Hidrolik Kaplinler Nedir ve Akışkan Güç Sistemlerinde Nasıl Çalışır?

Giriş

Mekanik bir kavramayı çarparak devasa bir endüstriyel taşıma bandını veya bir geminin pervanesini çalıştırmaya çalıştığınızı hayal edin. birni sarsıntı muhtemelen vitesleri kıracak, motveyaa zarar verecek ve yakındaki herkes için rahatsız edici bir deneyim yaratacaktır. Sıvı kaplinler olarak da bilinen hidrolik kaplinlerin zarif bir çözüm sağladığı yer burasıdır. Bu akıllı cihazlar, gücü bir dönen şafttan diğerine sorunsuz ve verimli bir şekilde iletmek için sert metal-metal teması yerine yalnızca sıvı kullanır.

Hidrolik kaplinler Konseptin 1905 yılında patentini alan birlman mühendis Hermann Föttinger'in çalışmalarından yola çıkarak bir yüzyıldan fazla süredir kullanılmaktadır. Bugün, arabanızdaki otomatik şanzımandan devasa endüstriyel makinelere, deniz tahrik sistemlerine ve hatta dizel lokomotiflere kadar her yerde bulunurlar. Ancak yaygın kullanımlarına rağmen birçok kişi bunların ne olduğunu veya nasıl çalıştığını tam olarak anlamıyor.

Hidrolik Kaplin Nedir?

Tanım ve Temel Kavram

A hidrolik kaplin —aynı zamanda denir sıvı bağlantısı or hidrodinamik bağlantı — Aktarım aracı olarak bir sıvıyı, genellikle yağı kullanarak, dönen mekanik gücü bir şafttan diğerine aktaran bir cihazdır. Sürtünme plakaları kullanan mekanik bir kavramanın veya birbirine kenetlenen dişleri kullanan bir dişli kutusunun aksine, hidrolik kaplin doğrudan mekanik bağlantı yok Giriş ve çıkış milleri arasında. Bunun yerine güç, sıvının kinetik enerjisinden akar.

"Hidrolik bağlantı" terimi aslında iki farklı cihaz kategorisine atıfta bulunabilir ve bu ayrımın anlaşılması önemlidir. Britannica'ya göre iki ana tip hidrolik güç aktarım sistemi vardır:

Bu makalede şunlara odaklanılmaktadır: hidrokinetik sıvı kaplinleri Dönen güç iletimi için kullanılırlar. Hidrostatik sistemler (hidrolik pompalar ve motorlar), “hidrolik” olarak da adlandırılsa da tamamen farklı bir teknolojidir.

Üç Ana Bileşen

Basit bir akışkan bağlantısı üç ana bileşenden ve ayrıca çalışma odasını dolduran hidrolik akışkandan oluşur:

Konut (Kabuk) – Bu, sıvıyı ve iki türbini içeren dış mahfazadır. Sızıntıları önlemek için tahrik millerinin çevresinde yağ geçirmez contalar bulunmalıdır. Muhafaza aynı zamanda giriş mili ile pompa pervanesi arasında fiziksel bağlantı görevi de görür.

Pompa (Pervane) – Bu fan benzeri bileşen, ana taşıyıcıdan (elektrik motoru, içten yanmalı motor veya buhar türbini) gelen giriş miline doğrudan bağlanır. Ana taşıyıcı döndüğünde, pompa da onunla birlikte tam olarak aynı hızda döner. Pompa, sıvıyı iten ve yönlendiren, genellikle 20 ila 40 adet olmak üzere radyal kanatlar içerir.

Türbin (Koşucu) – Bu ikinci fan benzeri bileşen pompaya bakar ve yükü (konveyör, pompa veya araç şanzımanı gibi) tahrik eden çıkış miline bağlanır. Türbin, pompaya mekanik olarak bağlı değildir; yalnızca pompanın kendisine attığı sıvıya temas eder.

