Гидродинамическая муфта

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 09) О 1) В 5 . Е 16 Р ЗЗ/О РЕТЕНИЯ ПИСАНИ осе дствами егпричем посл ным валом вого пере связаны с дниеоз- утого щения,асосным оле вания упом егулизора можностью рабочего з бинным кол элементы у лесе по ег жду насосным уплотнительны на насосн му и внутрен ые сами,.тановл м коему внеш диаметрам.2. Муфт щ п одв одящих лов с атмо лость, обр поверхност нут. ренними по ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Всесоюзный ордена Ленина научноисследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения.(56) 1, Гавриленко Б.А., Минин В.А,Гидродннамические муфты. М., Оборонгиз, 1959.2. Авторское свидетельство СССРР 804931, кл. Р 16 Р 33/08, 1979 .(прототип).(54)(57) 1. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МУФТА,содержащая входной и выходной валы, заполненный рабочей жидкостью и жестко соединенный с входным валом корпус, турбинное колесо, жестко соединенное своей центральной осевой частью с выходным валом, насосное колесо, установленное относительнотурбинного с зазором между рабочими поверхностями, средства осевого перемещения и уплотнительные элементы, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что,с целью расширения диапазона ее регулирования и повьппения быстродействия,она снабжена жестко соединеннымс корпусом кожухом и впускным и выпускным предохранительными клапанамипо оси входного вала выполнены связанные с атмосферой воздухоподводящие и воздухоотводящие каналы и вних установлены упомянутые предохранительные клапаны, а насосное колесо установлено на выходном валу внутри .кожуха с возможностью угловогоперемещения и жестко связано с входпо п.1, отличаюем, что связь воздухои воздухоотводящих кана ферой выполнена через п зованную нерабочими ми насосного колеса и в ерхностями кожуха.Изобретение относится к машинотроению, в частности к произ-,водству гидродинамических передач,и может быть использовано при приме-нении гидродинамических муфт (ГДМ)для привода различных машин и механизмов,Известны ГДМ, регулирование внешних характеристик которых достигаетсяпри помощи изменения заполнения жидкостью рабочей полости или может бытьосуществлено за счет изменения осевого расстояния между торцами рабочих колес 1.Возможно применение регулируемых ГДМ с черпательными трубками,которые, однако, при относительномудобстве изменения заполнения рабочей полости имеют существенные недос. татки. 20Один из них заключается в том,что изменение заполнения рабочей по"лости в них является инерционнымпроцессом. По этой причине такиеГДМ в приводе машин, когда требуется относительно быстрое (например,до 0,5-1 с) изменение частоты вращения выходного вала ее или передаваемого момента, не могут быть применены. Кроме того, при работе черпательной трубкой требуются определенные, иногда значительные, затратыэнергии. Из-за этого КПД гидромуфтыи экономичность установки в целомснижаются. Сам факт влияния осевогозазора, т,е. расстояния между торцами рабочих колес А, на внешние характеристики известен. Однако этоотносится только к регулируемым ГДМс полным заполнением их рабочих полостей жидкостью. В таких муфтах при 40изменении параметра А одновременноизменяется количество жидкости, нахо-.дящейся в ГДМ и участвующей в процессе передачи энергии от насосногоколеса к турбинному. Так, при увеличении параметра А одновременно увеличивается количество жидкости врабочей полости: Поэтому регулирование внешних характеристик ГДМ, представляющих собой зависимость крутя"щего момента М от частоты вращениявыходного вала О 1., таким методом недает должного эффекта. Для получениязависимости М= 1(О 2) в широком диапазоне требуются значительные изменения параметра А между рабочими колесами, поэтому такой принцип регулирования характеристик практически трудно реализовать, а при увеличении параметра я увеличиваются маховые массы ГДМ за счет увеличения ее зйполнения, что ведет к увеличению времени переходных процессов привода.Йаиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигае- мому эффекту является гидромуфта, содержащая насосное колесо и жестко соединенный с ним входной вал и корпус, в котором расположено турбинное колесо, жестко посаженное на выходном валу. Изменение заполнения рабочей полости в данной ГДМ происходит при помощи перемещения вдоль оси ее вращения перегородки, которая установлена в корпусе. Уплотненная по внешней и наружной поверхностям перегородка образует с турбинным колесомдополнительную полость переменногообьема, а с насосным колесом - герметично замкнутую внутреннюю полость. Дополнительная и рабочая полости соединены между собой при помощи, каналов, выполненных в турбинном колесе 2 .