Wat zijn hydraulische koppelingen en hoe werken ze in vloeistofkrachtsystemen?

Introductie

Stel je voof dat je een enorme industriële transportband of een scheepsschroef probeert te starten door een mechanische koppeling tegen elkaar te slaan. De plotselinge schok zou waarschijnlijk de versnellingen doen breken, de motor beschadigen en een ongemakkelijke ervaring creëren voor iedereen in de buurt. Dit is waar hydraulische koppelingen, ook wel vloeistofkoppelingen genoemd, een elegante oplossing bieden. In plaats van een stijf metaal-op-metaal contact gebruiken deze slimme apparaten alleen maar vloeistof om het vermogen soepel en efficiënt van de ene roterende as naar de andere over te brengen.

Hydraulische koppelingen worden al meer dan een eeuw gebruikt en zijn voortgekomen uit het werk van de Duitse ingenieur Hermann Föttinger, die het concept in 1905 patenteerde. Tegenwoordig zijn ze overal te vinden, van de automatische transmissie in uw auto tot enorme industriële machines, voortstuwingssystemen voor schepen en zelfs diesellocomotieven. Maar ondanks het wijdverbreide gebruik ervan begrijpen veel mensen niet volledig wat ze zijn of hoe ze werken.

Wat is een hydraulische koppeling?

Definitie en kernconcept

EEN hydraulische koppeling -ook wel een genoemd vloeistof koppeling or hydrodynamische koppeling – is een apparaat dat roterend mechanisch vermogen van de ene as naar de andere overbrengt met behulp van een vloeistof, meestal olie, als transmissiemedium. In tegenstelling tot een mechanische koppeling die gebruik maakt van wrijvingsplaten of een versnellingsbak die gebruik maakt van in elkaar grijpende tanden, heeft een hydraulische koppeling dat wel geen directe mechanische verbinding tussen de ingaande en uitgaande as. In plaats daarvan stroomt er kracht door de kinetische energie van de vloeistof.

De term ‘hydraulische koppeling’ kan feitelijk verwijzen naar twee verschillende categorieën apparaten, en het is belangrijk om dit onderscheid te begrijpen. Volgens Britannica zijn er twee hoofdtypen hydraulische krachtoverbrengingssystemen:

Dit artikel richt zich op hydrokinetische vloeistofkoppelingen , die worden gebruikt voor roterende krachtoverbrenging. Hydrostatische systemen (hydraulische pompen en motoren) zijn een geheel andere technologie, ook al worden ze ook wel “hydraulisch” genoemd.

De drie belangrijkste componenten

EEN simple fluid coupling consists of three primary components, plus the hydraulic fluid that fills the working chamber :

De behuizing (shell) – Dit is de buitenmantel die de vloeistof en de twee turbines bevat. Het moet oliedichte afdichtingen rond de aandrijfassen hebben om lekkage te voorkomen. De behuizing dient tevens als fysieke verbinding tussen de ingaande as en de pompwaaier.

De pomp (waaier) – Dit ventilatorachtige onderdeel is rechtstreeks verbonden met de ingaande as, die afkomstig is van de aandrijfmotor (een elektromotor, verbrandingsmotor of stoomturbine). Wanneer de aandrijfmotor draait, draait de pomp met precies dezelfde snelheid mee. De pomp bevat radiale bladen (meestal twintig tot veertig) die de vloeistof duwen en richten.

De turbine (loper) – Dit tweede ventilatorachtige onderdeel is naar de pomp gericht en is verbonden met de uitgaande as, die de belasting aandrijft (zoals een transportband, pomp of voertuigtransmissie). De turbine is niet mechanisch gekoppeld aan de pomp; het raakt alleen de vloeistof die de pomp ernaartoe gooit.

