Mik azok a hidraulikus tengelykapcsolók, és hogyan működnek a folyadékenergia-rendszerekben?

Bevezetés

Képzelje el, hogy egy hatalmas ipari szállítószalagot vagy egy hajó propellerét próbálja elindítani egy mechanikus tengelykapcsoló összecsapásával. A hirtelen rázkódás valószínűleg kiszakíthatja a fogaskerekeket, károsíthatja a motvagyt, és kellemetlen élményt okozna a közelben lévőknek. Itt nyújtanak elegáns megoldást a hidraulikus tengelykapcsolók – más néven folyadékcsatlakozók. A merev fém-fém érintkezés helyett ezek az okos eszközök csak folyadékot használnak az erő zökkenőmentes és hatékony átvitelére egyik forgó tengelyről a másikra.

Hidraulikus tengelykapcsolók Több mint egy évszázada használják, Hermann Föttinger német mérnök munkáiból ered, aki 1905-ben szabadalmaztatta a koncepciót. Manapság mindenhol megtalálhatók az autóban található automata sebességváltótól kezdve a hatalmas ipari gépekig, a tengeri meghajtórendszerekig és még a dízelmozdonyokig is. De széles körben elterjedt használatuk ellenére sokan nem értik teljesen, hogy mik ezek, vagy hogyan működnek.

Mi az a hidraulikus tengelykapcsoló?

Meghatározás és alapfogalom

A hidraulikus tengelykapcsoló - más néven a folyadékcsatlakozás or hidrodinamikus tengelykapcsoló – olyan eszköz, amely a forgó mechanikai erőt egyik tengelyről a másikra továbbítja, hajtóanyagként folyadékot, jellemzően olajat használva. Ellentétben a súrlódó lemezeket használó mechanikus tengelykapcsolóval vagy az egymásba illeszkedő fogakat használó sebességváltóval, a hidraulikus tengelykapcsoló nincs közvetlen mechanikus kapcsolat a bemenő és kimenő tengelyek között . Ehelyett a folyadék kinetikus energiáján keresztül áramlik az erő.

A „hidraulikus tengelykapcsoló” kifejezés valójában két különböző eszközkategóriára utalhat, és fontos megérteni ezt a különbséget. A Britannica szerint a hidraulikus erőátviteli rendszereknek két fő típusa van:

Ez a cikk arra összpontosít hidrokinetikus folyadékcsatlakozások , amelyeket forgó erőátvitelre használnak. A hidrosztatikus rendszerek (hidraulikus szivattyúk és motorok) teljesen más technológiát képviselnek, annak ellenére, hogy „hidraulikusnak” is nevezik őket.

A három fő összetevő

Egy egyszerű folyadékcsatlakozó három elsődleges komponensből, valamint a munkakamrát kitöltő hidraulikafolyadékból áll:

A ház (Shell) – Ez a külső burkolat, amely a folyadékot és a két turbinát tartalmazza. Olajtömör tömítésekkel kell rendelkeznie a hajtótengely körül a szivárgás elkerülése érdekében. A ház fizikai kapcsolatként is szolgál a bemenő tengely és a szivattyú járókerék között.

A szivattyú (járókerék) – Ez a ventilátorszerű alkatrész közvetlenül a bemenő tengelyhez csatlakozik, amely a főmotorból (villanymotor, belső égésű motor vagy gőzturbina) érkezik. Amikor az indítómotor forog, a szivattyú pontosan ugyanolyan sebességgel forog vele. A szivattyú radiális lapátokat tartalmaz – jellemzően 20-40 darabot –, amelyek nyomják és irányítják a folyadékot.

A turbina (futó) – Ez a második ventilátorszerű alkatrész a szivattyú felé néz, és a terhelést meghajtó kimeneti tengelyhez csatlakozik (például szállítószalag, szivattyú vagy jármű sebességváltója). A turbina nincs mechanikusan összekapcsolva a szivattyúval; csak azt a folyadékot érinti, amit a szivattyú rádob.