Однако известная конструкция обладает малым быстродействием, так как скорость изменения заполнениярабочей полости зависит от секундного расхода .-Ц через указанные выше каналы в турбинном колесе. В свою очередь параметр Я является функцией площади проходного сечения каналов Г и перепада давления Ь Р между рабочей и дополнительной полостями. Параметр Г для конкретной ГДМ имеет вполне определенные конечные размеры, а Ь Р, величина.переменная, зависимая от временипереходного процесса изменения заполнения рабочей полости. Следовательно изменение заполнения рабочей полости является процессом,зависящим от величины параметров Р и а Р , т.е. в самом принципе действия конструкции заложенаинерционность регулирования характеристик такой ГДМ,Недостаток известной конструкции состоит в том, что ее быстродействие при заполнении и опоражнивании различен и зависит от режима баботы муфты, аименно от еескольжения, так как динамический напор жидкости 6 и на уровне каналов в турбинном колесе при опоражнивании рабочей полости,цействует в сторону увеличенияобщей величины параметра б Р, а при заполнении - в сторону его уменьшения. С другой стороны, с увеличением скольжения увеличивается величина Ь Ц ., вызывающая увеличение об щего значения параметра ЬР.Кроме того, диапазон изменения заполнения рабочей полости является ограниченным. Внутренние полости известной конструкции представляют со бой герметически замкнутый объем, топ да с изменением положения перегород= ки указанный объем также изменяется, ,что приводит к изменению давления в нем. Например, при увеличении заполнениярабочей полости от 50 до 87,5-902 давление в ней возрастает от 1 до 10 кгс/см,. Так как в данной ГДМ нет средств, ограничивающих давление внутри нее, то при этом встает проблема, обеспечивания работоспособности уплотнительных элементов ГДМ и восприятия осевых усилий, действующих на подвижную перегородку. В свою очередь появле ние значительных усилий на подвижной перегородке приводит к снижению быстродействия ГДМ. Учитывая, что применяемые в настоящее время для уплотнения вращающихся валов резиновые ар-З 0 мированцые манжеты (ГОСТ 8752-70) рекомендуется эксплуатировать прй давг ленин уплотняемой среды до 1,5 кгс/см перемещать перегородку следует в малых пределах. Например, для того,35 чтобы давление внутри ГДМ возросло до 1,5-2 кгс/см, объем внутренних2ее полостей должен уменьшиться только на 7-7,57.Кроме того, в известную конструк"цию введен дополнительный элемент в ви. де подвижной перегородки, который выполняя лишь вспомогательную функцию, усложняет конструкцию.Целью изобретения является рас ширение диапазона регулирования внешних характеристик гидромуфты и повышения ее быстродействия.Поставленная цель достигается тем, что ГДМ, содержащая входной 50 и выходной валы, заполненный рабочейжидкостью и жестко соединенный с входным валам корпус, турбинное колесо, жестко соединенное своей центральной осевой частью с выходным ва. 55 лом, насосное колесо, установленное относительно турбинного с зазором между рабочими поверхностями, средства осевого перемещения и уплотнительные элементы, снабжена жестко соединенным с корпусом кожухом и впускным и выпускным предохранительными клапанами, по оси входцого вала выполнены связанные с атмосферой воздухоподводящие и воздухоотводящие каналы и в них установлены упомянутые предохранительные клапаны, а насосное колесо установлено на выходцом валу внутри кожуха с воэможностью углового перемещения и жестко связано с входным валом и со средствами его осевого перемещения, причем последние связаны с цасосцым колесом с возможностью регулирования упомянутого рабочего зазора, между насосным и турбинным колесами, а уплотнительцые элементы установлены ца насосном колесе по его внешнему и внутреннему диаметрам.Кроме того, связь воздухоподводящих и-воздухоотводящихканалов с атмосферой выполненачерез полость, образованную цсрабочими поверхностями цасосцогоколеса и внутренними поверхцостями кожуха,Технический эффект изобретенияобеспечивается тем, что конструктивно насосное колесо относительно тур.