Ce sunt cuplajele hidraulice și cum funcționează în sistemele de alimentare cu fluide?

Introducere

Imaginați-vă că încercați să psauniți o bandă transportoare industrială masivă sau elicea unei nave prin lovirea unui ambreiaj mecanic. Șotul brusc ar rupe vitezele, ar deteriora motorul și ar crea o experiență incomodă pentru oricine din apropiere. Aici cuplajele hidraulice, cunoscute și sub denumirea de cuplaje fluide, oferă o soluție elegantă. În loc de contact rigid metal-metal, aceste dispozitive inteligente nu folosesc decât lichid pentru a transmite puterea lin și eficient de la un arbore rotativ la altul.

Cuplaje hidraulice au fost folosite de peste un secol, provenind din munca inginerului german Hermann Föttinger, care a brevetat conceptul în 1905. Astăzi, ele se găsesc peste tot, de la transmisia automată a mașinii tale până la mașini industriale masive, sisteme de propulsie marină și chiar locomotive diesel. Dar, în ciuda utilizării lor pe scară largă, mulți oameni nu înțeleg pe deplin ce sunt sau cum lucrează.

Ce este un cuplaj hidraulic?

Definiție și Concept de bază

A cuplaj hidraulic - numită și a cuplaj fluid or cuplaj hidrodinamic - este un dispozitiv care transmite puterea mecanică rotativă de la un arbore la altul folosind un lichid, de obicei ulei, ca mediu de transmisie. Spre deosebire de un ambreiaj mecanic care folosește plăci de frecare sau de o cutie de viteze care utilizează dinți de blocare, un cuplaj hidraulic are fără conexiune mecanică directă între arborii de intrare și de ieșire . În schimb, puterea curge prin energia cinetică a fluidului.

Termenul „cuplaj hidraulic” se poate referi de fapt la două categorii distincte de dispozitive, iar înțelegerea acestei distincții este importantă. Potrivit Britannica, există două tipuri principale de sisteme de transmisie a puterii hidraulice:

Acest articol se concentrează pe cuplaje hidrocinetice fluide , care sunt utilizate pentru transmisia de putere rotativă. Sistemele hidrostatice (pompe și motoare hidraulice) sunt o tehnologie complet diferită, în ciuda faptului că sunt numite și „hidraulice”.

Cele trei componente principale

Un cuplaj fluid simplu este format din trei componente principale, plus fluidul hidraulic care umple camera de lucru:

Locuința (cochilia) – Aceasta este carcasa exterioară care conține fluidul și cele două turbine. Trebuie să aibă garnituri etanșe la ulei în jurul arborilor de transmisie pentru a preveni scurgerile. Carcasa servește și ca conexiune fizică între arborele de intrare și rotorul pompei.

Pompa (rotor) – Această componentă asemănătoare ventilatorului este conectată direct la arborele de intrare, care vine de la motorul principal (un motor electric, motor cu ardere internă sau turbină cu abur). Când motorul primar se rotește, pompa se rotește odată cu el la exact aceeași viteză. Pompa conține lame radiale - de obicei 20 până la 40 dintre ele - care împing și direcționează fluidul.

Turbina (Runner) – Această a doua componentă asemănătoare ventilatorului este orientată spre pompă și este conectată la arborele de ieșire, care antrenează sarcina (cum ar fi un transportor, o pompă sau o transmisie a vehiculului). Turbina nu este legată mecanic de pompă; atinge doar fluidul pe care pompa îl aruncă.

Diferența față de convertizoarele de cuplu

Este de remarcat faptul că un cuplaj hidraulic este nu același lucru ca un convertor de cuplu, deși cele două sunt adesea confundate. Un cuplaj fluid de bază transmite cuplul fără a-l înmulți - cuplul de ieșire este egal cu cuplul de intrare (minus pierderi minore). Un convertor de cuplu, în schimb, include o componentă suplimentară numită a stator care redirecționează fluxul de fluid pentru a multiplica efectiv cuplul la viteze mici. În aplicațiile auto, convertizoarele de cuplu au înlocuit în mare măsură cuplajele fluide simple de la sfârșitul anilor 1940, deoarece oferă performanțe mai bune la viteză mică. Cu toate acestea, cuplajele fluide rămân utilizate pe scară largă în setările industriale în care multiplicarea cuplului nu este necesară.

Cum funcționează un cuplaj hidraulic?

