.jpg/1280px-Fluid_flywheel,_part_section_(Autocar_Handbook,_13th_ed,_1935).jpg)
Жидкостная муфта или гидравлическая муфта — это гидродинамическое или «гидрокинетическое» устройство, используемое для передачи вращающейся механической мощности. [1] Она использовалась в автомобильных трансмиссиях в качестве альтернативы механическому сцеплению . Она также широко применяется в приводах морских и промышленных машин, где важны работа с переменной скоростью и контролируемый запуск без ударной нагрузки на систему передачи мощности.
Подобные гидрокинетические приводы следует отличать от гидростатических приводов , таких как комбинации гидравлического насоса и двигателя .
Гидромуфта берет свое начало в работе Германа Фёттингера , который был главным конструктором на заводе AG Vulcan в Штеттине . [2] Его патенты с 1905 года охватывали как гидромуфты, так и гидротрансформаторы .
Доктор Густав Бауэр из Vulcan-Werke сотрудничал с английским инженером Гарольдом Синклером из Hydraulic Coupling Patents Limited, чтобы адаптировать муфту Фёттингера к трансмиссии транспортного средства в попытке смягчить тряску, которую Синклер испытывал во время езды на лондонских автобусах в 1920-х годах [2]. После обсуждений Синклера с London General Omnibus Company, начавшихся в октябре 1926 года, и испытаний на автобусном шасси Associated Daimler, Перси Мартин из Daimler решил применить этот принцип к частным автомобилям группы Daimler. [3]
В 1930 году компания Daimler Company из Ковентри, Англия, начала внедрять систему трансмиссии с использованием гидромуфты и самоизменяющейся коробки передач Wilson для автобусов и своих флагманских автомобилей . К 1933 году система использовалась во всех новых транспортных средствах Daimler, Lanchester и BSA, производимых группой, от тяжелых коммерческих автомобилей до малолитражных автомобилей. Вскоре она была распространена на военные автомобили Daimler, а в 1934 году была представлена в Singer Eleven под маркой Fluidrive. Эти муфты описываются как сконструированные по патентам Vulcan-Sinclair и Daimler. [3]
В 1939 году корпорация General Motors представила привод Hydramatic — первую полностью автоматическую автомобильную трансмиссию, установленную в серийном автомобиле. [2] В Hydramatic использовалась гидромуфта.
Первые тепловозы с гидромуфтами также были произведены в 1930-х годах. [4]
Гидромуфта состоит из трех компонентов, а также гидравлической жидкости :
Ведущая турбина, известная как «насос» (или ведущий тор [a] ), вращается первичным двигателем , который обычно представляет собой двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель . Движение рабочего колеса сообщает жидкости как линейное, так и вращательное движение наружу.
Гидравлическая жидкость направляется «насосом», форма которого заставляет поток двигаться в направлении «выходной турбины» (или ведомого тора [a] ). Здесь любая разница в угловых скоростях «входной ступени» и «выходной ступени» приводит к возникновению чистой силы на «выходной турбине», вызывающей крутящий момент; таким образом заставляя ее вращаться в том же направлении, что и насос.
Движение жидкости фактически тороидальное — она движется в одном направлении по траекториям, которые можно представить как находящиеся на поверхности тора :
Важной характеристикой гидромуфты является ее скорость срыва. Скорость срыва определяется как максимальная скорость, с которой насос может вращаться, когда выходная турбина заблокирована и приложен полный входной крутящий момент (при скорости срыва). В условиях срыва вся мощность двигателя на этой скорости будет рассеиваться в гидромуфте в виде тепла, что может привести к повреждению.
Модификацией простой гидромуфты является ступенчатая муфта, которая ранее производилась как «муфта STC» компанией Fluidrive Engineering Company.
Муфта STC содержит резервуар, в который часть, но не все, масла стекает, когда выходной вал останавливается. Это уменьшает «сопротивление» входного вала, что приводит к снижению расхода топлива на холостом ходу и снижению тенденции автомобиля к «ползанию».
Когда выходной вал начинает вращаться, масло выбрасывается из резервуара под действием центробежной силы и возвращается в основной корпус муфты, благодаря чему восстанавливается нормальная передача мощности. [6]
Гидромуфта не может развивать выходной крутящий момент, когда входная и выходная угловые скорости идентичны. [7] Следовательно, гидромуфта не может достичь 100-процентной эффективности передачи мощности. Из-за проскальзывания, которое будет происходить в любой гидромуфте под нагрузкой, часть мощности всегда будет теряться на трение жидкости и турбулентность и рассеиваться в виде тепла. Как и у других гидродинамических устройств, ее эффективность имеет тенденцию постепенно увеличиваться с увеличением масштаба, что измеряется числом Рейнольдса .
Поскольку гидромуфта работает кинетически, предпочтительны жидкости с низкой вязкостью . [7] Как правило, используются всесезонные моторные масла или жидкости для автоматических трансмиссий . Увеличение плотности жидкости увеличивает величину крутящего момента , который может быть передан при заданной входной скорости. [8] Однако гидравлические жидкости, как и другие жидкости, подвержены изменению вязкости при изменении температуры. Это приводит к изменению производительности трансмиссии, и поэтому там, где нежелательное изменение производительности/эффективности должно быть сведено к минимуму, следует использовать моторное масло или жидкость для автоматических трансмиссий с высоким индексом вязкости .