бинного выполнено подвижным вдольоси вращения ГДМ и уплотнено по наружной поверхности, подвижцой в осевом направлении относительно кожухаи внутренней поверхности, подвижнойв осевом направлении относительновращающегося вала турбинного колеса,При таком конструктивном исполнении насосное и турбинное колеса образуют рабочую полость изменяемогорегулируемого меридианального сечения и объема. При изменении взаимного расстояния между рабочими колесами А одновременно происходит изменение относительного заполнения рабочей полости. Причем эффективность предложенной конструкции заключается в том, что оба параметраЧ и А влияют на внешнюю характеристику ГДМ в одном направлении,усиливая действие друг друга, Следовательно, в предлагаемой конструкциивоплощены в единое целое два совершенно разных способа регулированияхарактеристик ГДМ: способом изменения относительного заполнения рабочей полости и раздвижением рабочихколес вдоль оси вращения муфты. Таким образом, подвижное насосное колесо выполняет функции подвижной перегородки и, кроме того, изменяет рабочую полость в меридиаль ном сечении.Изменение относительного заполнения рабочей полости происходит одно" временно с изменением параметра А. Так как весь процесс происходит не посредственно в самой рабочей полости, то быстродействие ее зависит толь ко от скорости осевого перемещения насосного колеса.Кроме того, быстродействие ее не 15 зависит от направления перемещения насосного колеса, Оно одинаково как при увеличении, так и при уменьшении параметра.Внутренние полости в предлагае мой ГДМ представляют собой герметически замкнутый объем, от изменения величины которого зависит давление в нем. Поэтому для ограничения давления в полости ГДМ конструкция снабже на предохранительными средствами. Ограничительные средства выполнены ввиде предохранительных или обратных и наполнительных клапанов. Причем, они размещены в каналах, выполнен ных в выходном или входном валах. Указанные каналы соециняют центральную область заключенного между корпусом и насосным колесом объема с атмосферой. В частично заполненной ГДМ при ее работе жидкость, имеющая большую плотность, чем воздух, под действием центробежных сил .отбрасывается от оси вращения к периферии, Тогда в центральнойобласти работающей ГДМ находится только газообразная (воздушная) среда. Поэтому при увеличении давления внутри ГДМ до величины срабатывания предохранительных клапанов стравливание избыточного давления происходит за счет удаления воздушной (газовой) среды, а не за счет рабочей жидкости.При уменьшении давления внутри ГДМ, вызванном увеличением объема ее внутренних полостей, до величины срабатывания наполнительных клапанов воздух из атмосферы поступает в центральную область указанных полостей. Настройка величины давления, при котором срабатывают наполнительные клапаны, определяется из усло" вий бескавитационной работы лопастной системы, в первую очередь, на выходе потока в насосное колесо. Благодаря тому, что наполнительные клапаны установлены в каналах входного или выходного валов, можно создать надеж. ный запас по бескавитационной работе насосного колеса.Следовательно, в предложенной конструкции ГДМ даже при больших перемещениях насосного колеса исключено негативное влияние изменения объема внутренних герметичных полостей на из менение давления в них,На фиг.1 изображена ГДМ при минимальном осевом расстоянии между насос. ным и турбинным колесами А; на фиг.2 - ГДМ при расстоянии между рабочими колесами А 2, большем чем А.На фиг.1 и 2 изображены насосные 1 и турбинные 2 колеса.Корпус 3 и кожух 4 жестко соединены с входным валом и вместе с насос ным колесом образуют входное звено ГДМ. Турбинное колесо жестко посажено на валу 5 и вместе с ним образу ет выходное звено муфты. Выходное звено относительно входного центрируется при помощи подшипников б и 7.Насосное колесо установлено в кожухе на шпоночном соединении 8. Для перемешения насосного колеса вдоль оси вращения ГДМ служат штоки 9. На наружной поверхности насосного колеса,подвижной в осевом направлении относительно кожуха, установлено уплотинетльное колесо 10. Внутренняяповерхность насосиого колеса, которая подвижна относительно вала 5 как в окружном, так и в осевом направлениях, уплотнена при помощи резиновой армированной манжеты 11.В валу 5 выполнены каналы, в которых установлены предохранительные 12 и наполнительные 13 клапаны. Указанные каналы соединяют центральную область полости В, расположенной между торцами вала 5 и корпуса 3 с атмосферой. В этом случае имеется свободный доступ воздуха к внешней поверхности насосного колеса (фиг.2) Шпоночное соединение 8, в качестве которого может быть также применено шлицевое соединение, позволяет насосному колесу свободно перемещаться Относительно кожуха в ОсевОмнапралеиии под действием силы, вызванным не показанным на чертеже устройством. В то же время такое соеди1120120 8ние давления внутри ГДИ происходит только за счет удаления избыточного кение обеспечивает передачу момента от кожуха к насосному колесу.Сущность изобретения не изменится, если полость В соединить указан" ными каналами с полостью Б, образованной внешней и внутренней поверхностями соответственно насосного колеса и кожуха. В этом случае полость Б соединяется с атмосферой при помощи каналов 14, выполненных в кожухе,ГДИ работает следующим образом.