Гідродинамічна муфта

Реферат: Даний винахід стосується гідродинамічної муфти з постійним наповненням чи змінним наповненням робочою речовиною, що має насосне колесо, яке включає лопатки насосного колеса; та має турбінне колесо, що включає лопатки турбінного колеса; при цьому насосне колесо та турбінне колесо утворюють тороїдальний робочий об'єм, який для передачі обертаючого моменту може наповнюватися робочою речовиною; має об'єм для зберігання для отримання робочої речовини з робочого об'єму, при цьому об'єм для зберігання має з'єднання, по якому робоча речовина потрапляє до робочого об'єму; при цьому робоча речовина може подаватися з об'єму для зберігання в робочий об'єм з метою підвищення обертаючого моменту, що передається, а також з робочого об'єму до об'єму для зберігання з метою зменшення обертаючого моменту, що передається. Гідродинамічна муфта характеризується тим, що має співвідношення робочого об'єму до об'єму для встановлення гідродинамічної муфти більше ніж 0,26, при цьому об'єм для встановлення гідродинамічної муфти визначається об'ємом циліндра, що має постійний діаметр, при цьому зовнішній діаметр об'єму циліндра відповідає максимальному зовнішньому діаметру гідродинамічної муфти, а осьова довжина об'єму циліндра відповідає максимальній осьовій протяжності гідродинамічної муфти. UA 102524 C2 (12) UA 102524 C2 UA 102524 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Даний винахід стосується гідродинамічної муфти з постійним наповненням або змінним наповненням відповідно до преамбули пункту 1 Формули винаходу. Фахівець у даній галузі розрізняє між гідродинамічними муфтами, що мають постійне наповнення та муфтами, які можуть наповнюватися та випорожнюватися. Оскільки в останньому випадку, робоча речовина може постачатися до робочого об'єму муфти або випорожнюватися з нього за допомогою зовнішнього контуру, залежно від бажаного рівня заповнення, тоді як у першому випадку, робоча речовина завжди залишається всередині муфти. Це спричиняє два конструктивні ускладнення: по-перше, всередині муфти потрібно забезпечити корисний об'єм для зберігання, який отримує робочу речовину, що не мусить зберігатися в робочому об'ємі, зважаючи на бажані робочі умови. Крім того, робоча речовина, що нагрівається внаслідок гідродинамічного тертя, не може охолоджуватися у зовнішньому теплообміннику, що зазвичай знаходиться у зовнішньому контурі робочої речовини муфт з можливістю наповнення та випорожнення. Цей об'єм для зберігання потребує простору для встановлення всередині муфти, а також необхідні відповідні заходи для відведення тепла з внутрішньої частини муфти. Більш високі вимоги щодо робочих характеристик застосовуються до гідродинамічних муфт з постійним наповненням. Це означає, що найбільш можлива потужність приводу має передаватися за допомогою цих муфт від привідного механізму на виробниче устаткування без його зношення. Між тим простір, наявний для встановлення гідродинамічної муфти, є обмеженим у багатьох сферах її застосування. Стандартні муфти не можуть задовольнити ці вимоги. Гідродинамічна муфта відповідно до зразків із постійним чи змінним наповненням робочою речовиною є відомою у сучасному рівні техніки у формі патенту США 3,107,492 A. Ця муфта має робочий об'єм та об'єм для зберігання. Об'єм для зберігання є суміжним із робочим об'ємом у осьовому напрямку. Робоча речовина може подаватися від об'єму для зберігання до робочого об'єму чи від робочого об'єму до об'єму для зберігання з метою регулювання обертального моменту, що передається. Таким чином, винахід ґрунтується на предметі розкриття гідродинамічної муфти з постійним чи змінним наповненням, яка, порівняно з відомими муфтами, має