Гидродинамическая муфта

 

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 относительно турбинного с зазором между рабочими . поверхностями, средства осевого перемещения и уплотнительные элементы, отличающаяся тем, что. с целью расширения диапазона ее регулирования и повьш1ения быстродействия , она снабжена жестко соединенным с корпусом кожухом и впускным и выпускным предохранительными клапанами, по оси входного вала выполнены связанные с атмосферой воздухоподводящие и воздухоотводящие каналы и в них установлены упомянутые предохранительные клапаны, а насосное колесо установлено на выходном валу внутри кожуха с возможностью углового перемещения и жестко связано с входным валом и со средствами его осевого перемещения, причем последние связаны с насосным колесом с возможностью регулирования упомянутого (Л рабочего зазора между насосным и турбинным колесами,, а уплотнительные элементы установлены на насосном колесе по его внешнему и внутреннему диаметрам. 2. Муфта ПОП.1, отличающаяся тем, что связь воздухоподводящих и воздухоотводящих каналов с атмосферой выполнена через полость , образованную нерабочими поверхностями насосного колеса и внутю ренними поверхностями кожуха. о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

09) И1) )) - F 16 D ЗЗ/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTKPblTMA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3646428/25-27 (22) 28.09.83 (46) 23.10.84. Бюл. N- 39 (72) Н.И.Подлесных, С.M.Òîïàëåð, В.П.Шиманский, И.N.ÈàêååB è M.È.Ïðÿхин (71) Всесоюзный ордена Ленина научноисследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения. (53) 621-825(088.8) (56) 1. Гавриленко Б.А., Минин В.A.

Гидродннамические муфты. М., Оборонгиз, 1959.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 804931, кл. F 16 D 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 относительно турбинного с зазором между рабочими поверхностями, средства осевого перемещения и уплотнительные элементы, отличающаяся тем, что, с целью расширения диапазона ее регулирования и повьппения быстродействия,она снабжена жестко соединенным с корпусом кожухом и впускным и выпускным предохранич;ельными клапанами, по оси входного вала выполнены связанные с атмосферой воздухоподводящие и воздухоотводящие каналы и в них установлены упомянутые предохранительные клапаны, а насосное колесо установлено на выходном валу внутри .кожуха с возможностью углового перемещения и жестко связано с входным валом и со средствами его осевого перемещения, причем последние связаны с насосным колесом с возможностью регулирования упомянутого рабочего зазора между насосным и турбинным колесами,. а уплотнительные элементы установлены на насосном колесе по его внешнему и внутреннему диаметрам.

2. Муфта по п.1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что связь воздухоподводящих и воздухоотводящих каналов с атмосферой выполнена через полость, образованную нерабочими поверхностями насосного колеса и внутренними поверхностями кожуха.

1120120

Изобретение относится к машинотроению, в частности к прои 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 достигается при помощи изменения заполнения жидкостью рабочей полости или может быть осуществлено за счет изменения осевого расстояния между торцами рабочих колес (1).

Возможно применение регулируемых ГДМ с черпательными трубками, которые, однако, при относительном удобстве изменения заполнения рабочей полости имеют существенные недос. татки.

20 Один из них заключается в том, что изменение заполнения рабочей полости в них является инерционным процессом. По этой причине такие

ГДМ 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 определен ные, иногда значительные, затраты энергии. Из-за этого КПД гидромуфты и экономичность установки в целом снижаются. Сам факт влияния осевого зазора, т,е. расстояния между торцами рабочих колес А, на внешние характеристики известен. Однако это относится только к регулируемым ГДМ с полным заполнением их рабочих полостей жидкостью. В таких муфтах при 40 изменении параметра А одновременно изменяется количество жидкости, нахо-. дящейся в ГДМ и участвующей в процессе передачи энергии от насосного колеса к турбинному. Так, при увеличении параметра А одновременно увеличивается количество жидкости в рабочей полости: Поэтому регулирование внешних характеристик ГДМ, представляющих собой зависимость крутящего момента М от частоты вращения выходного вала И1., таким методом не дает должного эффекта. Для получения зависимости М= 1(И ) в широком диапазоне требуются значительные измене- 5 ния параметра А между рабочими коле. сами, поэтому такой принцип регулирования характеристик практически трудно реализовать, а при увеличении параметра 4 увеличиваются маховые массы ГДМ за счет увеличения ее заполнения, 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 колесом дополнительную полость переменного обьема, а с насосным колесом— герметично замкнутую внутреннюю полость. Дополнительная и рабочая полости соединены между собой при помощи, каналов, выполненных в турбинном колесе j2) .

