические муфты использовались во множестве ранних полуавтоматических трансмиссий и автоматических трансмиссий . С конца 1940-х годов гидродинамический преобразователь крутящего момента заменил гидравлическую муфту в автомобильной промышленности.

В автомобильных применений, насос , как правило , подключен к маховику части двигателя -в самом деле, корпус муфты может быть частью маховика собственно, и , таким образом , поворачивается двигателя коленчатого вала . Турбина соединена с входным валом трансмиссии . Когда трансмиссия находится на передаче, по мере увеличения частоты вращения двигателя крутящий момент передается от двигателя к входному валу за счет движения жидкости, приводящей в движение транспортное средство. В этом отношении гидравлическая муфта очень похожа на механическую муфту, приводящую в движение механическую коробку передач .

Гидравлические маховики, в отличие от гидротрансформаторов, наиболее известны тем, что они используются в автомобилях Daimler в сочетании с коробкой передач с предварительным переключением Wilson . Компания Daimler использовала их во всем своем ассортименте роскошных автомобилей, пока не перешла на автоматические коробки передач в Majestic 1958 года . Daimler и Alvis также были известны своими военными автомобилями и броневиками, некоторые из которых также использовали комбинацию коробки передач с предварительным переключением и гидравлического маховика.

Авиация [ править ]

Наиболее широко гидравлические муфты в авиационных приложениях использовались в двигателях DB 601 , DB 603 и DB 605, где они использовались в качестве гидравлической муфты с барометрическим управлением для центробежного компрессора и поршневого двигателя с турбонаддувом Wright , в котором три рекуперации мощности турбины извлекали приблизительно 20 процентов энергии или около 500 лошадиных сил (370 кВт) из выхлопных газов двигателя, а затем, используя три гидравлических муфты и зубчатую передачу, преобразовывали вращение высокоскоростной турбины с низким крутящим моментом в низкоскоростную выходную мощность с высоким крутящим моментом для вести пропеллер .

Расчеты [ править ]

Вообще говоря, способность данной гидравлической муфты передавать мощность сильно зависит от скорости насоса, характеристики, которая обычно хорошо работает в приложениях, где приложенная нагрузка не колеблется в значительной степени. Способность любой гидродинамической муфты передавать крутящий момент может быть описана выражением , где - массовая плотность жидкости, - частота вращения рабочего колеса и - диаметр рабочего колеса. ^[13] В случае автомобильных приложений, где нагрузка может варьироваться до значительных пределов, это только приблизительное значение. При движении с частыми остановками муфта будет работать в наименее эффективном диапазоне, что отрицательно скажется на экономии топлива .${\ Displaystyle г (п ^ {2}) (d ^ {5})}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle n}$${\ displaystyle d}$${\ Displaystyle г (п ^ {2}) (d ^ {5})}$

Производство [ править ]

Гидравлические муфты - это относительно простые в изготовлении компоненты. Например, турбины могут быть отлитыми из алюминия или штампованной стали, а корпус также может быть отлитым или изготовленным из штампованной или кованой стали.

Производители промышленных гидравлических муфт включают Voith , ^[14] Transfluid , ^[15] TwinDisc, ^[16] Siemens , ^[17] Parag, ^[18] Fluidomat, ^[19] Reuland Electric ^[20] и TRI Transmission and Bearing Corp. ^{[21] ]}

Патенты [ править ]

Список патентов на гидравлические муфты.

Это не исчерпывающий список, но он призван дать представление о развитии гидравлических муфт в 20 веке.

См. Также [ править ]

• Усилитель крутящего момента
• Гидротрансформатор
• Водяной тормоз

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Гидравлическая муфта, Принципы работы, фильм [15]