властивість передавати більш високу потужність приводу, не маючи при цьому збільшених конструктивних об'ємів. Ця ціль досягається завдяки гідродинамічній муфті, що має ознаки пункту 1 формули винаходу. Залежні пункти формули описують, зокрема, корисні вдосконалення винаходу. Гідродинамічна муфта відповідно до винаходу має тороїдальний робочий об'єм, реалізований за допомогою насосного колеса та турбінного колеса, розташованих одне проти одного. Об'єм для зберігання забезпечено всередині муфти, що має конструктивне з'єднання з робочим об'ємом таким чином, щоб робоча речовина подавалася від об'єму для зберігання до робочого об'єму чи від робочого об'єму до об'єму для зберігання, відповідно. Гідродинамічна муфта має об'єм для встановлення, який визначається її просторовою протяжністю. Об'єм для встановлення у значенні даного винаходу визначається об'ємом циліндру, що має постійний зовнішній діаметр, при цьому зовнішній діаметр об'єму циліндра відповідає максимальному зовнішньому діаметру DA гідродинамічної муфти, а осьова довжина об'єму циліндра дорівнює максимальній осьовій протяжності Sax гідродинамічної муфти. Відповідно до винаходу, співвідношення робочого об'єму гідродинамічної муфти до об'єму для встановлення складає принаймні 0,26. Зокрема, співвідношення робочого об'єму гідродинамічної муфти до об'єму для встановлення муфти є більшим ніж 0,26 та, наприклад, знаходиться в межах від 0,26 до 0,5, зокрема, в межах від 0,26 до 0,40 чи 0,30. Крім того, особливо корисним є співвідношення об'єму для зберігання до робочого об'єму гідродинамічної муфти, що принаймні дорівнює 0,185, та зокрема, більше ніж 0,15. Це співвідношення може бути переважно в межах від 0,185 до 2,5, та особливо корисним в межах від 0,185 до 0,190. З метою досягнення цього робочого об'єму, що є значно більшим порівняно зі стандартними муфтами, відносно загального об'єму гідродинамічної муфти, особливо корисним є забезпечення співвідношення діаметру профілю до зовнішнього діаметру муфти, що є більшим чи дорівнює 0,89; Діаметр профілю DP розуміється фахівцем даної галузі як зовнішній діаметр профілю лопатки, цей діаметр, зазвичай, є однаковим для насосного колеса та турбінного колеса. Таке співвідношення діаметру профілю до зовнішнього діаметру може бути досягнуте, наприклад, за умови, що зовнішній діаметр гідродинамічної муфти становить 556 мм, а діаметр профілю сягає 500 мм. Об'єм для зберігання у значенні даного винаходу має розумітися, як простір всередині 1 UA 102524 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 гідродинамічної муфти, який містить робочу речовину всередині гідродинамічної муфти, що не знаходиться у робочому об'ємі. Робочий об'єм точно визначений об'ємом, що знаходиться між окремими лопатками насосного колеса та турбінного колеса, що разом спрямовані у напрямку кола, та доповнені об'ємом кільцевого простору, спрямованим в осьовому напрямку між лопатками насосного колеса та турбінного колеса. Об'єм для зберігання, таким чином, є вільним від лопаток та може розміщуватися цілком або частково радіально в межах робочого об'єму всередині гідродинамічної муфти. Відповідно до одного з варіантів втілення винаходу, що буде описано далі, з посиланням на фігуру, об'єм для зберігання, розташований радіально повністю всередині робочого об'єму, безпосередньо виходить на радіальне внутрішнє коло робочого об'єму, наприклад, в осьовому розрізі турбінного колеса. Крім робочого об'єму та об'єму для зберігання, всередині гідродинамічної муфти чи також за її межами можуть бути забезпечені інші об'єми чи відділення. Наприклад, один чи декілька гальмівних об'ємів з попередньо визначеними розмірами можуть, зокрема, забезпечуватися радіально