Чтобы достигнуть не только понижения скорости, но и соответствующего увеличения момента, необходим был реактивный элемент в виде ряда лопаток, неподвижно укрепленных внутри картера. Феттингер создал понижающую гидропередачу, или гидротрансформатор, который дал понижение скорости с отношением примерно 5: 1 и имел к. п. д., близкий к 85%- Всего было установлено таких понижающих передач на общую мощность более чем 200 ООО л. с. Позднее в Англии Чарльз Парсоне создал шестеренчатую передачу для турбин, которая была дешевле и обладала большим к. п. д.

В 1912 г. двигатели дизеля достигли такой стадии развития, при которой они могли применяться в судовых установках больших мощностей. Эти двигатели имели обычно шесть или больше цилиндров, расположенных в ряд, и доставляли много неприятностей из-за крутильных колебаний, которые разрушали шестеренчатые передачи ib приводе и обладали тем отрицательным свойством, что их вибрации передавались судну. Для уменьшения вибрации на верфи «Вулкан» было использовано другое изобретение Феттингера — гидромуфта. Отличие гидромуфты от гидротрансформатора заключается лишь в том, что в ней отсутствует реактивный элемент (направляющий аппарат). В картере находятся лишь два лопастных колеса — колесо насоса и колесо турбины. В результате исследований и экспериментов, проведенных на верфи «Вулкан», удалось получить гидромуфту, к. п. д. которой достигал 98%. На некоторых установках гидромуфта применялась совместно с механическим редуктором, и было установлено, что она гасит крутильные колебания и тем самым обеспечивает достаточную долговечность этой передачи. С тех пор общая мощность установленных судовых гидромуфт достигла нескольких миллионов лошадиных сил.

Впервые гидромуфты были применены в автомобилях английским инженером Г. Синклером. Во время изучения применения гидромуфт в судовых лебедках в Лондоне в 1926 г. Синклеру приходилось много ездить на городских автобусах. По-видимому, в то время сцепления на автобусах оставляли желать много лучшего с точки зрения рабочих качеств, и Синклеру пришла мысль, что гидромуфты могут найти широкое применение в автобусах, работающих в больших городах с частыми остановками и разгонами. Он сделал предложение фирме АЕС, субсидируемой лондонской автобусной компанией Дженерал, и в контакте с ней разработал гидромуфту для автобусов. Все гидромуфты «Вулкан», строившиеся в тот период для применения на судах, были снабжены наружными резервуарами, наполнительными насосами, впускными и выпускными клапанами управления и охладителями, и было очевидно, что для успешного применения гидромуфт на автобусах это дополнительное оборудование должно быть устранено.

Конструкция гидромуфты. Поперечный разрез литой гидромуфты дан на рис. 39. Литые гидромуфты распространены главным образом в Европе, тогда как в США большинство гидромуфт делается из стальных штампованных деталей, соединенных посредством сварки. Согласно рис. 39, колесо 2 насоса соединено болтами с ободом маховика двигателя, а колесо турбины — с фланцем стакана, расположенного в ступице колеса насоса и соединенного внутренними шлицами с ведомым валом 4. Колеса насоса и турбины в современных гидромуфтах обычно имеют плоские радиальные лопатки. Колеса насоса и турбины вместе составляют тор, который на 85—90% наполнен рабочей жидкостью — легким минеральным маслом. Если гидромуфту залить полностью, то при расширении жидкости под действием теплоты, развиваемой во время работы, создались бы такие нагрузки на ее стенки, что гидромуфта была бы разорвана. Для предотвращения этого наливные пробки расположены так, что наполнить гидромуфту выше безопасного предела невозможно.

Вблизи центра сечения тора имеется полый Сердечник или направляющее кольцо, которое служит для направления циркуляции жидкости и, как указывается, уменьшает завихрения и увеличивает к. п. д. (впрочем, некоторые новейшие гидромуфты не имеют такого устройства). Обычно направляющее кольцо помещается ближе к наружной, чем к внутренней окружности тора с очевидной целью сделать площади проходного сечения по возможности одинаковыми по всему пути потока.

