Sprzęgła i przekładnie hydrokinetyczne
1. Napędy jazdy ciągników i samojezdnych maszyn roboczych
Układ przenoszący energię z wału silnika na elementy jezdne maszyny nazywa się napędem jazdy. W
samojezdnych maszynach roboczych stosuje się do napędu najczęściej silniki spalinowe wysokoprę\
ne,
których charakterystykę zewnętrzną przedstawiono na rys. 1.
Rys.1 Napęd silnikiem spalinowym z regulatorem wielozakresowym: a) charakterystyka szybkościowa
silnika; Ns- moc na wale silnika, Ms- moment na wale silnika, ns- prędkość obrotowa wału silnika; b) wykres
siły napędowej Fn w funkcji prędkości pojazdu v, 1- przekładnia bezstopniowa bez strat, 2- trzystopniowa
skrzynia biegów bez strat
Dla współczesnych silników obroty odpowiadające maksymalnej mocy wynoszą n�=2000-
2600obr./min, a obroty maksymalne jego pracy nmax=1.1nN, obroty nmin=(0.33-0.4)nN
oraz obroty biegu jałowego około 450-600 obr./min..
Na rysunku 1b przedstawiono przebieg maksymalnej siły napędowej na kołach jezdnych przy
ró\
nych prędkościach jazdy. Dla wykorzystania pełnej mocy silnika przy ró\
nych prędkościach jazdy, nale\
y
w układ napędowy zamontować przekładnię bezstopniową. Stąd wykres Fn=f(v), przy pominięciu strat,
przedstawia hiperbolę. Jest ona od góry ograniczona siłą Fnmax (wynikającą z przyczepności), powy\
ej
której zaczyna się całkowity poślizg względem podło\
a i od dołu siłą Fnmin, która nie wystarcza ju\
na
pokonanie oporów jazdy i ruch pojazdu ustaje.
Przy zastosowaniu przekładni stopniowej np. o 3 przeło\
eniach (pomijając równie\
straty), pełna moc
silnika na ka\
dym z przeło\
eń mo\
e być wykorzystana tylko przy jednej określonej prędkości jazdy. Pola
zakreskowane na rysunku 1b przedstawiają zakresy niewykorzystanej mocy silnika. Dla wykorzystania
pełnej mocy silnika przy ró\
nych prędkościach jazdy i przy ró\
nych obcią\
eniach napęd musi mieć
odpowiednią ilość przeło\
eń (biegów) oraz określoną rozpiętość przeło\
eń. Rozpiętością przeło\
enia
dynamicznego ird nazywa się stosunek największego momentu do najmniejszego momentu na wale
wyjściowym przy nominalnym momencie na wale wejściowym:
ird = M2max/M2min , M1nom = const.
I odpowiednio rozpiętość przeło\
eń kinematycznych:
irk = n2max /n2min przy n1nom=const.
Ciągniki rolnicze i samojezdne maszyny robocze wymagają ró\
nych rozpiętości przeło\
eń. Ich układ
napędowy powinien ponadto umo\
liwić:
- długotrwałe rozłączenie napędu od silnika spalinowego,
- jazdę do tyłu,
- hamowanie silnikiem,
- zapewnienie płynnego rozbiegu,
- łatwe sterowanie ruchem maszyny.
Konspekt: Sprzęgła i przekładnie hydrokinetyczne 1
1.1 Zasadnicze parametry ruchu obrotowego
Napęd charakteryzują następujące parametry: sprawność, przeło\
enie dynamiczne i kinematyczne.
Sprawność napędu jest to stosunek mocy N2 otrzymywanej z napędu do mocy N1 doprowadzonej do napędu:
� = N2 /N1.
Ruch obrotowy wału charakteryzuje się dwoma parametrami: momentem obrotowym i prędkością
kątową. Parametry te najczęściej ulegają zmianie i zmiany te określane są przez przeło\
enie dynamiczne i
kinematyczne.