Onderscheid met koppelomvormers

Het is vermeldenswaard dat er een hydraulische koppeling is niet hetzelfde als een koppelomvormer, hoewel deze twee vaak met elkaar worden verward. Een basisvloeistofkoppeling brengt koppel over zonder het te vermenigvuldigen: het uitgangskoppel is gelijk aan het ingangskoppel (minus kleine verliezen). Een koppelomvormer bevat daarentegen een extra onderdeel dat a wordt genoemd stator dat de vloeistofstroom omleidt om het koppel daadwerkelijk te vermenigvuldigen bij lage snelheden. In automobieltoepassingen hebben koppelomvormers sinds eind jaren veertig de eenvoudige vloeistofkoppelingen grotendeels vervangen omdat ze betere prestaties bij lage snelheden leveren. Vloeistofkoppelingen worden echter nog steeds veel gebruikt in industriële omgevingen waar koppelvermenigvuldiging niet vereist is.

Hoe werkt een hydraulische koppeling?

Het Föttinger-principe

Elke moderne hydraulische koppeling werkt op de zogenaamde Föttinger-principe , vernoemd naar de Duitse ingenieur die het concept voor het eerst patenteerde in 1905 . Het principe is bedrieglijk eenvoudig: een pomp versnelt vloeistof naar buiten, en die bewegende vloeistof raakt vervolgens een turbine, waardoor deze gaat draaien. De vloeistof keert vervolgens terug naar de pomp om de cyclus te herhalen.

Zie het als twee ventilatoren die tegenover elkaar staan ​​in een afgesloten behuizing gevuld met olie. EENls je één ventilator (de pomp) aanzet, duwen de bladen de olie. Die bewegende olie raakt vervolgens de bladen van de tweede ventilator (de turbine), waardoor deze gaat draaien. De tweede ventilator is niet via een vaste verbinding met de eerste verbonden, alleen door de bewegende vloeistof. Dit is de essentie van hydrodynamische krachtoverbrenging.

Stap voor stap: de krachtoverbrengingscyclus

Laten we eens kijken wat er precies gebeurt in een hydraulische koppeling tijdens normaal gebruik.

Stap 1 – De Prime Mover laat de pomp draaien

De motor of elektromotor roteert de ingaande as, die is verbonden met de pompwaaier. Terwijl de pomp draait, vangen de radiale bladen de hydraulische vloeistof (meestal olie) op in het koppelingshuis. De bladen zijn zo gehoekt dat ze de vloeistof naar buiten en tangentiaal werpen, net als bij een centrifugaalpomp.

Stap 2 – Vloeistof krijgt kinetische energie

De pomp verleent zowel een buitenwaartse lineaire beweging als een roterende beweging aan de vloeistof. Terwijl de vloeistof van het midden van de pomp naar de buitenrand beweegt, krijgt deze aanzienlijke kinetische energie. Hoe sneller de pomp draait, hoe meer energie de vloeistof absorbeert. De relatie is evenredig met het kwadraat van de ingangssnelheid: het overgedragen koppel neemt toe met het kwadraat van de ingangssnelheid, terwijl het overgedragen vermogen toeneemt met de derde macht van de ingangssnelheid.

Stap 3 – Vloeistof raakt de turbinebladen

De bekrachtigde vloeistof wordt door de vorm van de pomp naar de turbine (runner) geleid. Omdat de pomp en de turbine tegenover elkaar staan ​​met een kleine opening ertussen, schiet de vloeistof over deze opening en botst op de turbinebladen. De kracht van deze impact brengt het impulsmoment over van de vloeistof naar de turbine, waardoor deze in de turbine gaat roteren dezelfde richting als de pomp.

Stap 4 – Vloeistof keert terug naar de pomp

EENfter giving up most of its energy to the turbine, the fluid flows back toward the center of the coupling and re-enters the pump. This creates a continuous toroïdaal stromingspatroon —de vloeistof circuleert rond een donutvormig pad (een torus) in de koppeling. Zolang de pomp blijft draaien, blijft de vloeistof circuleren en koppel overbrengen.