Tork Konvertörlerinden Farkı

Hidrolik kaplin olduğunu belirtmekte fayda var. değil İkisi sıklıkla karıştırılsa da tork konvertörü ile aynı şeydir. Temel akışkan kaplin, torku çarpmadan iletir; çıkış torku, giriş torkuna eşittir (eksi küçük kayıplar). Bunun aksine, bir tork konvertörü, adı verilen ek bir bileşen içerir. stator Bu, düşük hızlarda torku fiilen çoğaltmak için sıvı akışını yeniden yönlendirir. Otomotiv uygulamalarında tork konvertörleri, daha iyi düşük hız performansı sağladıkları için 1940'ların sonlarından bu yana büyük ölçüde basit sıvı kaplinlerinin yerini almıştır. Bununla birlikte, akışkan kaplinler tork artışının gerekli olmadığı endüstriyel ortamlarda yaygın olarak kullanılmaya devam etmektedir.

Hidrolik Kaplin Nasıl Çalışır?

Föttinger Prensibi

Her modern hidrolik kaplin, hidrolik bağlantı olarak bilinen bir sistemle çalışır. Föttinger ilkesi , adını 1905 yılında konseptin patentini ilk kez alan Alman mühendisten almıştır. Prensip aldatıcı derecede basittir: Bir pompa sıvıyı dışarı doğru hızlandırır ve hareket eden sıvı daha sonra türbine çarparak onun dönmesine neden olur. Sıvı daha sonra döngüyü tekrarlamak için pompaya geri döner.

Bunu, yağla dolu kapalı bir kasanın içinde birbirine bakan iki fan gibi düşünün. Bir fanı (pompayı) çalıştırdığınızda kanatları yağı iter. Hareket eden yağ daha sonra ikinci fanın (türbin) kanatlarına çarparak onun dönmesine neden olur. İkinci fan birinciye herhangi bir katı bağlantıyla değil, yalnızca hareketli akışkanla bağlıdır. Hidrodinamik güç aktarımının özü budur.

Adım Adım: Güç İletim Döngüsü

Normal çalışma sırasında hidrolik kaplinin içinde tam olarak neler olduğunu inceleyelim.

Adım 1 – Ana Taşıyıcı Pompayı Döndürür

Motor veya elektrik motoru, pompa çarkına bağlı olan giriş milini döndürür. Pompa döndükçe, radyal kanatları kaplin muhafazasının içindeki hidrolik sıvıyı (genellikle yağ) yakalar. Bıçaklar, santrifüj pompaya benzer şekilde sıvıyı dışarıya ve teğetsel olarak atacak şekilde açılıdır.

Adım 2 – Sıvı Kinetik Enerji Kazanır

Pompa, akışkana hem dışarıya doğru doğrusal hareket hem de dönme hareketi verir. Sıvı, pompanın merkezinden dış kenara doğru hareket ettikçe önemli miktarda kinetik enerji kazanır. Pompa ne kadar hızlı dönerse sıvı o kadar fazla enerji emer. İlişki giriş hızının karesiyle orantılıdır: iletilen tork, giriş hızının karesiyle artarken iletilen güç, giriş hızının küpüyle artar.

Adım 3 – Sıvı Türbin Kanatlarına Çarpıyor

Enerji verilen akışkan, pompanın şekline göre türbine (yolcuya) doğru yönlendirilir. Pompa ve türbin aralarında küçük bir boşluk olacak şekilde birbirine baktığından, sıvı bu aralıktan geçerek türbin kanatlarına çarpar. Bu darbenin kuvveti, açısal momentumu sıvıdan türbine aktararak türbinin dönme yönünde dönmesine neden olur. aynı yön pompa olarak.

Adım 4 – Pompaya Sıvı Geri Dönüyor

Enerjisinin çoğunu türbine verdikten sonra akışkan, kaplinin merkezine doğru geri akar ve tekrar pompaya girer. Bu sürekli bir durum yaratır toroidal akış düzeni —sıvı, kaplin içindeki halka şeklindeki bir yol (bir torus) etrafında dolaşır. Pompa dönmeye devam ettiği sürece sıvı dolaşmaya ve torku iletmeye devam eder.