Принято применять вращающиеся числом лопаток, например 25 и 27. Объясняется это тем, что, когда лопатка одного элемента проходит мимо лопатки противоположного элемента, происходит некоторое нарушение потока, и, если бы оба элемента имели одинаковое число лопаток, все лопатки одного элемента проходили бы мимо лопаток другого элемента одновременно.

Гидромуфты из листовой стали, кроме того, что они легче и дешевле в изготовлении, имеют преимущество перед литыми в отношении чистоты внутренней поверхности, что уменьшает сопротивление потоку и увеличивает к. п. д. В том месте, где вал турбины проходит через колесо насоса или кожух, установлен сальник во избежание утечки жидкости при неподвижной гидромуфте.

Рис. 1. Гидромуфта типа «жидкостный маховик»:
1 — колесо турбины; 2 — колесо насоса; 3 — наливная пробка; 4 — ведомый вал

Действие гидромуфты. Когда колесо насоса приведено во вращение двигателем, жидкость в секциях вращается вместе с ним и, следовательно, подвергается действию центробежной силы, которая отбрасывает ее от центра к периферии. Колесо турбины вначале неподвижно, и центробежная сила «е действует на находящуюся в нем жидкость; поэтому под. влиянием центробежной силы жидкость из колеса насоса переходит в колесо турбины вблизи его внешней окружности и заставляет жидкость из колеса турбины поступать в колесо насоса вблизи его внутренней окружности. Таким образом, создается циркуляция, которая продолжается, пока существует разность в скоростях насоса и турбины. В нормальных условиях турбина всегда вращается с меньшей скоростью, чем насос, а так как оба колеса имеют одинаковые размеры, то центробежная сила жидкости в колесе насоса всегда больше, чем в колесе турбины. Эта разница между двумя центробежными силами заставляет жидкость циркулировать в торе.

Жидкость в гидромуфте имеет сложное движение. Она вращается с насосом и турбиной вокруг оси гидромуфты и циркулирует вокруг сердечника тора. В результате каждого из этих движений она несет некоторое количество кинетической энергии. Так как сечение потока вокруг сердечника тора неизменно, то скорость вращательно-циркулярного движения будет постоянной. С другой стороны, скорость вращательного движения потока относительно оси гидромуфты возрастает, когда жидкость проходит от центра к периферии в насосе, и уменьшается, когда жидкость проходит в обратном направлении в турбине. Так как скорость жидкости возрастает в насосе, там же возрастает и ее кинетическая энергия, и это увеличение кинетической энергии может исходить только от насоса. Иначе говоря, для увеличения абсолютной скорости жидкости в секциях колеса насоса и, следовательно, для преодоления сопротивления вращению колеса насоса необходимо производить работу. В колесе турбины жидкость замедляется и оказывает давление на лопатки в направлении вращения, в результате чего происходит передача работы. Таким образом, каждая частица жидкости, проходя указанный цикл, получает энергию в насосе и отдает ее в турбине.

Разница между скоростями вращения насоса и турбины выражается в процентах от скорости насоса и называется скольжением. Центробежная сила изменяется пропорционально п2, и в случае постоянной величины скольжения центробежная сила жидкости в насосе и турбине, а следовательно, и разница между этими двумя силами изменяется пропорционально п2, где п — скорость вращения колеса насоса. Таким образом, сила, которая вызывает циркуляцию жидкости вокруг сердечника тора, изменяется пропорционально п-. Сопротивление циркуляционному потоку зависит от характера потока и величины скольжения.

