PL215103B1 - Sterowane sprzęgło hydrauliczne z cieczą elektroreologiczną - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sterowane sprzęgło hydrauliczne z cieczą elektroreologiczną.

W urządzeniach hydraulicznych, coraz częściej stosowane są ciecze inteligentne. Ciecze te są dzielone ze względu na skład na dwie grupy: elektroreologiczne oraz magnetoreologiczne. Charakterystyczną cechą cieczy inteligentnych jest pojawianie się w nich dodatkowego naprężenia stycznego na skutek ich aktywacji za pomocą pola magnetycznego, w przypadku cieczy magnetoreologicznych lub elektrycznego, w przypadku cieczy elektroreologicznych.

Ciecze elektroreologiczne są bardziej wrażliwe na temperaturę, zanieczyszczenia chemiczne i wilgoć oraz uzyskuje się w nich mniejsze wartości naprężeń stycznych w stanie aktywacji niż w cieczach magnetoreologicznych. Jednak mimo to ciecze te znajdują szerokie zastosowanie w technice, ze względu na łatwość wytworzenia pola elektrycznego, gdyż elektrodami, między którymi powstaje pole elektryczne mogą być metalowe elementy konstrukcyjne urządzenia.

Ciecze elektroreologiczne są dzielone ze względu na budowę na homogeniczne i heterogeniczne. Homogeniczne ciecze elektroreologiczne są jednorodne, a heterogeniczne ciecze elektroreologiczne są koloidami fazowymi lub mieszaninami niejednorodnymi składającymi się z cząstek stałych, cieczy bazowej i niewielkiej ilości dodatków (do kilku % objętości). Cieczami homogenicznymi są polimerowe ciekłe kryształy i wieloskładnikowe mieszaniny polimerowe. Cząstki stałe heterogenicznych cieczy elektroreologicznych mają średnicę do kilku mikrometrów i mogą być wykonane z materiałów organicznych (takich jak np.: skrobia, celuloza, żywica, kauczuk, polianilina, polifenylen) lub nieorganicznych (takich jak np.: krzemionka, zeolity, szkło). Na ciecz bazową najczęściej wykorzystywany jest olej silikonowy. Dodatki służą do zwiększenia efektu elektroreologicznego oraz zapobiegają sedymentacji i aglomeracji cząstek.

Zastosowanie cieczy elektroreologicznych jako cieczy roboczych umożliwia sterowanie urządzeń hydraulicznych z tymi cieczami przez zmianę ich właściwości reologicznych za pomocą zmiany napięcia prądu elektrycznego zasilającego elektrody, co przyczynia się do znacznego uproszczenia układu regulacji. Ponadto w cieczach elektroreologicznych naprężenia styczne zmieniają się po wytworzeniu pola elektrycznego w sposób niemal natychmiastowy (w ciągu kilku ms), co pozwala na uzyskanie bardzo krótkich czasów regulacji. Występujące wartości naprężeń stycznych w aktywowanych cieczach elektroreologicznych umożliwiają regulację urządzeń hydraulicznych w zakresach stosowanych w praktyce.

Sprzęgła hydrauliczne są zbudowane z dwóch części: napędzającej połączonej z wałem wejściowym i napędzanej połączonej z wałem wyjściowym, umieszczonych w obudowie wypełnionej cieczą roboczą. Podstawowe zalety sprzęgieł hydraulicznych wynikają z braku bezpośredniego połączenia wału wejściowego z wałem wyjściowym sprzęgła. Są to: prosta konstrukcja, duża trwałość oraz zdolność do tłumienia drgań skrętnych i łagodnego przenoszenia momentu obrotowego. Sprzęgła hydrauliczne są szeroko stosowane w układach napędowych pojazdów i maszyn roboczych, a także w napędach: dźwignic, taśmociągów, pomp, dmuchaw, młynów, itd., głównie do łączenia wałów obracających się z różnymi prędkościami lub jako sprzęgła rozruchowe.

