유압 커플링이란 무엇이며 유체 동력 시스템에서 어떻게 작동합니까?

소개

기계식 클러치를 서로 부딪혀 거대한 산업용 컨베이어 벨트나 선박의 프로펠러를 작동시키려고 한다고 상상해 보십시오. 갑작스러운 충격으로 인해 기어가 끊어지고 엔진이 손상될 수 있으며 근처에 있는 모든 사람에게 불편한 경험을 선사할 수 있습니다. 유체 커플링이라고도 알려진 유압 커플링이 우아한 솔루션을 제공하는 곳입니다. 견고한 금속 대 금속 접촉 대신에 이 영리한 장치는 액체만을 사용하여 한 회전 샤프트에서 다른 회전 샤프트로 부드럽고 효율적으로 동력을 전달합니다.

유압 커플링 1905년에 이 개념에 대해 특허를 낸 독일 엔지니어 Hermann Föttinger의 작업에서 유래하여 100년 넘게 사용되었습니다. 오늘날에는 자동차의 자동 변속기부터 대규모 산업 기계, 해양 추진 시스템, 심지어 디젤 기관차까지 모든 곳에서 찾아볼 수 있습니다. 그러나 널리 사용됨에도 불구하고 많은 사람들은 그것이 무엇인지, 어떻게 작동하는지 완전히 이해하지 못합니다.

유압 커플링이란 무엇입니까?

정의 및 핵심 개념

에이 유압 커플링 —라고도 함 유체 커플링 또는 유체역학적 커플링 — 액체, 일반적으로 오일을 전송 매체로 사용하여 한 샤프트에서 다른 샤프트로 회전하는 기계적 동력을 전달하는 장치입니다. 마찰판을 사용하는 기계식 클러치나 맞물리는 톱니를 사용하는 기어박스와 달리 유압 커플링은 직접적인 기계적 연결이 없음 입력 샤프트와 출력 샤프트 사이. 대신, 유체의 운동 에너지를 통해 동력이 흐릅니다.

"유압 커플링"이라는 용어는 실제로 두 가지 별개의 장치 범주를 나타낼 수 있으며 이러한 구별을 이해하는 것이 중요합니다. Britannica에 따르면 유압 동력 전달 시스템에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.

이 기사는 다음에 중점을 둡니다. 유체 역학적 유체 커플 링 , 회전 동력 전달에 사용됩니다. 정수압 시스템(유압 펌프 및 모터)은 "유압"이라고도 불리지만 완전히 다른 기술입니다.

세 가지 주요 구성 요소

에이 simple fluid coupling consists of three primary components, plus the hydraulic fluid that fills the working chamber :

하우징(쉘) – 이것은 유체와 두 개의 터빈을 포함하는 외부 케이싱입니다. 누출을 방지하기 위해 구동축 주위에 오일 밀봉이 있어야 합니다. 하우징은 입력 샤프트와 펌프 임펠러 사이의 물리적 연결 역할도 합니다.

펌프(임펠러) – 이 팬과 같은 구성 요소는 원동기(전기 모터, 내연 기관 또는 증기 터빈)에서 나오는 입력 샤프트에 직접 연결됩니다. 원동기가 회전하면 펌프도 정확히 같은 속도로 함께 회전합니다. 펌프에는 유체를 밀고 방향을 지정하는 방사형 블레이드(일반적으로 20~40개)가 포함되어 있습니다.

터빈(러너) – 이 두 번째 팬 모양의 구성 요소는 펌프를 향하고 부하(예: 컨베이어, 펌프 또는 차량 변속기)를 구동하는 출력 샤프트에 연결됩니다. 터빈은 펌프에 기계적으로 연결되어 있지 않습니다. 펌프가 던지는 유체에만 닿습니다.

토크 컨버터와의 차이점

유압 커플링이 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 아니 토크 컨버터와 동일하지만 둘은 종종 혼동됩니다. 기본 유체 커플링은 토크를 곱하지 않고 전달합니다. 출력 토크는 입력 토크와 같습니다(사소한 손실 제외). 이와 대조적으로 토크 컨버터에는 다음과 같은 추가 구성 요소가 포함됩니다. 고정자 저속에서 실제로 토크를 배가시키기 위해 유체 흐름의 방향을 바꾸는 것입니다. 자동차 응용 분야에서 토크 컨버터는 더 나은 저속 성능을 제공하기 때문에 1940년대 후반부터 단순 유체 커플링을 대체해 왔습니다. 그러나 유체 커플링은 토크 배가 필요하지 않은 산업 환경에서 널리 사용됩니다.

유압 커플링은 어떻게 작동하나요?

푀팅거 원리

모든 현대식 유압 커플링은 다음과 같이 작동합니다. Föttinger 원리 , 1905년에 이 개념에 대해 처음으로 특허를 낸 독일 엔지니어의 이름을 따서 명명되었습니다. 원리는 믿을 수 없을 정도로 간단합니다. 펌프가 유체를 바깥쪽으로 가속시키고, 움직이는 유체가 터빈에 부딪혀 회전하게 됩니다. 그런 다음 유체는 펌프로 돌아와 사이클을 반복합니다.

기름으로 가득 찬 밀봉된 케이스 안에서 두 개의 팬이 서로 마주보는 것처럼 생각해보세요. 하나의 팬(펌프)을 켜면 팬 블레이드가 오일을 밀어냅니다. 그러면 움직이는 오일이 두 번째 팬(터빈)의 블레이드에 부딪혀 회전하게 됩니다. 두 번째 팬은 견고한 링크로 첫 번째 팬에 연결되지 않고 움직이는 유체에 의해서만 연결됩니다. 이것이 유체역학적 동력 전달의 본질입니다.

단계별: 동력 전달 주기

정상 작동 중에 유압 커플링 내부에서 어떤 일이 일어나는지 정확하게 살펴보겠습니다.

1단계 - 원동기가 펌프를 회전시킵니다.

엔진이나 전기 모터는 펌프 임펠러에 연결된 입력 샤프트를 회전시킵니다. 펌프가 회전하면 방사형 블레이드가 커플링 하우징 내부의 유압유(일반적으로 오일)를 받습니다. 블레이드는 원심 펌프처럼 유체를 접선 방향으로 바깥쪽으로 던질 수 있도록 각도가 있습니다.

2단계 - 유체가 운동 에너지를 얻습니다.

펌프는 유체에 외부 선형 운동과 회전 운동을 모두 전달합니다. 유체가 펌프 중앙에서 바깥쪽 가장자리를 향해 이동함에 따라 상당한 운동 에너지를 얻습니다. 펌프가 더 빠르게 회전할수록 유체가 더 많은 에너지를 흡수합니다. 관계는 입력 속도의 제곱에 비례합니다. 전달된 토크는 입력 속도의 제곱에 따라 증가하고 전달된 전력은 입력 속도의 세제곱에 따라 증가합니다.

3단계 – 유체가 터빈 블레이드에 충돌

활성화된 유체는 펌프의 모양에 따라 터빈(러너) 쪽으로 향하게 됩니다. 펌프와 터빈은 작은 간격을 두고 서로 마주보게 되므로 유체가 이 간격을 가로질러 분출되어 터빈 블레이드에 충격을 줍니다. 이 충격의 힘은 유체의 각운동량을 터빈으로 전달하여 터빈이 회전하도록 합니다. 같은 방향 펌프로.

4단계 – 유체가 펌프로 복귀

에이fter giving up most of its energy to the turbine, the fluid flows back toward the center of the coupling and re-enters the pump. This creates a continuous 토로이드 흐름 패턴 - 유체는 커플링 내부의 도넛 모양 경로(토러스) 주위를 순환합니다. 펌프가 계속 회전하는 한 유체는 계속 순환하고 토크를 전달합니다.

5단계 - 토크가 부하에 전달됩니다.

터빈은 부하를 구동하는 출력 샤프트에 연결됩니다. 터빈이 회전하면서 출력 샤프트를 회전시켜 컨베이어 벨트, 펌프 임펠러, 차량 변속기, 선박 프로펠러 등 연결된 모든 기계에 기계적 동력을 전달합니다.

유체 흐름 경로(토로이드 순환)

유압 커플링 내부의 유체 운동은 매력적인 환상형(도넛 모양) 경로를 따릅니다. 이 모션에는 두 가지 구성 요소가 있습니다.

• 순환 흐름 – 유체는 커플링의 원주를 따라 회전축을 중심으로 회전합니다.
• 자오선 흐름 – 유체가 펌프에서 터빈으로 이동했다가 다시 되돌아오면서 재활용 루프가 생성됩니다.

입력 및 출력 샤프트가 동일한 속도로 회전하면 한 터빈에서 다른 터빈으로의 순 흐름이 없습니다. 유체는 단순히 제자리에서 회전합니다. 그러나 있을 때 속도의 차이 펌프와 터빈(항상 부하 상태에 있음) 사이에서 유체는 펌프에서 터빈으로 활발하게 흘러 토크를 전달합니다.

주요 작동 특성

미끄러짐 – 피할 수 없는 속도 차이

유체 커플링의 가장 중요한 특성 중 하나는 다음과 같습니다. 미끄러짐 . 슬립은 입력 샤프트(펌프)와 출력 샤프트(터빈) 사이의 회전 속도 차이를 백분율로 표시합니다.

에이 fluid coupling 입력 및 출력 각속도가 동일할 때 출력 토크를 생성할 수 없습니다. . 이는 부하가 걸린 상태에서는 터빈이 항상 펌프보다 약간 느리게 회전해야 함을 의미합니다. 정상적인 하중 조건에서 적절하게 설계된 유압 커플링에서 구동 샤프트의 속도는 약 3% 적음 구동축의 속도보다. 소형 커플링의 경우 슬립 범위는 1.5%(대형 동력 장치)에서 6%(소형 동력 장치)까지입니다.

미끄러짐이 왜 중요할까요? 미끄러짐은 에너지 손실을 의미하기 때문입니다. 출력축으로 전달되지 않은 동력은 내부 마찰과 난류로 인해 유체 내에서 열로 소산됩니다. 이것이 바로 유체 커플링이 100% 효율이 아닌 이유입니다. 일반적인 효율 범위는 95% ~ 98%입니다. 손실된 에너지는 유압유를 가열하므로 많은 유체 커플링에 냉각 시스템이 필요하거나 열을 효과적으로 발산하도록 설계됩니다.

실속 속도

에이nother critical characteristic is the 실속 속도 . 이는 출력 터빈이 잠겨 있고(움직일 수 없음) 전체 입력 토크가 적용될 때 펌프가 회전할 수 있는 최고 속도로 정의됩니다. 실속 상태에서는 해당 속도의 모든 엔진 출력이 유체 커플링 내에서 열로 변환됩니다. 정지 상태에서 장시간 작동하면 커플링, 씰 및 유체가 손상될 수 있습니다.

실속 속도는 특히 자동차 애플리케이션과 관련이 있습니다. 자동 변속기가 기어에 있는 신호등에 정지하면 토크 컨버터(유체 커플링에서 발전)가 부분 실속 상태에 있습니다. 엔진은 공회전 중이고 유체 커플링은 소량의 동력을 열로 방출합니다.

가변 속도를 위한 스쿠프 제어

산업용 유체 커플링의 가장 중요한 특징 중 하나는 입력 속도를 변경하지 않고도 출력 속도를 변경할 수 있다는 것입니다. 이는 다음을 사용하여 수행됩니다. 스쿠프 컨트롤 시스템.

에이 scoop is a non-rotating pipe that enters the rotating coupling through a central hub. By moving this scoop—either rotating it or extending it—the operator can remove fluid from the working chamber and return it to an external reservoir. Less fluid in the coupling means less torque transmission and, therefore, lower output shaft speed. When more speed is needed, fluid is pumped back into the coupling.

이는 다음을 허용합니다. 무단 변속 제어 보일러 공급 펌프, 팬 및 컨베이어와 같은 대형 기계. 전기 모터는 일정하고 효율적인 속도로 작동할 수 있으며 출력 속도는 필요에 따라 원활하게 조정됩니다.

유압 커플링의 유형

일정 충전 커플링

유압커플링의 가장 기본적인 형태는 상수 채우기 커플링. 이름에서 알 수 있듯이 이러한 커플링에는 항상 작업실에 남아 있는 고정된 양의 유체가 포함되어 있습니다. 간단하고 안정적이며 최소한의 유지 관리만 필요합니다.

일정 충전 커플링은 다음을 제공합니다.

• 부드럽고 충격 없는 가속
• 과부하 보호(부하가 걸리면 모터를 정지시키는 대신 커플링이 미끄러짐)
• 비틀림 진동 감쇠

이는 컨베이어, 분쇄기, 팬 및 펌프와 같은 산업 응용 분야에서 흔히 볼 수 있습니다. Transfluid K 시리즈는 전기 및 디젤 구동 응용 분야 모두에 사용할 수 있는 일정 충전 커플링의 예입니다.

지연 채우기 커플링

에이 지연 채우기 커플링 (계단 회로 커플링이라고도 함)은 출력 샤프트가 정지하거나 천천히 회전할 때 유체의 일부를 보유하는 저장소를 추가합니다. 이렇게 하면 시동 중 입력 샤프트의 끌림이 줄어들고 두 가지 이점이 있습니다.

• 낮은 연료 소비 엔진이 공회전 중일 때
• "크리프" 감소 자동차 응용 분야(엔진 공회전 상태에서 차량이 앞으로 이동하려는 경향)

출력 샤프트가 회전하기 시작하면 원심력에 의해 유체가 저장소 밖으로 배출되어 주 작업실로 다시 들어가 전체 동력 전달 기능이 복원됩니다.

가변 충진(스쿠프 제어) 커플링

에이s described above, variable-fill couplings use a scoop tube to control the amount of fluid in the working chamber while the coupling is operating . This allows for continuous, stepless speed control of the driven equipment. These are used in applications requiring variable output speed, such as:

• 발전소의 보일러 공급 펌프 드라이브
• 대형 팬 및 송풍기 드라이브
• 해양 추진 시스템
• 원심 압축기 드라이브

에이pplications of Hydraulic Couplings

산업기계

유체 커플링은 회전력과 관련된 산업 응용 분야, 특히 높은 관성 시작 또는 일정한 순환 하중이 존재하는 분야에서 광범위하게 사용됩니다. 일반적인 예는 다음과 같습니다.

• 컨베이어 – 부드러운 시동으로 벨트 손상 및 재료 유출 방지
• 파쇄기 및 파쇄기 – 분쇄기가 깨지지 않는 재료에 걸린 경우 모터를 보호합니다.
• 원심 펌프 – 모터가 무부하 상태로 시작된 다음 점차적으로 펌프의 속도를 높입니다.
• 팬 및 송풍기 – 에너지 절약을 위한 가변 속도 제어 제공
• 믹서 및 펄퍼 – 불규칙한 재질로 인한 충격하중 흡수

해양 추진

선박과 보트는 디젤 엔진과 프로펠러 샤프트 사이에 유체 커플링을 사용합니다. 유체 커플링은 이러한 까다로운 환경에서 여러 가지 이점을 제공합니다.

• 프로펠러를 돌리지 않고도 엔진을 시동하고 공회전할 수 있습니다.
• 엔진의 비틀림 진동을 완화합니다.
• 전원이 공급될 때 부드럽고 충격 없는 결합을 제공합니다.
• 프로펠러가 잔해물에 부딪힐 경우 구동계를 보호합니다.

철도 운송

디젤 기관차와 디젤 다중 장치(DMU)는 동력 전달 시스템의 일부로 유체 커플링을 자주 사용합니다. Voith와 같은 제조업체는 철도용 유체 커플링과 토크 컨버터를 결합한 터보 변속기를 제조합니다. Self-Changing Gears 회사는 영국 철도를 위해 유체 커플링을 사용하는 반자동 변속기를 제작했습니다.

에이utomotive (Historical)

자동차 응용 분야에서 펌프는 일반적으로 엔진의 플라이휠에 연결되고(커플링의 하우징은 플라이휠 자체의 일부일 수도 있음) 터빈은 변속기 입력 샤프트에 연결됩니다. 유체 커플링의 동작은 수동 변속기를 구동하는 기계식 클러치의 동작과 매우 유사합니다. 엔진 속도가 증가하면 토크가 변속기로 원활하게 전달됩니다.

가장 유명한 자동차 애플리케이션은 다임러 유체 플라이휠 , Wilson 사전 선택기 기어박스와 함께 사용됩니다. Daimler는 1958 Majestic을 사용하여 자동 기어박스로 전환할 때까지 다양한 고급 자동차 전반에 걸쳐 이를 사용했습니다. 제너럴 모터스(General Motors)도 유체 커플링을 사용했습니다. 하이드라매틱 변속기는 1939년에 대량 생산된 자동차에 최초로 완전 자동 변속기를 도입한 것입니다.

오늘날 유체역학적 토크 컨버터는 승용차의 단순한 유체 커플링을 대체하고 있습니다. 왜냐하면 토크 컨버터는 저속에서 토크 증폭을 제공하여 정지 시 가속력을 향상시키기 때문입니다.

에이viation

유체 커플 링은 항공 분야에서도 사용됩니다. 가장 대표적인 사례는 에서였다. Wright 터보 복합 왕복 엔진 , Lockheed Constellation 및 Douglas DC-7과 같은 항공기에 사용됩니다. 3개의 동력 회수 터빈은 엔진 배기가스에서 에너지의 약 20%(약 500마력)를 추출했습니다. 3개의 유체 커플링과 기어링을 사용하여 이 고속 저토크 터빈 동력을 저속 고토크 출력으로 변환하여 프로펠러를 구동했습니다.

이점 및 제한 사항

유압 커플링의 장점

제한 사항 및 고려 사항

고유의 슬립 – 유체 커플링은 토크 전달을 위해 슬립이 필요하기 때문에 100% 효율을 달성할 수 없습니다. 일부 전력은 항상 열로 손실됩니다.

발열 – 실속이나 심한 미끄러짐 조건에서는 상당한 열이 발생합니다. 대형 커플링에는 외부 냉각이 필요할 수 있습니다.

고정식 커플링보다 효율성이 낮음 – 내부 유체 역학 손실로 인해 유체역학 변속기는 벨트 드라이브나 기어박스와 같이 견고하게 결합된 변속기보다 변속기 효율이 낮은 경향이 있습니다.

유체 유지 관리 – 작동유는 시간이 지남에 따라 성능이 저하되므로 정기적으로 교체해야 합니다. 유체 점도는 성능에 영향을 미치며 잘못된 유체는 과열을 일으킬 수 있습니다.

정확한 속도 동기화에는 적합하지 않습니다. – 입력축과 출력축이 정확히 동일한 속도로 회전해야 하는 경우 작동에 따른 미끄럼 현상이 발생하므로 유체 커플링을 사용할 수 없습니다.

자주 묻는 질문(FAQ)

Q1: 유압 커플링과 토크 컨버터의 차이점은 무엇입니까?

에이 basic hydraulic coupling transmits torque without multiplication—output torque equals input torque (minus losses). A torque converter includes an additional component called a stator that redirects fluid flow, allowing the output torque to be 곱한 저속에서. 이로 인해 높은 시동 토크가 필요한 자동차 애플리케이션에 토크 컨버터가 더 적합해졌습니다.

Q2: 유압 커플링이 100% 효율성을 달성할 수 있습니까?

아니요. 입력 속도와 출력 속도가 동일할 때 유체 커플링은 출력 토크를 생성할 수 없으므로 항상 약간의 미끄러짐이 필요합니다. 정상 작동 시 효율은 일반적으로 95~98%입니다.

Q3: 유압 커플링에는 어떤 종류의 유체가 사용됩니까?

대부분의 유압 커플링은 다등급 모터 오일이나 자동 변속기 오일(ATF)과 같은 저점도 유체를 사용합니다. 유체 밀도를 높이면 주어진 입력 속도에서 전달될 수 있는 토크가 증가합니다. 온도 변화에도 성능이 안정적으로 유지되어야 하는 응용 분야의 경우 점도 지수가 높은 유체가 선호됩니다. 일부 커플링은 물 작업에도 사용할 수 있습니다.

Q4: 유압 커플링의 속도는 어떻게 제어합니까?

가변 충진(스쿠프 제어) 커플링에서는 회전하지 않는 스쿠프 튜브가 커플링이 작동하는 동안 작업 챔버에서 유체를 제거합니다. 유체가 적다는 것은 토크 전달이 적고 출력 속도가 낮다는 것을 의미합니다. 스쿠프 위치를 제어함으로써 출력 속도를 0에서 거의 입력 속도까지 단계적으로 조정할 수 있습니다.

Q5: 유압 커플링이 건조하면 어떻게 됩니까?

유체 커플링이 충분한 유체 없이 작동하면 필요한 토크를 전달할 수 없습니다. 더 중요한 것은 제한된 유체 용량으로 인해 급속히 과열되어 씰, 베어링 및 하우징이 손상되는 경우가 많다는 것입니다.

Q6: 현대 자동차에는 여전히 유압 커플링이 사용됩니까?

단순한 유체 커플링은 승용차의 토크 컨버터로 대체되었습니다. 그러나 일부 최신 자동 변속기는 여전히 유체 커플링 원리를 사용하며 "유체 커플링"이라는 용어는 일상적인 대화에서 "토크 컨버터"와 같은 의미로 사용되기도 합니다.

Q7: 유체 커플링이 뜨거워지는 이유는 무엇입니까?

슬립으로 인해 손실된 에너지는 열로 소멸되므로 열 발생은 정상적인 현상입니다. 그러나 과도한 열은 과도한 미끄러짐을 나타내며, 이는 과부하, 낮은 유체 수위, 잘못된 유체 유형 또는 오작동하는 냉각 시스템으로 인해 발생할 수 있습니다.

Q8: 유압 커플링은 얼마나 오래 지속되나요?

펌프와 터빈 사이에 기계적 접촉이 없기 때문에 유체 커플링은 내구성이 매우 뛰어납니다. 주요 마모 구성 요소는 씰과 베어링입니다. 적절한 유지 관리 및 유체 교환을 통해 산업용 유체 커플링은 수십 년 동안 지속될 수 있습니다.