Гидромуфта и все,что необходимо о ней знать.

В некоторых видах двигателей устанавливается привод вентилятора с охлаждающей функцией от коленвала. Соединение осуществляется через специальную деталь, называемой гидромуфтой. В чём суть действия этого прибора, строение и процесс его функционирования, пойдёт речь в данной статье. Также немаловажным фактором является правильное использование данного узла, технические особенности и, в случае необходимости, проведение ремонта.

Свойства

Отметим основные свойства, которыми обладают гидромуфты:

  • Ведомые и ведущие валы действуют вне зависимости друг от друга. К примеру, когда ведомый вал находится в покое, то в это время ведущий вал может функционировать или соответствовать промежуточному значению угловой скорости. Но отметим, что значение последней не может равняться скорости вращения ведущего вала. Обычно её значения меньше на 2 – 3%.
  • Именно гидравлические муфты смогут обеспечить плавное начало движения транспорта и плавный набор разгона.
  • Строение организовано таким образом, что в ней отсутствуют детали, которые тесно соприкасаются между собой. Другими словами отсутствует процесс трения деталей, а следовательно, их износ сводится к минимуму.
  • Гидромуфта сдерживает крутильные колебания.
  • С её помощью обеспечивается бесшумное функционирование передач.
  • Обеспечивается высокие показатели коэффициента полезного действия, до 0,96 – 0,98.
  • Высокая степень надёжности при эксплуатации.С их помощью можно организовать управление, как на дистанционном, так и на автоматическом уровне.

История

Своим рождением гидротрансформатор и гидромуфта обязаны развитию судостроения в конце XIX века. С появлением на кораблях морского флота паровых машин возникла острая необходимость в новом дополнительном механизме, который позволял бы плавно передавать крутящий момент от паровых двигателей к большим и тяжелым гребным винтам, погруженным в воду. Такими устройствами стали гидромуфта и гидротрансформатор, которые запатентовал в 1905 году немецкий инженер и изобретатель Герман Феттингер. Позже эти механизмы адаптировали для установки на лондонские автобусы, а затем на автомобили и первые дизельные локомотивы для более плавного начала движения.

Устройство и принцип работы гидромуфты

Внутри гидромуфты очень близко друг к другу соосно размещены два вращающихся колеса с лопастями. Одно соединено с ведущим валом (насосное), а второе с ведомым (турбинное). Все пространство вокруг них в гидромуфте заполнено рабочей жидкостью (масло).

Принцип работы гидромуфты очень прост. Её ведущий вал вращается двигателем. Вместе с валом в корпусе гидромуфты циркулирует и масло. За счет своей вязкости оно постепенно все больше и больше вовлекает за собой в это вращение ведомый вал. Таким образом, крутящий момент от двигателя плавно нарастая постепенно через жидкость передается на ведомый вал.

Устройство и принцип работы гидротрансформатора

По сути, гидротрансформатор это та же гидромуфта в которой между вращающимися колёсами добавлено третье лопастное колесо – реактор (статор). Посредством муфты свободного хода оно может вращаться на ведущем валу, образуя единое целое с насосным колесом. Это происходит до тех пор, пока обороты вращения насоса и турбины различаются. Как только они уравниваются, реактор начинает вращаться независимо от насоса, превращая гидротрансформатор в гидромуфту.

Достоинства и недостатки гидромуфты

В настоящее время гидромуфты устанавливаются на автомобили с полуавтоматическими коробками передач (грузовые, автобусы, реже легковые), на тракторы, в авиационные турбины, применяются в металлообрабатывающих станках. К достоинствам гидромуфты можно отнести простоту конструкции, обеспечение плавности изменения крутящего момента, передаваемого от двигателя на механизмы трансмиссии, снижение ударных нагрузок на шестеренчатые пары коробок передач.
Недостатком гидромуфты является меньший по сравнению с гидротрансформатором коэффициент полезного действия из-за больших потерь при высоких оборотах ведущего вала двигателя. По этой причине на современные легковые автомобили гидромуфты практически не устанавливаются.

Гидромуфты подразделяются на регулируемые и замкнутые.