всередині робочого об'єму. Також можливо забезпечити подальший гальмівний об'єм чи кільцевий об'єм загалом для отримання робочої речовини додатково повністю чи частково радіально за межами робочого об'єму. Наприклад, посилаючись на заявку на Європейський патент 0 206 122 A1, в якій описаний простір всередині гідродинамічної муфти, що передбачений додатково до об'єму для зберігання та робочого об'єму, слід зазначити, що цей простір може бути забезпечено в межах обсягу даного винаходу. Проте, відповідно до спеціального варіанту втілення винаходу, гідродинамічна муфта має виключно один робочий об'єм, один об'єм вирівнювання, та зокрема, хоча й необов'язково, залишковий об'єм, що заповнюється робочою речовиною, між корпусом гідродинамічної муфти та задньою частиною лопатного колеса, що знаходиться всередині муфти, яке обертається з відносною швидкістю щодо корпусу. Даний винахід може застосовуватися, як на гідродинамічних муфтах з внутрішнім приводом колеса, так і на гідродинамічних муфтах із зовнішнім приводом колеса. На гідродинамічних муфтах з внутрішнім приводом колеса, кожне лопатне колесо приводиться у дію, зокрема, за допомогою приводного валу, розташованого у корпусі муфти разом з лопатним колесом, що в свою чергу розташоване на стороні виходу. На гідродинамічних муфтах із зовнішнім приводом колеса, силовий потік є точно протилежним. Зовнішнє колесо, до якого зазвичай приєднується корпус, приводиться у дію привідним механізмом, а внутрішнє колесо, закрите зовнішнім колесом та корпусом, розташоване на стороні виходу. Описане співвідношення розмірів робочого об'єму щодо загального об'єму також переважно досягається завдяки тому, що співвідношення внутрішнього діаметру профілю Dl щодо діаметру профілю DP є меншим ніж 0,5, зокрема менше чи дорівнює 0,485. Це означає, що висота профілю (DP-DI)/2 є порівняно великою, при чому зменшення ковзання досягається шляхом збільшення об'єму. Крім того, подальше зменшення ковзання може досягатися шляхом того, що глибина профілю T/DP також збільшується порівняно зі стандартними муфтами. Зокрема, співвідношення глибини профілю T до діаметру профілю DP є більшим ніж 0,16, зокрема переважно більше чи дорівнює 0,165. Крім того, винахідник дійшов висновку, що винахід може бути корисно вдосконалено, якщо скоротити кількість лопаток порівняно з відомими гідродинамічними муфтами з постійним наповненням та порівнянним загальним об'ємом. Зокрема, оптимальною є невелика кількість лопаток для невисокого номінального ковзання. Це невисоке номінальне ковзання досягається шляхом описаного зменшення ковзання завдяки оптимальному використанню конструктивного об'єму. Насосне колесо та турбінне колесо, зокрема, переважно не мають однакової кількості лопаток. Зокрема, насосне колесо має на одну лопатку більше ніж турбінне колесо. Завдяки реалізації, відповідно до винаходу, гідродинамічної муфти з постійним наповненням, зокрема, шляхом збільшення робочого об'єму та об'єму для зберігання із забезпеченням незмінних зовнішніх розмірів муфти, можливе досягнення здатності гідродинамічної муфти щодо передачі значно підвищеної енергії. Далі описується особливо корисне конструктивне втілення гідродинамічної муфти відповідно до винаходу. Фігура 1 зображує такий варіант втілення винаходу в осьовому розрізі, при цьому стандартна гідродинамічна муфта з постійним наповненням зображена в нижній частині, а гідродинамічна муфта відповідно до винаходу зображена у верхній частині фігури. Відразу очевидним є те, що монтажні розміри вдосконаленої гідродинамічної муфти відповідно до винаходу відповідають монтажним розмірам стандартної гідродинамічної муфти. Впізнаємо зображені насосне колесо 1 та турбінне