ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МУФТА
HYDRODYNAMIC COUPLING

Данное изобретение относится к гидродинамической муфте с постоянным или изменяемым заполнением, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Специалисты различают гидродинамические муфты с постоянным заполнением и заполняемые и опустошаемые муфты. В то время как в названных последними муфтах рабочая среда подается или отводится в зависимости от желаемого уровня заполнения из наружного циркуляционного контура в рабочее пространство муфты, в названных первыми муфтах рабочая среда остается всегда внутри муфты. Это приводит к двум конструктивным трудностям: во-первых, необходимо предусматривать внутри муфты накопительное пространство, которое принимает рабочую среду, которая не должна находиться в рабочем пространстве на основе желаемого рабочего состояния. Кроме того, нагретую за счет трения текучей среды рабочую среду нельзя охлаждать во внешнем теплообменнике, который обычно расположен во внешнем циркуляционном контуре рабочей среды заполняемых и опустошаемых муфт. Указанное накопительное пространство требует конструктивного пространства внутри муфты, и необходимы меры для отвода тепла из внутреннего пространства муфты.
К гидродинамическим муфтам с постоянным заполнением предъявляются повышенные требования относительно их мощности. То есть с их помощью должна передаваться возможно большая приводная мощность с приводной машины в рабочую машину без износа. Одновременно во многих областях применения для гидродинамической муфты ограничено имеющееся в распоряжении конструктивное пространство. Обычные муфты еще не могут достаточно отвечать этим требованиям.
Из предшествующего уровня техники в US 3 107 492 А известна гидродинамическая муфта с постоянным и изменяемым заполнением рабочей средой. Она имеет рабочее пространство и накопительное пространство. Накопительное пространство лежит в осевом направлении рядом с рабочим пространством. Для оказания влияния на передаваемый крутящий момент можно направлять рабочую среду из накопительного пространства в рабочее пространство или из рабочего пространства в накопительное пространство.
Поэтому в основу изобретения положена задача создания гидродинамической муфты с постоянным или изменяемым заполнением, которая по сравнению с известными муфтами в не увеличенном конструктивном объеме обеспечивает возможность передачи более высокой приводной мощности.
Эта задача решена с помощью гидродинамической муфты с признаками пункта 1 формулы изобретения. Из зависимых пунктов формулы изобретения следуют особенно предпочтительные модификации изобретения.
Гидродинамическая муфта, согласно изобретению, имеет тороидальное рабочее пространство, которое образовано насосным колесом и турбинным колесом, которые расположены противоположно друг другу. Внутри муфты предусмотрено накопительное пространство, которое соединено с рабочим пространством, так что рабочую среду можно направлять из накопительного пространства в рабочее пространство, соответственно, из рабочего пространства в накопительное пространство.
Гидродинамическая муфта имеет установочный объем, который определяется ее пространственными размерами. При этом установочный объем в смысле данного изобретения задается объемом цилиндра с постоянным наружным диаметром, при этом наружный диаметр цилиндрического объема соответствует максимальному наружному диаметру DA гидродинамической муфты, и осевая длина цилиндрического объема равна максимальной осевой длине Sax гидродинамической муфты. Согласно изобретению отношение объема рабочего пространства гидродинамической муфты к установочному объему составляет, по меньшей мере, 0,26. В частности, отношение объема рабочего пространства гидродинамической муфты к установочному объему муфты составляет более 0,26 и лежит, например, в диапазоне от 0,26 до 0,5, в частности в диапазоне от 0,26 до 0,40 или 0,30.
Дополнительно к этому, предпочтительно, когда отношение объема накопительного пространства к рабочему пространству гидродинамической муфты составляет, по меньшей мере, 0,185, в частности более 0,185. Предпочтительно, это отношение лежит в диапазоне от 0,185 до 2,5, особенно предпочтительно в диапазоне от 0,185 до 0,190.