Przeło\
enie dynamiczne i jest to stosunek momentu M2 na wale wyjściowym do momentu M1
d
doprowadzonego na wał wejściowy
M
2
id = .
M1
Przeło\
enie kinematyczne ik określa stosunek prędkości kątowej �2 wału wyjściowego napędu do
prędkości kątowej �1 wału wejściowego
�
2
ik = .
�1
Ta definicja przeło\
enia kinematycznego jest odwrotna ni\
podawana w literaturze z podstaw konstrukcji
maszyn i nale\
y przy analizowaniu charakterystyk napędowych zwracać uwagę na definicję tego przeło\
enia.
W napędach u\
ywa się często pojęcia poślizgu względnego s, zdefiniowanego następująco:
s= (�1-�2)/�1 albo s = 1- ik .
Sprawność całkowitą mo\
na równie\
zapisać jako:
� = N2 /N1 = (M2*�2)/(M1*�1) = id * ik .
1.2 Urządzenia hydrauliczne stosowane w napędach jazdy
Do urządzeń tych zaliczamy:
- hydraulicznie sterowane sprzęgła i hamulce,
- sprzęgła i przekładnie hydrokinetyczne, zwalniacze (hamowanie hydrokinetyczne),
- przekładnie hydrostatyczne.
Z hydraulicznym sterowaniem sprzęgieł i hamulców mo\
na było się zapoznać na wykładach z
przedmiotu  Podstawy konstrukcji maszyn i w tym opracowaniu nie będzie to zagadnienie omawiane.
2. Sprzęgła hydrokinetyczne
Sprzęgła i przekładnie hydrokinetyczne wykorzystują do przenoszenia ruchu energię kinetyczną cieczy.
Sprzęgło hydrokinetyczne (rys.2) składa się z trzech elementów: wirnika pompy, wirnika turbiny i obudowy.
Wirniki wykonane są w postaci czasz wyposa\
onych w szereg promieniowych łopatek. Wirnik pompy
połączony jest z wałem wejściowym a wirnik turbiny z wałem wyjściowym. Obudowa, w której
zamontowane są wirniki, stanowi najczęściej hermetycznie zamknięty zbiornik napełniony w 85-90% cieczą
(np. olejem turbinowym).
Zasada pracy sprzęgła jest następująca. Obracający się wirnik pompy wprawia cząsteczki cieczy
znajdujące się w kanałach w ruch wirowy dookoła osi obrotu wirnika. Pod wpływem powstających przy
ruchu obrotowym sił odśrodkowych działających na cząsteczki cieczy powstaje przepływ cieczy w kierunku
od środka do zewnątrz. Przy przepływie cieczy przez kanały międzyłopatkowe obracającego się wirnika
pompy w kierunku coraz większej średnicy, następuje przyspieszenie cząstek cieczy w kierunku
obwodowym i zwiększenie ich prędkości obwodowej. Jest to równoznaczne ze zwiększeniem energii
kinetycznej przepływającej cieczy. Wychodzący z du\
ą prędkością z wirnika pompy strumień cieczy wpada
do wirnika turbiny. Tu przepływając wzdłu\
kanałów międzyłopatkowych w kierunku coraz mniejszej
średnicy, cząsteczki zmniejszają swoją prędkość. Wią\
e się to ze zmniejszeniem energii kinetycznej cieczy i
powstawaniem reakcji strumienia na łopatki wirnika turbiny (siły Coriolisa). Siły reakcji strumienia
powodują obracanie się wirnika turbiny w kierunku zgodnym z kierunkiem obracania się wirnika pompy.
Wypływający z wirnika turbiny strumień cieczy wpada ponownie do wirnika pompy i w ten sposób obieg
cieczy między wirnikami odbywa się w sposób ciągły.