Megkülönböztetés a nyomatékváltóktól

Érdemes megjegyezni, hogy a hidraulikus tengelykapcsoló nem ugyanaz, mint a nyomatékváltó, bár a kettőt gyakran összekeverik. Az alapvető folyadékcsatlakozó a nyomatékot anélkül továbbítja, hogy megszorozná azt – a kimeneti nyomaték megegyezik a bemeneti nyomatékkal (kisebb veszteségek nélkül). Ezzel szemben a nyomatékváltó egy további alkatrészt is tartalmaz, az úgynevezett a állórész amely átirányítja a folyadék áramlását, hogy ténylegesen megsokszorozza a nyomatékot alacsony fordulatszámon. Az autóipari alkalmazásokban a forgatónyomaték-átalakítók az 1940-es évek vége óta nagyrészt felváltották az egyszerű folyadékcsatlakozókat, mert jobb teljesítményt nyújtanak alacsony fordulatszámon. A folyadékcsatlakozókat azonban továbbra is széles körben használják ipari környezetben, ahol nincs szükség nyomatékszorzásra.

Hogyan működik a hidraulikus tengelykapcsoló?

A Föttinger-elv

Minden modern hidraulikus tengelykapcsoló az úgynevezett Föttinger elv , amely arról a német mérnökről kapta a nevét, aki 1905-ben először szabadalmaztatta a koncepciót. Az elv megtévesztően egyszerű: a szivattyú felgyorsítja a folyadékot kifelé, majd a mozgó folyadék nekiütközik egy turbinának, aminek hatására az forog. A folyadék ezután visszatér a szivattyúba, hogy megismételje a ciklust.

Képzeld el úgy, mintha két ventilátor állna egymással szemben egy olajjal megtöltött zárt tokban. Ha bekapcsolja az egyik ventilátort (a szivattyút), annak lapátjai nyomják az olajat. Ez a mozgó olaj ezután nekiütközik a második ventilátor (a turbina) lapátjainak, amitől az forog. A második ventilátor nem kapcsolódik az elsőhöz semmilyen szilárd összeköttetéssel – csak a mozgó folyadékkal. Ez a hidrodinamikus erőátvitel lényege.

Lépésről lépésre: Az erőátviteli ciklus

Nézzük meg pontosan, mi történik a hidraulikus tengelykapcsoló belsejében normál működés közben.

1. lépés – A főhajtómű megpörgeti a szivattyút

A motor vagy az elektromos motor forgatja a bemenő tengelyt, amely a szivattyú járókerekéhez csatlakozik. Ahogy a szivattyú forog, radiális lapátjai felfogják a hidraulikafolyadékot (általában olajat) a tengelykapcsoló házában. A lapátok olyan szögben vannak elhelyezve, hogy a folyadékot kifelé és érintőlegesen dobják, hasonlóan egy centrifugálszivattyúhoz.

2. lépés – A folyadék kinetikus energiát nyer

A szivattyú kifelé lineáris és forgó mozgást is kölcsönöz a folyadéknak. Ahogy a folyadék a szivattyú közepétől a külső széle felé halad, jelentős mozgási energiára tesz szert. Minél gyorsabban forog a szivattyú, annál több energiát vesz fel a folyadék. Az összefüggés a bemeneti fordulatszám négyzetével arányos: az átvitt nyomaték a bemeneti fordulatszám négyzetével, míg az átvitt teljesítmény a bemeneti fordulatszám kockájával növekszik.

3. lépés – A folyadék megüti a turbinalapátokat

Az áram alá helyezett folyadékot a szivattyú alakja a turbina (futó) felé irányítja. Mivel a szivattyú és a turbina egymás felé néz, és közöttük egy kis rés van, a folyadék átlövel ezen a résen, és beleütközik a turbina lapátjaiba. Ennek az ütközésnek az ereje szögnyomatékot ad át a folyadékról a turbinára, aminek hatására az elfordul a turbinában. ugyanaz az irány mint a szivattyú.

4. lépés – A folyadék visszatér a szivattyúba

Miután energiája nagy részét a turbinának adta, a folyadék visszaáramlik a tengelykapcsoló közepe felé, és újra belép a szivattyúba. Ez folyamatosságot hoz létre toroid áramlási minta -a folyadék egy fánk alakú pálya (tórusz) körül kering a tengelykapcsolón belül. Amíg a szivattyú tovább forog, a folyadék folyamatosan kering és továbbítja a nyomatékot.