При включении муфты крутящий момент передается от насосного колеса 1 к турбинному колесу 2 за счет гидродинамйческого взаимодействия 15 находящейся внутри корпуса 3 рабочей жидкости и лопаток упомянутых колес. При этом при постоянном количестве жидкости в ГДМ относительное заполнение ее рабочей полости 20 зависит только от объема внутренних полостей.Пусть требуется получить для данной конструкции самую жесткую характеристику М =Цп. Для этого 25 при работающей муфте с помощью штоков 9 перемещают насосное колесо из промежуточного положения так,что осевое расстояние между рабочими колесами получается минимальным. Тогда 30 образуется рабочая полость с максимальным относитеьным ее заполнением. Траектория движения частиц в меридиональном сечении муфтытакой рабочей полости показана на фиг.1.При определенном режиме работы ГДМ внутренние потери на трение в ней будут минимальными при минимальной длине траектории частиц. Следо-40 вательно, за счет одновременного увеличенияи уменьшения Л получают необходимую характеристику,При уменьшении объема внутренних45 полосей увеличивается давление в них, При достижении величины давления, на которую отрегулированы предохранительные клапаны 12, воздух из центральной области внутренних полостей муфты стравливается в атмосферу непосредственнс либо в полость Б, соединенную каналами 14 с атмосферой.Стравливание воздуха из ГДМ происходит до тех пор пока происходит уменьшение объема и цавление внутри замкнутых полостей вьпле той величины, на которую отрегулированы предохранительные клапаны. При этом выравнивавоздуха.Для получения менее жесткой характеристики ГДМ при помощи штоков 9 перемещают насосное колесо на большее расстояние, например на А 2 (фиг.2). При новом взаимном. положении рабочих колес объем внутренних полостей увеличивается, что приводит к уменьшению параметра. Одновременно с этим изменяется рабочая полость в меридиональном сечении. Образуется новый круг циркуляции, в которомчастицы жидкости движутся по новымтраекториям, длина которыхбольшечем .2 . При этом возрастают внутренние потери на трение жидкости, что приводит к увеличению скольжения муфты. При работе. муфты при том жескольжении, которое она имеет применьшем осевом расстоянии А, ГДМпередает пониженный момент толькоза счет возросших внутренних потерьна трение,Таким образом, увеличение параметра А .приводит к Образованию новойрабочей полости с уменьшенным относительным ее заполнением, что позволяет получить менее жесткую характеристику. При увеличении объема внут.ренних полостей давление в них уменьшается, так как полости герметичнозамкнуты. Для предотвращения снижения давления до величины давления насыщенных паров, при котором возникает явление кавитации, в данной конструкции установх.".н наполнитечьныйклапан 13. При срабатывании клапанавоздух из атмосферы поступает вовнутрь ГДМ, Его поступление проислодРГ до того момента пока происходит увеличение объема внутренних полостей, и давление в них нижевеличины, на которую отрегулированнаполнительный клапан.При остановленной ГДМ каналы ввыходном или входном валах перекрытыклапанами 12 и 13, внутренняя ееполость герметично закрыта,Прияципиально сущность. изобретения не изменится, если рабочие колеса 1(фиг,1 и 2) изменят свои энергетические функции. Например, если турбинное колесо 2 соединить через вал 5 с двигателем, то оно будет выполнятьФфункции насосного колеса. Тогда насосное колесо 1, соединенное через кожух 4 и корпус 3 с исполнительным механизмом, будет выполнять функциитурбинного колеса,Изобретение мажет быть реализовано в приводе волочильных станов,в приводе моталок к упомянутым станам, а также в погрузочно-транспортирующих устройствах листопрокатных станов. Современные станы и моталки к ним представляют собой высокоскоростные машины, для привода которых требуются быстродействующие передачи, которые одновременно позво ляют регулировать скорость вращения исполнительного механизма, например.моталки в широком диапазоне.5 По сравнению с базовым объектомиспользование изобретения расширит диапазон регулирования внешних характеристик и повысит быстродействие муфты, что приведет к повышению произ водительности труда на 57 или к120 тыс. руб. экономического эффекта в народном хозяйстве.112 О 12 О Составитель В.РТехред С,Легеза нов Корректор М.Максиииши Редактор В,Иванов Тираж 912НИИПИ Государственного комитетао делам изобретений и. открытий13035, Москва, Ж, Раушская н О/26 Зак Подписное СССР л ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная