Hvad er hydrauliske koblinger, og hvordan fungerer de i flydende kraftsystemer?

Introduktion

Fellerestil dig at prøve at starte et massivt industrielt transportbånd eller en skibspropel ved at smække en mekanisk kobling sammen. Det pludselige stød ville sandsynligvis knække gear, beskadige motoren og skabe en ubehagelig oplevelse for alle i nærheden. Det er her hydrauliske koblinger - også kendt som væskekoblinger - giver en elegant løsning. I stedet for stiv metal-til-metal-kontakt bruger disse smarte enheder kun væske til at overføre strøm jævnt og effektivt fra en roterende aksel til en anden.

Hydrauliske koblinger har været brugt i over et århundrede, der stammer fra den tyske ingeniør Hermann Föttinger, som patenterede konceptet i 1905. I dag findes de overalt fra den automatiske gearkasse i din bil til massivt industrielt maskineri, marinefremdriftssystemer og endda diesellokomotiver. Men på trods af deres udbredte brug, forstår mange mennesker ikke helt, hvad de er, eller hvordan de fungerer.

Hvad er en hydraulisk kobling?

Definition og kernekoncept

A hydraulisk kobling - også kaldet en væskekobling or hydrodynamisk kobling -er en enhed, der overfører roterende mekanisk kraft fra en aksel til en anden ved hjælp af en væske, typisk olie, som transmissionsmediet. I modsætning til en mekanisk kobling, der bruger friktionsplader eller en gearkasse, der bruger sammenlåsende tænder, har en hydraulisk kobling ingen direkte mekanisk forbindelse mellem indgangs- og udgangsaksler. I stedet strømmer kraft gennem væskens kinetiske energi.

Udtrykket "hydraulisk kobling" kan faktisk henvise til to forskellige kategorier af enheder, og det er vigtigt at forstå denne skelnen. Ifølge Britannica er der to hovedtyper af hydrauliske kraftoverførselssystemer:

Denne artikel fokuserer på hydrokinetiske væskekoblinger , som bruges til roterende kraftoverførsel. Hydrostatiske systemer (hydrauliske pumper og motorer) er en helt anden teknologi, selvom de også kaldes "hydrauliske".

De tre hovedkomponenter

En simpel væskekobling består af tre primære komponenter plus den hydrauliske væske, der fylder arbejdskammeret:

The Housing (Shell) – Dette er den ydre kappe, der indeholder væsken og de to turbiner. Den skal have olietætte tætninger omkring drivakslerne for at forhindre utætheder. Huset fungerer også som den fysiske forbindelse mellem indgangsakslen og pumpehjulet.

Pumpen (løbehjul) – Denne ventilatorlignende komponent er forbundet direkte til indgangsakslen, som kommer fra drivmotoren (en elektrisk motor, forbrændingsmotor eller dampturbine). Når drivmotoren roterer, roterer pumpen med den med nøjagtig samme hastighed. Pumpen indeholder radiale blade - typisk 20 til 40 af dem - der skubber og dirigerer væsken.

Turbinen (løber) – Denne anden ventilatorlignende komponent vender mod pumpen og er forbundet til udgangsakslen, som driver belastningen (såsom en transportør, pumpe eller køretøjstransmission). Turbinen er ikke mekanisk forbundet med pumpen; den rører kun den væske, som pumpen kaster efter den.

Forskellen fra momentomformere

Det er værd at bemærke, at en hydraulisk kobling er ikke det samme som en momentomformer, selvom de to ofte forveksles. En grundlæggende væskekobling overfører drejningsmoment uden at multiplicere det - udgangsmomentet er lig med indgangsmomentet (minus mindre tab). En momentomformer indeholder derimod en ekstra komponent kaldet a stator der omdirigerer væskestrømmen til faktisk at multiplicere drejningsmomentet ved lave hastigheder. I bilapplikationer har momentomformere stort set erstattet simple væskekoblinger siden slutningen af ​​1940'erne, fordi de giver bedre ydeevne ved lav hastighed. Væskekoblinger er dog stadig meget udbredte i industrielle omgivelser, hvor drejningsmomentmultiplikation ikke er påkrævet.

Hvordan fungerer en hydraulisk kobling?