Для достижения этого явно большего по сравнению с обычными муфтами объема рабочего пространства относительно всего объема гидродинамической муфты особенно предпочтительно выбирать отношение диаметра профиля к наружному диаметру муфты больше или равным 0,89.
Под диаметром DP профиля специалисты понимают наружный диаметр лопастного профиля, при этом этот диаметр, как правило, является одним и тем же у насосного колеса и у турбинного колеса.
Такое отношение профильного диаметра к наружному диаметру можно достигать, например, за счет того, что наружный диаметр гидродинамической муфты составляет 556 мм, а профильный диаметр 500 мм.
При этом под накопительным пространством в смысле данного изобретения понимается пространство внутри гидродинамической муфты, которое принимает ту рабочую среду внутри гидродинамической муфты, которая не находится в рабочем пространстве. При этом рабочее пространство задается точно объемом, который образуют совместно пространства, при рассматривании в окружном направлении, между отдельными лопатками насосного колеса и турбинного колеса, дополненным кольцевым объемом, при рассматривании в осевом направлении, между лопатками насосного колеса и турбинного колеса. Таким образом, накопительное пространство не имеет лопаток и может быть расположено внутри гидродинамической муфты полностью или частично радиально внутри рабочего объема. Согласно одному варианту выполнения, как будет пояснено ниже со ссылками на чертеж, накопительное пространство, которое расположено полностью радиально внутри рабочего пространства, входит непосредственно у внутренней в радиальном направлении окружности рабочего объема, например, в осевой участок турбинного колеса.
Дополнительно к рабочему пространству и приемному пространству, в гидродинамической муфте или снаружи нее могут быть предусмотрены другие пространства или камеры. Например, могут быть предусмотрены одна или несколько замедлительных камер заданной величины, в частности, в радиальном направлении внутри рабочего пространства. Возможно также предусмотрение дополнительно частично или полностью в радиальном направлении вне рабочего пространства другой замедлительной камеры или же в целом кольцевого пространства для приема рабочей среды. В качестве примера можно сослаться на европейскую патентную заявку 0 206 122 А1, в которой указанные пространства внутри гидродинамической муфты, которые предусмотрены дополнительно к накопительному пространству, могут быть предусмотрены в рамках данного изобретения.
Однако, согласно одному особому варианту выполнения изобретения, гидродинамическая муфта имеет исключительно одно рабочее пространство, одно компенсационное пространство и, в частности, но не обязательно, остающееся для заполнения рабочей средой пространство между оболочкой гидродинамической муфты и задней стороной окруженного ею лопастного колеса, которое вращается с относительной скоростью вращения относительно оболочки.
Данное изобретение можно применять как в гидродинамических муфтах с приводом на внутреннее колесо, так и в гидродинамических муфтах с приводом на наружное колесо. В гидродинамических муфтах с приводом на внутреннее колесо приводится во вращение то лопастное колесо, в частности, через приводной вал, которое окружено оболочкой муфты вместе с расположенным на стороне отвода мощности лопастным колесом. В гидродинамических муфтах с приводом на наружное колесо поток мощности является точно противоположным. Так приводится во вращение наружное колесо, с которым, как правило, соединена оболочка, с помощью приводной машины, а окруженное наружным колесом и оболочкой внутреннее колесо расположено на стороне отбора мощности.
Указанное большое отношение объема рабочего пространства к общему объему предпочтительно достигается дополнительно тем, что отношение профильного внутреннего диаметра DI к профильному диаметру DP менее 0,5, в частности меньше или равно 0,485. Это означает, что высота профиля (DP-DI)/2 является относительно большой, за счет чего достигается уменьшение проскальзывания за счет увеличения объема. Кроме того, дополнительное уменьшение проскальзывания можно достигать тем, что также профильная глубина T/DP увеличена по сравнению с обычными муфтами. В частности, отношение профильной глубины Т к профильному диаметру DP более 0,16, особенно предпочтительно больше или равно 0,165.