Легко видеть, что если нет скольжения и колеса насоса и турбины вращаются с одинаковой скоростью, то создаются условия для ламинарного потока рабочей жидкости, так как поток будет проходить по каналу постоянного сечения. Но в том случае, когда имеется скольжение, т. е. когда колеса насоса и турбины вращаются с разной скоростью, поток, проходя из насоса в турбину, будет разрушаться лопатками, причем с увеличением скольжения, разрушение становится более заметным. Поскольку при нормальной работе всегда имеется некоторое скольжение, можно сказать, что циркуляционный поток всегда турбулентен и степень турбулентности возрастает со скольжением. Турбулентность, конечно, увеличивает сопротивление потоку. При небольшом скольжении, например до 10%, турбулентность не имеет большого значения, а скорость циркуляционного потока и передаваемый момент увеличиваются всегда прямо пропорционально скольжению. Но при большем увеличении скольжения момент увеличивается все в меньшей степени. Соотношение между моментом и скольжением в процентах от момента при остановленном колесе турбины показано на фиг 40. Из графика можно увидеть, что при, снижении скольжения от 100 до 60% передаваемый момент уменьшается примерно только на 17%, а при скольжении 20% момент уменьшается только на 50%.

Рис. 2. Кривая зависимости момента, передаваемого гидромуфтой, от величины скольжения.

Если ti выражено в сотнях об/мин, a D — в футах, то для применяемых на американских легковых автомобилях гидромуфт обычной конструкции, в которых внутренний диаметр тора равен три-близительно 7з наружного, а поперечное сечение тора по существу круглое, коэффициент с = 0,1 при скольжении, равном 2,5% (если момент выражен в килограммометрах, а диаметр —в метрах, с = 5,26). Для муфты с наружным диаметром тора 305 мм передаваемый момент равен 22,4 кгм при 4000 об/мин. Приведенное выше уравнение может быть использовано также, для того чтобы выразить момент при остановленной турбине. В этом случае значение коэффициента с будет изменяться в пределах от 1,56 до 2,28 в зависимости от количества лопаток, удельного веса жидкости и других факторов.

Факторы, определяющие наивыгоднейшее скольжение. Приведенное выше уравнение передаваемого момента применимо только к гидромуфтам данной конструкции. Оно показывает, как изменяется значение передаваемого момента при пропорциональном изменении размеров гидромуфты или при изменении скорости ее вращения. Для относительно низкого скольжения,‘какое имеет место при установившемся режиме на нормальных скоростях вращения, момент прямо пропорционален скольжению. Поэтому, если скольжение выбрано достаточно большим, гидромуфта может быть сделана соответственно небольших размеров. Наиболее выгодное скольжение для установившегося режима при полной нагрузке определяется двумя соображениями. Первое заключается в том, что процент потери мощности в гидромуфте точно равен проценту скольжения и к. п. д. увеличивается с уменьшением скольжения. Второе учитывает, что чем меньше нормальное скольжение и, следовательно, чем больше гидромуфта, тем сильнее гидромуфта будет «вести» при холостом ходе двигателя. Это свойство гидромуфты передавать момент при холостом ходе двигателя приводит к тому, что остановленный с включенной передачей автомобиль движется, что нежелательно. Конечно, всегда следует пользоваться ручным тормозом при выходе из автомобиля, но для автомобиля с гидромуфтой это совершенно обязательно.

Большая часть автомобильных гидромуфт сконструирована из расчета скольжения в 2—3% при передаче полной мощности двигателя. Для данного момента скольжение изменяется обратно пропорционально квадрату скорости вращения; поэтому, если данная гидромуфта имеет 2% скольжения при полной мощности двигателя, скольжение при этом же моменте, но при половинной скорости, было бы равно 8%. Поскольку при скорости, равной половине той, при которой двигатель развивает полную мощность, обычно развивается момент примерно на 25% больший, то максимальное скольжение будет порядка 10%- Этот режим, не является обычным для двигателей легковых автомобилей.

