Hva er hydrauliske koblinger og hvordan fungerer de i væskekraftsystemer?

Introduksjon

Tenk deg å prøve å starte et massivt industrielt transpellertbånd eller en skipspropell ved å slå en mekanisk clutch sammen. Det plutselige støtet vil sannsynligvis knekke gir, skade motoren og skape en ubehagelig opplevelse for alle i nærheten. Det er her hydrauliske koblinger – også kjent som væskekoblinger – gir en elegant løsning. I stedet for stiv metall-til-metall-kontakt, bruker disse smarte enhetene ikke annet enn væske for å overføre kraft jevnt og effektivt fra en roterende aksel til en annen.

Hydrauliske koblinger har blitt brukt i over et århundre, og stammer fra arbeidet til den tyske ingeniøren Hermann Föttinger, som patenterte konseptet i 1905. I dag finnes de overalt fra den automatiske girkassen i bilen din til massive industrimaskiner, marine fremdriftssystemer og til og med diesellokomotiver. Men til tross for utbredt bruk er det mange som ikke helt forstår hva de er eller hvordan de fungerer.

Hva er en hydraulisk kopling?

Definisjon og kjernekonsept

A hydraulisk kopling -også kalt a væskekobling or hydrodynamisk kobling - er en enhet som overfører roterende mekanisk kraft fra en aksel til en annen ved å bruke en væske, typisk olje, som overføringsmedium. I motsetning til en mekanisk clutch som bruker friksjonsplater eller en girkasse som bruker sammenlåsende tenner, har en hydraulisk kobling ingen direkte mekanisk forbindelse mellom inngangs- og utgående aksel. I stedet strømmer kraft gjennom væskens kinetiske energi.

Begrepet "hydraulisk kobling" kan faktisk referere til to forskjellige kategorier av enheter, og det er viktig å forstå denne forskjellen. I følge Britannica er det to hovedtyper av hydrauliske kraftoverføringssystemer:

Denne artikkelen fokuserer på hydrokinetiske væskekoblinger , som brukes til roterende kraftoverføring. Hydrostatiske systemer (hydrauliske pumper og motorer) er en helt annen teknologi, til tross for at de også kalles "hydrauliske".

De tre hovedkomponentene

En enkel væskekobling består av tre hovedkomponenter, pluss hydraulikkvæsken som fyller arbeidskammeret:

The Housing (Shell) – Dette er det ytre dekselet som inneholder væsken og de to turbinene. Den må ha oljetette pakninger rundt drivakslene for å hindre lekkasjer. Huset fungerer også som den fysiske forbindelsen mellom inngangsakselen og pumpehjulet.

Pumpen (impeller) – Denne viftelignende komponenten er koblet direkte til inngangsakselen, som kommer fra drivkraften (en elektrisk motor, forbrenningsmotor eller dampturbin). Når drivmotoren roterer, roterer pumpen med den med nøyaktig samme hastighet. Pumpen inneholder radielle blader - vanligvis 20 til 40 av dem - som skyver og leder væsken.

Turbinen (løper) – Denne andre viftelignende komponenten vender mot pumpen og er koblet til utgangsakselen, som driver lasten (for eksempel en transportør, pumpe eller kjøretøytransmisjon). Turbinen er ikke mekanisk koblet til pumpen; den berører bare væsken som pumpen kaster på den.

Skille fra momentomformere

Det er verdt å merke seg at en hydraulisk kopling er ikke det samme som en momentomformer, selv om de to ofte forveksles. En grunnleggende væskekobling overfører dreiemoment uten å multiplisere det - utgangsmomentet er lik inngangsmomentet (minus mindre tap). En momentomformer, derimot, inkluderer en ekstra komponent kalt a stator som omdirigerer væskestrømmen til å faktisk multiplisere dreiemomentet ved lave hastigheter. I bilapplikasjoner har momentomformere i stor grad erstattet enkle væskekoblinger siden slutten av 1940-tallet fordi de gir bedre lavhastighetsytelse. Imidlertid forblir væskekoblinger mye brukt i industrielle omgivelser der dreiemomentmultiplikasjon ikke er nødvendig.

Hvordan fungerer en hydraulisk kopling?