колесо 2, що разом утворюють робочий 2 UA 102524 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 об'єм 3. Крім того, зображено об'єм для зберігання 4, що використовується як об'єм для збору робочої речовини, непотрібної у робочому об'ємі. Об'єм для зберігання розташований вздовж осьового напрямку гідродинамічної муфти повністю радіально всередині робочого об'єму 3. Зокрема, зображений в осьовому напрямку, об'єм для зберігання 4 простирається від середини турбінного колеса 2 за зону робочого об'єму 3, розташовану у насосному колесі 1, на попередньо визначену відстань відносно кінця вісі гідродинамічної муфти, що становить, наприклад, 10 мм, загалом між 5 та 20 мм, зокрема переважно між 8 та 12 мм. Насосне колесо 1 оточує турбінне колесо 2 разом із корпусом 1.2. Насосне колесо 1 та корпус 1.2 разом утворюють привідний ротор 1.1. Як зображено, насосне колесо 1 може бути приєднане гвинтом до корпусу 1.2 таким чином, щоб вони закривали безперервну суцільну порожнину, в якій з одного боку розміщується турбінне колесо 2, та міститься об'єм для зберігання 4, з іншого боку. Насосне колесо 1 має чисельні лопаткові профілі, що також називаються лопатками 1.3. Максимальна осьова протяжність лопаткового профілю позначена як глибина профілю T. Як зображено, зовнішній діаметр профілю позначено як діаметр профілю DP, а внутрішній діаметр профілю позначено як внутрішній діаметр профілю Dl. Таким чином, висота профілю утворюється від половини різниці між діаметром профілю та внутрішнім діаметром профілю. Турбінне колесо також має чисельні лопаткові профілі, що мають відповідно визначені розміри, загалом, лопатки турбінного колеса 2.1. Турбінне колесо 2 приєднане з можливістю обертання до маточини (ступиці) муфти 5 за допомогою гвинтового з'єднання. Маточина муфти 5 виконана як порожнистий вал, що проходить в осьовому напрямку через насосне колесо 1 та корпус 1.2. Маточина муфти 5 частково заходить у вал виробничої машини, який виконаний як суцільний вал та фронтально пригвинчений до маточини муфти. Насосне колесо 1 на проілюстрованому варіанті муфти, відповідно до винаходу, змонтоване за допомогою радіального підшипника 6 на першій частині 5.1 маточини муфти 5, зображеної в осьовому напрямку. Підшипник 6 виконано меншим порівняно з відповідним підшипником стандартної муфти, зображеної у нижній частині фігури. Об'єм для зберігання 4, таким чином, можливо реалізувати більшим, як це обговорюється більш детально далі. Корпус 1.2 також змонтований на маточині муфти 5, на другій частині 5.2, що в осьовому напрямку прилягає до першої частини5.1, але зокрема має більший діаметр, як зображено. Підшипник 7, що використовується з цією метою, є радіально-осьовим підшипником, тобто, такзваним глухим (нероз'ємним) підшипником. У такий спосіб, малий підшипник 6 на зовнішньому колесі 1.1 не мусить амортизувати гідравлічне осьове зусилля, що виникає внаслідок тривалого строку експлуатації. З метою достатнього відведення тепла за межі внутрішнього об'єму муфти, зовнішнє колесо може бути виконане з ребрами жорсткості, які збільшують площину поверхні. Така ребристість може бути одночасно збережена на корпусі 1.2. Насосне колесо 1, турбінне колесо 2 та корпус 1.2 можуть, зокрема, виготовлятися переважно з алюмінієвого матеріалу, наприклад, з GAISi 12. З метою збільшення можливої передачі обертального моменту на з'єднанні між турбінним колесом та маточиною муфти, турбінне колесо може бути виготовлене чорного металу, такого як GGG. Порівняно зі стандартною муфтою, що зображена в нижній частині Фігури 1, робочий об'єм було збільшено на 50 %, а об'єм для зберігання було збільшено на 50 %. Зовнішній діаметр DA 556 мм було одночасно збережено, як