Adım 5 – Torkun Yüke İletilmesi

Türbin, yükü tahrik eden çıkış miline bağlanır. Türbin döndükçe çıkış milini döndürür ve bağlı olan makineye (ister bir taşıma bandı, ister bir pompa pervanesi, bir araç şanzımanı veya bir gemi pervanesi olsun) mekanik güç sağlar.

Sıvı Akış Yolu (Toroidal Sirkülasyon)

Hidrolik kaplin içindeki sıvının hareketi büyüleyici bir toroidal (halka şeklinde) yol izler. Bu hareketin iki bileşeni vardır:

• Dairesel akış – Sıvı, kaplinin çevresini takip ederek dönme ekseni etrafında döner.
• meridyensel akış – Sıvı, pompadan türbine gidip tekrar geri dönerek bir geri dönüşüm döngüsü oluşturur.

Giriş ve çıkış milleri aynı hızda döndüğünde, bir türbinden diğerine net bir akış olmaz; akışkan basitçe yerinde döner. Ama bir şey olduğunda hız farkı Pompa ve türbin arasında (her zaman yük altında bulunur), sıvı pompadan türbine kuvvetli bir şekilde akar ve torku iletir.

Temel Çalışma Özellikleri

Kayma – Kaçınılmaz Hız Farkı

Herhangi bir akışkan bağlantısının en önemli özelliklerinden biri, kayma . Kayma, giriş mili (pompa) ile çıkış mili (türbin) arasındaki dönme hızı farkının yüzde olarak ifade edilmesidir.

Bir sıvı bağlantısı Giriş ve çıkış açısal hızları aynı olduğunda çıkış torku geliştirilemez . Bu, yük altında türbinin her zaman pompadan biraz daha yavaş dönmesi gerektiği anlamına gelir. Normal yükleme koşulları altında uygun şekilde tasarlanmış bir hidrolik kaplinde, tahrik edilen milin hızı yaklaşık olarak yüzde 3 daha az Tahrik milinin hızından daha fazla. Daha küçük kaplinler için kayma %1,5 (büyük güç üniteleri) ila %6 (küçük güç üniteleri) arasında değişebilir.

Kayma neden önemlidir? Çünkü kayma, kaybedilen enerjiyi temsil eder. Çıkış miline iletilmeyen güç, iç sürtünme ve türbülans nedeniyle akışkan içerisinde ısı olarak dağılır. Bu nedenle sıvı kaplinleri %100 verimli değildir; tipik verimlilik %95 ile %98 arasında değişir. Kaybolan enerji hidrolik sıvıyı ısıtır, bu nedenle birçok sıvı kaplini soğutma sistemleri gerektirir veya ısıyı etkili bir şekilde dağıtacak şekilde tasarlanmıştır.

Durak Hızı

Bir diğer kritik özellik ise durma hızı . Bu, çıkış türbini kilitlendiğinde (hareket edemediğinde) ve tam giriş torku uygulandığında pompanın dönebileceği en yüksek hız olarak tanımlanır. Bayılma koşulları altında, o hızdaki motorun tüm gücü sıvı kaplini içinde ısıya dönüştürülür. Uzun süreli durma halinde çalıştırma kapline, contalara ve sıvıya zarar verebilir.

Durma hızı özellikle otomotiv uygulamalarında önemlidir. Otomatik şanzımanla trafik ışıklarında durdurulduğunuzda, tork konvertörü (sıvı kaplinden geliştirilen) kısmi durma durumundadır. Motor rölantide çalışıyor ve sıvı kaplini, gücün az bir kısmını ısı olarak dağıtıyor.

Değişken Hız için Kepçe Kontrolü

Endüstriyel akışkan kaplinlerinin en değerli özelliklerinden biri, giriş hızını değiştirmeden çıkış hızını değiştirebilme yeteneğidir. Bu bir kullanılarak gerçekleştirilir kepçe kontrolü sistem.