Föttinger-prinsippet

Hver moderne hydraulisk kopling opererer på det som er kjent som Föttinger-prinsippet , oppkalt etter den tyske ingeniøren som først patenterte konseptet i 1905 . Prinsippet er villedende enkelt: en pumpe akselererer væske utover, og den bevegelige væsken treffer deretter en turbin og får den til å rotere. Væsken går deretter tilbake til pumpen for å gjenta syklusen.

Tenk på det som to vifter som vender mot hverandre inne i en forseglet kasse fylt med olje. Hvis du slår på en vifte (pumpen), presser bladene oljen. Den bevegelige oljen treffer deretter bladene til den andre viften (turbinen), og får den til å spinne. Den andre viften er ikke koblet til den første med noen solid kobling - bare av den bevegelige væsken. Dette er essensen av hydrodynamisk kraftoverføring.

Trinn-for-trinn: Kraftoverføringssyklusen

La oss gå gjennom nøyaktig hva som skjer inne i en hydraulisk kopling under normal drift.

Trinn 1 – Prime Mover snurrer pumpen

Motoren eller den elektriske motoren roterer inngangsakselen, som er koblet til pumpehjulet. Når pumpen snurrer, fanger dens radiale blader opp hydraulikkvæsken (vanligvis olje) inne i koblingshuset. Bladene er vinklet slik at de kaster væsken utover og tangentielt, omtrent som en sentrifugalpumpe.

Trinn 2 – Væske får kinetisk energi

Pumpen gir både utadgående lineær bevegelse og rotasjonsbevegelse til væsken. Når væsken beveger seg fra midten av pumpen mot ytterkanten, får den betydelig kinetisk energi. Jo raskere pumpen spinner, jo mer energi absorberer væsken. Forholdet er proporsjonalt med kvadratet på inngangshastigheten: overført dreiemoment øker med kvadratet på inngangshastigheten, mens overført effekt øker med kuben av inngangshastigheten.

Trinn 3 – Væske treffer turbinbladene

Den energiserte væsken blir rettet av formen på pumpen mot turbinen (løperen). Fordi pumpen og turbinen vender mot hverandre med et lite gap mellom dem, skyter væsken over dette gapet og støter på turbinbladene. Kraften fra dette slaget overfører vinkelmomentum fra væsken til turbinen, og får den til å rotere i samme retning som pumpen.

Trinn 4 – Væsken går tilbake til pumpen

Etter å ha gitt fra seg mesteparten av energien til turbinen, strømmer væsken tilbake mot midten av koblingen og går inn i pumpen igjen. Dette skaper en kontinuerlig toroidalt strømningsmønster — væsken sirkulerer rundt en smultringformet bane (en torus) inne i koblingen. Så lenge pumpen fortsetter å rotere, fortsetter væsken å sirkulere og overføre dreiemoment.

Trinn 5 – Dreiemomentet leveres til lasten

Turbinen er koblet til utgående aksel, som driver lasten. Når turbinen roterer, dreier den utgangsakselen, og leverer mekanisk kraft til hvilken som helst maskin som er tilkoblet – enten det er et transportbånd, et pumpehjul, en kjøretøytransmisjon eller en skipspropell.

Væskestrømningsbanen (toroidal sirkulasjon)

Bevegelsen av væske inne i en hydraulisk kobling følger en fascinerende toroidal (smultringformet) bane. Det er to komponenter i denne bevegelsen:

• Sirkulær flyt – Væsken snurrer rundt rotasjonsaksen, følger omkretsen av koblingen.
• Meridional flyt – Væsken beveger seg fra pumpen til turbinen og tilbake igjen, og skaper en resirkuleringssløyfe.

Når inngangs- og utgangsakslene roterer med samme hastighet, er det ingen nettostrøm fra den ene turbinen til den andre - væsken snurrer ganske enkelt på plass. Men når det er en forskjell i hastighet mellom pumpen og turbinen (som alltid eksisterer under belastning), strømmer væsken kraftig fra pumpen til turbinen, og overfører dreiemoment.

Viktige driftsegenskaper

Slip – Den uunngåelige hastighetsforskjellen

En av de viktigste egenskapene til enhver væskekobling er slip . Slip er forskjellen i rotasjonshastighet mellom inngående aksel (pumpe) og utgående aksel (turbin), uttrykt i prosent.