Konspekt: Sprzęgła i przekładnie hydrokinetyczne 2
Rys. 2 Sprzęgło hydrokinetyczne: 1  wirnik pompy, 2  wirnik turbiny, 3  obudowa, 4  wał wyjściowy, 6 
łopatki, 7  ło\
ysko wału wejściowego, 8  ło\
ysko wału wyjściowego, 9 i 10  ło\
yska wewnętrzne sprzęgła, 11 -
uszczelnienie
Moment obrotowy w sprzęgle hydrokinetycznym przenoszony jest dwoma drogami:
- drogą hydrauliczną (za pomocą cieczy wypełniającej sprzęgło)- moment Mh
- oraz drogą mechaniczną za pomocą momentów tarcia w ło\
yskach i w uszczelnieniach - moment Mm
(stanowi bardzo małą część momentu całkowitego).
Moment obrotowy przenoszony przez ciecz składa się z dwóch części:
- dzięki wykorzystaniu zmian energii kinetycznej cieczy krą\
ącej między wirnikami, przy czym przyrost tej
energii odbywa się w wirniku pompy, a ubytek w wirniku turbiny,
- dzięki tarciu między cząsteczkami cieczy (naprę\
enia styczne w cieczy) związanych z wałem wejściowym
i wałem wyjściowym. Przez naprę\
enia styczne w cieczy przenoszone jest około 5% momentu całkowitego i
to przy ik H" 0.
Zasadnicza część momentu obrotowego przenoszona jest dzięki energii kinetycznej cieczy. Dzieli się ona na
dwie części, a mianowicie na:
- moment akcyjny związany ze zmianą ilości ruchu masy cieczy przy wlocie do wirnika turbiny oraz
- moment reakcyjny (powstaje w wirniku turbiny wskutek zmian ilości ruchu masy cieczy przepływającej w
kanałach wirnika).
Rys. 3 Charakterystyka sprzęgła hydrokinetycznego przy stałej prędkości obrotowej wirnika pompy: 1  moment
przenoszony przez sprzęgło, 2  sprawność sprzęgła
Konspekt: Sprzęgła i przekładnie hydrokinetyczne 3
Jeśli pominąć niewielkie momenty tarcia osłony sprzęgła o otaczające powietrze i straty tarcia w ło\
yskach
zewnętrznych to moment M1=M2 , a stąd przeło\
enie dynamiczne sprzęgła jest równe id=1. Natomiast
przeło\
enie kinematyczne ik nie jest równe jedności i w dodatku jest zmienne w zale\
ności od warunków
obcią\
enia sprzęgła.
Od szybkości krą\
enia cieczy między wirnikami zale\
y wielkość reakcji wywieranych przez strumień
na łopatki wirników. Im szybkość ta jest większa, tym większe są i reakcje, a zatem i momenty przenoszone
przez sprzęgło.
Jak stąd wynika wielkość momentu przenoszonego przez sprzęgło zale\
y zarówno od prędkości obrotowej
wirnika pompy, jak i od stosunku prędkości obrotowych obu wirników, czyli od przeło\
enia kinematycznego
ik . Charakterystykę pracy sprzęgła hydrokinetycznego przedstawiono na rysunku 3.
Moment przenoszony przez sprzęgło mo\
na opisać wzorem:
M = fM*n12*D5 ,
gdzie: fM = f(ik) współczynnik momentu (z teorii podobieństwa sprzęgieł),
n1 - prędkość obrotowa wirnika pompy,
D - średnica nominalna sprzęgła.
Charakterystyka sprzęgła oraz wartość fM zale\
ą od kształtu wirników, stosunków wymiarowych, liczby
łopatek oraz od rodzaju cieczy (gęstości i lepkości). Moment maksymalny sprzęgła mo\
na podczas
eksploatacji zmienić przez zmianę stopnia napełnienia olejem jego obudowy.
Podsumowując nale\
y podkreślić, \
e sprzęgła hydrokinetyczne nie dają zmiany momentu obrotowego
przy przenoszeniu ruchu, tzn. ich przeło\
enie dynamiczne id H" 1, natomiast pracują ze zmiennym, zale\
nym
od warunków obcią\
enia przeło\
eniem kinematycznym ik .
