PROFILBARU.COM

Hydrodynamická spojka – schéma (vlevo čerpadlo, vpravo turbína)

Hydrodynamická spojka je konstrukčně nejjednodušší hydrodynamické zařízení k přenosu kroutícího momentu.^[1]^[2] Je využívána v různých oblastech dopravy jako alternativa k mechanické spojce. Její využití se neomezuje jen na silniční a kolejová vozidla, ale nachází uplatnění i v lodní dopravě, u nejrůznějších přepravních mechanizmů, stavebních strojů a dalších zařízení, kde je požadován plynulý rozběh i se zátěží. Hydrodynamické spojky se vyrábějí v různých velikostech dle přenášeného momentu, resp. výkonu, který se pohybuje řádově v rozmezí jednotek až tisíců kilowattů. Na rozdíl od hydrodynamického měniče nezvyšuje kroutící moment.

Vznik a vývoj

Hydrodynamickou spojku vynalezl Dr. Hermann Föttinger, vedoucí konstruktér loděnic Vulcan ve Štětíně, tehdy ještě v Německu.^[3] Jeho patent z roku 1905 obsahoval hydrodynamickou spojku i hydrodynamický měnič.

V roce 1930 zkonstruoval Harold Sinclair, zaměstnanec společnosti Daimler company, planetovou převodovku s hydrodynamickou spojkou. Jeho cílem bylo odstranit trhavé rozjezdy autobusů, které sám zažil ve 20. letech při pobytu v Londýně.^[3]

V roce 1939 představila společnost General Motors převodovku hydramatic – první zcela automatickou převodovku (s hydrodynamickou spojkou) použitou u sériově vyráběných automobilů.^[3]

První motorovou lokomotivu s převodovkou se dvěma měniči a jednou hydrodynamickou spojkou navrhl Föttinger již roku 1926, tento projekt se ale neuskutečnil. ^[4]

Vlastnosti

Hydrodynamická spojka má několik vlastností, které určují její použití:^[1]

Výhody

moment i otáčky na vstupní i výstupní straně nemohou překročit určité meze dané vlastnostmi kapaliny a konstrukcí dané spojky
výstupní moment lze regulovat množstvím náplně
spojka díky své konstrukci tlumí rázy a výkyvy v zatížení a kmitání torzního charakteru
umožňuje hladký rozeběh
při paralelním spojení motorů pohánějících společný výstupní hřídel vyrovnává spojka jejich zatížení
vysoká účinnost – až 97–98%

Nevýhody

nižší účinnost ve srovnání s mechanickou spojkou
ohřev náplně při vysokém zatížení

Konstrukce

Hydrodynamická spojka je složena ze tří základních částí:

Skříň, která musí být dostatečně těsná proti úniku kapaliny, zejména v oblasti prostupu hřídelů
Čerpadlo
Turbína

Kapalina se v lopatkách čerpadlového kola dostává vlivem odstředivé síly k jeho vnějšímu okraji. Zde přechází do lopatek turbíny. Pokud má turbína jiné otáčky, než čerpadlo, dochází k silovému působení proudící kapaliny na lopatky v obvodovém směru a tím ve výsledku k přenosu kroutícího momentu. Kapalina zbrzděná v lopatkách turbíny proudí směrem k hřídeli. V principu může spojka přenášet výkon oběma směry, čili lze ji použít i k brzdění motorem. Zvláštním případem spojky je spojka s pevným turbínovým kolem. Taková spojka se nazývá hydrodynamická brzda. Spojka může být naplněná kapalinou částečně nebo úplně. Tím se mění velikost přenášeného momentu.

Skluz

Hydrodynamická spojka musí mít na výstupu vždy nižší otáčky, než na vstupu, jinak kapalina ve spojce neproudí a spojka nepřenáší žádný moment.^[5] Proto nemůže hydrodynamická spojka pracovat se 100% účinností. Ztráty způsobené třením v kapalině a turbulencemi se mění na teplo.

V optimálním případě dosahuje účinnost spojky 94 % – to znamená, že otáčky na výstupu dosahují 94 % otáček na vstupu. Podobně jako u jiných hydrodynamických zařízení má účinnost tendenci stoupat se vzrůstající velikostí, jak udává Reynoldsovo číslo.

Přenosová kapalina

Jelikož toto zařízení využívá kinetické energie kapaliny, je žádoucí, aby tato kapalina měla nízkou viskozitu.^[5] Obecně je možné použít motorový olej nebo hydraulický olej. S vyšší hustotou kapaliny se zvyšuje i velikost momentu, který je možné spojkou přenést. Kromě olejů se v některých případech využívá i voda, ale ta má nevýhodu v problematickém těsnění ložisek, do kterých nesmí voda proniknout.^[6]

Hydrodynamická brzda

Jak již bylo zmíněno výše, hydrodynamickou spojku s pevnou (neotočnou) turbínou lze využít k brzdění. Tato aplikace se nazývá retardér.^[7] U retardéru je nutné zajistit dostatečný odvod vzniklého tepla.

Aplikace

Průmysl

Hydraulické spojky nacházejí uplatnění všude tam, kde je nutné zajistit velmi plynulý rozběh nebo velmi mírnou reakci na proměnné zatížení. ^[8]^[9]

Kolejová doprava

Hydrodynamické spojky jsou použity v některých motorových lokomotivách a vozech, nejčastěji spolu s hydrodynamickým měničem (měniči) pro jednotlivé jízdní stupně v hydrodynamických převodovkách. U některých motorových vozů a jednotek jsou součástí automatických převodovek.

Silniční vozidla

Hydrodynamické spojky byly součástí poloautomatických a automatických převodovek až do konce 40. let 20. století, kdy byly vytlačeny měniči. Dodnes se často používá v pohonu chladicího ventilátoru chladiče motoru pro zajištění optimální provozní teploty – skluz spojky a tím otáčky a příkon ventilátoru jsou regulovány v závislosti na teplotě chladicí kapaliny.

Letectví

Nejznámější bylo použití u motoru Wright R-3350 se systémem Turbo-Compound. Tento systém se skládal ze tří turbín poháněných výfukovými plyny, které byly prostřednictvím hydrodynamické spojky připojeny na klikový hřídel motoru. Cílem bylo zvýšení účinnosti motoru využitím energie výfukových plynů.^[10]

Výroba

Hydrodynamická spojka představuje poměrně jednoduchý výrobek. Čerpadlo i turbína mohou být odlity z hliníkové slitiny nebo lisované z oceli, skříň může být odlévaná nebo kovaná.