Föttinger-princippet

Enhver moderne hydraulisk kobling fungerer på det, der er kendt som Föttinger princip , opkaldt efter den tyske ingeniør , der første gang patenterede konceptet i 1905 . Princippet er vildledende simpelt: en pumpe accelererer væsken udad, og den bevægelige væske rammer derefter en turbine og får den til at rotere. Væsken vender derefter tilbage til pumpen for at gentage cyklussen.

Tænk på det som to blæsere, der vender mod hinanden inde i en forseglet kasse fyldt med olie. Hvis du tænder for en blæser (pumpen), skubber dens blade olien. Den bevægende olie rammer derefter bladene på den anden blæser (turbinen), hvilket får den til at rotere. Den anden blæser er ikke forbundet med den første ved hjælp af et solidt led - kun af den bevægelige væske. Dette er essensen af ​​hydrodynamisk kraftoverførsel.

Trin-for-trin: Krafttransmissionscyklussen

Lad os gennemgå præcis, hvad der sker inde i en hydraulisk kobling under normal drift.

Trin 1 – Prime Mover drejer pumpen

Motoren eller elmotoren roterer indgangsakslen, som er forbundet med pumpens pumpehjul. Når pumpen roterer, fanger dens radiale blade hydraulikvæsken (normalt olie) inde i koblingshuset. Bladene er vinklet, så de kaster væsken udad og tangentielt, ligesom en centrifugalpumpe.

Trin 2 – Væske får kinetisk energi

Pumpen bibringer både udadgående lineær bevægelse og rotationsbevægelse til væsken. Når væsken bevæger sig fra midten af ​​pumpen mod yderkanten, får den betydelig kinetisk energi. Jo hurtigere pumpen roterer, jo mere energi absorberer væsken. Forholdet er proportionalt med kvadratet af indgangshastigheden: det transmitterede drejningsmoment stiger med kvadratet af indgangshastigheden, mens den transmitterede effekt stiger med terningen af ​​indgangshastigheden.

Trin 3 – Væske rammer turbinebladene

Den strømførende væske ledes af pumpens form mod turbinen (løberen). Fordi pumpen og turbinen vender mod hinanden med et lille mellemrum mellem dem, skyder væsken hen over dette mellemrum og rammer turbinebladene. Kraften fra dette stød overfører vinkelmomentum fra væsken til turbinen, hvilket får den til at rotere i samme retning som pumpen.

Trin 4 – Væske vender tilbage til pumpen

Efter at have afgivet det meste af sin energi til turbinen, strømmer væsken tilbage mod midten af koblingen og kommer ind i pumpen igen. Dette skaber en kontinuerlig toroidalt strømningsmønster — væsken cirkulerer rundt om en donut-formet bane (en torus) inde i koblingen. Så længe pumpen fortsætter med at rotere, bliver væsken ved med at cirkulere og overføre drejningsmoment.

Trin 5 – Moment leveres til lasten

Turbinen er forbundet med udgangsakslen, som driver lasten. Når turbinen roterer, drejer den udgangsakslen og leverer mekanisk kraft til den maskine, der er tilsluttet – uanset om det er et transportbånd, et pumpehjul, en køretøjstransmission eller en skibspropel.

Væskestrømningsvejen (toroidal cirkulation)

Væskens bevægelse inde i en hydraulisk kobling følger en fascinerende ringformet (donut-formet) bane. Der er to komponenter til denne bevægelse:

• Cirkulært flow – Væsken drejer rundt om rotationsaksen og følger koblingens omkreds.
• Meridional flow – Væsken bevæger sig fra pumpen til turbinen og tilbage igen, hvilket skaber en genbrugskreds.

Når indgangs- og udgangsakslerne roterer med samme hastighed, er der ingen nettostrøm fra den ene turbine til den anden - væsken spinder simpelthen på plads. Men når der er en forskel i hastighed mellem pumpen og turbinen (som altid eksisterer under belastning), strømmer væsken kraftigt fra pumpen til turbinen og overfører drejningsmoment .