Регулируемые гидромуфты предназначены, как правило, для относительно неглубокого (до 30-40%) регулирования частоты вращения ведомого вала привода. Наиболее экономичным такое регулирование является лишь для машин, у которых мощность нагрузки в процессе работы изменяется пропорционально кубу частоты вращения турбины, т.е. N2=(i3) Nн (Nн- номинальная мощность при полной скорости и n1=const.). К таким машинам относятся мощные (до15тыс.квт) центробежные насосы, турбогенераторы, вентиляторы. Менее экономичным регулирование с помощью гидромуфт является в случае, когда мощность изменяется пропорционально квадрату частоты вращения ,т.е. N2=(i2) Nн. Максимальные потери мощности Nпот. в первом случае составляют Nпот.= 0,148 Nн при i=0,666, а во втором случае 0,25 Nн- при i=0,5. Для многих лопастных машин регулирование гидромуфтой имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами регулирования скорости.

 

Основные типы и характеристики замкнутых гидромуфт.

Замкнутые гидромуфты постоянного наполнения условно могут быть подразделены на предохранительные и пускопредохранительные.

Предохранительные гидромуфты ограничивают крутящий момент значением, меньшим на 15-20% максимального (опрокидного) момента приводного электродвигателя (двигатель). Значение пускового(стопового) момента в отдельных моделях таких гидромуфт может иметь значение 1,3-1,4 от величины номинального момента. В этом случае предохранительная гидромуфта выполняет функцию муфты предельного момента. Пускопредохранительная гидромуфта предназначена для поддержания вращающего момента привода в течение всего периода разгона машины в пределах 1,3-1,5 от номинального момента.

 

Характерным примером применения предохранительной гидромуфты как муфты предельного момента является роторный экскаватор, а пускопредохранительной гидромуфты — ленточный конвейер большой длинны.

На рис.2 показана предохранительная гидромуфта ГП 740, имеющая симметричные насос 1 и турбина 2 , межлопастные каналы которых образуют рабочую полость 3. Насос 1 соедин?н посредством фланцев с вращающимся корпусом 4. Турбина 2 установлена на полом валу 5, имеющем посадочное отверстие для монтажа гидромуфты на входной вал редуктора. Насос 1 посредством пальцев 6 и упругих втулок 7 связан с полумуфтой 8 вала электродвигателя. В центральной части полости гидромуфты имеется камера 9.

При работе гидромуфты на установившемся режиме вся РЖ находится в рабочей полости 3 и, как было указано выше, циркулирует по каналам насоса и турбины.

В указанном режиме в камере 9 РЖ отсутствует, т.к. оба колеса (насос 1 и турбина 2) вращаются с большой частотой вращения при минимальном их скольжении. В случае возрастания нагрузочного момента скорость турбины 2 начинает уменьшаться.

При определенной величине внешней нагрузки РЖ опускается по лопаткам турбины 2 к центру гидромуфты и достигает границ камеры 9. С дальнейшим ростом нагрузки и скольжения вс? большее количество РЖ устремляется в камеру 9, в то время как количество ее в рабочей полости 3 уменьшается. Так как расход РЖ по каналам насоса и турбины в этом переходном режиме падает, то крутящий момент, передаваемой гидромуфтой, не возрастает и ограничивается вполне определeнной величиной. Остановка турбины 1 (скольжение 100%) соответствует практически полному заполнению камеры 9 РЖ, находящейся в ней в состоянии динамического равновесия. Последнее обусловлено тем, что насос 1 постоянно всасывает ту порцию жидкости, которая в данный момент поступает из турбины 2 в указанную камеру. При снятии внешней нагрузки первоначальная картина восстанавливается, поскольку вся РЖ перетекает вновь из камеры 9 в рабочую полость 3. Пуск гидромуфты сопровождается аналогичным гидравлическим процессом, но с той лишь разницей, что он протекает в обратном порядке по сравнению с режимом торможения ведомого вала.

Вал 5 турбины 2 имеет два подшипника качения 10 и 11, позволяющие этому колесу свободно вращаться по отношению к насосу 1. Полость гидромуфты во избежание вытекания РЖ уплотнена на валу 5 манжетами 12 и 13.