5. lépés – A forgatónyomaték a terhelésre kerül

A turbina a terhelést meghajtó kimeneti tengelyhez csatlakozik. Ahogy a turbina forog, forgatja a kimenő tengelyt, és mechanikai energiát ad minden csatlakoztatott gépnek – legyen az szállítószalag, szivattyú járókerék, jármű sebességváltó vagy hajócsavar.

A folyadék áramlási útvonala (toroidális keringés)

A folyadék mozgása a hidraulikus tengelykapcsolón belül lenyűgöző toroid (fánk alakú) pályát követ. Ennek a mozgásnak két összetevője van:

• Körkörös áramlás – A folyadék forog a forgástengely körül, követve a tengelykapcsoló kerületét.
• Meridionális áramlás – A folyadék a szivattyúból a turbinába, majd vissza, újrahasznosítási kört hoz létre.

Ha a bemeneti és a kimeneti tengely azonos sebességgel forog, nincs nettó áramlás az egyik turbinából a másikba – a folyadék egyszerűen forog a helyén. De amikor van a sebességbeli különbség a szivattyú és a turbina között (amely terhelés alatt mindig létezik), a folyadék erőteljesen áramlik a szivattyúból a turbinába, átadva a nyomatékot.

Főbb működési jellemzők

Csúszás – Az elkerülhetetlen sebességkülönbség

Minden folyadékcsatlakozás egyik legfontosabb jellemzője az csúszás . A csúszás a bemeneti tengely (szivattyú) és a kimenő tengely (turbina) közötti forgási sebesség különbsége, százalékban kifejezve.

Folyadékcsatlakozó nem tud kimenő nyomatékot kialakítani, ha a bemeneti és a kimeneti szögsebesség azonos . Ez azt jelenti, hogy terhelés alatt a turbinának mindig valamivel lassabban kell forognia, mint a szivattyúnak. Megfelelően kialakított hidraulikus tengelykapcsolóban normál terhelési körülmények között a hajtott tengely fordulatszáma kb 3 százalékkal kevesebb mint a hajtótengely fordulatszáma . Kisebb tengelykapcsolók esetén a csúszás 1,5% (nagy teljesítményegységek) és 6% (kis teljesítményegységek) között változhat.

Miért számít a csúszás? Mert a csúszás az elveszett energiát jelenti. A kimenő tengelyre nem továbbított teljesítmény hőként disszipálódik a folyadékban a belső súrlódás és turbulencia következtében. Ez az oka annak, hogy a folyadékcsatlakozások nem 100%-os hatékonyságúak – a tipikus hatásfok 95% és 98% között van. Az elvesztett energia felmelegíti a hidraulikafolyadékot, ezért sok folyadékcsatlakozó hűtőrendszert igényel, vagy hatékony hőelvezetést biztosít.

Stall Speed

Egy másik kritikus jellemzője a leállási sebesség . Ez az a legnagyobb fordulatszám, amellyel a szivattyú meg tud fordulni, ha a kimeneti turbina reteszelt (nem tud mozogni), és teljes bemeneti nyomatékot alkalmaznak. Leállási körülmények között a motor teljes teljesítménye ezen a fordulatszámon hővé alakul a folyadékcsatlakozón belül. A hosszan tartó működés leálláskor károsíthatja a tengelykapcsolót, a tömítéseket és a folyadékot.

Az elakadási sebesség különösen fontos az autóipari alkalmazásokban. Ha megállítanak egy közlekedési lámpánál automata sebességváltóval, a nyomatékváltó (amely a folyadéktengelykapcsolóból fejlődött ki) részlegesen leállt. A motor alapjáraton jár, és a folyadékcsatlakozó kis mennyiségű energiát oszlat el hőként.

Scoop Control változó sebességhez

Az ipari folyadékcsatlakozások egyik legértékesebb tulajdonsága a kimeneti sebesség változtatásának lehetősége a bemeneti sebesség megváltoztatása nélkül. Ez az a gombóc vezérlés rendszer .

