Acoplamento de fluido - Fluid coupling

Volante fluido para automóveis Daimler dos anos 1930

Um acoplamento de fluido ou acoplamento hidráulico é um dispositivo hidrodinâmico ou 'hidrocinético' usado para transmitir potência mecânica rotativa. Ela tem sido usada em transmissões de automóveis como uma alternativa à embreagem mecânica . Ele também tem ampla aplicação em acionamentos de máquinas marinhas e industriais, onde a operação com velocidade variável e partida controlada sem carga de choque do sistema de transmissão de força é essencial.

Os acionamentos hidrocinéticos, como este, devem ser diferenciados dos acionamentos hidrostáticos , como as combinações de bomba hidráulica e motor .

História

O acoplamento fluido se origina do trabalho de Hermann Föttinger , que foi o designer-chefe da AG Vulcan Works em Stettin . Suas patentes de 1905 cobriam acoplamentos de fluido e conversores de torque .

O Dr. Gustav Bauer do Vulcan-Werke colaborou com o engenheiro inglês Harold Sinclair da Hydraulic Coupling Patents Limited para adaptar o acoplamento Föttinger à transmissão do veículo em uma tentativa de mitigar a oscilação que Sinclair experimentou enquanto andava em ônibus de Londres durante a década de 1920, após as discussões de Sinclair com o A London General Omnibus Company começou em outubro de 1926, e os testes em um chassi de ônibus da Associated Daimler, Percy Martin da Daimler decidiu aplicar o princípio aos carros particulares do grupo Daimler.

Durante 1930, a Daimler Company of Coventry, na Inglaterra, começou a introduzir um sistema de transmissão usando um acoplamento fluido e uma caixa de câmbio com troca automática de Wilson para ônibus e seus carros principais . Em 1933, o sistema foi usado em todos os novos veículos Daimler, Lanchester e BSA produzidos pelo grupo, desde veículos comerciais pesados ​​até carros pequenos. Ele logo foi estendido aos veículos militares da Daimler. Esses acoplamentos são descritos como construídos sob as patentes Vulcan-Sinclair e Daimler.

Em 1939, a General Motors Corporation lançou o Hydramatic drive , o primeiro sistema de transmissão automotiva totalmente automático instalado em um automóvel produzido em massa. O Hydramatic empregou um acoplamento fluido.

As primeiras locomotivas a diesel usando acoplamentos fluidos também foram produzidas na década de 1930

Visão geral

Acoplamento de fluido na transmissão industrial modelo KPTO da Transfluid.

Um acoplamento de fluido consiste em três componentes, mais o fluido hidráulico :

• A carcaça, também conhecida como carcaça (que deve ter uma vedação à prova de óleo ao redor dos eixos de transmissão), contém o fluido e as turbinas.
• Duas turbinas (componentes em forma de leque):
  • Um conectado ao eixo de entrada; conhecido como bomba ou impulsor , turbina de entrada de roda primária
  • O outro ligado ao eixo de saída, conhecido como a turbina , turbina de saída , roda secundária ou corredor

A turbina motriz, conhecida como a 'bomba', (ou toro motriz ) é girada pelo motor principal , que normalmente é um motor de combustão interna ou motor elétrico . O movimento do impulsor transmite movimento linear e rotacional para fora ao fluido.

O fluido hidráulico é dirigido pela 'bomba' cuja forma força o fluxo na direção da 'turbina de saída' (ou toro acionado ). Aqui, qualquer diferença nas velocidades angulares do 'estágio de entrada' e 'estágio de saída' resulta em uma força líquida na 'turbina de saída' causando um torque; fazendo com que ele gire na mesma direção da bomba.

O movimento do fluido é efetivamente toroidal - viajando em uma direção em caminhos que podem ser visualizados como se estivessem na superfície de um toro :

• Se houver uma diferença entre as velocidades angulares de entrada e saída, o movimento tem um componente poloidal
• Se os estágios de entrada e saída têm velocidades angulares idênticas, não há força centrípeta líquida - e o movimento do fluido é circular e coaxial com o eixo de rotação (ou seja, ao redor das bordas de um toro), não há fluxo de fluido de uma turbina para a outra.

Velocidade de estol

Uma característica importante de um acoplamento de fluido é sua velocidade de estol. A velocidade de estol é definida como a velocidade mais alta na qual a bomba pode girar quando a turbina de saída é travada e o torque de entrada total (na velocidade de estol) é aplicado. Em condições de estol, toda a potência do motor naquela velocidade seria dissipada no acoplamento de fluido como calor, possivelmente causando danos.

Acoplamento de circuito de etapa

Uma modificação no acoplamento de fluido simples é o acoplamento de circuito de degrau que foi fabricado anteriormente como o "acoplamento STC" pela Fluidrive Engineering Company.

O acoplamento STC contém um reservatório para o qual parte do óleo, mas não todo, gravita quando o eixo de saída está parado. Isso reduz o "arrasto" no eixo de entrada, resultando em menor consumo de combustível durante a marcha lenta e uma redução na tendência do veículo de "arrastar-se".

Quando o eixo de saída começa a girar, o óleo é jogado para fora do reservatório pela força centrífuga e retorna ao corpo principal do acoplamento, de modo que a transmissão de energia normal seja restaurada.

Escorregar

Um acoplamento de fluido não pode desenvolver torque de saída quando as velocidades angulares de entrada e saída são idênticas. Conseqüentemente, um acoplamento fluido não pode atingir 100 por cento de eficiência de transmissão de energia. Devido ao deslizamento que ocorrerá em qualquer acoplamento de fluido sob carga, alguma energia sempre será perdida no atrito e turbulência do fluido e dissipada como calor. Como outros dispositivos dinâmicos de fluido, sua eficiência tende a aumentar gradualmente com o aumento da escala, conforme medido pelo número de Reynolds .

Fluido hidraulico

Como um acoplamento de fluido opera cineticamente, os fluidos de baixa viscosidade são preferidos. De um modo geral, são usados óleos de motor multi-grade ou fluidos de transmissão automática . O aumento da densidade do fluido aumenta a quantidade de torque que pode ser transmitido a uma determinada velocidade de entrada. No entanto, os fluidos hidráulicos, assim como outros fluidos, estão sujeitos a mudanças na viscosidade com a mudança de temperatura. Isso leva a uma mudança no desempenho da transmissão e, portanto, quando a alteração indesejada de desempenho / eficiência deve ser mantida em um nível mínimo, um óleo de motor ou fluido de transmissão automática, com um alto índice de viscosidade, deve ser usado.

Frenagem hidrodinâmica

Os acoplamentos fluidos também podem atuar como freios hidrodinâmicos , dissipando a energia rotacional como calor por meio de forças de atrito (viscosas e fluido / recipiente). Quando um acoplamento de fluido é usado para frenagem, ele também é conhecido como retardador .

Controle de colher

A operação correta de um acoplamento de fluido depende de ele ser corretamente preenchido com fluido. Um acoplamento com preenchimento insuficiente não será capaz de transmitir o torque total e o volume de fluido limitado também poderá superaquecer, muitas vezes com danos às vedações.

Se um acoplamento for deliberadamente projetado para operar com segurança quando estiver insuficientemente cheio, geralmente fornecendo um amplo reservatório de fluido que não está acoplado ao impulsor, o controle de seu nível de enchimento pode ser usado para controlar o torque que pode transmitir e, em alguns casos para também controlar a velocidade de uma carga.

O controle do nível de enchimento é feito com uma 'concha', um tubo não giratório que entra no acoplamento giratório por meio de um cubo central fixo. Ao mover esta colher, girando-a ou estendendo-a, ele coleta o fluido do acoplamento e o retorna para um tanque de retenção fora do acoplamento. O óleo pode ser bombeado de volta para o acoplamento quando necessário, ou alguns projetos usam alimentação por gravidade - a ação da colher é suficiente para elevar o fluido para o tanque de retenção, movido pela rotação do acoplamento.

O controle de colher pode ser usado para controle fácil e contínuo da transmissão de torques muito grandes. A locomotiva a diesel Fell , uma locomotiva ferroviária a diesel experimental britânica da década de 1950, usava quatro motores e quatro acoplamentos, cada um com controle de pá independente, para engatar cada motor por vez. É comumente usado para fornecer drives de velocidade variável .