Principiul Föttinger

Fiecare cuplaj hidraulic modern funcționează pe ceea ce este cunoscut sub numele de Principiul Föttinger , numit după inginerul german care a brevetat prima dată conceptul în 1905 . Principiul este înșelător de simplu: o pompă accelerează fluidul spre exterior, iar acel fluid în mișcare lovește apoi o turbină, făcând-o să se rotească. Lichidul revine apoi la pompă pentru a repeta ciclul.

Gândiți-vă la asta ca două ventilatoare față în față într-o carcasă sigilată umplută cu ulei. Dacă porniți un ventilator (pompa), paletele acestuia împing uleiul. Acel ulei în mișcare lovește apoi paletele celui de-al doilea ventilator (turbina), făcându-l să se rotească. Al doilea ventilator nu este conectat la primul printr-o legătură solidă - doar prin fluidul în mișcare. Aceasta este esența transmisiei hidrodinamice de putere.

Pas cu pas: Ciclul de transmitere a puterii

Să vedem exact ce se întâmplă în interiorul unui cuplaj hidraulic în timpul funcționării normale.

Pasul 1 – Primul Mover învârte pompa

Motorul sau motorul electric rotește arborele de intrare, care este conectat la rotorul pompei. Pe măsură ce pompa se învârte, paletele sale radiale captează fluidul hidraulic (de obicei ulei) în interiorul carcasei cuplajului. Lamele sunt înclinate astfel încât să arunce fluidul în exterior și tangenţial, la fel ca o pompă centrifugă.

Pasul 2 – Fluidul câștigă energie cinetică

Pompa conferă fluidului atât mișcare liniară spre exterior, cât și mișcare de rotație. Pe măsură ce fluidul se mișcă din centrul pompei spre marginea exterioară, câștigă energie cinetică semnificativă. Cu cât pompa se învârte mai repede, cu atât fluidul absoarbe mai multă energie. Relația este proporțională cu pătratul vitezei de intrare: cuplul transmis crește cu pătratul vitezei de intrare, în timp ce puterea transmisă crește cu cubul vitezei de intrare.

Pasul 3 – Fluidul lovește paletele turbinei

Fluidul energizat este direcționat de forma pompei către turbină (curs). Deoarece pompa și turbina se confruntă una cu cealaltă cu un spațiu mic între ele, fluidul trece peste acest spațiu și lovește paletele turbinei. Forța acestui impact transferă moment unghiular de la fluid la turbină, determinând-o să se rotească în aceeasi directie ca pompa .

Pasul 4 – Lichidul se întoarce în pompă

După ce a cedat cea mai mare parte a energiei sale turbinei, fluidul curge înapoi spre centrul cuplajului și reintră în pompă. Acest lucru creează o continuă model de curgere toroidală — fluidul circulă în jurul unui traseu în formă de gogoașă (un tor) în interiorul cuplajului. Atâta timp cât pompa continuă să se rotească, fluidul continuă să circule și să transmită cuplul.

Pasul 5 – Cuplul este livrat încărcăturii

Turbina este conectată la arborele de ieșire, care conduce sarcina. Pe măsură ce turbina se rotește, rotește arborele de ieșire, furnizând putere mecanică la orice mașină este conectată - indiferent dacă este vorba despre o bandă transportoare, un rotor de pompă, o transmisie de vehicul sau o elice de navă.

Calea fluxului fluidului (circulația toroidală)

Mișcarea fluidului în interiorul unui cuplaj hidraulic urmează o traiectorie toroidală fascinantă (în formă de gogoașă). Există două componente ale acestei mișcări:

• Flux circular – Fluidul se rotește în jurul axei de rotație, urmând circumferința cuplajului.
• Curgerea meridiană – Fluidul se deplasează de la pompă la turbină și înapoi, creând o buclă de reciclare.

Când arborii de intrare și de ieșire se rotesc cu aceeași viteză, nu există un flux net de la o turbină la cealaltă - fluidul pur și simplu se rotește pe loc. Dar când există o diferenta de viteza între pompă și turbină (care există întotdeauna sub sarcină), fluidul curge viguros de la pompă la turbină, transmitând cuplul .

Caracteristici cheie de operare

Alunecare – Inevitabila diferență de viteză

Una dintre cele mai importante caracteristici ale oricărui cuplaj fluid este aluneca . Alunecarea este diferența de viteză de rotație dintre arborele de intrare (pompă) și arborele de ieșire (turbină), exprimată ca procent.