Однако известная конструкция обладает малым быстродействием, так

I как скорость изменения заполнения рабочей полости зависит от секундного расхода --g через указанные выше каналы в турбинном колесе.

В свою очередь параметр Q является функцией площади проходного сечения каналов F и перепада давления

h P между рабочей и дополнительной полостями. Параметр F для конкретной ГДМ имеет вполне определенные конечные размеры, а h P . величина. переменная, зависимая от времени переходного процесса изменения заполнения рабочей полости. Следовательно„ изменение заполнения рабочей полости является процессом, зависящим от величины параметров и h Р, т.е. в самом принципе действия конструкции заложена инерционность регулирования характеристик такой ГДМ.

Недостаток известной конструкции состоит в том, что ее быстродействие при заполнении и опоражнивании различен и зависит от режима ваботы муфты, а именно от ее..скольжения, так как динамический напор жидкости

6 g на уровне каналов в турбинном колесе при опоражнивании рабочей полости,цействует в сторону увеличения

1120120 общей величины параметра a P, а при заполнении — в сторону его уменьшения. С другой стороны, с увеличением скольжения увеличивается величина

h Н ., вызывающая увеличение общего значения параметра 6Р.

Кроме того, диапазон изменения заполнения рабочей полости является ограниченным. Внутренние полости известной конструкции представляют со- >0 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 заполнения рабочей полости от 50 до 87,5-90Å давление в ней возрастает от 1 до 10 кгс/см,. Так как в данной ГДИ нет средств, ограничивающих давление внутри нее, то при этом встает проблема, обеспечивания работоспособности уплотнительных элементов ГДИ и восприятия осевых усилий, действующих на подвижную перегородку. В свою очередь появле- 25 ние значительных усилий на подвижной перегородке приводит к снижению быстродействия ГДИ. Учитывая, что применяемые в настоящее время для уплотнения вращающихся валов резиновые ар-ЗО мированные манжеты (ГОСТ 8752-70) рекомендуется эксплуатировать прй дав2. ленни 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 внутренних

2 ее полостей должен уменьшиться только на 7-7,57.

Кроме того, в известную конструк" „ цию введен дополнительный элемент в виде подвижной перегородки, который выполняя лишь вспомогательную функцию, усложняет конструкцию.

Целью изобретения является рас- 45 ширение диапазона регулирования внешних характеристик гидромуфты и повышения ее быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что ГДМ, содержащая входной 50 и выходной валы, заполненный рабочей жидкостью 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 входного вала выполнены связанные с атмосферой воздухоподводящие и воздухоотводящие каналы и в них установлены упомянутые предохранительные клапаны, а насосное колесо установлено на выходном валу внутри кожуха с воэможностью углового перемещения и жестко связано с входным валом и со средствами

его осевого перемещения, причем последние связаны с насосным колесом с возможностью регулирования упомянутого рабочего зазора, между насос ным и турбинным колесами, а уплотнительные элементы установлены на насосном колесе по его внешнему и внутреннему диаметрам.

Кроме того, связь воздухоподводящих и-воздухоотводящих каналов с атмосферой выполнена через полость, образованную нерабочими поверхностями насосного колеса и внутренними поверхностями кожуха.

Технический эффект изобретения обеспечивается тем, что конструктивно насосное колесо относительно тур.бинного выполнено подвижным вдоль оси вращения ГДИ и уплотнено по наружной поверхности, подвижной в осевом направлении относительно кожуха и внутренней поверхности, подвижной в осевом направлении относительно вращающегося вала турбинного колеса.

При таком конструктивном исполнении насосное и турбинное колеса образуют рабочую полость изменяемого регулируемого меридианального сечения и объема. При изменении взаимного расстояния между рабочими колесами А одновременно происходит из менение относительного заполнения рабочей полости g . Причем эффективность предложенной конструкции заключается в том, что оба параметра и А влияют на внешнюю характеристику ГДМ в одном направлении, усиливая действие друг друга. Следовательно, в предлагаемой конструкции воплощены в единое целое два совершенно разных способа регулирования характеристик ГДМ: способом изменения относительного заполнения рабочей полости и раздвижением рабочих

1120120 колес вдоль оси вращения муфты.

Таким образом, подвижное насосное колесо выполняет функции подвижной перегородки и, кроме того, изменяет рабочую полость в меридиаль- 5 ком сечении.

Изменение относительного заполнения рабочей полости происходит одновременно с изменением параметра А.

Так как весь процесс происходит непосредственно в самой рабочей полости, то быстродействие ее зависит толь. ко от скорости осевого перемещения насосного колеса.