Vigtige driftsegenskaber

Slip – Den uundgåelige hastighedsforskel

En af de vigtigste egenskaber ved enhver væskekobling er glide . Slip er forskellen i rotationshastighed mellem indgangsakslen (pumpe) og udgangsaksel (turbine), udtrykt i procent.

En væskekobling kan ikke udvikle udgangsmoment, når indgangs- og udgangsvinkelhastighederne er identiske . Det betyder, at møllen under belastning altid skal rotere lidt langsommere end pumpen. I en korrekt designet hydraulisk kobling under normale belastningsforhold er hastigheden af den drevne aksel ca 3 procent mindre end drivakslens hastighed. For mindre koblinger kan slip variere fra 1,5% (store kraftenheder) til 6% (små kraftenheder).

Hvorfor betyder slip noget? Fordi slip repræsenterer tabt energi. Den kraft, der ikke overføres til udgangsakslen, spredes som varme i væsken på grund af intern friktion og turbulens. Dette er grunden til, at væskekoblinger ikke er 100 % effektive - den typiske effektivitet varierer fra 95 % til 98 %. Den tabte energi opvarmer hydraulikvæsken, hvorfor mange væskekoblinger kræver kølesystemer eller er designet til at aflede varme effektivt.

Staldhastighed

En anden kritisk egenskab er stall hastighed . Dette er defineret som den højeste hastighed, hvormed pumpen kan dreje, når udgangsturbinen er låst (kan ikke bevæge sig) og fuldt indgangsmoment påføres. Under stallforhold omdannes al motorens kraft ved denne hastighed til varme i væskekoblingen. Længerevarende drift ved stall kan beskadige koblingen, tætningerne og væsken.

Stallhastighed er især relevant i bilindustrien. Når du bliver stoppet ved et lyskryds med en automatgear i gear, er momentomformeren (som er udviklet fra væskekoblingen) i en delvis stall tilstand. Motoren går i tomgang, og væskekoblingen afgiver en lille mængde strøm som varme.

Scoop kontrol for variabel hastighed

En af de mest værdifulde egenskaber ved industrielle væskekoblinger er evnen til at variere udgangshastigheden uden at ændre indgangshastigheden. Dette opnås ved hjælp af en scoop kontrol system.

En scoop er et ikke-roterende rør, der kommer ind i den roterende kobling gennem et centralt nav. Ved at flytte denne øse – enten at dreje den eller forlænge den – kan operatøren fjerne væske fra arbejdskammeret og returnere den til et eksternt reservoir. Mindre væske i koblingen betyder mindre drejningsmomentoverførsel og derfor lavere udgangsakselhastighed. Når der er behov for mere hastighed, pumpes væske tilbage i koblingen.

Dette giver mulighed for trinløs variabel hastighedskontrol af store maskiner som kedelfødepumper, ventilatorer og transportører. Elmotoren kan køre med en konstant, effektiv hastighed, mens udgangshastigheden justeres jævnt efter behov.

Typer af hydrauliske koblinger

Konstant-fyld koblinger

Den mest grundlæggende type hydraulisk kobling er konstant fyldning kobling. Som navnet antyder, indeholder disse koblinger en fast mængde væske, der hele tiden forbliver i arbejdskammeret. De er enkle, pålidelige og kræver minimal vedligeholdelse.

Konstant-fyld koblinger giver:

• Jævn, stødfri acceleration
• Overbelastningsbeskyttelse (hvis lasten sidder fast, glider koblingen i stedet for at stoppe motoren)
• Torsionsvibrationsdæmpning

Disse findes almindeligvis i industrielle applikationer såsom transportører, knusere, ventilatorer og pumper. Transfluid K-serien er et eksempel på en konstant-fyldningskobling, tilgængelig til både elektriske og dieseldrevne applikationer.

Delay-Fill koblinger

A forsinkelse-fyld kobling (også kendt som en step-kredsløbskobling) tilføjer et reservoir, der holder noget af væsken, når udgangsakslen er stationær eller roterer langsomt. Dette reducerer modstanden på indgangsakslen under opstart, hvilket har to fordele:

• Lavere brændstofforbrug når motoren går i tomgang
• Reduceret "kryb" i bilapplikationer (et køretøjs tendens til at bevæge sig fremad, mens det er i gear med motoren i tomgang)

Når udgangsakslen begynder at rotere, kaster centrifugalkraften væsken ud af reservoiret og tilbage i hovedarbejdskammeret, hvilket genopretter fuld kraftoverførselsevne.