Kepçe, döner bağlantıya merkezi bir göbekten giren, dönmeyen bir borudur. Operatör bu kepçeyi hareket ettirerek (döndürerek veya uzatarak) sıvıyı çalışma odasından çıkarabilir ve harici bir rezervuara geri gönderebilir. Kaplindeki daha az sıvı, daha az tork aktarımı ve dolayısıyla daha düşük çıkış mili hızı anlamına gelir. Daha fazla hıza ihtiyaç duyulduğunda sıvı kapline geri pompalanır.

Bu şunları sağlar: kademesiz değişken hız kontrolü kazan besleme pompaları, fanlar ve konveyörler gibi büyük makinelerin. Elektrik motoru sabit, verimli bir hızda çalışabilir ve çıkış hızı gerektiği gibi sorunsuz bir şekilde ayarlanabilir.

Hidrolik Kaplin Çeşitleri

Sabit Doldurmalı Kaplinler

En temel hidrolik bağlantı türü sürekli doldurma bağlantı. Adından da anlaşılacağı gibi bu kaplinler, çalışma odasında her zaman kalan sabit miktarda sıvı içerir. Basittirler, güvenilirdirler ve minimum düzeyde bakım gerektirirler.

Sabit doldurma kaplinleri şunları sağlar:

• Pürüzsüz, darbesiz hızlanma
• Aşırı yük koruması (yük sıkışırsa, motoru durdurmak yerine kaplin kayar)
• Burulma titreşimi sönümleme

Bunlar genellikle konveyörler, kırıcılar, fanlar ve pompalar gibi endüstriyel uygulamalarda bulunur. Transfluid K Serisi, hem elektrikli hem de dizel tahrikli uygulamalar için mevcut olan sabit dolumlu kaplinin bir örneğidir.

Gecikmeli Doldurma Kaplinleri

A gecikme-doldurma bağlantısı (kademeli devre kaplini olarak da bilinir), çıkış mili sabitken veya yavaşça dönerken sıvının bir kısmını tutan bir rezervuar ekler. Bu, başlatma sırasında giriş milindeki sürtünmeyi azaltır; bunun iki faydası vardır:

• Daha düşük yakıt tüketimi motor rölantideyken
• Azaltılmış "sürünme" otomotiv uygulamalarında (bir aracın motor rölantideyken vitesteyken ileri gitme eğilimi)

Çıkış mili dönmeye başladığında, merkezkaç kuvveti sıvıyı rezervuarın dışına ve ana çalışma odasına geri atarak tam güç aktarım kapasitesini geri kazandırır.

Değişken Dolumlu (Kepçe Kontrollü) Kaplinler

Yukarıda açıklandığı gibi değişken doldurmalı kaplinler, kaplin çalışırken çalışma odasındaki sıvı miktarını kontrol etmek için bir kepçe tüpü kullanır. Bu, tahrik edilen ekipmanın sürekli, kademesiz hız kontrolüne olanak tanır. Bunlar, değişken çıkış hızı gerektiren uygulamalarda kullanılır, örneğin:

• Enerji santrallerinde kazan besleme pompası sürücüleri
• Büyük fan ve üfleyici sürücüleri
• Deniz tahrik sistemleri
• Santrifüj kompresör sürücüleri

Hidrolik Kaplinlerin Uygulamaları

Endüstriyel Makineler

Akışkan kaplinleri, özellikle yüksek ataletli başlatmaların veya sabit döngüsel yüklemenin mevcut olduğu, dönme gücü içeren endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Yaygın örnekler şunları içerir:

• Konveyörler – Sorunsuz başlatma, bandın hasar görmesini ve malzeme dökülmesini önler
• Kırıcılar ve parçalayıcılar – Kırıcının kırılmaz malzemeye sıkışması durumunda motoru korur
• Santrifüj pompalar – Motorun yüksüz olarak çalıştırılmasına izin verir, ardından pompayı kademeli olarak hıza yükseltir
• Fanlar ve üfleyiciler – Enerji tasarrufu için değişken hız kontrolü sağlar
• Karıştırıcılar ve hamurlaştırıcılar – Düzensiz malzemelerden gelen şok yüklerini emer