Sprzęgła hydrauliczne stosowane w układach napędowych maszyn są dzielone na dwie podstawowe grupy: sprzęgła hydrokinetyczne i sprzęgła wiskotyczne. Sprzęgło hydrokinetyczne składa się z dwóch wirników z łopatkami: pompy, będącej częścią napędzającą i turbiny, będącej częścią napędzaną umieszczonych w obudowie wypełnionej cieczą roboczą. Podczas pracy sprzęgła wirniki są połączone ze sobą przez hydrodynamiczne oddziaływanie cieczy na łopatki wirników. W sprzęgłach wiskotycznych części napędzająca i napędzana są połączone przez siły wywołane naprężeniami stycznymi w cieczy znajdującej się w szczelinie utworzonej przez powierzchnie robocze, mające kształt tarczowy lub cylindryczny.

Istotną cechą klasycznych sprzęgieł hydraulicznych jest zależność przenoszonego momentu obrotowego od prędkości kątowych wału wejściowego i wału wyjściowego sprzęgła. W celu uzyskania różnych momentów obrotowych przy tych samych prędkościach kątowych wałów sprzęgła hydrauliczne muszą być sterowane. Sterowanie sprzęgieł hydraulicznych może odbywać się na drodze hydraulicznej, np. przez dławienie przepływu cieczy roboczej za pomocą przesłon lub mechanicznej np. przez zmianę kątów ustawienia łopatek.

Znane są rozwiązania konstrukcyjne sprzęgieł hydraulicznych z cieczami elektroreologicznymi sterowanych w sposób hydrauliczny przez zmianę naprężeń stycznych w cieczy elektroreologicznej za pomocą zmiany natężenia pola elektrycznego.

PL 215 103 B1

W sterowanych sprzęgłach hydrokinetycznych z cieczą elektroreologiczną odizolowane od siebie elektrycznie łopatki wirników tworzące kanały, w których płynie ciecz robocza są połączone naprzemiennie z biegunami zasilacza wysokiego napięcia. W ten sposób łopatki stają się elektrodami wytwarzającymi pole elektryczne o natężeniu proporcjonalnym do przyłożonego do nich wysokiego napięcia. Zmiana wartości wysokiego napięcia przyłożonego do łopatek powoduje wzrost natężenia pola elektrycznego, co skutkuje wzrostem naprężeń i stycznych w cieczy elektroreologicznej i tym samym wzrostem oporów przepływu cieczy w kanałach wirników.

W sterowanych sprzęgłach wiskotycznych z cieczą elektroreologiczną odizolowane od siebie elektrycznie powierzchnie robocze części napędzającej i napędzanej tworzące szczelinę, w której znajduje się ciecz robocza, są połączone z biegunami zasilacza wysokiego napięcia. W ten sposób powierzchnie robocze stają się elektrodami wytwarzającymi pole elektryczne o natężeniu proporcjonalnym do przyłożonego do nich wysokiego napięcia. Zmiana wartości wysokiego napięcia przyłożonego do powierzchni roboczych powoduje wzrost natężenia pola elektrycznego, co skutkuje wzrostem naprężeń stycznych w cieczy elektroreologicznej i tym samym wzrostem sił tarcia w szczelinie.

Ze względu na odmienny sposób działania sprzęgła hydrokinetycznego z cieczą elektroreologiczną i sprzęgła wiskotycznego z cieczą elektroreologiczną wzrost napięcia prądu elektrycznego, a tym samym wzrost naprężeń stycznych w cieczy roboczej powoduje spadek momentu obrotowego przenoszonego przez sprzęgło hydrokinetyczne i wzrost momentu obrotowego przenoszonego przez sprzęgło wiskotyczne.