En væskekobling kan ikke utvikle utgangsmoment når inngangs- og utgangsvinkelhastighetene er identiske . Dette betyr at under belastning må turbinen alltid rotere litt langsommere enn pumpen. I en riktig utformet hydraulisk kobling under normale belastningsforhold er hastigheten til den drevne akselen ca 3 prosent mindre enn hastigheten til drivakselen. For mindre koblinger kan slipp variere fra 1,5 % (store kraftenheter) til 6 % (små kraftenheter).

Hvorfor spiller slip noe? Fordi slip representerer tapt energi. Kraften som ikke overføres til utgangsakselen, spres som varme i væsken på grunn av intern friksjon og turbulens. Dette er grunnen til at væskekoblinger ikke er 100 % effektive – typisk effektivitet varierer fra 95 % til 98 %. Den tapte energien varmer opp hydraulikkvæsken, og det er grunnen til at mange væskekoblinger krever kjølesystemer eller er designet for å spre varme effektivt.

Stallhastighet

En annen kritisk egenskap er stall hastighet . Dette er definert som den høyeste hastigheten som pumpen kan rotere med når utgangsturbinen er låst (kan ikke bevege seg) og fullt inngangsmoment påføres. Under stallforhold blir all motorkraften ved denne hastigheten omdannet til varme i væskekoblingen. Langvarig drift ved stopp kan skade koblingen, tetningene og væsken.

Stallhastighet er spesielt relevant i bilapplikasjoner. Når du blir stoppet i et lyskryss med en automatgir i gir, er momentomformeren (som utviklet seg fra væskekoblingen) i delvis stall tilstand. Motoren går på tomgang, og væskekoblingen avgir en liten mengde kraft som varme.

Scoop-kontroll for variabel hastighet

En av de mest verdifulle egenskapene til industrielle væskekoblinger er muligheten til å variere utgangshastigheten uten å endre inngangshastigheten. Dette gjøres ved å bruke en scoop kontroll system.

En scoop er et ikke-roterende rør som går inn i den roterende koblingen gjennom et sentralt nav. Ved å flytte denne øsen – enten å rotere den eller forlenge den – kan operatøren fjerne væske fra arbeidskammeret og returnere den til et eksternt reservoar. Mindre væske i koblingen betyr mindre dreiemomentoverføring og derfor lavere hastighet på utgående aksel. Når det trengs mer hastighet, pumpes væske tilbake inn i koblingen.

Dette gir rom for trinnløs variabel hastighetskontroll av store maskiner som kjelematepumper, vifter og transportører . Den elektriske motoren kan kjøre med konstant, effektiv hastighet mens utgangshastigheten justeres jevnt etter behov.

Typer hydrauliske koblinger

Koblinger med konstant fylling

Den mest grunnleggende typen hydraulisk kopling er konstant fylling kobling. Som navnet antyder, inneholder disse koblingene et fast volum av væske som til enhver tid forblir i arbeidskammeret. De er enkle, pålitelige og krever minimalt vedlikehold.

Koblinger med konstant fylling gir:

• Jevn, støtfri akselerasjon
• Overbelastningsbeskyttelse (hvis lasten blokkerer, sklir koblingen i stedet for å stoppe motoren)
• Torsjonsvibrasjonsdemping

Disse er ofte funnet i industrielle applikasjoner som transportører, knusere, vifter og pumper. Transfluid K-serien er et eksempel på en kobling med konstant fylling, tilgjengelig for både elektriske og dieseldrevne applikasjoner.

Forsinket fyllingskoblinger

A forsinkelse-fyll-kobling (også kjent som en trinnkretskobling) legger til et reservoar som holder noe av væsken når utgangsakselen er stasjonær eller roterer sakte. Dette reduserer luftmotstanden på inngangsakselen under oppstart, noe som har to fordeler:

• Lavere drivstofforbruk når motoren går på tomgang
• Redusert "kryp" i bilapplikasjoner (tendensen til et kjøretøy til å bevege seg fremover mens det er i gir med motoren på tomgang)

Når utgangsakselen begynner å rotere, kaster sentrifugalkraften væsken ut av reservoaret og tilbake inn i hovedarbeidskammeret, og gjenoppretter full kraftoverføringsevne.