Deniz Tahrik Sistemi

Gemiler ve tekneler, dizel motor ile pervane şaftı arasında akışkan kaplinler kullanır. Sıvı bağlantısı bu zorlu ortamda çeşitli avantajlar sağlar:

• Pervaneyi döndürmeden motorun çalışmasını ve rölantide çalışmasını sağlar
• Motordaki burulma titreşimlerini sönümler
• Güç uygulandığında yumuşak, darbesiz bir etkileşim sağlar
• Pervanenin döküntülere çarpması durumunda aktarma organlarını korur

Demiryolu Taşımacılığı

Dizel lokomotifler ve dizel çoklu üniteler (DMU'lar), güç aktarım sistemlerinin bir parçası olarak sıklıkla sıvı kaplinlerini kullanır. Voith gibi üreticiler, demiryolu uygulamaları için akışkan kaplinleri ve tork konvertörlerini birleştiren turbo şanzımanlar üretiyor. Self-Changing Gears şirketi, British Rail için sıvı kaplinler kullanan yarı otomatik şanzımanlar yaptı.

Otomotiv (Tarihsel)

Otomotiv uygulamalarında, pompa tipik olarak motorun volanına bağlanır (kaplinin mahfazası volanın bir parçası bile olabilir) ve türbin ise şanzıman giriş miline bağlanır. Sıvı kaplinin davranışı, manuel şanzımanı çalıştıran mekanik kavramaya büyük ölçüde benzer; motor hızı arttıkça tork, şanzımana sorunsuz bir şekilde aktarılır.

En ünlü otomotiv uygulaması Daimler Sıvı Volanı Wilson ön seçici dişli kutusuyla birlikte kullanılır. Daimler, 1958 Majestic ile otomatik vites kutularına geçene kadar lüks otomobil yelpazesinde bunları kullandı. General Motors ayrıca sıvı kaplini de kullandı. Hidramatik 1939'da seri üretilen bir otomobilde ilk tam otomatik şanzıman olarak tanıtılan şanzıman.

Bugün, hidrodinamik tork konvertörü binek araçlardaki basit sıvı bağlantısının yerini büyük ölçüde almıştır çünkü tork konvertörleri düşük hızlarda tork artışını sağlayarak duruştan itibaren hızlanmayı iyileştirir.

Havacılık

Sıvı kaplinleri havacılıkta da kullanım alanı bulmuştur. En belirgin örnek şuydu: Wright turbo bileşik pistonlu motor Lockheed Constellation ve Douglas DC-7 gibi uçaklarda kullanılır. Üç güç geri kazanım türbini, enerjinin yaklaşık yüzde 20'sini (yaklaşık 500 beygir gücü) motorun egzoz gazlarından elde ediyordu. Üç akışkan bağlantısı ve dişli takımı kullanılarak, bu yüksek hızlı, düşük torklu türbin gücü, pervaneyi tahrik etmek için düşük hızlı, yüksek torklu çıkışa dönüştürüldü.

Faydaları ve Sınırlamaları

Hidrolik Kaplinlerin Faydaları

Sınırlamalar ve Hususlar

doğal kayma – Tork aktarımı için kayma gerekli olduğundan akışkan kaplini %100 verimliliğe ulaşamaz. Gücün bir kısmı her zaman ısı olarak kaybolur.

Isı üretimi – Durma veya ağır kayma koşulları altında önemli miktarda ısı üretilir. Büyük kaplinler harici soğutma gerektirebilir.

Rijit kaplinlere göre daha düşük verimlilik – Dahili akışkan dinamiği kayıpları nedeniyle, hidrodinamik şanzımanlar, kayış tahrikleri veya dişli kutuları gibi rijit olarak bağlanmış şanzımanlara göre daha düşük iletim verimliliğine sahip olma eğilimindedir.

Sıvı bakımı – Hidrolik sıvısı zamanla bozulur ve periyodik olarak değiştirilmesi gerekir. Sıvının viskozitesi performansı etkiler ve yanlış sıvı aşırı ısınmaya neden olabilir.

Hassas hız senkronizasyonu için uygun değildir – Giriş ve çıkış millerinin tam olarak aynı hızda dönmesi gerekiyorsa, akışkan kaplini kullanılamaz çünkü kayma, çalışmasının doğasında vardır.

Sıkça Sorulan Sorular (SSS)

S1: Hidrolik kaplin ile tork konvertörü arasındaki fark nedir?

Temel bir hidrolik kaplin, torku çarpma olmadan iletir; çıkış torku, giriş torkuna eşittir (eksi kayıplar). Bir tork konvertörü, sıvı akışını yeniden yönlendirerek çıkış torkunun ayarlanmasına olanak tanıyan, stator adı verilen ek bir bileşen içerir. çarpılmış düşük hızlarda. Bu, tork konvertörlerini yüksek başlatma torkunun gerekli olduğu otomotiv uygulamaları için daha iyi hale getirir.

S2: Bir hidrolik kaplin %100 verimliliğe ulaşabilir mi?

Hayır. Giriş ve çıkış hızları aynı olduğunda akışkan kaplin çıkış torku geliştiremez, dolayısıyla her zaman bir miktar kayma gerekir. Normal çalışma koşullarında verimlilik genellikle %95-98'dir.

Soru 3: Hidrolik kaplinlerde ne tür sıvı kullanılır?

Çoğu hidrolik kaplin, çok dereceli motor yağları veya otomatik şanzıman sıvıları (ATF) gibi düşük viskoziteli sıvılar kullanır. Sıvı yoğunluğunun arttırılması, belirli bir giriş hızında iletilebilen torku artırır. Performansın sıcaklık değişimlerine karşı sabit kalması gereken uygulamalar için yüksek viskozite indeksine sahip bir sıvı tercih edilir. Suyla çalıştırma için bile bazı kaplinler mevcuttur.

S4: Hidrolik kaplinin hızını nasıl kontrol edersiniz?

Değişken doldurmalı (kepçe kontrollü) bir bağlantıda, dönmeyen bir kepçe tüpü, bağlantı çalışırken çalışma odasındaki sıvıyı uzaklaştırır. Daha az sıvı, daha az tork iletimi ve daha düşük çıkış hızı anlamına gelir. Kepçe konumunu kontrol ederek çıkış hızı, sıfırdan neredeyse giriş hızına kadar kademesiz olarak ayarlanabilir.

S5: Hidrolik kaplin kuru çalışırsa ne olur?

Sıvı kaplini yeterli sıvı olmadan çalışırsa gerekli torku iletemeyecektir. Daha da önemlisi, sınırlı sıvı hacmi hızla aşırı ısınarak genellikle contalara, yataklara ve muhafazaya zarar verir.

S6: Modern otomobillerde hidrolik kaplinler hâlâ kullanılıyor mu?

Binek araçlarda basit akışkan kaplinlerin yerini büyük ölçüde tork konvertörleri almıştır. Bununla birlikte, bazı modern otomatik şanzımanlar hala akışkan kaplin prensiplerini kullanıyor ve "sıvı kaplin" terimi bazen gündelik konuşmalarda "tork konvertörü" ile birbirinin yerine kullanılıyor.

S7: Akışkan kaplinim neden ısınıyor?

Isı üretimi normaldir çünkü kayma nedeniyle kaybedilen enerji ısı olarak dağılır. Ancak aşırı ısı, aşırı kayma, düşük sıvı seviyesi, yanlış sıvı türü veya arızalı soğutma sistemi nedeniyle oluşabilecek çok fazla kaymayı gösterir.

S8: Hidrolik kaplin ne kadar dayanır?

Pompa ile türbin arasında mekanik temas olmadığından akışkan kaplinleri son derece dayanıklıdır. Birincil aşınma bileşenleri contalar ve yataklardır. Uygun bakım ve sıvı değişiklikleriyle endüstriyel sıvı kaplinleri onlarca yıl dayanabilir.