A kanál egy nem forgó cső, amely egy központi agyon keresztül lép be a forgó tengelykapcsolóba. Ennek a kanalnak a mozgatásával – akár forgatásával, akár kinyújtásával – a kezelő eltávolíthatja a folyadékot a munkakamrából, és visszajuttathatja egy külső tartályba. Kevesebb folyadék a tengelykapcsolóban kisebb nyomatékátvitelt és ennélfogva alacsonyabb kimenőtengely-fordulatszámot jelent. Ha nagyobb sebességre van szükség, folyadékot pumpálnak vissza a tengelykapcsolóba.

Ez lehetővé teszi fokozatmentes sebességszabályozás nagy gépek, például kazán adagolószivattyúk, ventilátorok és szállítószalagok. Az elektromos motor állandó, hatékony fordulatszámon tud működni, miközben a kimeneti fordulatszám igény szerint simán beállítható.

A hidraulikus tengelykapcsolók típusai

Állandó töltésű csatlakozók

A hidraulikus tengelykapcsoló legalapvetőbb típusa a állandó-töltés csatolás. Ahogy a neve is sugallja, ezek a csatlakozók meghatározott mennyiségű folyadékot tartalmaznak, amely folyamatosan a munkakamrában marad. Egyszerűek, megbízhatóak és minimális karbantartást igényelnek.

Az állandó töltésű csatlakozók a következőket biztosítják:

• Sima, ütésmentes gyorsulás
• Túlterhelés elleni védelem (ha a terhelés elakad, a tengelykapcsoló megcsúszik a motor leállása helyett)
• Torziós rezgéscsillapítás

Ezek általában megtalálhatók az ipari alkalmazásokban, például szállítószalagokban, zúzókban, ventilátorokban és szivattyúkban. A Transfluid K sorozat egy példa az állandó töltésű tengelykapcsolóra, amely elektromos és dízelmotoros alkalmazásokhoz egyaránt elérhető.

Késleltetett-töltési csatlakozók

A késleltetés-kitöltés csatolás (más néven lépcsős áramköri tengelykapcsoló) egy tartályt ad hozzá, amely megtartja a folyadék egy részét, amikor a kimenő tengely álló vagy lassan forog. Ez csökkenti a bemeneti tengely ellenállását az indítás során, aminek két előnye van:

• Alacsonyabb üzemanyag-fogyasztás amikor a motor alapjáraton jár
• Csökkentett „kúszás” autóipari alkalmazásokban (a jármű hajlamos előrehaladni, miközben sebességfokozatban, alapjárati motor mellett)

Amint a kimenő tengely forogni kezd, a centrifugális erő kidobja a folyadékot a tartályból és vissza a fő munkakamrába, visszaállítva a teljes erőátviteli képességet.

Változó kitöltésű (lapáttal vezérelt) tengelykapcsolók

Ahogy fentebb leírtuk, a változó töltésű tengelykapcsolók kanálcsövet használnak a munkakamrában lévő folyadék mennyiségének szabályozására, miközben a tengelykapcsoló működik. Ez lehetővé teszi a hajtott berendezés folyamatos, fokozatmentes sebességszabályozását. Ezeket változó kimeneti sebességet igénylő alkalmazásokban használják, mint például:

• Kazán tápszivattyú meghajtások erőművekben
• Nagy ventilátor és ventilátor meghajtók
• Tengeri meghajtó rendszerek
• Centrifugális kompresszoros hajtások

Hidraulikus tengelykapcsolók alkalmazásai

Ipari gépek

A folyékony tengelykapcsolókat széles körben használják ipari alkalmazásokban, amelyek forgási teljesítményt igényelnek, különösen ott, ahol nagy tehetetlenségi nyomatékú indítások vagy állandó ciklikus terhelés van jelen. Gyakori példák a következők:

• Szállítószalagok – A sima indítás megakadályozza a szíj sérülését és az anyag kifolyását
• Darálók és aprítógépek – Védi a motort, ha a törőgép törhetetlen anyagon akad fel
• Centrifugális szivattyúk – Lehetővé teszi a motor terhelés nélküli indítását, majd fokozatosan felpörgeti a szivattyút
• Ventilátorok és fúvók – Változtatható fordulatszám-szabályozást biztosít az energiamegtakarítás érdekében
• Keverők és porszívók – Elnyeli a szabálytalan anyagok okozta lökésterhelést