і осьове подовження Sax 246 мм. Точні характеристики представлені у наступних 2 таблицях. DP = 500 DI/DP = 0,485 T/DP = 0,18 об'єм для зберігання / робочий об'єм = 3,66/19,4 = 0,188 кількість лопаток AR = 41 кількість лопаток IR = 40 45 Тип/ розмір VTC 500 TXL Вагове Момент інерції (внутрішня Максимальне Загальна вага у навантаження VTC частина) (зовнішня частина) наповнення кілограмах 2 2 оливою у літрах м (кг) у (мм) [кгм*м] [кгм*м] близько 22,6 близько 90 90 0,679 1,699 130 Таблиця 1: характеристики варіанту муфти відповідно до винаходу, зображеного у верхній частині Фігури 1. 3 UA 102524 C2 DP DI/DP T/DP об'єм для зберігання / робочий об'єм = 487 = 0,534 = 0,144 = 2,36/12,7 = 0,186 = 46 = 46 кількість лопаток AR кількість лопаток IR Тип/ розмір VTC 487 T 5 Вагове Момент інерції (внутрішня Максимальне Загальна вага у навантаження VTC частина) (зовнішня частина) наповнення кілограмах 2 2 оливою у літрах м (кг) у (мм) [кгм*м] [кгм*м] 14,7 79 79 130 0,565 1,635 Таблиця 2: характеристики стандартної муфти, зображеної у нижній частині Фігури 1. Завдяки описаним заходам, можливе досягнення підвищення робочих характеристик приблизно на 50 %, використовуючи при цьому однаковий об'єм для встановлення. Це, в основному, зумовлене досягненням покращення номінального ковзання, в результаті конструктивних заходів, тобто, зміщення номінального ковзання в бік меншого значення. Внаслідок меншого номінального ковзання, муфта, відповідно до винаходу, може бути спроектована для роботи в умовах передачі значно більших пускових обертаючих моментів. 10 15 20 Перелік посилальних позицій 1 насосне колесо 1.1 привідний ротор 1.2 корпус 1.3 лопатки насосне колесо лопатки 2 турбінне колесо 2.1 лопатки турбінного колеса 3 робочий об'єм 4 об'єм для зберігання 5 маточина (ступиця) муфти 5.1 перша частина 5.2 друга частина 6 радіальний підшипник 7 радіально-осьовий підшипник 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 1. Гідродинамічна муфта з постійним або змінюваним заповненням робочим середовищем, яка містить: насосне колесо (1), що містить лопатки (1.3) насосного колеса, і турбінне колесо (2), що містить лопатки (2.1) турбінного колеса; при цьому насосне колесо (1) і турбінне колесо (2) утворюють спільно тороїдальний робочий простір (3), заповнюваний робочим середовищем для передавання крутного моменту; накопичувальний простір (4) для приймання робочого середовища з робочого простору (3), при цьому накопичувальний простір (4) з'єднаний з робочим простором (3) з можливістю проходження робочого середовища; при цьому передбачена можливість спрямування робочого середовища для підвищення передаваного крутного моменту з накопичувального простору в робочий простір (3) і для зменшення передаваного крутного моменту - з робочого простору (3) у накопичувальний простір (4); яка відрізняється тим, що відношення об'єму робочого простору (3) до встановлюваного об'єму гідродинамічної муфти більше 0,26 і менше 0,5, при цьому встановлюваний об'єм гідродинамічної муфти заданий об'ємом циліндра з постійним діаметром, зовнішній діаметр якого відповідає максимальному зовнішньому діаметру (DA) гідродинамічної муфти, а його осьова довжина відповідає максимальній осьовій довжині (Sax) гідродинамічної муфти, при цьому маточина (5) муфти виконана у вигляді порожнього вала з можливістю розміщення в ньому вала. 4 UA 102524 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2. Гідродинамічна муфта з постійним або змінюваним заповненням робочим середовищем, яка містить: насосне колесо (1), що містить лопатки (1.3) насосного колеса, і турбінне колесо (2), що містить лопатки (2.1) турбінного колеса; при цьому насосне колесо (1) і турбінне колесо (2) утворюють спільно тороїдальний робочий простір (3), заповнюваний робочим середовищем для передання крутного моменту; накопичувальний простір (4) для приймання робочого середовища з робочого простору (3), при цьому накопичувальний простір (4) з'єднаний з робочим простором (3) з можливістю проходження робочого середовища; при цьому передбачена можливість спрямування робочого середовища для підвищення передаваного крутного моменту з накопичувального простору (4) у робочий простір (3) і для зменшення передаваного крутного моменту - з робочого простору (3) у накопичувальний простір (4); яка відрізняється тим, що відношення об'єму робочого простору (3) до встановлюваного об'єму гідродинамічної муфти більше 0,26 і менше 0,5, при цьому встановлюваний об'єм гідродинамічної муфти заданий об'ємом циліндра з постійним діаметром, зовнішній діаметр якого відповідає максимальному зовнішньому діаметру (DA) гідродинамічної муфти, а його осьова довжина відповідає максимальній осьовій довжині (Sax) гідродинамічної муфти, при цьому накопичувальний простір (4) розташований повністю радіально всередині робочого простору (3). 3. Гідродинамічна муфта за будь-яким з пп. 1 або 2, яка відрізняється тим, що відношення об'єму накопичувального простору (4) до об'єму робочого простору (3) більше 0,185. 4. Гідродинамічна муфта за будь-яким з пп. 1 або 2, яка відрізняється тим, що відношення діаметра (DP) профілю лопаток (1.3) насосного колеса і лопаток (2.1) турбінного колеса до максимального зовнішнього діаметра (DA) муфти більше або дорівнює 0,89. 5. Гідродинамічна муфта за будь-яким з пп. 1 або 2, яка відрізняється тим, що відношення внутрішнього діаметра (DI) профілю лопаток (1.3) насосного колеса і лопаток (2.1) турбінного колеса до діаметра (DP) профілю менше 0,5, зокрема менше або дорівнює 0,485. 6. Гідродинамічна муфта за будь-яким з пп. 1 або 2, яка відрізняється тим, що відношення глибини (Т) профілю лопаток (1.3) насосного колеса і лопаток (2.1) турбінного колеса до діаметра (DP) профілю більше 0,16, зокрема більше або дорівнює 0,165. 7. Гідродинамічна муфта за будь-яким з пп. 1 або 2, яка відрізняється тим, що насосне колесо (1) і турбінне колесо (2) мають неоднакову кількість лопаток, зокрема насосне колесо (1) має на одну лопатку більше, ніж турбінне колесо (2). 8. Гідродинамічна муфта за будь-яким з пп. 1 або 2, яка відрізняється тим, що має наступні ознаки: насосне колесо (1) з'єднане в осьовому напрямку з оболонкою (1.2), зокрема згвинчене з нею; насосне колесо (1) і оболонка (1.2) з'єднані одне з одним при протилежному розташуванні так, що утворюється порожній простір, в якому розташоване турбінне колесо (2); турбінне колесо (2) розташоване без можливості провертання на маточині (5) муфти, яка проходить радіально усередині в осьовому напрямку через насосне колесо (1) і оболонку (1.2); насосне колесо (1) встановлене за допомогою радіального підшипника (6) на маточину муфти, а оболонка (2.1) встановлена шляхом упорного радіального підшипника (7) на вал (5) відведення потужності. 9. Гідродинамічна муфта за п. 8, яка відрізняється тим, що насосне колесо (1) і/або оболонка (1.2) на своїй зовнішній поверхні забезпечені ребрами, які збільшують поверхню, для кращого відведення тепла. 10. Гідродинамічна муфта за будь-яким з пп. 1 або 2, яка відрізняється тим, що маточина (5) муфти виконана з можливістю розміщення в ній вала, який має діаметр, що складає 0,21 діаметра (DP) профілю. 11. Гідродинамічна муфта за будь-яким з пп. 1 або 2, яка відрізняється тим, що маточина (5) муфти з'єднана без можливості провертання з валом за допомогою шпонкового з'єднання. 5 UA 102524 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6