Un cuplaj fluid nu poate dezvolta cuplul de ieșire atunci când vitezele unghiulare de intrare și de ieșire sunt identice . Aceasta înseamnă că, sub sarcină, turbina trebuie să se rotească întotdeauna puțin mai lent decât pompa. Într-un cuplaj hidraulic proiectat corespunzător în condiții normale de încărcare, viteza arborelui antrenat este de aproximativ cu 3 la suta mai putin decât viteza arborelui de antrenare . Pentru cuplajele mai mici, alunecarea poate varia de la 1,5% (unități de putere mare) la 6% (unități de putere mici).

De ce contează alunecarea? Pentru că alunecarea reprezintă energia pierdută. Puterea care nu este transmisă arborelui de ieșire este disipată ca căldură în fluid datorită frecării interne și turbulențelor. Acesta este motivul pentru care cuplajele fluide nu sunt 100% eficiente - eficiența tipică variază de la 95% la 98%. Energia pierdută încălzește fluidul hidraulic, motiv pentru care multe cuplaje de fluid necesită sisteme de răcire sau sunt concepute pentru a disipa căldura eficient.

Viteza de blocare

O altă caracteristică critică este viteza de blocare . Aceasta este definită ca cea mai mare viteză la care pompa se poate roti atunci când turbina de ieșire este blocată (nu se poate mișca) și este aplicat cuplul de intrare complet. În condiții de blocare, toată puterea motorului la acea turație este convertită în căldură în cuplul de fluid. Funcționarea prelungită la blocare poate deteriora cuplajul, garniturile și fluidul.

Viteza de blocare este deosebit de relevantă în aplicațiile auto. Când sunteți oprit la un semafor cu o transmisie automată în treaptă de viteză, convertizorul de cuplu (care a evoluat de la cuplarea fluidă) se află într-o stare parțială de blocare. Motorul este la ralanti, iar cuplajul de fluid disipă o cantitate mică de putere sub formă de căldură.

Scoop Control pentru viteză variabilă

Una dintre cele mai valoroase caracteristici ale cuplajelor fluide industriale este capacitatea de a varia viteza de ieșire fără a modifica viteza de intrare. Acest lucru se realizează folosind a control cu scoop sistem .

O cupă este o țeavă care nu se rotește care intră în cuplajul rotativ printr-un butuc central. Prin deplasarea acestei linguri – fie rotind-o, fie extinzând-o – operatorul poate elimina fluidul din camera de lucru și îl poate returna într-un rezervor extern. Mai puțin fluid în cuplaj înseamnă o transmisie mai mică a cuplului și, prin urmare, o turație mai mică a arborelui de ieșire. Când este nevoie de mai multă viteză, fluidul este pompat înapoi în cuplaj.

Acest lucru permite controlul continuu al vitezei variabile a mașinilor mari, cum ar fi pompele de alimentare a cazanelor, ventilatoarele și transportoarele . Motorul electric poate funcționa la o viteză constantă și eficientă, în timp ce viteza de ieșire este reglată fără probleme după cum este necesar.

Tipuri de cuplaje hidraulice

Cuplaje cu umplere constantă

Cel mai elementar tip de cuplaj hidraulic este constant-umplere cuplare. După cum sugerează și numele, aceste cuplaje conțin un volum fix de fluid care rămâne tot timpul în camera de lucru. Sunt simple, fiabile și necesită întreținere minimă.

Cuplajele cu umplere constantă asigură:

• Accelerare lină, fără șocuri
• Protecție la suprasarcină (dacă sarcina se blochează, cuplajul alunecă în loc să blocheze motorul)
• Amortizarea vibrațiilor de torsiune

Acestea se găsesc în mod obișnuit în aplicații industriale, cum ar fi transportoare, concasoare, ventilatoare și pompe. Seria Transfluid K este un exemplu de cuplare cu umplere constantă, disponibilă atât pentru aplicații electrice, cât și pe motorină.

Cuplaje de umplere cu întârziere

A cuplaj întârziere-umplere (cunoscut și sub numele de cuplare cu circuit în trepte) adaugă un rezervor care reține o parte din fluid atunci când arborele de ieșire este staționar sau se rotește încet. Acest lucru reduce rezistența arborelui de intrare în timpul pornirii, ceea ce are două avantaje:

• Consum mai mic de combustibil când motorul este la ralanti
• „Fluare” redusă în aplicații auto (tendința unui vehicul de a avansa în timp ce este în treapta cu motorul la ralanti)

Odată ce arborele de ieșire începe să se rotească, forța centrifugă aruncă fluidul din rezervor și înapoi în camera principală de lucru, restabilind capacitatea maximă de transmisie a puterii.