Формула момента с учетом скольжения. Учитывая, что при скольжении в пределах примерно до 10% момент изменяется прямо пропорционально скольжению, а также количеству жидкости, участвующей ib циркуляции, и разности квадратов средних радиусов входящего и выходящего из колеса турбины штоков, можно написать следующее уравнение величины передаваемого момента:

ляет собой рекомендацию одного из предприятий, выпускающих гидромуфты, по выбору размера гидромуфты для двигателей грузовых автомобилей. Выбранная гидромуфта должна иметь скольжение 2,3% при работе двигателя с полностью открытой дроссельной заслонкой и скорости вращения, ограниченной регулятором. С уменьшением скорости вращения’ скольжение при полном открытии дроссельной заслонки увеличивается до тех пор, пока при скорости вращения, соответствующей 40% скорости вращения по регулятору, оно не достигнет 100% (точка остановки). График показывает, что скольжение происходит не только удет.

Может показаться странным, что согласно этому уравнению крутящий момент изменяется прямо пропорционалыно скорости насоса п, тогда как согласно уравнению, приведенному на стр. 73, он изменяется пропорционально п2. Объясняется это тем, что. в первом уравнении имеется дополнительный фактор а—число циклов жидкости, проходящей через тор в секунду, которое при заданном скольжении прямо пропорционально п.

Для гидромуфты существенны три следующих фактора:
1) величина скольжения при передаче максимальной мощности двигателя;
2) величина момента при остановленной турбине на скорости вращения, которой достигает двигатель при полном открытии дроссельной заслонки;
3) значение низшей скорости вращения, при которой может быть передан крутящий момент двигателя.

Первый из этих факторов определяет к. п. д. гидромуфты, а по двум другим можно судить о ее склонности передавать крутящий момент на холостом ходу двигателя.

Характеристика автомобильных гидромуфт. Один из методов графического представления характеристики гидромуфты, передающей мощность автомобильного двигателя, показан на рис. 3.

Рис. 3. Кривые зависимости крутящего момента от скорости вращения коленчатого вала двигателя при различном скольжении:
1 — скольжение гидромуфты; 2 — крутящий момент двигателя.

Современная американская конструкция гидромуфты. В Европе большинство гидромуфт применяется вместе с планетарными коробками передач, которые имеют фрикционные элементы, и поэтому не требуют отдельного фрикционного сцепления. В США гидромуфты используются главным образом с обычными коробками передач, шестерни которых включаются посредством зубчатых муфт. В этом случае необходимо обычное фрикционное сцепление, которое может быть размещено в одном картере с гидромуфтой. На рис. 4 приведена гидромуфта, установленная вместе с фрикционным сцеплением на легковом автомобиле Крайслер.

Колесо насоса сделано из двух кольцевых штампованных деталей, сваренных вместе по окружности. В ступице колеса, привернутой болтами к фланцу коленчатого вала, установлен шариковый подшипник. На этот подшипник опирается полая ступица турбины; внутри ее проходит ведущий вал коробки передач, который вращается в двух игольчатых подшипниках. Колесо турбины представляет собой также кольцевую штампованную деталь, которая приклепана к фланцу ступицы. Выступающая часть фланца образует порог, расположенный по оси тора. Вместо изображенного на рис. 42 радиального порога в настоящее время применяется порог, расположенный иначе с целью уменьшения сопротивления потоку жидкости. Колесо насоса имеет 48 лопаток, а турбины — 44. Передний конец ступицы турбины закрыт заглушкой. Уплотнение гидромуфты осуществляется двумя уплотнительными шайбами. Одна из них напрессована на ступицу колеса турбины, а другая соединена посредством сильфона (металлическая гармоника), с гайкой, завернутой в центральное отверстие кожуха насоса. Обе уплотнительные шайбы прижимаются друг к другу пружиной.

Рис. 4. Гидромуфта автомобиля «Крайслер» с фрикционным сцеплением.

