Гидромуфта имеет интересную историю. Она появилась впервые в области судостроения, где в начале прошлого столетия стала использоваться паровая турбина. Для экономичной работы паровая турбина должна вращаться с большой скоростью, а винт корабля - с малой, поэтому между турбиной и винтом необходим редуктор. Быстроходные шестеренчатые передачи с косым зубом, почти повсеместно употребляемые теперь для судовых передач, тогда не были еще созданы, и инженеру Феттингеру, который в то время работал в Германии, пришла мысль, что для этой цели может быть использована гидравлическая передача.
Феттингеру было поручено разработать электропривод или редуктор применительно к турбинам. Он пришел к выводу, что привод такого рода практически будет очень громоздким, и решил исследовать гидравлические приводы. По аналогии с электроприводом этот привод должен был состоять из центробежного насоса, приводящего в движение жидкость, и турбины, преобразующей кинетическую энергию жидкости в механическую энергию. Феттингер нашел решение, позволившее разместить насосное и турбинное колеса в едином картере, что позволило получить компактный агрегат и в то же время исключить потери, возникающие при движении жидкости по трубам.
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 гидравлический трансформатор), которая позволила снизить угловую скорость паровой турбины примерно в пять раз и имела КПД, близкий к 85%.
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 более цилиндров, расположенных в ряд, и доставляли много неприятностей из-за крутильных колебаний, которые разрушали шестеренчатые передачи в приводе и обладали тем отрицательным свойством, что их вибрации передавались судну. Для уменьшения вибрации на верфи «Вулкан» было использовано другое изобретение Феттингера - гидромуфта. В результате исследований и экспериментов удалось получить гидромуфту, КПД 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.
Впервые гидромуфты были применены в автомобилях английским инженером Синклером. Во время изучения применения гидромуфт в судовых лебедках в Лондоне в 1926 г. Синклеру приходилось много ездить на городских автобусах. 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 и разработал гидромуфту для городских автобусов.
Гидромуфта - это наиболее простая по устройству гидропередача, состоящая только из насосного и турбинного колеса (рис. 2-3).
Рис. 2-3
Насосное колесо приводится во вращение двигателем, с которым оно соединяется через маховик или специальный гибкий диск. Турбинное колесо соединяется с ведущим валом коробки передач.
Гидромуфта постоянно заполнена маслом. При вращении насосного колеса масло, находящееся между его лопатками, под действием центробежной силы устремляется к периферийной части и благодаря изогнутой форме поперечного сечения насосного колеса выходит из него и сразу же попадает в турбинное колесо (рис. 2-4), где оно, воздействуя на лопатки, отдает турбинному колесу часть своей энергии. В результате турбинное колесо начинает вращаться.
Рис. 2-4
Находясь в насосном и туроинном колесах, масло совершает сложное движение: переносное, вращаясь вместе с насосным колесом, и относительное, двигаясь между лопатками от его внутренней части к периферии (рис. 2-4).
Величина крутящего момента на турбинном колесе определяется кинетической энергией переносного движения масла, величина которой в свою очередь пропорциональна квадрату частоты вращения насосного колеса или двигателя.
Очевидно, что кинетическая энергия переносного движения масла не может быть передана турбинному колесу без наличия относительного движения масла. Однако появление вектора относительной скорости приводит к тому, что масло воздействует на лопатки.турбинного колеса не под прямым, а под некоторым иным углом. Величина и направление вектора абсолютной скорости масла изменяются в зависимости от соотношения угловых скоростей насосного и турбинного колес гидромуфты (рис. 2-5).
Рис. 2-5
Следует отметить одно весьма важное обстоятельство. Если угловая скорость одного из колес гидромуфты намного больше угловой скорости другого колеса, то, как показывают исследования, поток масла в круге циркуляции становится турбулентным (рис. 2-6), что приводит к значительному снижению КПД гидромуфты. Возникновение такого потока нежелательно, поэтому необходимо вносить в конструкцию муфты такие конструктивные элементы, которые предотвращали бы возникновение турбулентного потока. Один из способов ограничить вероятность возникновения в гидромуфте турбулентного потока - установка направляющего кольца (рис. 2-7). Использование такого кольца внутри гидромуфты способствует формированию сглаженного (близкого к ламинарному) потока масла и, соответственно, повышению КПД гидромуфты.
Рис. 2-6
Рис. 2-7
Рассмотрим работу гидромуфты в процессе разгона автомобиля. В начале движения насосное колесо, жестко соединенное с коленчатым валом двигателя, вращается, а турбинное колесо остается неподвижным; это состояние соответствует нулевому значению передаточного отношения гидромуфты (i=0). Такой режим работы любой гидропередачи принято называть «стоповым» режимом работы. На «стоповом» режиме неподвижная турбина практически, не создает никакого сопротивления маслу в его относительном движении, но препятствует его переносному движению, забирая при этом от масла часть энергии. Но эффективность гидромуфты на этом этапе разгона еще не очень высока, поскольку суммарная скорость потока масла направлена к поверхности лопаток под углом, далеким от 90° (рис. 2-8).
Рис. 2-8
Поскольку турбина начинает вращаться с постоянно увеличивающейся угловой скоростью, скорость относительного потока постепенно уменьшается, что вызвано возникновением в турбинном колесе под действием все той же центробежной силы встречного потока масла (рис. 2-9). При этом угол между вектором абсолютной скорости потока и поверхностью лопаток становится близким к 90 (рис. 2-10). В итоге при передаточном отношении i, близком юединице, в гидромуфте под воздействием двух стремящихся навстречу друг другу потоков масла формируются гидравлический замок и масло практически перестает циркулировать. При этом насосное и турбинное колесо вращаются почти синхронно, с некоторым только лишь рассогласованием.
Рис. 2-9
Рис. 2-10
Переход гидромуфты из состояния скольжения в состояние передачи полного крутящего момента происходит весьма быстро и эффективно.
Рис. 2-11
При изменении передаточного отношения i коэффициент трансформации К гидромуфты на любых режимах ее работы не изменяется (рис. 2-11) и остается постоянно равным единице (при этом механические потери в гидромуфте не учитываются), т.е. крутящий момент насосного колеса равен крутящему моменту турбинного колеса:
МН = МТ.
Коэффициент полезного действия гидромуфты на всех режимах работы фактически равен передаточному отношению i и изменяется от нуля при неподвижном турбинном колесе до, теоретически, единицы, когда насосное и турбинное колеса вращаются с одной и той же угловой скоростью. Следует отметить, что при приближении передаточного отношения к единице (i→1), моменты на ведущем и ведомом валах гидромуфты стремятся к нулю (МН→0, МТ→0), и кроме того, кривая КПД также стремится к нулю (рис. 2-11).