Cuplaje cu umplere variabilă (controlate cu scoop).

După cum s-a descris mai sus, cuplajele cu umplere variabilă folosesc un tub cu scoop pentru a controla cantitatea de fluid din camera de lucru în timp ce cuplajul funcționează. Acest lucru permite controlul continuu, fără trepte, a vitezei echipamentului acţionat. Acestea sunt utilizate în aplicații care necesită viteză de ieșire variabilă, cum ar fi:

• Acționări pompe de alimentare a cazanului în centrale electrice
• Unități mari ale ventilatorului și suflantei
• Sisteme de propulsie marine
• Acţionarea compresoarelor centrifuge

Aplicații ale cuplajelor hidraulice

Utilaje industriale

Cuplajele fluide sunt utilizate pe scară largă în aplicații industriale care implică putere de rotație, în special acolo unde este prezentă pornire cu inerție mare sau încărcare ciclică constantă. Exemplele comune includ:

• Transportoare – Pornirea lină previne deteriorarea curelei și scurgerea materialului
• Concasoare si tocatoare – Protejează motorul în cazul în care concasorul se blochează pe material indestructibil
• Pompe centrifuge – Permite motorului să pornească fără sarcină, apoi aduce treptat pompa la turație
• Ventilatoare și suflante – Oferă control variabil al vitezei pentru economii de energie
• Mixere și pulperă – Absoarbe sarcinile de șoc din materiale neregulate

Propulsie marină

Navele și bărcile folosesc cuplaje fluide între motorul diesel și arborele elicei. Cuplajul fluid oferă mai multe beneficii în acest mediu solicitant:

• Permite motorului să pornească și să funcționeze la ralanti fără a roti elicea
• Atenuează vibrațiile de torsiune ale motorului
• Oferă o cuplare lină, fără șocuri atunci când este aplicată puterea
• Protejează transmisia dacă elicea lovește resturi

Transportul Feroviar

Locomotivele diesel și unitățile multiple diesel (DMU) folosesc frecvent cuplaje fluide ca parte a sistemelor lor de transmisie a puterii. Producători precum Voith produc turbo-transmisii care combină cuplaje fluide și convertoare de cuplu pentru aplicații pe șine. Compania Self-Changing Gears a realizat transmisii semiautomate pentru British Rail care foloseau cuplaje fluide.

Auto (istoric)

În aplicațiile auto, pompa este de obicei conectată la volantul motorului (carcasa cuplajului poate chiar să facă parte din volantul în sine), iar turbina este conectată la arborele de intrare al transmisiei. Comportamentul unui cuplaj fluid seamănă foarte mult cu cel al unui ambreiaj mecanic care antrenează o transmisie manuală - pe măsură ce turația motorului crește, cuplul este transferat fără probleme transmisiei.

Cea mai cunoscută aplicație auto a fost Volan Fluid Daimler , utilizat împreună cu o cutie de viteze preselectată Wilson. Daimler le-a folosit pe tot parcursul gamei de mașini de lux până când a trecut la cutii de viteze automate cu Majestic din 1958. General Motors a folosit și un cuplaj de fluid în Hidramatic transmisie, introdusă în 1939 ca prima transmisie complet automată dintr-un automobil produs în serie.

Astăzi, convertorul hidrodinamic de cuplu a înlocuit în mare măsură cuplarea fluidă simplă din autoturisme, deoarece convertoarele de cuplu asigură multiplicarea cuplului la viteze mici, îmbunătățind accelerația de la oprire.

Aviația

Cuplajele de fluide și-au găsit utilizare și în aviație. Cel mai proeminent exemplu a fost în Motor alternativ Wright turbo-compus , folosit pe aeronave precum Lockheed Constellation și Douglas DC-7 . Trei turbine de recuperare a puterii au extras aproximativ 20% din energie (aproximativ 500 de cai putere) din gazele de eșapament ale motorului. Folosind trei cuplaje fluide și angrenaje, această putere a turbinei de mare viteză și cuplu redus a fost convertită în ieșire de viteză mică și cuplu mare pentru a antrena elicea.

Beneficii și limitări

Beneficiile cuplajelor hidraulice

Limitări și considerații

Alunecare inerentă – Un cuplaj fluid nu poate atinge o eficiență de 100%, deoarece alunecarea este necesară pentru transmisia cuplului. O parte din putere se pierde întotdeauna sub formă de căldură.

