Mitä ovat hydraulikytkimet ja miten ne toimivat nestevirtajärjestelmissä?

Johdanto

Kuvittele, että yrität käynnistää massiivisen teollisen kuljetinhihnan tai laivan potkurin lyömällä mekaanisen kytkimen yhteen. Äkillinen tärähdys todennäköisesti katkaisee vaihteet, vahingoittaisi mootttaiia ja aiheuttaisi epämukavan kokemuksen kaikille lähellä oleville. Tässä hydraulikytkimet – tunnetaan myös nesteliittiminä – tarjoavat tyylikkään ratkaisun. Jäykän metalli-metalli-kontaktin sijaan nämä älykkäät laitteet eivät käytä muuta kuin nestettä siirtääkseen tehoa sujuvasti ja tehokkaasti pyörivältä akselilta toiselle.

Hydrauliset liittimet on käytetty yli vuosisadan, ja ne ovat peräisin saksalaisen insinöörin Hermann Föttingerin työstä, joka patentoi konseptin vuonna 1905 . Nykyään niitä löytyy kaikkialta autosi automaattivaihteistosta massiivisiin teollisuuskoneisiin, laivojen propulsiojärjestelmiin ja jopa dieselvetureihin. Mutta huolimatta niiden laajasta käytöstä, monet ihmiset eivät täysin ymmärrä, mitä ne ovat tai miten ne toimivat.

Mikä on hydraulinen kytkin?

Määritelmä ja ydinkäsite

A hydraulinen kytkentä - kutsutaan myös a nesteen kytkentä or hydrodynaaminen kytkentä — on laite, joka siirtää pyörivää mekaanista voimaa akselilta toiselle käyttämällä väliaineena nestettä, tyypillisesti öljyä. Toisin kuin mekaanisessa kytkimessä, joka käyttää kitkalevyjä tai vaihteistossa, jossa käytetään lukittavia hampaita, hydraulikytkimessä on ei suoraa mekaanista yhteyttä tulo- ja lähtöakselin väliin. Sen sijaan virta virtaa nesteen kineettisen energian läpi.

Termi "hydraulinen kytkin" voi itse asiassa viitata kahteen erilliseen laiteluokkaan, ja tämän eron ymmärtäminen on tärkeää. Britannican mukaan hydraulisia voimansiirtojärjestelmiä on kahta päätyyppiä:

Tämä artikkeli keskittyy hydrokineettiset nestekytkimet , joita käytetään pyörivään voimansiirtoon. Hydrostaattiset järjestelmät (hydrauliset pumput ja moottorit) ovat täysin eri tekniikkaa, vaikka niitä kutsutaan myös "hydrauliseksi" .

Kolme pääkomponenttia

Yksinkertainen nestekytkin koostuu kolmesta pääkomponentista sekä hydraulinesteestä, joka täyttää työkammion:

Asunto (Shell) – Tämä on ulkovaippa, joka sisältää nesteen ja kaksi turbiinia. Siinä on oltava öljytiiviit tiivisteet käyttöakselien ympärillä vuotojen estämiseksi. Kotelo toimii myös fyysisenä liitäntänä tuloakselin ja pumpun juoksupyörän välillä.

Pumppu (siipipyörä) – Tämä tuulettimen kaltainen komponentti on kytketty suoraan syöttöakseliin, joka tulee voimanlähteestä (sähkömoottori, polttomoottori tai höyryturbiini). Kun voimakone pyörii, pumppu pyörii sen kanssa täsmälleen samalla nopeudella. Pumppu sisältää säteittäisiä siipiä – tyypillisesti 20–40 kappaletta –, jotka työntävät ja ohjaavat nestettä.

Turbiini (juoksija) – Tämä toinen tuulettimen kaltainen komponentti on pumppua vasten ja on kytketty kuormaa käyttävään lähtöakseliin (kuten kuljetin, pumppu tai ajoneuvon vaihteisto). Turbiinia ei ole mekaanisesti yhdistetty pumppuun; se koskettaa vain nestettä, jonka pumppu siihen heittää.