Tengeri meghajtás

A hajók és csónakok folyadékcsatlakozókat használnak a dízelmotor és a kardántengely között. A folyadékcsatlakozás számos előnnyel jár ebben az igényes környezetben:

• Lehetővé teszi a motor indítását és alapjáratát a propeller elforgatása nélkül
• Csillapítja a motor torziós rezgéseit
• Sima, ütésmentes kapcsolódást biztosít, amikor áram alá van kapcsolva
• Megvédi a hajtásláncot, ha a propeller törmelékhez ütközik

Vasúti Közlekedés

A dízelmozdonyok és a dízelmotorvonatok (DMU-k) gyakran használnak folyadékcsatlakozókat erőátviteli rendszereik részeként. Az olyan gyártók, mint a Voith, olyan turbó-hajtóműveket gyártanak, amelyek folyadékcsatlakozókat és nyomatékátalakítókat kombinálnak a sín alkalmazásokhoz. A Self-Changing Gears cég olyan félautomata sebességváltókat készített a British Rail számára, amelyek folyadékcsatlakozókat használtak.

Autóipar (történelmi)

Autóipari alkalmazásokban a szivattyú jellemzően a motor lendkerékéhez csatlakozik (a tengelykapcsoló háza akár magának a lendkeréknek a része), a turbina pedig a sebességváltó bemenő tengelyéhez csatlakozik. A folyadéktengelykapcsoló viselkedése erősen hasonlít a kézi sebességváltót hajtó mechanikus tengelykapcsolóhoz – a motor fordulatszámának növekedésével a nyomaték simán átkerül a sebességváltóba.

A leghíresebb autóipari alkalmazás a Daimler Fluid lendkerék , Wilson előválasztó sebességváltóval együtt használva. A Daimler ezeket használta luxusautóiban egészen addig, amíg az 1958-as Majestic automata sebességváltóra nem váltott. A General Motors folyadékcsatlakozót is alkalmazott a Hidramatikus sebességváltó, amelyet 1939-ben mutattak be, mint az első teljesen automata sebességváltót egy sorozatgyártású autóban.

Manapság a hidrodinamikus nyomatékváltó nagyrészt felváltotta a személygépkocsik egyszerű folyadékcsatlakozását, mivel a nyomatékváltók alacsony fordulatszámon is nyomatéktöbbszörözést tesznek lehetővé, javítva a megállásból történő gyorsulást.

Repülés

A folyékony csatlakozókat a repülésben is használják. A legkiemelkedőbb példa a Wright turbóvegyületes dugattyús motor , amelyet olyan repülőgépeken használnak, mint a Lockheed Constellation és a Douglas DC-7. Három teljesítmény-visszanyerő turbina az energia körülbelül 20 százalékát (körülbelül 500 lóerőt) vonja ki a motor kipufogógázaiból. Három folyadéktengelykapcsoló és hajtómű segítségével ezt a nagy sebességű, alacsony nyomatékú turbina teljesítményét alacsony fordulatszámú, nagy nyomatékú kimenetté alakították át a propeller meghajtására.

Előnyök és korlátozások

A hidraulikus tengelykapcsolók előnyei

Korlátozások és szempontok

Inherens csúszás – A folyadéktengelykapcsoló nem érhet el 100%-os hatásfokot, mert a nyomatékátvitelhez csúszás szükséges. Az energia egy része mindig hőként elvész.

Hőtermelés – Elakadás vagy erős csúszás esetén jelentős hő keletkezik. A nagy tengelykapcsolók külső hűtést igényelhetnek.

Alacsonyabb hatásfok, mint a merev tengelykapcsolóknál – A belső folyadékdinamikai veszteségek miatt a hidrodinamikus sebességváltók általában alacsonyabb átviteli hatásfokkal rendelkeznek, mint a mereven kapcsolt hajtóművek, például a szíjhajtások vagy a sebességváltók.

Folyadék karbantartás – A hidraulikafolyadék idővel lebomlik, és rendszeresen cserélni kell. A folyadék viszkozitása befolyásolja a teljesítményt, és a nem megfelelő folyadék túlmelegedést okozhat.