На рис. 3 представлены графики внешних моментных характеристик асинхронного короткозамкнутого двигателя (а) и предохранительной гидромуфты (б). В качестве допущения принято, что при изменении момента частота вращения насоса (мин-1) n1 =const.

Момент гидромуфты Мг подчиняется зависимости

Мг = λi?(n1/ 60)2?Da5,где:

λi-безразмерный коэффициент момента, являющийся параметром гидромуфты данного типа при заданном значении i,
ρ— плотность РЖ,
Da— активный диаметр, равный наибольшему диаметру рабочей полости гидромуфты.

Из приведенной зависимости следует, что изменение Мг с изменением n1 следует закону квадратичной параболы.

 

График 1 на рис.3 относится к «чисто» предохранительной гидромуфте, а график 2- к предохранительной гидромуфте, выполняющей функции муфты предельного момента с пониженным пусковым (стоповым ) моментом при i=0. Из сопоставления характеристик видно, что момент гидромуфты при любом передаточном отношении i не превышает максимальный момент (М макс.) двигателя, работающего в установившихся режимах на устойчивом участке своей моментной характеристики независимо от величины нагрузки.

Работе привода с номинальной нагрузкой Мн соответствует точка А (i=0,965- 0,975). При возрастании внешнего нагрузочного момента от значения Мн до Мкр (Мкр — критический момент гидромуфты) на участке А-В скорость турбины уменьшается до значения iкр? n1. Далее момент гидромуфты либо уменьшается в соответствии с графиком 1 , либо не меняется и оста?тся примерно равным Мкр (график 2). Во обоих случаях процесс снижения скорости турбины вплоть до полной ее остановки ( i =0 ) протекает быстро и соответствует участкамВ-С1В-Снеустойчивой работы гидромуфты. В точках С1 и С2 гидромуфта работает устойчиво со скольжением 100%. В этом режиме вся подводимая энергия преобразуется в тепло, повышающее температуру РЖ, что может при срабатывании тепловой защиты приводить к выбросу РЖ и устранению тем самым силовой связи гидромуфты с двигателем.

В случае отсутствия гидромуфты включение двигателя в электросеть вызывает ударное приложение усилий к элементам передачи, эквивалентное среднему значению Мпуск. Использование же гидромуфты совместно с двигателем коренным образом и в лучшую сторону изменяет характер пускового процесса .

Внешняя нагрузка на двигатель в период пуска определяется только параметрами моментной характеристики гидромуфты. Если пуск двигателя осуществляется ,например, при полностью блокированном ведомом валу привода, то внешний крутящий момент ( Мг) плавно нарастает от нуля по параболам 01 и 0-с2 соответственно при характеристиках 1 и 2.В точках си сработа двигателя с частотой вращения, близкой к рабочей, устойчива, поскольку момент гидромуфты 0и 02 при ее скольжении, равном 100%, меньше Ммакс.

Пуск привода при номинальной нагрузке Мн и характеристике гидромуфты, например, (Рис.3) можно условно разделить на три фазы. В первой фазе при неподвижной турбине двигатель быстро разгоняется по параболе 02до точки к пересечения этой кривой с линией Мн=const. При частоте вращения двигателя n турбина совместно с ведомой частью привода страгивается с места и ускоряется, что соответствует второй фазе пуского процесса. В течение этой фазы двигатель разгоняется, преодолевая момент сопротивления гидромуфты, изменяющийся так же по параболе 0-с2. Завершению этой фазы соответствует точка с2пересечения кривой 0-сс рабочим участком характеристики двигателя и точка В на графике 2 характеристики гидромуфты. Третья завершающая фаза определяется участком a-c2 характеристики двигателя и соответственно участком A-B характеристики гидромуфты. В этой фазе момент гидромуфты изменяется от Мкр до Мн.

 

На рис.4 приведена конструкция пускопредохранительной гидромуфты ГПП530 с тормозным шкивом, которая устанавливается на входной вал коническо-цилиндрического редуктора приводного блока ленточного конвейера.