2.1 Zalety sprzęgieł hydrokinetycznych:
- płynne ruszanie i płynny rozbieg pod obcią\
eniem,
- mo\
liwość uzyskania du\
ego momentu obrotowego na wale wyjściowym przy ruszaniu,
- mo\
liwość zatrzymania wału wyjściowego przy pracującym na maksymalnych obrotach silniku bez
konieczności jego odłączania,
- łatwość i szeroki zakres regulacji momentu obrotowego i prędkości obrotowej na wale wyjściowym
przez operowanie pedałem gazu silnika bez obawy jego zatrzymania,
- zmniejszenie drgań skrętnych i nagłych zmian obcią\
enia przy przenoszeniu momentu obrotowego
w obu kierunkach.
2.2 Wady:
- obni\
enie mocy maksymalnej na wale wyjściowym w stosunku do mocy silnika,
- pogorszenie wskaz
ników ekonomicznych (większe zu\
ycie paliwa),
- niska sprawność i du\
e straty mocy w sprzęgle przy małych przeło\
eniach kinematycznych i pracy z
pełnym obcią\
eniem,
- pogorszenie hamowania silnikiem.
3. Przekładnie hydrokinetyczna
Przekładnia hydrokinetyczna podobna jest w budowie do sprzęgła hydrokinetycznego. Ró\
ni się od
niego tym, \
e posiada trzeci wirnik (najczęściej nieruchomy) zwany wirnikiem kierownicy (rys.4).
Obieg cieczy w przekładni odbywa się na tej samej zasadzie jak w sprzęgle. Zadaniem nieruchomego
wirnika kierownicy jest wywołanie odpowiednio skierowanego momentu reakcyjnego przez zmianę
kierunku przepływającej cieczy.
Konspekt: Sprzęgła i przekładnie hydrokinetyczne 4
 Pomijając niewielkie momenty tarcia obudowy przekładni o otaczające powietrze i momenty tarcia
w ło\
yskach i uszczelnieniach, mo\
na napisać dla przekładni następujące równanie momentów:
M1 - M2 +M3 = 0 , stąd: M2=M1+M3 .
Przeło\
enie dynamiczne:
id = M2 /M1 = (M1 + M3)/ M1 = 1+ M3/M1 .
Rys. 4 Przekładnia hydrokinetyczna: 1  wirnik pompy, 2  wirnik turbiny, 3  wirnik kierownicy, 4  obudowa, 5
 wał wejściowy, 6  wał wyjściowy, 7, 8, 9, 10  ło\
yska, 11, 12 - uszczelnienia
Zatem przekładnia hydrokinetyczna przy przenoszeniu ruchu obrotowego powoduje zmianę momentu
obrotowego, jeśli tylko moment na kierownicy M3 `" 0. W przypadku kiedy moment na kierownicy M3
będzie miał kierunek zgodny z kierunkiem momentu M1, wówczas id >1. Natomiast, jeśli moment M3 będzie
miał kierunek przeciwny do M1 to id <1. Widać więc, \
e przekładnia hydrokinetyczna zwiększa znacznie
moment obrotowy na wale wyjściowym w stosunku do momentu na wale wejściowym.
Przekładnie hydrokinetyczne mo\
na podzielić na:
- jednozakresowe, w których wirnik kierownicy jest unieruchomiony na stałe. Przy wzroście przeło\
enia
kinematycznego moment reakcyjny M3 najpierw spada do zera a następnie osiąga wartość ujemną, co
daje przeło\
enie dynamiczne poni\
ej jedności. Jest to niekorzystne.,
- dwuzakresowe, mogące pracować w zakresie charakterystyki przekładni i charakterystyki sprzęgła
hydrokinetycznego. Wirnik kierownicy tych przekładni osadzony jest na wale za pomocą wolnego koła.
Dzięki temu kierownica mo\
e przenosić jedynie moment reakcyjny o takim kierunku, który powoduje
zwiększenie momentu na wirniku turbiny. Po przekroczeniu punktu sprzęgnięcia, gdy moment na wirniku
kierownicy zmienia kierunek, wirnik ten zaczyna się swobodnie obracać na wolnym kole i przekładnia
pracuje wtedy jak sprzęgło hydrokinetyczne.