Variable-Fill (Scoop-kontrollerte) koblinger

Som beskrevet ovenfor bruker koblinger med variabel fylling et øserør for å kontrollere væskemengden i arbeidskammeret mens koblingen er i drift. Dette gir mulighet for kontinuerlig, trinnløs hastighetskontroll av det drevne utstyret. Disse brukes i applikasjoner som krever variabel utgangshastighet, for eksempel:

• Kjelmatepumpe driver i kraftverk
• Stor vifte og viftedrift
• Marine fremdriftssystemer
• Sentrifugalkompressordrev

Bruk av hydrauliske koblinger

Industrimaskineri

Væskekoblinger brukes mye i industrielle applikasjoner som involverer rotasjonskraft, spesielt der starter med høy treghet eller konstant syklisk belastning er tilstede. Vanlige eksempler inkluderer:

• Transportører – Glatt start forhindrer belteskader og materialsøl
• Knusere og makuleringsmaskiner – Beskytter motoren hvis knuseren setter seg fast på uknuselig materiale
• Sentrifugalpumper – Lar motoren starte ubelastet, og bringer deretter pumpen gradvis opp til hastighet
• Vifter og vifter – Gir variabel hastighetskontroll for energisparing
• Blandere og pulpers – Absorberer støtbelastninger fra uregelmessige materialer

Marine fremdrift

Skip og båter bruker væskekoblinger mellom dieselmotoren og propellakselen. Væskekoblingen gir flere fordeler i dette krevende miljøet:

• Den lar motoren starte og gå på tomgang uten å dreie propellen
• Det demper torsjonsvibrasjoner fra motoren
• Det gir jevnt, støtfritt inngrep når strøm tilføres
• Det beskytter drivverket hvis propellen treffer rusk

Jernbanetransport

Diesellokomotiver og dieselflerenheter (DMU) bruker ofte væskekoblinger som en del av kraftoverføringssystemene deres. Produsenter som Voith produserer turbotransmisjoner som kombinerer væskekoblinger og momentomformere for skinneapplikasjoner. Self-Changing Gears-selskapet laget halvautomatiske girkasser for British Rail som brukte væskekoblinger.

Bil (historisk)

I bilapplikasjoner er pumpen vanligvis koblet til motorens svinghjul (koblingens hus kan til og med være en del av selve svinghjulet), og turbinen er koblet til transmisjonens inngangsaksel. Oppførselen til en væskekobling ligner sterkt på den til en mekanisk clutch som driver en manuell girkasse - når motorhastigheten øker, overføres dreiemomentet jevnt til girkassen.

Den mest kjente bilapplikasjonen var Daimler Fluid Svinghjul , brukt i forbindelse med en Wilson forvalgsgirkasse. Daimler brukte disse i hele sitt utvalg av luksusbiler til de byttet til automatiske girkasser med 1958 Majestic. General Motors brukte også en væskekobling i Hydramatisk girkasse, introdusert i 1939 som den første helautomatiske girkassen i en masseprodusert bil.

I dag har den hydrodynamiske momentomformeren i stor grad erstattet den enkle væskekoblingen i personbiler fordi momentomformere gir dreiemomentmultiplikasjon ved lave hastigheter, og forbedrer akselerasjonen fra et stopp.

Luftfart

Væskekoblinger har også funnet bruk i luftfart. Det mest fremtredende eksemplet var i Wright turbo-sammensatt stempelmotor , brukt på fly som Lockheed Constellation og Douglas DC-7 . Tre kraftgjenvinningsturbiner hentet ut omtrent 20 prosent av energien (omtrent 500 hestekrefter) fra motorens eksosgasser. Ved å bruke tre væskekoblinger og gir, ble denne høyhastighets turbinkraften med lavt dreiemoment konvertert til utgang med lav hastighet og høyt dreiemoment for å drive propellen.

Fordeler og begrensninger

Fordeler med hydrauliske koblinger

Begrensninger og hensyn

Iboende slip – En væskekobling kan ikke oppnå 100 % effektivitet fordi sluring er nødvendig for dreiemomentoverføring. Noe strøm går alltid tapt som varme.