Ero vääntömomentin muuntajista

On syytä huomata, että hydraulinen kytkin on ei sama asia kuin momentinmuunnin, vaikka nämä kaksi sekoitetaan usein. Perusnestekytkin välittää vääntömomentin kertomatta sitä – lähtövääntömomentti on yhtä suuri kuin syöttömomentti (miinus pienet häviöt). Vääntömomentinmuuntimessa sitä vastoin on lisäkomponentti nimeltä a staattori joka ohjaa nesteen virtauksen todella moninkertaistamaan vääntömomentin alhaisilla nopeuksilla. Autosovelluksissa vääntömomentinmuuntimet ovat suurelta osin korvanneet yksinkertaiset nestekytkimet 1940-luvun lopulta lähtien, koska ne tarjoavat paremman suorituskyvyn alhaisilla nopeuksilla. Nestekytkimiä käytetään kuitenkin edelleen laajalti teollisissa olosuhteissa, joissa vääntömomentin kertomista ei vaadita.

Kuinka hydraulinen kytkin toimii?

Föttingerin periaate

Jokainen moderni hydraulinen kytkin toimii niin sanotulla Föttingerin periaate , nimetty saksalaisen insinöörin mukaan, joka patentoi konseptin ensimmäisen kerran vuonna 1905. Periaate on petollisen yksinkertainen: pumppu kiihdyttää nestettä ulospäin, ja liikkuva neste osuu sitten turbiiniin ja saa sen pyörimään. Neste palaa sitten pumppuun toistamaan syklin.

Ajattele sitä kuin kaksi tuuletinta vastakkain öljyllä täytetyssä suljetussa kotelossa. Jos käynnistät yhden tuulettimen (pumpun), sen siivet työntävät öljyä. Tämä liikkuva öljy osuu sitten toisen tuulettimen (turbiinin) siipiin ja saa sen pyörimään. Toista tuuletinta ei ole yhdistetty ensimmäiseen millään kiinteällä linkillä – vain liikkuvan nesteen avulla. Tämä on hydrodynaamisen voimansiirron ydin.

Askel askeleelta: voimansiirtosykli

Käydään läpi mitä hydraulikytkimen sisällä tapahtuu normaalin käytön aikana.

Vaihe 1 – Päämoottori pyörittää pumppua

Moottori tai sähkömoottori pyörittää syöttöakselia, joka on kytketty pumpun juoksupyörään. Kun pumppu pyörii, sen säteittäiset siivet keräävät hydraulinesteen (yleensä öljyä) kytkinkotelon sisällä. Terät ovat kulmassa niin, että ne heittävät nestettä ulospäin ja tangentiaalisesti, aivan kuten keskipakopumppu.

Vaihe 2 – Neste saa kineettistä energiaa

Pumppu antaa nesteelle sekä ulospäin suuntautuvaa lineaarista liikettä että pyörimisliikettä. Kun neste liikkuu pumpun keskustasta ulkoreunaa kohti, se saa merkittävää kineettistä energiaa. Mitä nopeammin pumppu pyörii, sitä enemmän energiaa neste imee. Suhde on verrannollinen syöttönopeuden neliöön: lähetetty vääntömomentti kasvaa tulonopeuden neliön kanssa, kun taas lähetetty teho kasvaa syöttönopeuden kuution kanssa.

Vaihe 3 – Neste iskee turbiinin lapoihin

Pumpun muoto ohjaa jännitteellisen nesteen turbiinia (juoksua) kohti. Koska pumppu ja turbiini ovat vastakkain, ja niiden välissä on pieni rako, neste ampuu tämän raon yli ja osuu turbiinin siipiin. Tämän törmäyksen voima siirtää kulmamomentin nesteestä turbiiniin, jolloin se pyörii samaan suuntaan kuin pumppu.

Vaihe 4 – Neste palaa pumppuun

Luovutettuaan suurimman osan energiastaan turbiinille, neste virtaa takaisin kohti kytkimen keskustaa ja palaa pumppuun. Tämä luo jatkuvan toroidaalinen virtauskuvio -neste kiertää kytkimen sisällä olevan donitsin muotoisen polun (toruksen) ympäri. Niin kauan kuin pumppu jatkaa pyörimistään, neste kiertää ja siirtää vääntömomenttia.

