Fluid coupling

کوپلینگ مایع

کوپلینگ سیالی یا کوپلینگ هیدرولیک، یک دستگاه هیدرودینامیکی است که برای انتقال قدرت مکانیکی چرخش مورد استفاده قرار می گیرد و در گیربکس خودرو، به عنوان یک جایگزین برای کلاچ مکانیکی بکار می رود. همچنین، کاربردهای گسترده ای در راه اندازی ماشین آلات دریایی و صنعتی دارد، جایی که در آن ضروری است که انجام عملیات با سرعت متغیر و راه اندازی کنترل شده، بدون ایجاد شوک soft starter در بارگذاری سیستم انتقال قدرت انجام شود.

مرور کلی

یک کوپلینگ سیالی متشکل از سه مولفه است، به اضافه سیال هیدرولیک:

• بخشها یا خانه های آن که با عنوان بدنه ساختمان نیز شناخته می شوند (که باید در اطراف شفت های درایو، دارای مهر و موم روغنی غیر قابل نفوذ باشند) و شامل سیال و توربین نیز می باشد.
• دو توربین (فن مانند اجزاء):
• که یکی به شفت ورودی متصل است؛ و با عنوان پمپ یا پروانه، چرخ اولیه و یا توربین ورودی، شناخته می شود؛
• دیگری به شفت خروجی متصل است، که به عنوان توربین، توربین خروجی، چرخ ثانویه و یا رانر شناخته می شود.

توربین درایوینگ که به عنوان یک “پمپ” شناخته می شود، توسط محرک اولیه که معمولا یک موتور احتراق داخلی و یا موتور الکتریکی است، بچرخش در می آید. حرکت پروانه، هر دو حرکت خطی به سمت بیرون و حرکت چرخشی را به مایع انتقال می دهد.

سیال هیدرولیک توسط پمپ هدایت می شود که شکل آن، سیال را مجبور به حرکت در جهت توربین خروجی می کند. در اینجا، هر گونه تفاوت در سرعت زاویه ای مرحله ورودی و مرحله خروجی، بصورت یک نیروی خالص بر توربین خروجی اعمال می شود که باعث ایجاد گشتاور می شود، در نتیجه، باعث چرخش آن در همان جهت چرخش پمپ خواهد شد.

حرکت سیال به طور موثر، بصورت  تردینال (حرکت بر روی سطح یک تیوب یا حلقه ) است – سیر در یک جهت از مسیر که می توان آن را مانند حرکت در سطح یک دونات تجسم نمود:

• اگر تفاوتی بین سرعت زاویه ای ورودی و خروجی وجود دارد، آنگاه حرکت یک مولفه دایروی خواهد داشت (یعنی دور حلقه ها از بخش های تیوب مانند تشکیل شده است).
• اگر مراحل ورودی و خروجی دارای سرعت های زاویه ای یکسان باشند، آنگاه، هیچ نیروی خالص مرکز گرایی وجود نخواهد داشت – و حرکت سیال دایروی است و هم محور با محور دورانی خواهد بود (یعنی دور لبه های یک تیوب)، و هیچ جریان سیالی از یک توربین به طرف توربین دیگر وجود نخواهد داشت.

سرعت استال

یکی از ویژگی های مهم یک کوپلینگ سیالی، سرعت استال آن است. سرعت استال، به عنوان بالاترین سرعتی تعریف می شود که پمپ می تواند با آن سرعت بچرخد، در حالی که توربین خروجی قفل شده و حداکثر توان ورودی اعمال می شود. تحت شرایط استال، تمام قدرت موتور در کوپلینگ سیالی بصورت گرمایی به هدر می رود و احتمالا منجر به آسیب سیستم خواهد شد.

کوپلینگ گام- مدار

یک تغییر در کوپلینگ ساده سیال، کوپلینگ گام- مدار است که قبلا با عنوان ” کوپلینگ STC”، توسط شرکت مهندسی فلوید درایو تولید شد.