Varmeutvikling – Under stall eller kraftige utglidninger genereres det betydelig varme. Store koblinger kan kreve ekstern kjøling.

Lavere effektivitet enn stive koblinger – På grunn av interne væskedynamiske tap, har hydrodynamiske transmisjoner en tendens til å ha lavere transmisjonseffektivitet enn stivt koplede transmisjoner som remdrift eller girkasser.

Væskevedlikehold – Hydraulikkvæsken brytes ned over tid og må skiftes ut med jevne mellomrom. Væskeviskositet påvirker ytelsen, og feil væske kan forårsake overoppheting.

Ikke egnet for presis hastighetssynkronisering – Hvis inngående og utgående aksler må rotere med nøyaktig samme hastighet, kan en væskekobling ikke brukes fordi skli er iboende for driften.

Ofte stilte spørsmål (FAQ)

Q1: Hva er forskjellen mellom en hydraulisk kopling og en momentomformer?

En grunnleggende hydraulisk kopling overfører dreiemoment uten multiplikasjon – utgangsmoment er lik inngangsmoment (minus tap). En momentomformer inkluderer en ekstra komponent kalt en stator som omdirigerer væskestrømmen, slik at utgangsmomentet kan være multiplisert ved lave hastigheter. Dette gjør momentomformere bedre for bilapplikasjoner hvor høyt startmoment er nødvendig.

Q2: Kan en hydraulisk kobling oppnå 100 % effektivitet?

Nei. En væskekobling kan ikke utvikle utgående dreiemoment når inngangs- og utgangshastighetene er identiske, så noe slipp er alltid nødvendig. Under normal drift er effektiviteten vanligvis 95–98 %.

Q3: Hvilken type væske brukes i en hydraulisk kopling?

De fleste hydrauliske koblinger bruker væsker med lav viskositet, som for eksempel multi-grade motoroljer eller automatgiroljer (ATF). Økning av væsketettheten øker dreiemomentet som kan overføres ved en gitt inngangshastighet. For applikasjoner der ytelsen må forbli stabil på tvers av temperaturendringer, er en væske med høy viskositetsindeks foretrukket. Noen koblinger er til og med tilgjengelige for vanndrift.

Q4: Hvordan kontrollerer du hastigheten til en hydraulisk kopling?

I en kobling med variabel fylling (scoop-kontrollert) fjerner et ikke-roterende scoop-rør væske fra arbeidskammeret mens koblingen er i drift. Mindre væske betyr mindre dreiemomentoverføring og lavere utgangshastighet. Ved å kontrollere scoop-posisjonen kan utgangshastigheten justeres trinnløst fra null til nesten inngangshastighet.

Q5: Hva skjer hvis en hydraulisk kopling går tørr?

Hvis en væskekobling fungerer uten tilstrekkelig væske, vil den ikke være i stand til å overføre det nødvendige dreiemomentet. Mer kritisk vil det begrensede væskevolumet overopphetes raskt, noe som ofte forårsaker skade på tetningene, lagrene og huset.

Q6: Brukes hydrauliske koblinger fortsatt i moderne biler?

Enkle væskekoblinger er i stor grad erstattet av momentomformere i personbiler. Noen moderne automatgir bruker imidlertid fortsatt væskekoblingsprinsipper, og begrepet "væskekobling" brukes noen ganger om hverandre med "momentomformer" i uformell samtale.

Q7: Hvorfor blir væskekoblingen min varm?

Varmeutvikling er normalt fordi energien som går tapt for å gli, forsvinner som varme. Imidlertid indikerer overdreven varme for mye slip, som kan være forårsaket av overbelastning, lavt væskenivå, feil væsketype eller et kjølesystem som ikke fungerer.

Q8: Hvor lenge varer en hydraulisk kobling?

Fordi det ikke er noen mekanisk kontakt mellom pumpen og turbinen, er væskekoblinger ekstremt holdbare. De primære slitasjekomponentene er tetningene og lagrene. Med riktig vedlikehold og væskeskift kan industrielle væskekoblinger vare i flere tiår.