Отличительной особенностью этой гидромуфты гидромуфты в сравнении с предохранительной является то, что помимо насоса 1, турбины 2, корпуса 3 и вала 4 турбины в центральной части полости муфты предусмотрена пусковая камера (камера) 5, образованная внутренней нерабочей поверхностью насоса 1 и прикрепленной к нему крышкой 6. Заполнение камеры 5 РЖ при неподвижной гидромуфте и при ее вращении происходит через кольцевой вход 7 , имеющийся в крышке 6.

Выход РЖ из камеры 5 в рабочую полость 8 при работе гидромуфты осуществляется через ряд отверстий 9 небольшого сечения, выполненных в цилиндрической стенке указанной камеры. При неподвижном состоянии гидромуфты РЖ свободно заполняет большую часть объема камеры 5. В процессе быстрого пуска двигателя камера 5 под напором насоса полностью заполняется РЖ и остается максимально заполненной практически до полного разгона машины.

Расход РЖ, перетекающей постоянно в рабочую полость 8 из камеры 5, сполна компенсируется большим расходом РЖ, поступающей в нее из каналов турбины 2.

Объем РЖ в камере 5 начинает уменьшаться лишь после разгона ведомого вала привода до скорости, близкой к номинальной. При этой скорости центробежные силы, воздействующие на РЖ в каналах турбины, будут препятствовать ее проникновению к кольцевому входу 7. В связи с этим рабочая полость будет постепенно пополняться через отверстия 9 РЖ, поступающей из камеры 5. Последняя полностью опорожнится лишь после окончания разгона машины.

Способность пускопредохранительной гидромуфты удерживать в пусковом процессе значительную часть РЖ в полости пусковой камеры обеспечивает снижение пускового момента привода до значения (1,3-1,6) Мн и тем самым растянутый во времени плавный разгон машины.

Ограничение пускового момента в указанных пределах необходимо для большинства ленточных конвейеров, поскольку при этом устраняются опасные динамические колебания натяжения ленты и ее пробуксовка по барабанам.

Экспериментально полученные графики изменения частот вращения насоса и турбины, а также крутящего момента гидромуфты ГПП530 в процессах пуска механической системы, имитирующей разгон ленточного конвейера, приведены на рис.5.

 

Рассмотрение графических зависимостей n1, nи Мг от времени процесса t указывает на то, что двигатель легко разгоняется за 1,8-2,0 с, в то время как ведомый вал, нагруженный моментом сопротивления, равным Мн, и инерционной нагрузкой (момент инерции 28 кгм2), ускоряется до номинальной частоты вращения за 34с.

При пускопредохранительной гидромуфте привод приобретает в известном смысле признаки адаптивной системы, т.к. при сниженном моменте сопротивления движению уменьшается и вращающий момент Мг, в связи с чем плавность пуска сохраняется.

Как предохранительные, так и пускопредохранительные гидромуфты могут иметь конструктивное исполнение «гидромуфта-шкив». В таких гидромуфтах шкив (например шкив клиноременной передачи) прикрепляется к корпусу или к соединенной с ним турбине. Внутреннее лопастное колесо выполняет при таком исполнении функцию насоса.

На рис.6 показана предохранительная гидромуфта ГМШ500 исполнения «гидромуфта-шкив», в которой болтами к турбине 1 присоединен шкив 2. Насос 3 установлен на валу 4, с помощью которого гидромуфта может быть консольно смонтирована на валу двигателя.

Заключение

Включением гидромуфты в состав привода достигается существенное улучшение его статических и динамических характеристик, что способствует повышению эксплуатационной надежности машин.

Гидромуфта, способная в режимах пуска и торможения ограничивать заданным значением крутящий момент, является эффективным быстродействующим средством защиты от недопустимых перегрузок двигателя, механической передачи и машины в целом.

Обладая свойствами демпфирования и гашения крутильных колебаний, пульсирующих и пиковых нагрузок, гидромуфта позволяет увеличить срок службы машин.

Гидромуфты ведущих фирм Запада широко используются во всех отраслях промышленности большинства стран мира. В то же время в России так же, как и в странах СНГ, наблюдается значительное отставание в сфере серийного производства и применения гидромуфт, что снижает технический уровень и эксплуатационную надежность многих отечественных машин.