Кроме того, изобретателем было установлено, что в одной модификации изобретения предпочтительно, когда количество лопаток уменьшено по сравнению с известными гидродинамическими муфтами с постоянным заполнением и сравнимым общим объемом. А именно оптимальное количество лопаток при небольшом номинальном проскальзывании должно быть уменьшено. Это небольшое номинальное проскальзывание достигается с помощью указанного выше уменьшения проскальзывания за счет оптимального использования конструктивного пространства. Особенно предпочтительно, насосное колесо и турбинное колесо имеют неодинаковое количество лопаток. В частности, насосное колесо имеет на одну лопатку больше, чем турбинное колесо.
За счет выполнения, согласно изобретению, гидродинамической муфты с постоянным заполнением можно, в частности, посредством увеличения рабочего пространства и накопительного пространства при остающихся неизменными наружных размерах муфты, достигать значительно большей передаточной способности по мощности гидродинамической муфты.
Ниже приводится подробное описание особенно предпочтительного конструктивного варианта выполнения гидродинамической муфты, согласно изобретению.
На фиг.1 показан такой вариант выполнения в осевом разрезе, при этом в нижней половине показана обычная гидродинамическая муфта с постоянным заполнением, а в верхней половине - гидродинамическая муфта, согласно изобретению.
Можно сразу увидеть, что установочные размеры улучшенной в соответствии с изобретением гидродинамической муфты соответствуют установочным размерам обычной гидродинамической муфты.
Показаны насосное колесо 1 и турбинное колесо 2, которые совместно образуют рабочее пространство 3. Дополнительно к этому показано накопительное пространство 4, которое служит в качестве коллекторного пространства для не требуемой в рабочем пространстве рабочей среды. Накопительное пространство проходит вдоль радиального направления гидродинамической муфты полностью в радиальном направлении внутри рабочего пространства 3. А именно, при рассматривании в осевом направлении, накопительное пространство 4 проходит от середины турбинного колеса 2 за зону расположенного в насосном колесе 1 рабочего пространства 3 вплоть до заданного расстояния относительно осевого конца гидродинамической муфты, которое составляет, например, 10 мм, обычно между 4 и 20 мм, особенно предпочтительно между 8 и 12 мм.
Насосное колесо 1 окружает вместе с оболочкой 1.2 турбинное колесо 2. При этом насосное колесо 1 и оболочка 1.2 образуют совместно приводной ротор 1.1. Как показано на чертеже, насосное колесо 1 может быть, например, свинчено с оболочкой 1.2 так, что они окружают непрерывное полое пространство, в котором расположено, с одной стороны, турбинное колесо 2 и которое, с другой стороны, содержит накопительное пространство 4.
Насосное колесо 1 несет множество лопаточных профилей, называемых также лопатками 1.3. При этом максимальная осевая длина лопаточного профиля называется глубиной Т профиля. Как показано на чертеже, наружный диаметр профиля обозначен как профильный диаметр DP, а внутренний диаметр профиля обозначен как профильный внутренний диаметр DI. Таким образом, высота профиля равна половине разницы между профильным диаметром и профильным внутренним диаметром.
Турбинное колесо также несет множество лопаточных профилей с соответственно заданными размерами, называемых в целом турбинными лопатками 2.1.
Турбинное колесо 2 с помощью винтовых соединений соединено без возможности проворачивания со ступицей 5 муфты. Ступица 5 муфты выполнена в виде полого вала, который проходит в осевом направлении через насосное колесо 1 и оболочку 1.2. Ступица 5 муфты частично проходит над валом приводной машины, который выполнен в виде сплошного вала и на торцевой стороне с помощью винтового соединения соединен со ступицей муфты.