Кроме того, быстродействие ее не зависит от направления перемещения насосного колеса. Оно одинаково как при увеличении, так и при уменьшении параметра .Внутренние полости в предлагае- 2О мой ГДМ представляют собой герметически замкнутый объем, от изменения величины которого зависит давление в нем. Поэтому для ограничения давления в полости ГДМ конструкция снабже- 5 на предохранительными средствами. Ограничительные средства выполнены в

\ виде предохранительных или обратных и наполнительных клапанов. Причем, они размещены в каналах, выполнен- 30 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 центральной области работающей ГДМ находится только газообразная (воздушная) среда. Поэтому при увеличении давления внутри ГДМ ,qo 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 условий 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 надежный 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 насосным и турбинным колесами А„; на фиг.2 — ГДМ при расстоянии между рабочими колесами А2, оольшем 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. Внутренняя поверхность 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 поименено шлицевое соединение, позволяет насосному колесу свободно перемещаться относительно кожуха в осевом напралеиии год действием силы, вызванным не показанным на чертеже устройством. В то же время такое соеди1120120 8 ние 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 указанными каналами с полостью Б, образован-5 ной внешней и внутренней поверхностями соответственно насосного колеса и кожуха. 8 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 коли1 честве жидкости в ГЯ4 относитель1 ное заполнение ее рабочей полости 20 зависит только от объема внутренних полостей.

Пусть требуется получить для данной конструкции самую жесткую характеристику И =f(n>). Для этого при работающей муфте с помощью штоков 9 перемещают насосное колесо из промежуточного голожения так, что осевое расстояние между рабочими колесами получается минимальным. Тогда 30 образуется рабочая полость с максимальным относительным ее заполнением. Траектория движения частиц

s меридиональном сечении муфты такой рабочей полости показана на фиг.1.

При определенном режиме работы

ГДИ внутренние потери на трение в ней будут минимальными при минимальной длине траектории частиц. Следо-, 40 вательно, за счет одновременного увеличения о и уменьшения A получают необходимую характеристику.

При уменьшении объема внутренних

45 полос ей увеличивается давление в них. При достижении величины давления, на которую отрегулированы предохранительные клапаны 12, воздух из центральной области внутренних полостей муфты стравливается в атмосферу непосредственно, либо в полость Б, соединенную каналами 14 с атмосферой.

Стравливание воздуха из ГДИ происходит до тех пор„ пока происходит уменьшение объема„ и давление внутри замкнутых полостей вьпле той величины, на которую отрегулированы предохранительные клапаны. При этом выравнивавоздуха.

Для получения менее жесткой характеристики ГДИ при помощи штоков 9 перемещают насосное колесо на большее расстояние, например на А2 (фиг.2).

При новом взаимном. положении рабочих колес объем внутренних полостей увеличивается, что приводит к уменьшению параметра б . Одновременно с этим изменяется рабочая полость в меридиональном сечении. Образуется новый круг циркуляции, в котором частицы жидкости движутся по новым траекториям, длина которых, больше чем L . При этом возрастают внутренние потери на трение жидкости, что приводит к увеличению скольжения муфты. При работе муфты при том же скольжении, которое она имеет при меньшем осевом расстоянии А, ГДМ передает пониженный момент только за счет BospoclltHx внутренних потерь на трение.

Таким образом, увеличение параметра А .приводит к образованию новой рабочей 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 герметично замкнуты. Для предотвращения снижения давления до величины давления насьпценных паров, при котором возникает явление кавитации, в данной конструкции установх.".н наполнитечьный клапан 13. При срабатывании клапана воздух из атмосферы поступает во внутрь ГДМ. Его поступление происходит до того момента, пока происходит увеличение объема внутренних полостей, и давление в них ниже величины, на которую отрегулирован наполнительный клапан.

При остановленной ГДИ каналы в выходном или входном валах перекрыты клапанами 12 и 13, внутренняя ее полость герметично закрыта.

Принципиально 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 выполнять функции насосного колеса. Тогда насосное колесо 1, соединенное через ко1120120!

О жух 4 и корпус 3 с исполнительным механизмом, будет выполнять функции турбинного колеса. .Изобретение мажет быть реализовано в приводе волочильных станов, в приводе моталок к упомянутым станам, а также в погрузочно-транспортирующих устройствах листопракатных 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.

По сравнению с базовым объектом использование изобретения расширит диапазон регулирования внешних характеристик и повысит быстродействие муфты, что приведет к повышению произ10 водительности труда на 57 или к

120 тыс. руб. экономического эффекта в народном хозяйстве.

1120120

Составитель В.Розанов

Техред С,Легеза

Корректор М.Максииишинец

Редактор В.Иванова

Тираж 912

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и. открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 7720/26

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4