Vaihe 5 – Vääntömomentti toimitetaan kuormaan

Turbiini on kytketty lähtöakseliin, joka käyttää kuormaa. Kun turbiini pyörii, se kääntää ulostuloakselia ja toimittaa mekaanista tehoa mihin tahansa kytkettyyn koneeseen – olipa kyseessä sitten kuljetinhihna, pumpun juoksupyörä, ajoneuvon voimansiirto tai laivan potkuri.

Nesteen virtausreitti (toroidaalinen kierto)

Nesteen liike hydraulikytkimen sisällä seuraa kiehtovaa toroidista (donitsin muotoista) reittiä. Tässä liikkeessä on kaksi osaa:

• Pyöreä virtaus – Neste pyörii pyörimisakselin ympäri seuraten kytkimen kehää.
• Meridionaalinen virtaus – Neste liikkuu pumpusta turbiiniin ja takaisin luoden kierrätyssilmukan.

Kun tulo- ja lähtöakselit pyörivät samalla nopeudella, turbiinista toiseen ei ole nettovirtausta – neste yksinkertaisesti pyörii paikallaan. Mutta kun on a nopeuden ero pumpun ja turbiinin välillä (joka on aina olemassa kuormitettuna), neste virtaa voimakkaasti pumpusta turbiiniin välittäen vääntömomentin .

Tärkeimmät toimintaominaisuudet

Slip – väistämätön nopeusero

Yksi nestekytkimien tärkeimmistä ominaisuuksista on lipsahdus . Luisto on tuloakselin (pumpun) ja lähtöakselin (turbiini) välinen pyörimisnopeuksien ero prosentteina ilmaistuna.

Nesteliitäntä ei voi kehittää lähtömomenttia, kun tulo- ja lähtökulmanopeudet ovat samat . Tämä tarkoittaa, että kuormitettuna turbiinin on aina pyörittävä hieman hitaammin kuin pumppu. Oikein suunnitellussa hydraulikytkimessä normaaleissa kuormitusolosuhteissa käytettävän akselin nopeus on n 3 prosenttia vähemmän kuin käyttöakselin nopeus. Pienemmillä kytkimillä luisto voi vaihdella 1,5 %:sta (suuret tehoyksiköt) 6 %:iin (pienet tehoyksiköt).

Miksi liukastumisella on väliä? Koska lipsahdus edustaa kadonnutta energiaa. Teho, joka ei välity ulostuloakselille, hajoaa lämmön muodossa nesteen sisällä sisäisen kitkan ja turbulenssin vuoksi. Tästä syystä nestekytkimet eivät ole 100 % tehokkaita – tyypillinen hyötysuhde vaihtelee 95 %:sta 98 ​​%:iin. Menetetty energia lämmittää hydraulinesteen, minkä vuoksi monet nestekytkimet vaativat jäähdytysjärjestelmän tai ne on suunniteltu poistamaan lämpöä tehokkaasti.

Pysähdysnopeus

Toinen kriittinen ominaisuus on pysähtymisnopeus . Tämä määritellään suurimmaksi nopeudeksi, jolla pumppu voi pyöriä, kun lähtöturbiini on lukittu (ei voi liikkua) ja täysi syöttömomentti on käytössä. Pysähdysolosuhteissa kaikki moottorin teho tällä nopeudella muunnetaan lämmöksi nestekytkimessä. Pitkäaikainen käyttö pysähtyessä voi vahingoittaa kytkintä, tiivisteitä ja nestettä.

Jumisnopeus on erityisen tärkeä autosovelluksissa. Kun sinut pysäytetään liikennevalossa automaattivaihteiston ollessa vaihteessa, momentinmuunnin (joka on kehittynyt nestekytkimestä) on osittain pysähtynyt. Moottori käy joutokäynnillä ja nestekytkin haihduttaa pienen määrän tehoa lämpönä.

Scoop Control säädettävälle nopeudelle

Yksi teollisten nestekytkimien arvokkaimmista ominaisuuksista on kyky muuttaa lähtönopeutta muuttamatta syöttönopeutta. Tämä suoritetaan käyttämällä a kauha ohjaus järjestelmä .

