Гідромуфта

Рисунок автомобільної гідромуфти у розрізі фірми Даймлер (1930-ті роки). Рис.1

Гідравлічна муфта (гідромуфта, турбомуфта) — вид гідродинамічної передачі, в якій, на відміну від механичної муфти, відсутній жорсткий кінематичний зв'язок між вхідним і вихідним валом, і, на відміну від гідротрансформатора, відсутній реактор.

Конструкція і принцип дії

Гідравлічна муфта. Рис.2

Колесо, що з'єднане з ведучим валом, називається насосним колесом, а колесо, що з'єднане з веденим валом, називається турбінним колесом.

На відміну від гідротрансформатора, моменти на насосному и турбінному колесах завжди практично одинакові.

Фактично насосне колесо являє собою лопатевий насос, а турбінне — лопатевий гідравлічний двигун. Обидва ці колеса находяться в одному герметичному корпусі і є максимально зближеними одине з одним (але не торкаються), і рідина при обертанні насосного колеса утворює вихрове гідравлічне кільце (тор), яке і передає потужність від ведучого вала до веденого. Ковзання в гідравлічній муфті становить 3-5%.

Лопатки гідравлічної муфти. Рис.3

Гідромуфти застосовуються у коробках передач автомобілів, деяких тракторів, в авіації, в приводах стрічкових конвеєрів, ескалаторів, млинів, дробарок, грохотів.

Перед механічними муфтами гідромуфти мають ту перевагу, що обмежують максимальний момент, що передається, і, таким чином, захищають приводний двигун від перевантажень (що особливо важливо при пуску двигуна), а також згладжують пульсації моменту.

Однак ККД гідравлічної муфти є нижчим, чим ККД механічної.

Робочий процес і характеристика гідромуфти

Схема гідромуфти і потоку в її лопастній системі. Рис.4

При встановленому режимі роботи сума моментів, прикладених ззовні до гідромуфти дорівнює нулю. Зовнішніми моментами являються момент [math]{M_1},[/math], прикладений зі сторони двигуна, до вихідного валу 5; момент супротиву [math]{M_2},[/math] споживача, прикладений до вихідного валу 11; момент тертя об навколишнє середовище, [math]{M_В},[/math] корпусу 1, який обертається. Звідси випливає,

[math]{M_1}-{M_2}-{M_B}=0,[/math]

Момент [math]{M_B},[/math]МВ зазвичай малий і наближено приймають, що [math]{M_1},[/math] передається без змін, тобто

[math]{M_1}-{M_2}={M},[/math]

Головна частина [math]{M},[/math], яку позначимо Мп, передається турбінному колесу потоком рідини, який обтікає лопатні системи. Момент Мп рівний зміні моменту кількості руху потоку, який викликаний дією лопатей. В гідромуфтах встановлюють плоскі радіальні лопаті. Згідно схем кінематики потоку на границях лопатних систем момент, який необхідний від двигуна для збільшення моменту кількості руху потоку в насосному колесі,

Мп [math]={V_{U2H}*R_2}-{V_{U2T}*R_1},[/math]

Дане рівняння показує, що момент Мп пропорційний витраті [math]{Q},[/math] і збільшенні моменту швидкості потоку (збільшенню його закрутки) [math]{V_UR},[/math]. В проміжках 2Н – 1Т і 2Т – 1Н між лопатними системами момент кількості руху потоку незмінний, тому його зменшення в турбінному колесі завжди рівне приросту в насосному колесі. Момент від двигуна передається тільки при обгоні турбінного колеса насосним, коли n1> n2. Відношення частот обертання коліс [math]i = \frac{n_2}{n_1},[/math] називають передаточним відношенням.

Відносна різниця частот

[math]s = \frac {(n_1-n_2)}{n_1}=1-i,[/math]

називається ковзанням. Без ковзання витрата [math]{Q},[/math] і, момент Мп рівні нулю. Відсутня і передача моменту тертям. При малих n2 і, отже, слабкому полі відцентрових сил в між лопатевих каналах турбінне колесо чинить малу протидію протіканню потоку рідини. При цьому Q→Qmax і момент Мп, який передається, також максимальний.

Характеристика гідромуфти. Рис.5

Характеристика гідромуфти представляє залежність моменту [math]{M},[/math] від частоти обертання вихідного валу n2 при n1=const або від передаточного відношення [math]i,[/math]. Праве поле ОК характеристики відповідає режимам, при яких і додатне і колеса обертаються в одному напрямку. Це область передачі потужності від насосного колеса турбінному. В ній залежність М=f(n2) має вигляд падаючої кривої. Характеристика включає також залежність ККД ŋ від n2 або [math]i,[/math]. Момент передається гідромуфтою практично без змін і ККД дорівнює передаточному відношенню:

[math]\eta = \frac{N_2}{N_1} = \frac{M_2 * n_2}{M_1 * n_1} = \frac{n_2}{n_1} = i,[/math]

Історія

Створення перших гідродинамічних передач пов'язано з развитком в кінці XIX століття суднобудування. В той час у морському флоті стали застосовувати швидкохідні парові машини. Однак, із-за кавітації, підвищити число обертів гребних гвинтів не вдавалось. Це вимагало застосування додаткових механізмів. Позаяк технології у той час не дозволяли виготовляти високооборотисті шестерінчасті передачі, то виникла потреба у створенні принципово нових передач. Першим таким пристроєм з відносно високим ККД став винайдений німецьким професором Г. Фетінгером гідравлічний трансформатор (патент 1902 року). Автоматичні коробки передач (АКПП), що представляв собою об'єднані в одному корпусі насос, турбіну и нерухомий реактор. Однак перша конструкція гідродинамічної передачі, що була застосована на практиці, була створена у 1908 році, і мала ККД близько 83%. Пізніше гідродинамічні передачі найшли примінення в автомобілях. Вони півищували плавність зрушення з місця. У 1930 році Гарольд Сінклер, працюючи в компанії Даймлер, розробив для автобусів трансмісію, що включала в себе гідромуфту і планетарну передачу. У 1930-х роках були сконструйовані перші дизельні локомотиви, які використовували гідромуфти.

На теренах колишнього СРСР перша гідравлічна муфта була створена у 1929 році.

Література

1. Лепешкин А.В., Михайлин А. А., Шейпак А.А. Гидравлика і гидропневмопривод: Учебник, ч.2. Гидравлические машины и гидропневмопривод. / под ред. А. А. Шейпака. - М.: МГИУ, 2003. - 352 с.
2. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. - Гидравлика, гидромашины и гидроприводы[c] учебник для вузов (1982)
3. Bolton, William F. (1963). Railwayman's Diesel Manual: A Practical Introduction to the Diesel-powered Locomotive, Railcar and Multiple-unit Powered Train for Railway Staff and Railway Enthusiasts (4th ed.). Ian Allan Publishing. pp. 97–98