Generare de căldură – În condiții de blocare sau de alunecare puternică, se generează căldură semnificativă. Cuplajele mari pot necesita răcire externă.

Eficiență mai mică decât cuplajele rigide – Din cauza pierderilor interne de fluide dinamice, transmisiile hidrodinamice tind să aibă o eficiență mai scăzută a transmisiei decât transmisiile cuplate rigid, cum ar fi transmisiile prin curea sau cutiile de viteze.

Întreținerea fluidelor – Lichidul hidraulic se degradează în timp și trebuie înlocuit periodic. Vâscozitatea fluidului afectează performanța, iar fluidul greșit poate cauza supraîncălzirea.

Nu este potrivit pentru sincronizarea precisă a vitezei – Dacă arborii de intrare și de ieșire trebuie să se rotească exact cu aceeași viteză, un cuplaj fluid nu poate fi utilizat deoarece alunecarea este inerentă funcționării acestuia.

Întrebări frecvente (FAQ)

Î1: Care este diferența dintre un cuplaj hidraulic și un convertor de cuplu?

Un cuplaj hidraulic de bază transmite cuplul fără multiplicare - cuplul de ieșire este egal cu cuplul de intrare (minus pierderi). Un convertor de cuplu include o componentă suplimentară numită stator care redirecționează fluxul de fluid, permițând cuplului de ieșire să fie înmulțit la viteze mici. Acest lucru face ca convertizoarele de cuplu să fie mai bune pentru aplicațiile auto în care este nevoie de un cuplu mare de pornire.

Î2: Un cuplaj hidraulic poate atinge o eficiență de 100%?

Nu. Un cuplaj fluid nu poate dezvolta un cuplu de ieșire când vitezele de intrare și de ieșire sunt identice, așa că este întotdeauna necesară o anumită alunecare. În condiții normale de funcționare, eficiența este de obicei de 95-98%.

Q3: Ce tip de fluid este utilizat într-un cuplaj hidraulic?

Majoritatea cuplajelor hidraulice folosesc fluide cu vâscozitate scăzută, cum ar fi uleiuri de motor multi-grade sau fluide de transmisie automată (ATF). Creșterea densității fluidului crește cuplul care poate fi transmis la o viteză de intrare dată. Pentru aplicațiile în care performanța trebuie să rămână stabilă în timpul schimbărilor de temperatură, este de preferat un fluid cu un indice de vâscozitate ridicat. Unele cuplaje sunt disponibile chiar și pentru funcționarea cu apă.

Î4: Cum controlați viteza unui cuplaj hidraulic?

Într-un cuplaj cu umplere variabilă (controlată prin cuplare), un tub cu cupă care nu se rotește îndepărtează fluidul din camera de lucru în timp ce cuplajul funcționează. Mai puțin lichid înseamnă transmisie mai mică a cuplului și viteză de ieșire mai mică. Prin controlul poziției scoopului, viteza de ieșire poate fi ajustată continuu de la zero la aproape viteza de intrare.

Î5: Ce se întâmplă dacă un cuplaj hidraulic funcționează uscat?

Dacă un cuplaj de fluid funcționează fără suficient lichid, acesta nu va putea transmite cuplul necesar. Mai important, volumul limitat de fluid se va supraîncălzi rapid, provocând adesea deteriorarea garniturii, lagărelor și carcasei.

Î6: Cuplajele hidraulice sunt încă folosite în mașinile moderne?

Cuplajele fluide simple au fost în mare parte înlocuite cu convertoare de cuplu la autoturismele. Cu toate acestea, unele transmisii automate moderne folosesc încă principiile de cuplare fluidă, iar termenul „cuplaj fluid” este uneori folosit interschimbabil cu „convertor de cuplu” în conversația obișnuită.

Î7: De ce se încălzește cuplajul meu de fluid?

Generarea de căldură este normală deoarece energia pierdută pentru alunecare este disipată sub formă de căldură. Cu toate acestea, căldura excesivă indică o alunecare prea mare, care ar putea fi cauzată de suprasarcină, nivel scăzut de lichid, tip incorect de lichid sau defecțiune a sistemului de răcire.

Q8: Cât durează un cuplaj hidraulic?

Deoarece nu există un contact mecanic între pompă și turbină, cuplajele fluide sunt extrem de durabile. Componentele primare de uzură sunt garniturile și rulmenții. Cu întreținerea adecvată și schimbarea fluidelor, cuplajele industriale de fluide pot dura zeci de ani.