Variable-Fill (Scoop-kontrollerede) koblinger

Som beskrevet ovenfor bruger variabel-fyldningskoblinger et øserør til at kontrollere mængden af væske i arbejdskammeret, mens koblingen er i drift. Dette giver mulighed for kontinuerlig, trinløs hastighedskontrol af det drevne udstyr. Disse bruges i applikationer, der kræver variabel udgangshastighed, såsom:

• Kedelfødepumpe driver i kraftværker
• Stor ventilator og blæserdrev
• Marine fremdriftssystemer
• Centrifugalkompressordrev

Anvendelser af hydrauliske koblinger

Industrielle maskiner

Væskekoblinger bruges i vid udstrækning i industrielle applikationer, der involverer rotationskraft, især hvor høj-inerti starter eller konstant cyklisk belastning er til stede. Almindelige eksempler omfatter:

• Transportører – Jævn start forhindrer bælteskader og materialespild
• Knusere og makuleringsmaskiner – Beskytter motoren, hvis knuseren sidder fast på ubrydeligt materiale
• Centrifugalpumper – Lader motoren starte ubelastet og bringer derefter gradvist pumpen op på hastighed
• Ventilatorer og blæsere – Giver variabel hastighedskontrol for energibesparelser
• Blandere og pulpmaskiner – Absorberer stødbelastninger fra uregelmæssige materialer

Marine fremdrift

Skibe og både bruger væskekoblinger mellem dieselmotoren og propelakslen. Væskekoblingen giver flere fordele i dette krævende miljø:

• Det gør det muligt for motoren at starte og gå i tomgang uden at dreje propellen
• Det dæmper torsionsvibrationer fra motoren
• Det giver jævnt, stødfrit indgreb, når der tilføres strøm
• Det beskytter drivlinjen, hvis propellen rammer snavs

Jernbanetransport

Diesellokomotiver og diesel multiple units (DMU'er) bruger ofte væskekoblinger som en del af deres kraftoverførselssystemer. Producenter som Voith fremstiller turbotransmissioner, der kombinerer væskekoblinger og momentomformere til jernbaneanvendelser. Selskabet Self-Changing Gears lavede semi-automatiske transmissioner til British Rail, der brugte væskekoblinger.

Automotive (historisk)

I bilapplikationer er pumpen typisk forbundet med motorens svinghjul (koblingens hus kan endda være en del af selve svinghjulet), og turbinen er forbundet til transmissionens indgangsaksel. En væskekoblings opførsel minder meget om en mekanisk kobling, der driver en manuel gearkasse - når motorhastigheden stiger, overføres drejningsmomentet jævnt til transmissionen.

Den mest berømte bilapplikation var Daimler Fluid Svinghjul , brugt i forbindelse med en Wilson forvalgsgearkasse. Daimler brugte disse i hele deres udvalg af luksusbiler, indtil de skiftede til automatiske gearkasser med Majestic fra 1958. General Motors brugte også en væskekobling i Hydramatisk transmission, introduceret i 1939 som den første fuldautomatiske transmission i en masseproduceret bil.

I dag har den hydrodynamiske momentomformer stort set erstattet den simple væskekobling i personbiler, fordi momentomformere giver momentmultiplikation ved lave hastigheder, hvilket forbedrer accelerationen fra et stop.

Luftfart

Væskekoblinger har også fundet anvendelse i luftfarten. Det mest fremtrædende eksempel var i Wright turbo-sammensat stempelmotor , brugt på fly som Lockheed Constellation og Douglas DC-7 . Tre energigenvindingsturbiner udtog cirka 20 procent af energien (ca. 500 hestekræfter) fra motorens udstødningsgasser. Ved at bruge tre væskekoblinger og gearing blev denne højhastigheds turbinekraft med lavt drejningsmoment konverteret til lavhastighedseffekt med højt drejningsmoment for at drive propellen.