Nem alkalmas precíz sebesség-szinkronizálásra – Ha a bemeneti és a kimenő tengelynek pontosan azonos fordulatszámmal kell forognia, nem használható folyadéktengelykapcsoló, mert a működése a csúszás velejárója.

Gyakran Ismételt Kérdések (GYIK)

1. kérdés: Mi a különbség a hidraulikus tengelykapcsoló és a nyomatékváltó között?

Az alap hidraulikus tengelykapcsoló a nyomatékot szorzás nélkül továbbítja – a kimeneti nyomaték megegyezik a bemeneti nyomatékkal (mínusz a veszteségek). A forgatónyomaték-átalakító tartalmaz egy további alkatrészt, az úgynevezett állórészt, amely átirányítja a folyadék áramlását, lehetővé téve a kimeneti nyomaték szabályozását. szaporodtak alacsony sebességnél. Ez jobbá teszi a nyomatékváltókat olyan autóipari alkalmazásokhoz, ahol nagy indítási nyomatékra van szükség.

Q2: A hidraulikus tengelykapcsoló elérheti a 100%-os hatékonyságot?

Nem. Egy folyadékcsatlakozás nem tud kimenő nyomatékot kifejleszteni, ha a bemeneti és a kimeneti fordulatszám azonos, ezért mindig szükség van némi csúszásra. Normál működés mellett a hatásfok jellemzően 95-98%.

3. kérdés: Milyen típusú folyadékot használnak a hidraulikus csatlakozókban?

A legtöbb hidraulikus tengelykapcsoló alacsony viszkozitású folyadékokat használ, például többfokozatú motorolajokat vagy automata sebességváltó-folyadékokat (ATF). A folyadék sűrűségének növelése növeli az adott bemeneti fordulatszámon átvihető nyomatékot. Azokban az alkalmazásokban, ahol a teljesítménynek stabilnak kell maradnia a hőmérséklet-változások során, a magas viszkozitási indexű folyadékot részesítjük előnyben. Egyes tengelykapcsolók vízüzemhez is rendelkezésre állnak.

4. kérdés: Hogyan szabályozza a hidraulikus tengelykapcsoló sebességét?

A változtatható töltésű (kanalakkal vezérelt) tengelykapcsolóban egy nem forgó lapátcső eltávolítja a folyadékot a munkakamrából, miközben a tengelykapcsoló működik. A kevesebb folyadék kisebb nyomatékátvitelt és alacsonyabb kimeneti sebességet jelent. A lapát helyzetének szabályozásával a kimeneti sebesség fokozatmentesen állítható nulláról majdnem bemeneti sebességre.

5. kérdés: Mi történik, ha a hidraulikus tengelykapcsoló szárazon fut?

Ha egy folyadékcsatlakozó elegendő folyadék nélkül működik, nem tudja továbbítani a szükséges nyomatékot. Ami még kritikusabb, a korlátozott folyadékmennyiség gyorsan túlmelegszik, ami gyakran károsítja a tömítéseket, a csapágyakat és a házat.

6. kérdés: Használnak még hidraulikus csatlakozókat a modern autókban?

Az egyszerű folyadékcsatlakozókat nagyrészt nyomatékváltók váltották fel a személygépkocsikban. Egyes modern automata sebességváltók azonban még mindig a folyadékcsatlakozás elvét alkalmazzák, és a „folyadéktengelykapcsoló” kifejezést néha a „nyomatékváltó” kifejezéssel felcserélve használják hétköznapi beszélgetésekben.

7. kérdés: Miért melegszik fel a folyadékcsatlakozóm?

A hőtermelés normális, mert a csúszáskor elveszett energia hőként disszipálódik. A túlzott hő azonban túl nagy csúszást jelez, amit túlterhelés, alacsony folyadékszint, nem megfelelő folyadéktípus vagy hibásan működő hűtőrendszer okozhat.

8. kérdés: Mennyi ideig tart a hidraulikus tengelykapcsoló?

Mivel a szivattyú és a turbina között nincs mechanikai érintkezés, a folyadékcsatlakozók rendkívül tartósak. Az elsődleges kopó alkatrészek a tömítések és a csapágyak. Megfelelő karbantartással és folyadékcserével az ipari folyadékcsatlakozások akár évtizedekig is kitartanak.