Kauha on pyörimätön putki, joka tulee pyörivään kytkimeen keskinavan kautta. Siirtämällä tätä kauhaa – joko pyörittämällä tai pidentämällä – käyttäjä voi poistaa nesteen työkammiosta ja palauttaa sen ulkoiseen säiliöön. Vähemmän nestettä kytkimessä tarkoittaa vähemmän vääntömomentin siirtoa ja siten alhaisempaa lähtöakselin nopeutta. Kun tarvitaan lisää nopeutta, nestettä pumpataan takaisin kytkimeen.

Tämä mahdollistaa portaaton nopeudensäätö suurissa koneissa, kuten kattiloiden syöttöpumput, tuulettimet ja kuljettimet. Sähkömoottori voi käydä tasaisella, tehokkaalla nopeudella samalla kun lähtönopeutta säädetään tasaisesti tarpeen mukaan.

Hydraulisten kytkimien tyypit

Jatkuvasti täytettävät liittimet

Hydraulisen kytkimen yksinkertaisin tyyppi on jatkuva täyttö kytkentä. Kuten nimestä voi päätellä, nämä liittimet sisältävät kiinteän määrän nestettä, joka pysyy työkammiossa koko ajan. Ne ovat yksinkertaisia, luotettavia ja vaativat vain vähän huoltoa.

Jatkuvasti täytettävät liittimet tarjoavat:

• Tasainen, iskuton kiihtyvyys
• Ylikuormitussuoja (jos kuorma jumiutuu, kytkin luistaa moottorin pysähtymisen sijaan)
• Vääntövärähtelyn vaimennus

Näitä löytyy yleisesti teollisista sovelluksista, kuten kuljettimista, murskaimista, puhaltimista ja pumpuista. Transfluid K-sarja on esimerkki jatkuvatoimisesta kytkimestä, joka on saatavana sekä sähkö- että dieselkäyttöisiin sovelluksiin.

Viive-täyttöliittimet

A viive-täyttökytkin (tunnetaan myös nimellä porraskytkentä) lisää säiliön, joka pitää osan nesteestä, kun ulostuloakseli on paikallaan tai pyörii hitaasti. Tämä vähentää syöttöakselin vastusta käynnistyksen aikana, millä on kaksi etua:

• Pienempi polttoaineenkulutus kun moottori on joutokäynnillä
• Vähentynyt "viruminen" autosovelluksissa (ajoneuvon taipumus liikkua eteenpäin vaihteessa moottorin käydessä joutokäynnillä)

Kun lähtöakseli alkaa pyöriä, keskipakovoima heittää nesteen ulos säiliöstä ja takaisin päätyökammioon palauttaen täyden voimansiirtokyvyn.

Muuttuvan täyttö (Scoop-Controlled) kytkimet

Kuten edellä on kuvattu, muuttuvan täytön liittimet käyttävät kauhaputkea säätämään nesteen määrää työkammiossa kytkimen toimiessa. Tämä mahdollistaa käytettävän laitteen jatkuvan, portaaton nopeudensäädön. Näitä käytetään sovelluksissa, jotka vaativat muuttuvaa lähtönopeutta, kuten:

• Kattilan syöttöpumppukäytöt voimalaitoksissa
• Suuret tuulettimet ja puhallinkäytöt
• Laivojen propulsiojärjestelmät
• Keskipakokompressorikäytöt

Hydraulisten kytkimien sovellukset

Teollisuuden koneet

Nestekytkimiä käytetään laajalti teollisissa sovelluksissa, joissa käytetään pyörimisvoimaa, erityisesti silloin, kun käynnistyy suuri inertia tai jatkuva syklinen kuormitus. Yleisiä esimerkkejä ovat:

• Kuljettimet – Tasainen käynnistys estää hihnan vaurioitumisen ja materiaalin roiskeen
• Murskaimet ja silppurit – Suojaa moottoria, jos murskain juuttuu särkymättömään materiaaliin
• Keskipakopumput – Antaa moottorin käynnistyä kuormittamattomana ja nostaa sitten pumpun vähitellen käyntiin
• Tuulettimet ja puhaltimet – Tarjoaa portaaton nopeudensäädön energian säästämiseksi
• Sekoittimet ja pulpperit – Vaimentaa epäsäännöllisistä materiaaleista aiheutuvia iskukuormia