Жидкостные муфты также могут действовать как гидродинамические тормоза , рассеивая энергию вращения в виде тепла посредством сил трения (как вязких, так и жидкостных/контейнерных). Когда жидкостная муфта используется для торможения, она также известна как замедлитель . [5]
Правильная работа гидромуфты зависит от того, насколько она правильно заполнена жидкостью. Недозаполненная муфта не сможет передавать полный крутящий момент, а ограниченный объем жидкости также может перегреться, что часто приводит к повреждению уплотнений.
Если муфта специально спроектирована для безопасной работы при недостаточном заполнении, обычно путем установки достаточного резервуара для жидкости, который не соприкасается с рабочим колесом, то контроль уровня ее заполнения может использоваться для управления крутящим моментом, который она может передавать, а в некоторых случаях и для управления скоростью нагрузки. [b]
Контроль уровня заполнения осуществляется с помощью «ковша», невращающейся трубы, которая входит во вращающуюся муфту через центральную неподвижную ступицу. Перемещая этот ковш, вращая его или выдвигая, он забирает жидкость из муфты и возвращает ее в резервуар для хранения за пределами муфты. При необходимости масло может закачиваться обратно в муфту, или в некоторых конструкциях используется гравитационная подача — действия ковша достаточно, чтобы поднять жидкость в этот резервуар для хранения, приводимый в действие вращением муфты.
Управление ковшом может использоваться для легкого и бесступенчатого управления передачей очень больших крутящих моментов. Тепловоз Fell , британский экспериментальный дизельный железнодорожный локомотив 1950-х годов, использовал четыре двигателя и четыре муфты, каждая с независимым управлением ковшом, для включения каждого двигателя по очереди. Обычно он используется для обеспечения приводов с переменной скоростью . [9] [10]
Гидромуфты используются во многих промышленных приложениях, где требуется вращательная мощность, [11] [12], особенно в приводах машин, где используются высокоинерционные пуски или постоянная циклическая нагрузка.
Гидромуфты используются в некоторых дизельных локомотивах как часть системы передачи мощности. Self-Changing Gears изготавливала полуавтоматические трансмиссии для British Rail, а Voith производила турботрансмиссии для дизельных поездов , которые содержат различные комбинации гидромуфт и преобразователей крутящего момента.
Гидромуфты использовались в различных ранних полуавтоматических трансмиссиях и автоматических трансмиссиях . С конца 1940-х годов гидродинамический преобразователь крутящего момента заменил гидромуфту в автомобильных приложениях.
В автомобильных приложениях насос обычно соединен с маховиком двигателя — фактически, корпус муфты может быть частью самого маховика и, таким образом, вращаться коленчатым валом двигателя . Турбина соединена с входным валом трансмиссии . Пока трансмиссия находится на передаче, по мере увеличения скорости двигателя крутящий момент передается от двигателя на входной вал движением жидкости, приводя в движение транспортное средство. В этом отношении поведение гидромуфты сильно напоминает поведение механического сцепления, приводящего в движение механическую коробку передач .
Жидкостные маховики, в отличие от гидротрансформаторов, наиболее известны по их использованию в автомобилях Daimler в сочетании с коробкой передач с предварительным выбором Wilson . Daimler использовал их во всем своем ассортименте автомобилей класса люкс, пока не перешел на автоматические коробки передач в Majestic 1958 года . Daimler и Alvis также были известны своими военными транспортными средствами и бронированными автомобилями, некоторые из которых также использовали комбинацию коробки передач с предварительным выбором и жидкостного маховика.
Наиболее ярким примером использования гидромуфт в авиационной технике являются двигатели DB 601 , DB 603 и DB 605 , где они использовались в качестве барометрически управляемой гидравлической муфты для центробежного компрессора , а также турбокомпаундный поршневой двигатель Райт, в котором три турбины рекуперации энергии извлекали приблизительно 20 процентов энергии или около 500 лошадиных сил (370 кВт) из выхлопных газов двигателя, а затем с помощью трех гидромуфт и зубчатой передачи преобразовывали низкооборотное высокоскоростное вращение турбины в низкооборотный, высокооборотный выходной крутящий момент для привода воздушного винта .
Вообще говоря, способность передачи мощности данной гидромуфты тесно связана со скоростью насоса, характеристикой, которая обычно хорошо работает в приложениях, где приложенная нагрузка не колеблется в большой степени. Способность передачи крутящего момента любой гидродинамической муфты можно описать выражением , где - массовая плотность жидкости (кг/м 3 ), - скорость вращения рабочего колеса ( об/мин ), а - диаметр рабочего колеса ( м ). [13] В случае автомобильных приложений, где нагрузка может варьироваться в значительных пределах, - это лишь приближение. Вождение с остановками и стартами будет иметь тенденцию работать с муфтой в ее наименее эффективном диапазоне, что окажет неблагоприятное влияние на экономию топлива .
Гидромуфты являются относительно простыми в производстве компонентами. Например, турбины могут быть отлиты из алюминия или штампованы из стали, а корпус также может быть отлит из стали или изготовлен из штампованной или кованой стали.
Производители промышленных гидромуфт включают Voith , [14] Transfluid, [15] TwinDisc, [16] Siemens , [17] Parag, [18] Fluidomat, [19] Reuland Electric [20] и TRI Transmission and Bearing Corp. [21].
Это не исчерпывающий список, но он призван дать представление о развитии гидравлических муфт в XX веке.