Sterowane sprzęgło hydrauliczne z cieczą elektroreologiczną według wynalazku charakteryzuje się tym, że wewnątrz, wypełnionej cieczą elektroreologiczną, wspólnej obudowy zawiera hydrokinetyczne sprzęgło hydrauliczne oraz wiskotyczne sprzęgło hydrauliczne, przy czym wirnik pompy sprzęgła hydrokinetycznego oraz część napędzająca sprzęgła wiskotycznego są osadzone na wale wejściowym, zaś wirnik turbiny sprzęgła hydrokinetycznego oraz część napędzana sprzęgła wiskotycznego są osadzone na wale wyjściowym, przy czym wał wejściowy i wał wyjściowy są ułożyskowane we wspólnej obudowie. Korzystnym jest jeśli w sprzęgle według wynalazku łopatki wirnika pompy sprzęgła hydrokinetycznego są połączone naprzemiennie przewodami z pierścieniami komutatora umieszczonego na wale wejściowym, przy czym jeden pierścień komutatora sprzęgła hydrokinetycznego połączony jest przez szczotkę i przewód z zaciskiem „minus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia, natomiast drugi pierścień komutatora sprzęgła hydrokinetycznego jest połączony przez szczotkę i przewód z zaciskiem (I) przełącznika, bądź gdy zaciski (I) oraz (III) przełącznika są połączone ze sobą wtedy poprzez przewód z zaciskiem „plus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia, zaś elektroda ujemna części napędzającej sprzęgła wiskotycznego jest połączona przewodami z kolejnym pierścieniem komutatora umieszczonego na wale wejściowym oraz przez szczotki i przewód z zaciskiem „minus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia, natomiast łopatki wirnika turbiny sprzęgła hydrokinetycznego są połączone naprzemiennie poprzez przewody z pierścieniami komutatora umieszczonego na wale wyjściowym, przy czym jeden pierścień komutatora połączony jest przez szczotkę i przewód z zaciskiem (I) przełącznika, bądź gdy zaciski (I) oraz (III)) są połączone ze sobą wtedy poprzez przewód z zaciskiem „plus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia, natomiast drugi pierścień komutatora sprzęgła hydrokinetycznego połączony jest przez szczotkę i przewód z zaciskiem „minus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia, zaś elektroda dodatnia części napędzanej sprzęgła wiskotycznego jest połączona poprzez przewody z pierścieniem komutatora umieszczonego na wale wyjściowym oraz przez szczotki i przewód z zaciskiem (II) przełącznika, bądź gdy zaciski (II) oraz (III)) przełącznika są połączone ze sobą wtedy poprzez przewód z zaciskiem „plus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia.

Istota wynalazku polega więc na umieszczeniu połączonych ze sobą dwóch sprzęgieł hydraulicznych z cieczą elektroreologiczną: hydrokinetycznego i wiskotycznego we wspólnej obudowie wypełnionej tą cieczą. Połączenie dwóch sprzęgieł hydraulicznych z cieczą elektroreologiczną w jeden zespół ma tę zaletę, że pozwala na zwiększenie zakresu sterowania takiego zespołu, gdyż wzrost napięcia prądu elektrycznego doprowadzonego do sprzęgła hydrokinetycznego powoduje zmniejszanie momentu obrotowego przenoszonego przez to sprzęgło w porównaniu z momentem obrotowym przenoszonym przez sprzęgło hydrokinetyczne przy braku zasilania, natomiast wzrost napięcia prądu elektrycznego doprowadzonego do sprzęgła wiskotycznego powoduje zwiększenie momentu obrotowego przenoszonego przez to sprzęgło w porównaniu z momentem obrotowym przenoszonym przez sprzęgło wiskotyczne przy braku zasilania. Utworzone w ten sposób sterowane sprzęgło hydrauliczne z cieczą elektroreologiczną może być wykorzystane do sterowania zarówno momentu obrotowego jak

PL 215 103 B1 i prędkości kątowej układu napędowego maszyny, w którym jest zamontowane, przez kolejne łączenie z zasilaczem o regulowanym zasilaczem wysokiego napięcia sprzęgieł składowych i zmianą wartości tego napięcia.