Laivan propulsio

Laivoissa ja veneissä käytetään nestekytkimiä dieselmoottorin ja potkurin akselin välillä. Nesteliitäntä tarjoaa useita etuja tässä vaativassa ympäristössä:

• Se mahdollistaa moottorin käynnistymisen ja joutokäynnin potkuria kääntämättä
• Se vaimentaa moottorin vääntövärähtelyjä
• Se tarjoaa tasaisen, iskuvapaan kytkeytymisen, kun virta kytketään
• Se suojaa voimansiirtoa, jos potkuri osuu roskiin

Rautatieliikenne

Dieselveturit ja dieselmoottorivaunut (DMU) käyttävät usein nestekytkimiä osana voimansiirtojärjestelmiään. Voithin kaltaiset valmistajat valmistavat turbovaihteistoja, joissa yhdistyvät nestekytkimet ja momentinmuuntimet kiskosovelluksiin. Self-Changing Gears -yhtiö valmisti British Railille puoliautomaattisia vaihteistoja, joissa käytettiin nestekytkimiä.

Autoteollisuus (historiallinen)

Autosovelluksissa pumppu on tyypillisesti kytketty moottorin vauhtipyörään (kytkimen kotelo voi olla jopa osa itse vauhtipyörää), ja turbiini on kytketty voimansiirron tuloakseliin. Nestekytkimen käyttäytyminen muistuttaa vahvasti käsivaihteistoa käyttävän mekaanisen kytkimen käyttäytymistä – moottorin nopeuden kasvaessa vääntömomentti siirtyy tasaisesti vaihteistoon.

Tunnetuin autosovellus oli Daimler Fluid Vauhtipyörä , käytetään yhdessä Wilsonin esivalintavaihteiston kanssa. Daimler käytti näitä kaikissa luksusautoissaan, kunnes vaihtoi automaattivaihteistoon vuoden 1958 Majesticin kanssa. General Motors käytti myös nestekytkintä Hydramaattinen vaihteisto, joka esiteltiin vuonna 1939 ensimmäisenä täysin automaattisena vaihteistona sarjavalmistetussa autossa.

Nykyään hydrodynaaminen momentinmuunnin on suurelta osin korvannut yksinkertaisen nestekytkimen henkilöautoissa, koska momentinmuuntimet tarjoavat vääntömomentin moninkertaistamisen alhaisilla nopeuksilla parantaen kiihtyvyyttä pysähdyksestä lähtien.

Ilmailu

Nestekytkimet ovat löytäneet käyttöä myös ilmailussa. Näkyvin esimerkki oli vuonna Wright-turboyhdistelmä mäntämoottori , jota käytetään lentokoneissa, kuten Lockheed Constellation ja Douglas DC-7. Kolme tehontalteenottoturbiinia otti noin 20 prosenttia energiasta (noin 500 hevosvoimaa) moottorin pakokaasuista. Kolmen nestekytkimen ja vaihteiston avulla tämä nopean, matalan vääntömomentin turbiiniteho muutettiin matalan nopeuden ja suuren vääntömomentin tehoksi potkurin käyttämiseksi.

Edut ja rajoitukset

Hydraulisten kytkimien edut

Rajoitukset ja huomiot

Luontainen lipsahdus – Nestekytkin ei voi saavuttaa 100 %:n hyötysuhdetta, koska vääntömomentin siirto edellyttää luistoa. Osa tehosta häviää aina lämpönä.

Lämmöntuotanto – Pysähdys- tai luistamisolosuhteissa syntyy huomattavaa lämpöä. Suuret kytkimet saattavat vaatia ulkoista jäähdytystä.

Alempi hyötysuhde kuin jäykät kytkimet – Sisäisten nestedynaamisten häviöiden vuoksi hydrodynaamisilla voimansiirroilla on yleensä alhaisempi voimansiirron hyötysuhde kuin jäykästi kytketyillä vaihteistoilla, kuten hihnakäytöillä tai vaihteistoilla.

Nesteen huolto – Hydrauliöljy hajoaa ajan myötä, ja se on vaihdettava säännöllisesti. Nesteen viskositeetti vaikuttaa suorituskykyyn, ja väärä neste voi aiheuttaa ylikuumenemista.