Formulários

Industrial

Os acoplamentos fluidos são usados ​​em muitas aplicações industriais envolvendo potência rotacional, especialmente em acionamentos de máquinas que envolvem partidas de alta inércia ou carregamento cíclico constante.

Transporte ferroviário

Os acoplamentos de fluido são encontrados em algumas locomotivas Diesel como parte do sistema de transmissão de força. A Self-Changing Gears fez transmissões semiautomáticas para a British Rail, e a Voith fabrica turbo-transmissões para unidades múltiplas a diesel que contêm várias combinações de acoplamentos de fluido e conversores de torque.

Automotivo

Os acoplamentos de fluido foram usados ​​em uma variedade de transmissões semiautomáticas e transmissões automáticas . Desde o final dos anos 1940, o conversor de torque hidrodinâmico substituiu o acoplamento fluido em aplicações automotivas .

Em aplicações automotivas , a bomba normalmente é conectada ao volante do motor - na verdade, o invólucro do acoplamento pode ser parte do volante propriamente dito e, portanto, é girado pelo virabrequim do motor . A turbina é conectada ao eixo de entrada da transmissão . Enquanto a transmissão está engrenada, conforme a velocidade do motor aumenta, o torque é transferido do motor para o eixo de entrada pelo movimento do fluido, impulsionando o veículo. A este respeito, o comportamento do acoplamento de fluido se assemelha fortemente ao de uma embreagem mecânica acionando uma transmissão manual .

Os volantes fluidos, distintos dos conversores de torque, são mais conhecidos por seu uso em carros Daimler em conjunto com uma caixa de câmbio pré-seletora Wilson . Daimler usou estes em toda a sua gama de carros de luxo, até mudar para caixas de câmbio automáticas com o Majestic 1958 . Daimler e Alvis também eram conhecidos por seus veículos militares e carros blindados, alguns dos quais também usavam a combinação de caixa de câmbio pré-seletor e volante fluido.

Aviação

O uso mais proeminente de acoplamentos de fluido em aplicações aeronáuticas foi nos motores DB 601 , DB 603 e DB 605 , onde foi usado como uma embreagem hidráulica controlada barometricamente para o compressor centrífugo e o motor alternativo turbo-composto Wright , nos quais três recuperações de potência as turbinas extraíram aproximadamente 20 por cento da energia ou cerca de 500 cavalos (370 kW) dos gases de escapamento do motor e, em seguida, usando três acoplamentos de fluido e engrenagens, converteram a rotação da turbina de alta velocidade de baixo torque em saída de baixa velocidade e alto torque para conduzir a hélice .

Cálculos

De um modo geral, a capacidade de transmissão de energia de um determinado acoplamento de fluido está fortemente relacionada à velocidade da bomba, uma característica que geralmente funciona bem com aplicações onde a carga aplicada não flutua em um grande grau. A capacidade de transmissão de torque de qualquer acoplamento hidrodinâmico pode ser descrita pela expressão , onde é a densidade de massa do fluido, é a velocidade do impulsor e é o diâmetro do impulsor. No caso de aplicações automotivas, onde o carregamento pode variar a extremos consideráveis, é apenas uma aproximação. A direção pare e vá tenderá a operar o acoplamento em sua faixa menos eficiente, causando um efeito adverso na economia de combustível . ${\ displaystyle r (n ^ {2}) (d ^ {5})}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle n}$${\ displaystyle d}$${\ displaystyle r (n ^ {2}) (d ^ {5})}$

Fabricar

Os acoplamentos de fluido são componentes relativamente simples de produzir. Por exemplo, as turbinas podem ser fundidas de alumínio ou aço estampado e o alojamento também pode ser fundido ou feito de aço estampado ou forjado.

Os fabricantes de acoplamentos de fluido industrial incluem Voith , Transfluid , TwinDisc, Siemens , Parag, Fluidomat, Reuland Electric e TRI Transmission and Bearing Corp.

Patentes

Lista de patentes de acoplamento de fluido.

Esta lista não é exaustiva, mas pretende dar uma ideia do desenvolvimento dos acoplamentos fluidos no século XX.

Veja também

• Amplificador de torque
• Conversor de torque
• Freio de água

Notas

Referências

links externos

• Acoplamento de fluido, os princípios de operação, filme [15]