Stap 5 – Er wordt koppel geleverd aan de belasting

De turbine is verbonden met de uitgaande as, die de belasting aandrijft. Terwijl de turbine draait, draait deze de uitgaande as, waardoor mechanische kracht wordt geleverd aan de machine die erop is aangesloten, of dat nu een transportband, een pompwaaier, een voertuigtransmissie of een scheepsschroef is.

Het vloeistofstroompad (ringkerncirculatie)

De beweging van vloeistof in een hydraulische koppeling volgt een fascinerend toroïdaal (donutvormig) pad. Er zijn twee componenten in deze motie:

• Circulaire stroom – De vloeistof draait rond de rotatie-as en volgt de omtrek van de koppeling.
• Meridionale stroom – De vloeistof beweegt van de pomp naar de turbine en weer terug, waardoor een recyclinglus ontstaat.

Wanneer de ingaande en uitgaande as met dezelfde snelheid draaien, is er geen netto stroom van de ene turbine naar de andere; de ​​vloeistof draait gewoon op zijn plaats. Maar wanneer er een verschil in snelheid tussen de pomp en de turbine (die altijd onder belasting bestaat), stroomt de vloeistof krachtig van de pomp naar de turbine, waarbij koppel wordt overgebracht.

Belangrijkste operationele kenmerken

Slip – Het onvermijdelijke snelheidsverschil

Een van de belangrijkste kenmerken van elke vloeistofkoppeling is uitglijden . Slip is het verschil in rotatiesnelheid tussen de ingaande as (pomp) en de uitgaande as (turbine), uitgedrukt als een percentage.

EEN fluid coupling kan geen uitgangskoppel ontwikkelen als de ingangs- en uitgangshoeksnelheden identiek zijn . Dit betekent dat de turbine onder belasting altijd iets langzamer moet draaien dan de pomp. Bij een goed ontworpen hydraulische koppeling is onder normale belastingsomstandigheden de snelheid van de aangedreven as ongeveer 3 procent minder dan de snelheid van de aandrijfas. Voor kleinere koppelingen kan de slip variëren van 1,5% (grote vermogenseenheden) tot 6% (kleine vermogenseenheden).

Waarom is slip belangrijk? Omdat slip staat voor verloren energie. Het vermogen dat niet naar de uitgaande as wordt overgebracht, wordt als warmte in de vloeistof afgevoerd als gevolg van interne wrijving en turbulentie. Dit is de reden waarom vloeistofkoppelingen niet 100% efficiënt zijn; de typische efficiëntie varieert van 95% tot 98%. De verloren energie verwarmt de hydraulische vloeistof. Daarom hebben veel vloeistofkoppelingen koelsystemen nodig of zijn ze ontworpen om de warmte effectief af te voeren.

Stalsnelheid

EENnother critical characteristic is the snelheid afslaan . Dit wordt gedefinieerd als de hoogste snelheid waarmee de pomp kan draaien wanneer de uitgangsturbine vergrendeld is (niet kan bewegen) en het volledige ingangskoppel wordt toegepast. Onder blokkeeromstandigheden wordt al het motorvermogen bij dat toerental omgezet in warmte in de vloeistofkoppeling. Langdurig gebruik bij afslaan kan de koppeling, afdichtingen en vloeistof beschadigen.

De overtreksnelheid is vooral relevant in automobieltoepassingen. Wanneer u bij een stoplicht stopt terwijl de automatische transmissie in een versnelling staat, bevindt de koppelomvormer (die is voortgekomen uit de vloeistofkoppeling) zich gedeeltelijk in een toestand van afslaan. De motor draait stationair en de vloeistofkoppeling dissipeert een kleine hoeveelheid vermogen in de vorm van warmte.

Schepbediening voor variabele snelheid

Een van de meest waardevolle kenmerken van industriële vloeistofkoppelingen is de mogelijkheid om de uitgangssnelheid te variëren zonder de ingangssnelheid te veranderen. Dit wordt bereikt met behulp van een schep controle systeem.