Влияние резервуара. Одним из принципиальных различий между гидромуфтами, изображенными на рис. 1 и 4, является наличие

В последней сравнительно большего резервуара снаружи тора. На высоких скоростях вращения, когда жидкость перемещается к периферии гидромуфты под действием центробежной силы, тор заполняется целиком и гидромуфта может передавать максимальный момент, но при малых оборотах. Значительное количество жидкости находится снаружи тора в резервуаре, который постепенно сужается от оси к периферии тора. Главное назначение резервуара— уменьшить тягу, создаваемую муфтой при холостом ходе двигателя, посредством частичного опорожнения тора. Автоматическое возвращение жидкости внутрь тора с возрастанием скорости вращения обеспечивает малое скольжение и относительно высокий к. п. д. гидромуфты на рабочих скоростях вращения. При наличии резервуара степень заполнения муфты может быть сделана значительно меньшей, чем без резервуара. При этом уменьшается возрастание давления в гидромуфте из-за нагрева жидкости при работе. Кроме того, резервуар позволяет отделить воздух от жидкости и собрать воздух в центре гидромуфты, что дает лучшее наполнение тора жидкостью, уменьшая скольжение для данных условий работы.

Ранее было указано, что диаметр гидромуфт обычного типа должен быть ограничен, чтобы уменьшить передачу момента на холостом ходу двигателя. Сравнительные испытания показали, что средний рабочий к. п. д. гидромуфты с резервуаром значительно выше, чем гидромуфты обычного типа несколько меньшего диаметра с одинаковым останавливающим моментом. К. п. д. гидромуфты с резервуаром также выше, чем к. п. д. обычной гидромуфты меньшего размера, наполненной жидкостью только До такой степени, чтобы дать одинаковый останавливающий момент.

Порог, уменьшающий передачу момента гидромуфтой на холостом ходу двигателя. Другой способ уменьшения склонности к пере-Даче момента на холостом ходу двигателя заключается в применении порога в виде диска, прикрепленного к колесу насоса или турбины на внутренней окружности тора и частично преграждающего путь потоку. При нормальных рабочих скоростях жидкость переносится центробежной силой к периферии гидромуфты, и в этих условиях порог существенно не препятствует циркуляции. В условиях же пуска и холостого хода двигателя скорость вращения колеса турбины низка, а скорость циркуляции жидкости сравнительно высока, и поэтому поток жидкости, обтекающий вокруг стенки тора, сильно тормозится порогом. Когда скорость колеса турбины увеличивается, центробежная сила, вызываемая вращением колеса турбины, также возрастает, а скорость циркуляционного движения уменьшается и влияние порога постепенно ослабевает.

Рис. 5. Гидромуфта с порогом, уменьшающим ведение на холостом ходу двигателя.

Порог служит для тех же целей, что и резервуар. Он имеет преимущество над резервуаром в установках, у которых необходимо ограничивать длину, и в таких случаях порог иногда применяется в комбинации с небольшим .резервуаром. Он также дает преимущества, когда гидромуфта установлена вместе с планетарной коробкой передач, так как при этом уменьшается удар при быстром переключении с высшей на низшую передачу. В коробке передач Вильсона переключения передач могут быть осуществлены очень быстро, и при переключении с высшей передачи на вторую скорость колеса турбины может быть уменьшена почти мгновенно, например с 3000 об/мин до половины этого значения. Разница в скоростях вращения насоса и турбины после переключения в сочетании с высокой скоростью насоса создает в трансмиссии очень большой момент, который вызывает высокое ускорение автомобиля и толчок, ощущаемый пассажирами. Это показывает, что мягкость действия гидромуфты определяется значением нижнего предела скорости насоса. При этих условиях большая разница между скоростями насоса и турбины обусловливает распределение жидкости по стенкам тора, и тогда порог существенно препятствует циркуляции, делая привод более мягким.