Ei sovellu tarkkaan nopeuden synkronointiin – Jos tulo- ja ulostuloakselien on pyörittävä täsmälleen samalla nopeudella, nestekytkintä ei voida käyttää, koska luisto liittyy sen toimintaan.

Usein kysytyt kysymykset (FAQ)

Q1: Mitä eroa on hydraulikytkimellä ja momentinmuuntimella?

Perushydraulinen kytkin välittää vääntömomentin kertomatta – lähtömomentti on yhtä suuri kuin syöttömomentti (miinus häviöt). Vääntömomentinmuuntimessa on lisäkomponentti, nimeltään staattori, joka ohjaa nesteen virtauksen uudelleen mahdollistaen lähtövääntömomentin kerrottu alhaisilla nopeuksilla. Tämä tekee momentinmuuntimista parempia autosovelluksiin, joissa tarvitaan suurta käynnistysmomenttia.

Q2: Voiko hydraulikytkimellä saavuttaa 100 % tehokkuuden?

Ei. Nestekytkin ei voi kehittää lähtömomenttia, kun tulo- ja lähtönopeudet ovat samat, joten jonkin verran luistoa tarvitaan aina. Normaalikäytössä hyötysuhde on tyypillisesti 95–98 %.

Q3: Minkä tyyppistä nestettä käytetään hydraulikytkimessä?

Useimmat hydraulikytkimet käyttävät alhaisen viskositeetin nesteitä, kuten moniasteisia moottoriöljyjä tai automaattivaihteistonesteitä (ATF). Nesteen tiheyden lisääminen lisää vääntömomenttia, joka voidaan siirtää tietyllä syöttönopeudella. Sovelluksissa, joissa suorituskyvyn on pysyttävä vakaana lämpötilan muutoksissa, korkea viskositeettiindeksi on parempi käyttää. Jotkut kytkimet ovat saatavilla jopa vesikäyttöön.

Q4: Kuinka ohjaat hydraulikytkimen nopeutta?

Vaihtuvatäyttöisessä (kauhaohjatussa) kytkimessä pyörimätön kauhaputki poistaa nestettä työkammiosta kytkimen toimiessa. Vähemmän nestettä tarkoittaa vähemmän vääntömomenttia ja alhaisempaa lähtönopeutta. Kauhan asentoa ohjaamalla lähtönopeutta voidaan säätää portaattomasti nollasta lähes syöttönopeuteen.

Kysymys 5: Mitä tapahtuu, jos hydraulinen kytkin käy kuivaksi?

Jos nestekytkin toimii ilman riittävästi nestettä, se ei pysty välittämään vaadittua vääntömomenttia. Vielä kriittisemmin rajoitettu nestetilavuus ylikuumenee nopeasti aiheuttaen usein vaurioita tiivisteille, laakereille ja kotelolle.

K6: Käytetäänkö hydrauliliittimiä edelleen nykyaikaisissa autoissa?

Yksinkertaiset nestekytkimet on suurelta osin korvattu momentinmuuntimilla henkilöautoissa. Joissakin nykyaikaisissa automaattivaihteistoissa käytetään kuitenkin edelleen nestekytkimen periaatteita, ja termiä "nestekytkin" käytetään joskus vaihtokelpoisesti "momentinmuuntimen" kanssa satunnaisessa keskustelussa.

Q7: Miksi nesteliittimeni kuumenee?

Lämmöntuotanto on normaalia, koska liukumisen yhteydessä menetetty energia hajoaa lämmön muodossa. Liiallinen kuumuus viittaa kuitenkin liian suureen luistoon, joka voi johtua ylikuormituksesta, alhaisesta nestetasosta, väärästä nestetyypistä tai viallisesta jäähdytysjärjestelmästä.

Q8: Kuinka kauan hydraulinen kytkin kestää?

Koska pumpun ja turbiinin välillä ei ole mekaanista kosketusta, nestekytkimet ovat erittäin kestäviä. Pääasialliset kuluvat komponentit ovat tiivisteet ja laakerit. Asianmukaisella huollolla ja nesteenvaihdolla teolliset nestekytkimet voivat kestää vuosikymmeniä.