EEN scoop is a non-rotating pipe that enters the rotating coupling through a central hub. By moving this scoop—either rotating it or extending it—the operator can remove fluid from the working chamber and return it to an external reservoir. Less fluid in the coupling means less torque transmission and, therefore, lower output shaft speed. When more speed is needed, fluid is pumped back into the coupling.

Dit maakt het mogelijk traploze variabele snelheidsregeling van grote machines zoals ketelvoedingspompen, ventilatoren en transportbanden. De elektromotor kan op een constante, efficiënte snelheid draaien, terwijl de uitgangssnelheid indien nodig soepel wordt aangepast.

Soorten hydraulische koppelingen

Koppelingen met constante vulling

Het meest basale type hydraulische koppeling is de constante vulling koppeling. Zoals de naam al doet vermoeden bevatten deze koppelingen een vast vloeistofvolume dat altijd in de werkkamer blijft. Ze zijn eenvoudig, betrouwbaar en vereisen minimaal onderhoud.

Koppelingen met constante vulling bieden:

• Soepele, schokvrije acceleratie
• Beveiliging tegen overbelasting (als de lading vastloopt, slipt de koppeling in plaats van dat de motor afslaat)
• Torsietrillingsdemping

Deze worden vaak aangetroffen in industriële toepassingen zoals transportbanden, brekers, ventilatoren en pompen. De Transfluid K-serie is een voorbeeld van een constant-fill-koppeling, verkrijgbaar voor zowel elektrische als dieselaangedreven toepassingen.

Vertragingsvulkoppelingen

EEN vertragingsvulkoppeling (ook bekend als een stapcircuitkoppeling) voegt een reservoir toe dat een deel van de vloeistof vasthoudt wanneer de uitgaande as stilstaat of langzaam draait. Dit vermindert de weerstand op de ingaande as tijdens het opstarten, wat twee voordelen heeft:

• Lager brandstofverbruik wanneer de motor stationair draait
• Verminderde “kruip” in automobieltoepassingen (de neiging van een voertuig om vooruit te rijden terwijl de motor in een versnelling staat en de motor stationair draait)

Zodra de uitgaande as begint te draaien, gooit de middelpuntvliedende kracht de vloeistof uit het reservoir en terug in de hoofdwerkkamer, waardoor de volledige krachtoverbrengingscapaciteit wordt hersteld.

Variabele vulling (schepgestuurde) koppelingen

EENs described above, variable-fill couplings use a scoop tube to control the amount of fluid in the working chamber while the coupling is operating . This allows for continuous, stepless speed control of the driven equipment. These are used in applications requiring variable output speed, such as:

• Ketelvoedingspompaandrijvingen in energiecentrales
• Grote ventilator- en bloweraandrijvingen
• Mariene voortstuwingssystemen
• Centrifugaalcompressoraandrijvingen

EENpplications of Hydraulic Couplings

Industriële machines

Vloeistofkoppelingen worden veelvuldig gebruikt in industriële toepassingen waarbij sprake is van rotatievermogen, vooral waar starts met een hoge traagheid of constante cyclische belasting aanwezig zijn. Veel voorkomende voorbeelden zijn:

• Transportbanden – Soepel starten voorkomt beschadiging van de riem en morsen van materiaal
• Brekers en versnipperaars – Beschermt de motor als de breker vastloopt op onbreekbaar materiaal
• Centrifugaal pompen – Zorgt ervoor dat de motor onbelast kan starten en brengt de pomp vervolgens geleidelijk op snelheid
• Fans en blowers – Biedt variabele snelheidsregeling voor energiebesparing
• Mixers en pulpers – Absorbeert schokbelastingen van onregelmatige materialen

Mariene voortstuwing

Schepen en boten maken gebruik van vloeistofkoppelingen tussen de dieselmotor en de schroefas. De vloeistofkoppeling biedt verschillende voordelen in deze veeleisende omgeving:

• Hierdoor kan de motor starten en stationair draaien zonder de propeller te draaien
• Het dempt torsietrillingen van de motor
• Het zorgt voor een soepele, schokvrije inschakeling wanneer er stroom wordt toegepast
• Het beschermt de aandrijflijn als de propeller op vuil stuit

Spoorvervoer

Diesellocomotieven en dieseltreinstellen (DMU's) gebruiken vaak vloeistofkoppelingen als onderdeel van hun krachtoverbrengingssystemen. Fabrikanten zoals Voith vervaardigen turbotransmissies die vloeistofkoppelingen en koppelomvormers combineren voor spoorwegtoepassingen. Het bedrijf Self-Changing Gears maakte voor British Rail semi-automatische transmissies die gebruik maakten van vloeistofkoppelingen.

EENutomotive (Historical)

In automobieltoepassingen is de pomp doorgaans verbonden met het vliegwiel van de motor (de behuizing van de koppeling kan zelfs deel uitmaken van het vliegwiel zelf) en is de turbine verbonden met de ingaande as van de transmissie. Het gedrag van een vloeistofkoppeling lijkt sterk op dat van een mechanische koppeling die een handgeschakelde versnellingsbak aandrijft: naarmate het motortoerental toeneemt, wordt het koppel soepel naar de transmissie overgebracht.

De bekendste automobieltoepassing was de Daimler vloeistofvliegwiel , gebruikt in combinatie met een Wilson-voorkeuzeversnellingsbak. Daimler gebruikte deze in hun hele assortiment luxe auto's totdat ze met de Majestic uit 1958 overschakelden op automatische versnellingsbakken. General Motors gebruikte ook een vloeistofkoppeling in de Hydramatisch transmissie, geïntroduceerd in 1939 als de eerste volledig automatische transmissie in een in massa geproduceerde auto.

Tegenwoordig heeft de hydrodynamische koppelomvormer de eenvoudige vloeistofkoppeling in personenauto's grotendeels vervangen, omdat koppelomvormers zorgen voor koppelvermenigvuldiging bij lage snelheden, waardoor de acceleratie vanuit stilstand wordt verbeterd.

EENviation

Vloeistofkoppelingen hebben ook toepassing gevonden in de luchtvaart. Het meest opvallende voorbeeld was in de Wright turbo-compound zuigermotor , gebruikt op vliegtuigen als de Lockheed Constellation en Douglas DC-7. Drie energieterugwinningsturbines haalden ongeveer 20 procent van de energie (ongeveer 500 pk) uit de uitlaatgassen van de motor. Met behulp van drie vloeistofkoppelingen en overbrengingen werd dit turbinevermogen met hoge snelheid en laag koppel omgezet in een vermogen met laag toerental en hoog koppel om de propeller aan te drijven.

Voordelen en beperkingen

Voordelen van hydraulische koppelingen

Beperkingen en overwegingen

Inherente slip – Een vloeistofkoppeling kan geen 100% efficiëntie bereiken, omdat er slip nodig is voor de koppeloverdracht. Er gaat altijd een deel van de energie verloren als warmte.

Warmteopwekking – Bij stalling of zware slipomstandigheden wordt aanzienlijke hitte gegenereerd. Voor grote koppelingen kan externe koeling nodig zijn.

Lager rendement dan starre koppelingen – Vanwege interne vloeistofdynamische verliezen hebben hydrodynamische transmissies doorgaans een lagere transmissie-efficiëntie dan star gekoppelde transmissies zoals riemaandrijvingen of versnellingsbakken.

Vloeibaar onderhoud – De hydraulische vloeistof verslechtert na verloop van tijd en moet periodiek worden vervangen. De viscositeit van vloeistoffen heeft invloed op de prestaties, en de verkeerde vloeistof kan oververhitting veroorzaken.