Fordele og begrænsninger

Fordele ved hydrauliske koblinger

Begrænsninger og overvejelser

Iboende glidning – En væskekobling kan ikke opnå 100 % effektivitet, fordi slip er påkrævet for momentoverførsel. En del strøm går altid tabt som varme.

Varmeudvikling – Under stall eller kraftige skridforhold genereres der betydelig varme. Store koblinger kan kræve ekstern køling.

Lavere effektivitet end stive koblinger – På grund af interne væskedynamiske tab har hydrodynamiske transmissioner en tendens til at have lavere transmissionseffektivitet end stift koblede transmissioner såsom remtræk eller gearkasser.

Væskevedligeholdelse – Hydraulikvæsken nedbrydes med tiden og skal udskiftes med jævne mellemrum. Væskeviskositet påvirker ydeevnen, og den forkerte væske kan forårsage overophedning.

Ikke egnet til præcis hastighedssynkronisering – Hvis indgangs- og udgangsaksler skal rotere med nøjagtig samme hastighed, kan en væskekobling ikke bruges, fordi slip er en naturlig del af dens drift.

Ofte stillede spørgsmål (FAQ)

Q1: Hvad er forskellen mellem en hydraulisk kobling og en momentomformer?

En grundlæggende hydraulisk kobling overfører drejningsmoment uden multiplikation - udgangsmoment er lig med indgangsmoment (minus tab). En momentomformer inkluderer en ekstra komponent kaldet en stator, der omdirigerer væskestrømmen, så udgangsmomentet kan være ganget ved lave hastigheder. Dette gør momentomformere bedre til bilapplikationer, hvor der er behov for et højt startmoment.

Q2: Kan en hydraulisk kobling opnå 100 % effektivitet?

Nej. En væskekobling kan ikke udvikle udgangsmoment, når indgangs- og udgangshastighederne er identiske, så en vis slip er altid påkrævet. Under normal drift er effektiviteten typisk 95–98 %.

Q3: Hvilken type væske bruges i en hydraulisk kobling?

De fleste hydrauliske koblinger bruger væsker med lav viskositet, såsom multi-grade motorolier eller automatiske transmissionsvæsker (ATF). Forøgelse af væskedensiteten øger det drejningsmoment, der kan overføres ved en given indgangshastighed. Til applikationer, hvor ydeevnen skal forblive stabil på tværs af temperaturændringer, foretrækkes en væske med et højt viskositetsindeks. Nogle koblinger er endda tilgængelige til vanddrift.

Q4: Hvordan styrer du hastigheden af ​​en hydraulisk kobling?

I en kobling med variabel fyldning (scoop-styret) fjerner et ikke-roterende scoop-rør væske fra arbejdskammeret, mens koblingen er i drift. Mindre væske betyder mindre momentoverførsel og lavere udgangshastighed. Ved at styre scoop-positionen kan udgangshastigheden justeres trinløst fra nul til næsten indgangshastighed.

Q5: Hvad sker der, hvis en hydraulisk kobling løber tør?

Hvis en væskekobling fungerer uden tilstrækkelig væske, vil den ikke være i stand til at overføre det nødvendige drejningsmoment. Mere kritisk vil det begrænsede væskevolumen overophedes hurtigt, hvilket ofte forårsager skade på tætninger, lejer og hus.

Q6: Bruges hydrauliske koblinger stadig i moderne biler?

Simple væskekoblinger er stort set blevet erstattet af momentomformere i personbiler. Nogle moderne automatgearer bruger dog stadig væskekoblingsprincipper, og udtrykket "væskekobling" bruges nogle gange i flæng med "momentomformer" i afslappet samtale.

Q7: Hvorfor bliver min væskekobling varm?

Varmeudvikling er normal, fordi den energi, der tabes ved glidning, spredes som varme. Men overdreven varme indikerer for meget slip, hvilket kan være forårsaget af overbelastning, lavt væskeniveau, forkert væsketype eller et defekt kølesystem.

Q8: Hvor længe holder en hydraulisk kobling?

Fordi der ikke er nogen mekanisk kontakt mellem pumpen og turbinen, er væskekoblinger ekstremt holdbare. De primære slidkomponenter er tætninger og lejer. Med korrekt vedligeholdelse og væskeskift kan industrielle væskekoblinger holde i årtier.