Для гидромуфт различных типов, рассчитанных на определенную величину скольжения при полной мощности, момент при остановленной турбине, выраженный через момент полной мощности, будет наибольшим для гидромуфты обычного типа, несколько меньшим для гидромуфты с резервуаром и еще меньшим для гидромуфты с порогом и резервуаром. Например, если все гидромуфты, сконструированы с расчетом на скольжение 2,5% при полной мощности двигателя, то для первого типа момент при остановленной турбине на скорости, соответствующей наибольшей мощности двигателя, будет в 19 раз больше момента полной мощности, для современной гидромуфты с резервуаром — в 11 раз и для гидромуфты с резервуаром и порогом — менее чем в 6 раз.

Гидромуфты с двойным кругом циркуляции. Гидромуфты с двумя кругами циркуляции, в которых жидкость перемещается в противоположных направлениях, выпускаются фирмой Твин-Диск Клач главным образом для промышленных целей. Вид в разрезе одной из таких гидромуфт показан на рис. 44. Несмотря на то, что гидромуфты с двойным кругом циркуляции, несомненно, более дороги в производстве, они имеют два преимущества. Одно из них заключается в том, что для передачи заданного крутящего момента наружный диаметр гидромуфты может быть на 13% меньше и гидромуфта поэтому будет компактной. Второе преимущество состоит в том, что осевое давление как в насосе, так и в турбине уравновешивается и не дает нагрузки на подшипники. В гидромуфтах центробежная сила отбрасывает жидкость к периферии тора

ПОД большим давлением, и хотя сила, создающая давление, имеет радиальное направление, давление также передается на стенки торов насоса и турбины. Насколько велико осевое давление, можно уяснить из того факта, что в гидромуфтах с наружным радиусом гора 153 мм при скорости вращения 3000 об/мин центробежная сила 1 кг жидкости около периферии превышает 1500 кг. В гидромуфтах с одним кругом циркуляции осевое давление воспринимается упорным (подшипником или шариковым подшипником с глубокой канавкой, показанным на рис. 42. В гидромуфтах с двойным кругом циркуляции силы давления жидкости на насос и турбину в каждом круге циркуляции имеют противоположные направления, а следовательно, они взаимно уравновешиваются.

Гидромуфта с двойным кругом циркуляции,показанная на рис. 44, сконструирована так, что крепление к маховику двигателя осуществляется при по мощи болтов, а две шпильки облегчают сборку агрегата. Вал турбины центрирован по насосному колесу. Необходимо обратить внимание на лопатки с наружной стороны колеса насоса, предназначенные для охлаждения гидромуфты.

Гидромуфта как средство изменения скорости. Ввиду то го что потери внутри гидромуфты прямо пропорциональны скольжению, не имеет смысла применять ее в качестве редуктора в том случае, когда крутящий момент не изменяется существенно с изменением скорости. Но в приводах вентиляторов, нагнетателей, центробежных насосов и т. п., где крутящий момент изменяется пропорционально квадрату, а потребляемая мощность — кубу числа оборотов, снижение к. п. д. при большом скольжении не имеет большого значения и нужные пределы плавного (бесступенчатого) изменения скорости в этом случае достигаются посредством гидромуфты. Изменение передаточного отношения привода осуществляется изменением количества жидкости в гидромуфте при помощи насоса. Возьмем такой случай, когда гидромуфта рассчитана на скольжение, равное 2,5% при полной нагрузке. При половинной скорости скольжение будет больше в 4 раза, т. е. будет равно 10%. Но при такой скорости вентилятор или подобное ему устройство будет расходовать лишь 1/8 полной мощности, и, таким образом, потери составят 10% переданной мощности, что соответствует лишь 1,25% полной мощности или, точнее, 1/2 потерь при полной нагрузке.

Рис. 6. Гидромуфта с двойным кругом циркуляции.

Такого рода гидромуфты, изменяющие скорость вращения, используются, например, как средство изменения нагрузки в динамометрических стендах с поглощающими вентиляторами

Рис. 7. Колеса насоса и турбины гидромуфты “Крайслер”