Niet geschikt voor nauwkeurige snelheidssynchronisatie – Als de ingaande en uitgaande as met exact dezelfde snelheid moeten draaien, kan een vloeistofkoppeling niet worden gebruikt omdat slip inherent is aan de werking ervan.

Veelgestelde vragen (FAQ)

Vraag 1: Wat is het verschil tussen een hydraulische koppeling en een koppelomvormer?

EEN basic hydraulic coupling transmits torque without multiplication—output torque equals input torque (minus losses). A torque converter includes an additional component called a stator that redirects fluid flow, allowing the output torque to be vermenigvuldigd bij lage snelheden. Dit maakt koppelomvormers beter voor automobieltoepassingen waar een hoog startkoppel nodig is.

Vraag 2: Kan een hydraulische koppeling een efficiëntie van 100% bereiken?

Nee. Een vloeistofkoppeling kan geen uitgangskoppel ontwikkelen als de ingangs- en uitgangssnelheid identiek zijn, dus enige slip is altijd vereist. Bij normaal gebruik bedraagt ​​de efficiëntie doorgaans 95–98%.

Vraag 3: Welk type vloeistof wordt er gebruikt in een hydraulische koppeling?

De meeste hydraulische koppelingen maken gebruik van vloeistoffen met een lage viscositeit, zoals multigrade motoroliën of automatische transmissievloeistoffen (ATF). Het verhogen van de vloeistofdichtheid verhoogt het koppel dat bij een gegeven ingangssnelheid kan worden overgedragen. Voor toepassingen waarbij de prestaties stabiel moeten blijven bij temperatuurveranderingen, wordt de voorkeur gegeven aan een vloeistof met een hoge viscositeitsindex. Sommige koppelingen zijn zelfs leverbaar voor waterbedrijf.

Vraag 4: Hoe regel je de snelheid van een hydraulische koppeling?

Bij een koppeling met variabele vulling (schepgestuurd) verwijdert een niet-roterende schepbuis vloeistof uit de werkkamer terwijl de koppeling in werking is. Minder vloeistof betekent minder koppeloverdracht en een lager uitgangstoerental. Door het regelen van de scheppositie kan de uitvoersnelheid traploos worden aangepast van nul tot bijna invoersnelheid.

Vraag 5: Wat gebeurt er als een hydraulische koppeling droogloopt?

Als een vloeistofkoppeling zonder voldoende vloeistof werkt, kan deze niet het vereiste koppel overbrengen. Belangrijker nog is dat het beperkte vloeistofvolume snel oververhit raakt, waardoor vaak schade aan de afdichtingen, lagers en behuizing ontstaat.

Vraag 6: Worden hydraulische koppelingen nog steeds gebruikt in moderne auto's?

Eenvoudige vloeistofkoppelingen zijn in personenauto's grotendeels vervangen door koppelomvormers. Sommige moderne automatische transmissies maken echter nog steeds gebruik van vloeistofkoppelingsprincipes, en de term 'vloeistofkoppeling' wordt in informele gesprekken soms door elkaar gebruikt met 'koppelomvormer'.

V7: Waarom wordt mijn vloeistofkoppeling heet?

Warmteontwikkeling is normaal omdat de energie die verloren gaat door slippen wordt afgevoerd als warmte. Overmatige hitte duidt echter op te veel slip, wat kan worden veroorzaakt door overbelasting, een laag vloeistofpeil, een verkeerd vloeistoftype of een defect koelsysteem.

Vraag 8: Hoe lang gaat een hydraulische koppeling mee?

Omdat er geen mechanisch contact is tussen de pomp en de turbine, zijn vloeistofkoppelingen extreem duurzaam. De belangrijkste slijtagecomponenten zijn de afdichtingen en lagers. Met het juiste onderhoud en de juiste vloeistofverversingen kunnen industriële vloeistofkoppelingen tientallen jaren meegaan.