12.5. Устройство, принцип действия и рабочие характеристики гидродинамических муфт

Гидродинамической муфтой называется передача, обеспечиваю­щая гибкое соединение ведущего и ведомого валов и передаю­щая крутящий момент без изменения его значения в результате взаимодействия рабочей жидкости с лопатками насосного и турбин­ного колес.

П ростейшая гидродинамическая муфта (рис. 9) состоит из двух соосно расположенных одно против другого колес с плос­кими радикальными лопатками: насосного 3, соединенного с ведущим валом 1 (валом двигателя), и турбинного 2, соединенного с ве­домым валом 4 (валом потребителя энергии). Расстояние между колесами составляет 3-10 мм. Рабочая полость гидромуфты за­полняется жидкостью, которая служит промежуточным звеном меж­ду насосным и турбинным колесами и осуществляет силовую связь между ведущим и ведомым звеньями. При быстром вращении на­сосного колеса возникает центробежная сила, под действием ко­торой рабочая жидкость отбрасывается к периферии рабочего ко­леса. По выходе из насосного колеса жидкость попадает на лопат­ки турбинного колеса, приводит его во вращение и возвращается опять в насосное, непрерывно циркулируя в гидромуфте. Частота вращения ведомого вала изменяется в результате изменения подачи жидкости на турбинное колесо, что в свою очередь связано с из­менением частоты вращения ведущего вала.

При преобразовании энергии неко­торая ее часть расходуется на преодо­ление гидравлических сопротивлений; кроме того, происходят утечки жид­кости Поэтому в гидромуфте не может быть полнот равенства между частотой вращения ведущего и ведомого валов.

Разность частот вращения ведущего и ведомого валов, отнесенная к частоте вращения ведущего вала, называется скольжением гидромуфты и обозна­чится s:

. (1)

Из формулы (1) следует, что при s=0: i==1, n₂ = n₁.

При равенстве частот вращения (n₂ = n₁) давления жидкости, возникающие от действия центробежных сил, будут одинаковыми при выходе из насоса и при входе в турбину. Поэтому движе­ния жидкости из насоса в турбину не будет; следовательно, рас­ход жидкости Q = 0 и крутящий момент гидромуфты М = 0. При этом жидкость будет вращаться вместе с корпусом муфты как одно твердое тело.

Следовательно, гидромуфта может передавать мощность и кру­тящий момент только при разности частот вращения (n₁ > n₂) и при наличии скольжения (s>0). Нормальная работа гидромуфты обеспечивается при скольжении s = 0,02 - 0,03, что соответствует КПД  = 1- s = 0,97 - 0,98.

Чем больше скольжение муфты, т. е. чем больше частота вра­щения насосного колеса по сравнению с частотой вращения тур­бинного, тем больше разность давлений при выходе из насоса и входе в турбину, а следовательно, тем больше и расход жид­кости, циркулирующей в рабочей полости гидромуфты. Таким обра­зом, изменяя количество циркулирующей жидкости в рабочей полос­ти гидромуфты, можно изменять скольжение, а значит, передаточ­ное отношение, КПД и крутящий момент. Этот принцип лежит в осно­ве объемного регулирования гидромуфт.

Гидромуфта представляет собой изолированную механическую систему; поэтому при установившемся режиме работы сумма мо­ментов, приложенных к ней извне, должна быть равна нулю: М₁ - М₂ - М_с = 0, где М₁ — момент, приложенный со стороны двигателя к ведущему валу; М₂ - момент сопротивления потребителя, при­ложенный к ведомому валу; М_с - момент трения вращающегося кор­пуса (при взаимодействии с окружающей средой с учетом сопро­тивления в подшипниках внешних опор).

Пренебрегая моментом трения М_с, так как его значение мало, приближенно можно считать, что в гидромуфте момент передается потребителю без изменения его значения, т. е.

.

В нешняя характеристика гидромуфты представляет собой гра­фик зависимости ее основных пара­метров (моментов и мощности на ведущем и ведомом валах, КПД) от частоты вращения п₂ ведомого вала или передаточного отношения i при по­стоянной частоте вращения п₁ ведущего вала. На рисунке 10 приведена внеш­няя характеристика гидромуфты при полном наполнении рабочего простран­ства.

Гидромуфты могут работать в тяго­вом и тормозном режимах. Характерными точками внешней характеристики гидромуфты являются:

точка 1 соответствует режиму холостого хода, при котором отсутствует внешняя нагрузка. В этом режиме М₁=М₂ = 0; s = 0; п₁=п₂; i=1; N₁=N₂ =0;  = 0;

точка 2 соответствует номинальному (расчетному) режиму и максимальному КПД в пределах 0,95-0,98 (для автомобилей  = 0,97, для экскаваторов  = 0,95-0,96). В этом случае  = i; n₂ = n₁i = (0,95-0,98)n₁; s = 2-5%; N₁=N_ном; N₁=N_ном;

точка 3 отвечает стоповому режиму работы (турбина останов­лена). Параметры гидромуфты при этом режиме:

М₁=М_mах; M₂ = 0; i = 0; s = 100%; N₁=N_max; N₂ = 0;  = 0; n₁ = const.

Последний режим наиболее напряженный, так как вся энергия жидкости, получаемая от вращающегося насосного колеса, прев­ращается в тепло, что может привести к перегреву передачи. Таким образом, зона между точками 1 и 2 является зоной нормаль­ных нагрузок или частичной недогрузки, а зона между точками 2 и 3 - зона перегрузок.

Чтобы лучше представить режимы работы гидромуфты, рассмот­рим движение автомобиля, в приводе которого есть гидромуфта: точка 1 соответствует холостому ходу гидромуфты, когда авто­мобиль остановлен, двигатель работает, но сцепление выключено; участок 1-2 характеризует номинальный режим, когда автомо­биль движется с максимальной скоростью по ровной дороге; учас­ток 2-3 - автомобиль движется в гору; точка 3 - автомобиль по­пал в грязь, колеса не вращаются, двигатель развивает максималь­ный момент и мощность.

При работе в тормозном режиме мощность от рабочего орга­на передается гидромуфте и вращение рабочего органа замедляется. Например, при движении автомобиля под гору на прямой пере­даче частота вращения n₂ турбины больше частоты вращения n₁ насоса. В таком же режиме гидромуфта работает и на подъем­ных кранах при спуске грузов, когда насос остановлен и п₁=0. Внешние характеристики гидромуфты при работе в тормозном ре­жиме здесь не рассматриваются.