Charakterystyki tych przekładni przedstawiono na rysunku 4a.
Przekładnie mo\
na równie\
podzielić na:
- przekładnie o stałej charakterystyce, których charakterystyki nie mo\
na zmieniać w czasie pracy,
- przekładnie o regulowanej (zmiennej) charakterystyce. Najczęściej charakterystykę zmienia się
przez zmianę ustawienia łopatek wirników w czasie pracy za pomocą dz
wigni (sprzęgła zmieniają
charakterystykę przez zmianę stopnia napełnienia obudowy cieczą).
Przekładnie hydrokinetyczne nale\
ą więc do przekładni o ciągłej i samoczynnej zmianie przeło\
enia
dynamicznego, przy czym przeło\
enie to zmienia się w funkcji przeło\
enia kinematycznego. Praktycznie
daje to wzrost przeło\
enia dynamicznego przekładni w miarę wzrostu obcią\
enia.
Konspekt: Sprzęgła i przekładnie hydrokinetyczne 5
Rys.4a Charakterystyka sprawnościowa i przeło\
enie dynamiczne przekładni hydrokinetycznej w funkcji przeło\
enia
kinematycznego
3.1 Zalety przekładni hydrokinetycznych:
- mo\
liwość uzyskania na wale wyjściowym przy ruszaniu z miejsca maksymalnego momentu
obrotowego silnika, pomno\
onemu dodatkowo przez przeło\
enie dynamiczne przekładni,
- płynne ruszanie i płynny rozbieg pod obcią\
eniem,
- łatwość dostosowywania się przekładni hydrokinetycznej do zwiększonych obcią\
eń zarówno przy
ruszaniu z miejsca i rozbiegu, jak i w czasie normalnej pracy, bez obawy przecią\
enia silnika (dzieje się to
dzięki ciągłej, bezstopniowej zmianie przeło\
enia dynamicznego przekładni, zachodzącego samoczynnie w
zale\
ności od obcią\
enia wału wyjściowego),
- mo\
liwość zatrzymania wału wyjściowego przy pracującym silniku bez konieczności rozłączania
napędu, a tak\
e mo\
liwość uruchamiania silnika przy zatrzymanym wale,
- łatwość i szeroki zakres regulacji momentu obrotowego i prędkości obrotowej przez proste operowanie
pedałem gazu silnika,
- zmniejszenie drgań skrętnych i nagłych zmian obcią\
enia przy przenoszeniu momentu obrotowego
zarówno z wału silnika na koła, jak i na odwrót.
3.2 Wady:
- obni\
enie mocy maksymalnej na wale wyjściowym w stosunku do mocy maksymalnej
silnika,
- pogorszenie wskaz
ników ekonomicznych (zwiększone zu\
ycie paliwa przez silnik),
- pogorszenie warunków hamowania silnikiem.
4. Zwalniacze
Zwalniacze zbudowane są podobnie jak sprzęgła hydrokinetyczne z tym, \
e wirnik turbiny jest
nieruchomy i na nim wytracana jest energia hamowania pojazdu. Podgrzany olej w procesie hamowania jest
schładzany w chłodnicy zwalniacza. Zwalniacze mogą być zabudowane bezpośrednio w skrzyniach biegów
pojazdów lub jako oddzielne podzespoły w układzie napędowym. Wydłu\
ają one trwałość hamulcy
ciernych, które pracują tylko w końcowym procesie hamowania (prędkość pojazdu odpowiada prędkości
pieszego) lub przy gwałtownym hamowaniu awaryjnym. Zwalniacze mogą być załączone lub wyłączone z
pracy. Główne zastosowania zwalniaczy to: autobusy miejskie, pojazdy cię\
arowe poruszające się w
terenach górzystych, lokomotywy spalinowe napędzające kolejki podmiejskie.
Konspekt: Sprzęgła i przekładnie hydrokinetyczne 6