Hydrodynamický menič

Hydrodynamický menič krútiaceho momentu, skrátene hydrodynamický menič je typ zdokonalenej hydrodynamickej spojky, ktorá prenáša sily medzi súčiastkami rotujúcimi rozličnými rýchlosťami. Používa sa všade tam, kde je potrebné hydraulicky oddeliť hnací a hnaný hriadeľ a kde je zároveň potrebné násobiť prenášaný krútiaci moment.

Hydraulické oddelenie medzi pohonom (vstup) a náhonom (výstup) zabráni prenosu rázov a tlmí torzné kmity, ktoré sú škodlivé, znižujú životnosť a spoľahlivosť zariadení. Preto boli meniče pôvodne vyvinuté pre veľké lode, kde je nutné prenášať veľké výkony s prevodom do pomala, a zároveň zabrániť namáhaniu sústavy a jej poruchám  pri silnom vlnobití.

Použitie 
 automatické prevodovky osobných a nákladných automobilov, ťahačov, autobusov
 zemné stroje a traktory, lokomotívy
 priemyselné pohony a prevodovky v rozličných dopravníkoch, navíjacích bubnoch, vŕtacích plošinách
 pohony lodí
 dieslové rušne s hydromechanickým prenosom výkonu

História 
 Základný princíp hydrodynamickej spojky bol patentovaný ing. Hermannom Föttingerom v roku 1905, v súčasnosti je vedený pod č. DE221422 na nemeckom patentovom úrade
 1915: Föttinger dostal patent (DE238804) na riešenie, ktoré bolo veľmi podobné neskôr sériovo vyrábaným meničom
 1928: bol vyvinutý prvý trilok menič
 1936: hydrodynamický prenos výkonu 2x442 kW bol použitý na motorových vozňoch série Leipzig, typ. DR 137 233(234)
 1938: GM použil trilok menič v sériovej výrobe
 1950: Masové rozšírenie meničov vo všetkých odvetviach dopravy

Princíp 
Hydrodynamické meniče nepatria k prevodníkom, či transformátorom, ale k variabilným prevodovkám, s nekonečným počtom prevodových pomerov (IVT – Infinitely Variable Transmission).

Meniče umožňujú odovzdávať výkon pri širokom pomere prevádzkových otáčok, a to zároveň pri nekonečnom počte plynule na seba nadväzujúcich prevodov, ktoré sa za plného zaťaženia automaticky (bez zásahu ľudskej ruky či zvláštneho regulátora) nastavujú zmenou prevádzkového zaťaženia na výstupnom hriadeli.

V najjednoduchšom prípade sa skladajú zo štyroch základných častí:
 čerpadlo
 rozvádzacie koleso (stator)
 turbína
 veko

Čerpadlo a veko spolu bývajú spájané skrutkovými spojmi alebo zváraním a vytvárajú tak olejotesné puzdro, v ktorom sú spolu uložené rozvádzacie koleso a turbína.Rozvádzacie koleso je v tomto prípade pevne spojené s telesom prevodovky a neotáča sa.

K hydrodynamickému prenosu dochádza tak, že s rastúcimi otáčkami čerpadla začne v meniči prúdiť kvapalina, (najčastejšie hydraulický olej, vo veľkých meničoch voda), ktorá prúdi od lopatiek čerpadla smerom k turbíne, kde odovzdáva svoju pohybovú energiu. Čím je väčší rozdiel otáčok medzi čerpadlom a turbínou, tým vyšší tlak vzniká v medzere medzi nimi a na vonkajší priemer turbíny pôsobia väčšie sily. Prúd kvapaliny sa v turbíne otáča smerom k rozvádzaciemu kolesu, ktoré ho usmerní a ohýba želaným smerom späť na vstup do čerpadla. (Čím väčší rozdiel otáčok tým väčšia "páka" vzniká.) Týmto sa dosiahnu konštantné prúdové podmienky na vstupe čerpadla, a čerpadlo potom môže odovzdávať konštantný výkon ďalej na turbínu.

Tu je kľúčový rozdiel oproti hydrodynamickej spojke, kde dochádza pri návrate kvapaliny, v závislosti od rôznych otáčok k rozličným vstupným vektorom prúdenia kvapaliny na vstupe do čerpadla, čím vznikajú zbytočné straty a čerpadlo odovzdáva na turbínu nižší výkon. (Kvapalina z turbíny, neusmernená rozvádzačom na vstupe do čerpadla potom prúdi proti smeru otáčania čerpadla a pod.) Hydrodynamická spojka preto nedokáže násobiť krútiaci moment.

Pri meničoch sa ale vďaka rozvádzaciemu kolesu krútiaci moment násobí, znásobenie momentu dosahuje hodnotu 1,4 – 3,0 x, a vyjadruje ho premenná .

Sily ktoré pôsobia na rozvádzacie koleso pôsobia v protismere k silám pôsobiacim na turbínu a čerpadlo, pričom platí:

Prenášaný výkon sa dá približne vypočítať podľa vzťahu:

pričom  je hustota kvapaliny (kg/m³),
 je rýchlosť rotácie meniča (ot/min),
 je priemer v (mm).
Maximálny prenášaný výkon je obmedzený mechanickými vlastnosťami materiálu použitého na súčiastky meniča, ako aj schopnosťou odvádzať teplo
ktoré vzniká pri plnej záťaži meniča.

Dôležitý údaj je účinnosť meniča: 

Častejšie sa ale využíva konštrukcia, ktorá umožňuje vypnúť funkciu meniča pomocou lamelovej spojky, a tak dosiahnuť prevod medzi čerpadlom a turbínou 1:1. V nemeckej literatúre sa označuje ako "trilok" menič.

Lamelová spojka býva zabudovaná vo veku meniča. Spojka je hydraulicky ovládaná z automatickej prevodovky, tak aby sa maximálne obmedzil nežiaduci sklz medzi čerpadlom a turbínou vo vyšších otáčkach turbíny.(Napr. pri jazde po diaľnici.) V tomto prípade je ale rozvádzacie koleso namontované na voľnobežke (trilok), ktorá mu umožňuje voľné otáčanie v smere rotácie turbíny a čerpadla pri zapnutej spojke.

Pre zvýšenie komfortu pri prevádzke majú meniče vo veku zabudovaný okrem spojky aj torzný tlmič.

Základné pojmy 
 = Krútiaci moment turbíny [Nm]

  =  Krútiaci moment čerpadla [Nm]

 = Krútiaci moment rozvádzacieho kolesa [Nm]

 = Pomer otáčok turbíny a čerpadla

 = Otáčky turbíny [ot.min-1]
 
 = Otáčky čerpadla [ot.min-1]

 = uhlová rýchlosť turbíny [rad.s-1]

 = uhlová rýchlosť čerpadla [rad.s-1]

 = pomer krútiacich momentov čerpadla a turbíny (presadenie)

 = účinnosť

Iné projekty

Zdroje 
 Stránky venované H. Föttingerovi
 Stránky výrobcu meničov ZF Friedrichshafen AG 
 Slovenský výrobca meničov - ZF Sachs a.s.
 Mauricio, W.:Hydraulické spojky a měniče. SNTL Praha, 1962, str.133 – 311

Hydrodynamika
Spojky (strojárstvo)
Prevodovky
Hydraulické mechanizmy