کوپلینگ STC دارای یک مخزن است که وقتی شفت خروجی متوقف شده باشد، برخی از، نه همه، نیروهای گرانشی روغن را در مخزن ذخیره می کند. این مسئله موجب کاهش “درگ” (یا کشش) روی شفت ورودی می شود که در نتیجه، باعث کاهش مصرف سوخت در زمان دور درجا ، و کاهش در تمایل خودرو به “خزش” می شود.

زمانی که شفت خروجی شروع به چرخش می کند، روغن توسط نیروی گریز از مرکز، از مخزن به بیرون پرتاب می شود و به بدنه اصلی کوپلینگ باز می گردد، بطوری که انتقال قدرت نرمال، دوباره بازسازی خواهد شد.

لغزش

یک کوپلینگ سیال، در زمانی که سرعت های زاویه ای ورودی و خروجی یکسان هستند، نمی تواند باعث افزایش گشتاور خروجی شود. از این رو، یک کوپلینگ سیال نمی تواند به راندمان انتقال قدرت 100 درصد دست یابد. با توجه به  لغزشی که ممکن است در هر کوپلینگ هیدرولیکی تحت بار، رخ دهد، همیشه برخی از نیروها، در اصطکاک و اغتشاش سیال، بصورت گرمایی به هدر رفته و ناپدید می شوند و مانند سایر دستگاه های دینامیکی سیال، راندمان و بهره وری آن، تمایل دارد که با افزایش تدریجی مقیاس، افزایش یابد، همانطوری که توسط عدد رینولدز اندازه گیری شد.

سیال هیدرولیک

از آنجایی که یک کوپلینگ سیالی بصورت جنبشی عمل می کند، مایعات با ویسکوزیته پایین ترجیح داده می شوند. به طور کلی، روغن موتورهای چند درجه ای یا مایعات گیربکس اتوماتیک مورد استفاده قرار می گیرند. افزایش چگالی سیال، باعث افزایش مقدار گشتاوری می شود که می تواند با سرعت ورودی مورد نظر، انتقال یابد. با این حال، سیالات هیدرولیکی، بسیار مشابه دیگر سیالات اند، و ممکن است تغییر دما، باعث تغییرات در ویسکوزیته آنها شود. این امر منجر به ایجاد تغییر در عملکرد انتقال آنها می شود، و تا جایی که باید تغییرات ناخواسته در عملکرد / بهره وری، در حداقل مقدار خود نگه داشته شود، باید از روغن موتور و گیربکس اتوماتیک سیال با شاخص گرانروی بالا استفاده شود.

ترمز هیدرودینامیک

کوپلینگ سیال می تواند بعنوان ترمز هیدرودینامیکی نیز عمل کند، و از طریق نیروهای اصطکاکی، باعث اتلاف انرژی چرخشی به صورت گرمایی شود (هم ویسکوز و هم سیال/ مخزن). هنگامی که یک کوپلینگ سیال برای ترمز استفاده می شود، به آن کند کننده ( ریتاردر) نیز گفته می شود.

موارد کاربردی

صنعتی

کوپلینگ های سیال در بسیاری از کاربردهای صنعتی، شامل قدرت چرخشی مورد استفاده قرار گرفته است. بویژه در درایوهای ماشین آلاتی که اینرسی شروع بالا و یا  بارگذاری چرخه ای ثابتی دارند.

حمل و نقل ریلی

کوپلینگ سیالات در برخی از لوکوموتیوهای دیزلی، بعنوان بخشی از سیستم انتقال قدرت، بکار می رود. چرخ دنده های خودکار باعث ایجاد شدن انتقال نیمه اتوماتیک در سیستم حمل و نقل ریلی بریتانیا شد و سیستم حمل و نقل توربو تولید شرکت وویت نیز برای اتومبیل های راه آهن و واحدهای متعدد دیزلی که شامل ترکیبی از کوپلینگ سیالات و مبدل های گشتاور بود، مورد استفاده قرار گرفت.

خودرو

کوپلینگ های سیال در انواع مختلفی از حمل و نقل های نیمه اتوماتیک اولیه و حمل و نقل های اتوماتیک مورد استفاده قرار گرفت. از اواخر دهه 1940، مبدل گشتاور هیدرودینامیکی، جایگزین کوپلینگ سیال در کاربری های خودرو شد.

در کاربردهای خودرو، پمپ بطور معمول، به چرخ لنگر موتور متصل است- در واقع، محوطه کوپلینگ می تواند بخشی مفیدی از چرخ لنگر باشد، و در نتیجه، توسط میل لنگ موتور، بگردش در می آید. توربین به شفت ورودی گیربکس متصل است، در حالی که انتقال توسط دنده انجام می شود. هرچه سرعت موتور بیشتر می شود، گشتاور با حرکت سیال، از موتور به شفت ورودی منتقل می شود، و وسیله نقلیه را به جلو می راند. در این راستا، رفتار کوپلینگ سیال، بسیار شبیه به یک کلاچ مکانیکی است که با جعبه دنده دستی کار می کند.

چرخ لنگر سیال، مجزا از مبدل های گشتاور، بخاطر کاربردشان در اتومبیل های دایملر و در رابطه با گیربکس پیش گزینشگر ویلسون، به بهترین شکل شناخته شده اند. دایملر تا قبل از ارتقاء شکوهمند خود به گیربکس های اتوماتیک در سال 1958، در رنجی از اتومبیل های لوکس خود از این سیستم استفاده کرده است. دایملر و الویس، به خاطر ساخت وسایل نقلیه نظامی و خودروهای زرهی نیز معروف هستند، که برخی از آنها، ترکیبی از گیربکس پیش گزینشگر و چرخ لنگر سیال نیز استفاده شده است.

حمل و نقل هوایی

مهمترین کاربرد کوپلینگ سیال در کاربری های هوانوردی، استفاده آن در موتورهای DB 601، DB 603 وDB 605 بود که به عنوان یک کلاچ هیدرولیکی با کنترل بارومتریک، برای کمپرسور گریز از مرکز و موتور رفت و برگشتی توربو رایت ترکیبی استفاده می شد، که در آن، سه توربین بازیابی قدرت، حدود 20 درصد از انرژی، یا در حدود 500 اسب بخار (370 کیلو وات) از گازهای خروجی از اگزوز موتور را استخراج کردند و پس از آن، با استفاده از سه کوپلینگ سیال و چرخ دنده، گشتاور پایین و سرعت بالای چرخش توربین را به سرعت پایین، و گشتاور خروجی بالا را به حرکت پروانه هواپیما تبدیل نمود.

محاسبات

به طور کلی، ظرفیت انتقال قدرت یک کوپلینگ سیالی داده شده، کاملا به سرعت پمپ وابسته است، یک ویژگی که به طور کلی، با کاربردهایی که در آنها، بار اعمال شده نوسان زیادی ندارد، به خوبی کار می کند. ظرفیت انتقال گشتاور هر کوپلینگ هیدرودینامیکی را می توان به این صورت توصیف نمود: چگالی جرم سیال، سرعت حرکت پروانه، و قطر پروانه. در مورد برنامه های صنعت خودرو، که در آن، بارگذاری می تواند تا حدود قابل توجهی متغیر باشد، این صرفا یک تقریب است. توقف و سپس شروع حرکت در راندن، باعث می شود که کوپلینگ در محدوده حداقل کارایی خود عمل کند و می تواند اثری منفی را نیز بر اقتصاد مصرف سوخت بجا بگذارد.

تولید

کوپلینگ های سیال اجزایی هستند که تولید کردن آنها نسبتا ساده است. برای مثال، توربین ها می توانند از ریخته گری آلومینیوم و یا استامپ فولاد ساخته شوند و هر یک از قسمت های آن می تواند با ریخته گری و یا از فولاد مصنوعی ایجاد شود.