Насосное колесо 1 в показанном варианте выполнения муфты, согласно изобретению, опирается радиальным подшипником 6 на первую, при рассматривании в осевом направлении, часть 5.1 ступицы 5 муфты. При этом подшипник 6 выполнен меньшим по сравнению с соответствующим подшипником обычной муфты в нижней части чертежа. За счет этого накопительное пространство 4 может быть выполнено большим, размеры которого будут пояснены ниже.
Оболочка 1.2 также установлена на ступицу 5 муфты, а именно на вторую часть 5.2, которая примыкает в осевом направлении к первой части 5.1, однако имеет, в частности, как показано на чертеже, больший диаметр. Применяемый для этого подшипник 7 является упорным радиальным подшипником, т.е. так называемым фиксированным подшипником. За счет этого достигается то, что небольшой подшипник 6 в наружном колесе 1.1 не должен воспринимать гидравлическое осевое усилие, что приводит к увеличению его срока службы.
Для отвода достаточного количества тепла из внутреннего пространства муфты наружу наружное колесо может быть выполнено с увеличивающими поверхность ребрами. Одновременно можно отказаться от таких ребер на оболочке 1.2.
Насосное колесо 1, турбинное колесо 2 и оболочка 1.2 могут быть особенно предпочтительно изготовлены из алюминиевого материала, например из GAlSi. Для повышения возможной передачи крутящего момента в соединении между турбинным колесом и ступицей муфты турбинное колесо может быть изготовлено, например, из стального материала, например, GGG.
По сравнению с обычной муфтой, которая показана в нижней части фиг.1, объем рабочего пространства увеличен на 50%, и объем накопительного пространства также увеличен на 50%. Одновременно сохранен наружный диаметр DA, равный 556 мм, а также осевая длина Sax, равная 246 мм.
Точные данные приведены в обеих следующих таблицах.
<b>Таблица 1</b>Данные муфты, согласно изобретению, в верхней половине фиг.1
DP
= 500
DI/DP
= 0,485
T/DP
= 0,18
Рабочее пространство/накопительное пространство
= 3,66/19,4= 0,188
Количество лопаток наружного колеса AR
= 41
Количество лопаток внутреннего колеса IR
= 40
VTKРазмер/тип
Макс. масляное заполнение
Общий вес
Весовая нагрузка VTK
Момент инерции
л
кг
м2 (кг)
у2 (мм)
(внутренняя часть)кгм·м
(наружная часть)кгм·м
500 TXL
22,6
около 90
90
около 130
0,679
1,699
<b>Таблица 2</b>Данные обычной муфты в нижней половине фиг.1
DP
= 487
DI/DP
= 0,534
T/DP
= 0,144
Рабочее пространство/накопительное пространство
= 2,36/12,7= 0,186
Количество лопаток наружного колеса AR
= 46
Количество лопаток внутреннего колеса IR
= 46
VTKРазмер/тип
Макс. масляное заполнение
Общий вес
Весовая нагрузка VTK
Момент инерции
л
кг
м2 (кг)
у2 (мм)
(внутренняя часть)кгм·м
(наружная часть)кгм·м
487 T
14,7
79
79
130
0,565
1,635
С помощью указанных мер можно достигать увеличения мощности примерно на 50% при одинаковом установочном пространстве. Это обуславливается, в основном, достигаемым за счет конструктивных мер улучшением проскальзывания, т.е. смещением номинального проскальзывания к более низкому значению. На основании меньшего проскальзывания можно выполнять муфту, согласно изобретению, для мощности, обеспечивающей передачу значительно больших начальных пусковых моментов.
Перечень позиций
1 Насосное колесо
1.1 Приводной ротор
1.2 Оболочка
1.3 Лопатки насосного колеса
2 Турбинное колесо
2.1 Лопатки турбинного колеса
3 Рабочее пространство
3 Накопительное пространство
5 Ступица муфты
5.1 Первая часть
5.2 Вторая часть
6 Радиальный подшипник
7 Упорный радиальный подшипник