Sterowane sprzęgło hydrauliczne według wynalazku składa się z wirnika pompy przekładni hydrokinetycznej osadzonego razem z częścią napędzającą sprzęgła wiskotycznego na wale wejściowym oraz turbiny sprzęgła hydrokinetycznego osadzonego razem z częścią napędzaną sprzęgła wiskotycznego na wale wyjściowym, umieszczonych we wspólnej obudowie, napełnionej elektroreologiczną cieczą roboczą. Wały: wejściowy i wyjściowy są ułożyskowane w obudowie i uszczelnione za pomocą pierścieni uszczelniających. Łopatki wirników pompy i turbiny sprzęgła hydrokinetycznego są odizolowane od siebie elektrycznie i połączone za pomocą przewodów i komutatora sprzęgła hydrokinetycznego z przełącznikiem połączonym następnie z zaciskami zasilacza wysokiego napięcia. Podobnie odizolowane od siebie elektrycznie powierzchnie robocze sprzęgła wiskotycznego są połączone za pomocą przewodów i komutatora sprzęgła wiskotycznego z przełącznikiem połączonym następnie z zaciskami regulowanego zasilacza wysokiego napięcia. Zadaniem przełącznika jest łączenie na przemian łopatek sprzęgła hydrokinetycznego i elektrod roboczych sprzęgła wiskotycznego z zaciskami regulowanego zasilacza wysokiego napięcia.

Umieszczenie sprzęgła hydrokinetycznego razem ze sprzęgłem wiskotycznym w jednej obudowie jest korzystne, gdyż wprawiana w ruch przez wirnik pompy ciecz elektroreologiczna przepływa miedzy elektrodami sprzęgła wiskotycznego odprowadzając ciepło, co przyczynia się do ograniczenia podstawowej wady sprzęgieł wiskotycznych jaką jest duża wrażliwość na przegrzanie.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat budowy sterowanego sprzęgła hydraulicznego z cieczą elektroreologiczną według wynalazku, zaś fig. 2 schemat połączeń elektrycznych w tym sprzęgle.

Sterowane sprzęgło hydrauliczne z cieczą elektroreologiczną według wynalazku zawiera wirnik pompy 1 sprzęgła hydrokinetycznego oraz część napędzającą 3 sprzęgła wiskotycznego, które są osadzone na wale wejściowym 6. Wirnik turbiny 2 sprzęgła hydrokinetycznego oraz część napędzana 4 sprzęgła wiskotycznego są osadzone na wale wyjściowym 7. Wał wejściowy 6 i wał wyjściowy 7 są ułożyskowane w obudowie 5 poprzez łożyska 8 i uszczelnione pierścieniami uszczelniającymi 9. Obudowa 5 jest wypełniona cieczą elektroreologiczną. Część napędzająca 3 sprzęgła wiskotycznego oraz część napędzana 4 sprzęgła wiskotycznego są wykonane z materiału będącego izolatorem elektrycznym i są zaopatrzone w elektrody odpowiednio 10 i 11 wykonane z metalu, tworzące szczelinę roboczą sprzęgła wiskotycznego. Łopatki 12 wirnika pompy 1 sprzęgła hydrokinetycznego oraz łopatki wirnika turbiny 2 sprzęgła hydrokinetycznego są wykonane z metalu, i umieszczone w obudowach, odpowiednio 14 i 15 wykonanych z materiału będącego izolatorem elektrycznym. Na wale wejściowym 6 oraz na wale wyjściowym 7 są umieszczone pierścienie komutatorów służące do doprowadzenia napięcia prądu elektrycznego odpowiednio do łopatek 12 oraz 13 wirników pompy i turbiny sprzęgła hydrokinetycznego lub do elektrod 10 oraz 11 części napędzającej i napędzanej sprzęgła wiskotycznego.

W sterowanym sprzęgle hydraulicznym z cieczą elektroreologiczną, według wynalazku łopatki 12 wirnika pompy 1 sprzęgła hydrokinetycznego są połączone naprzemiennie przewodami 18 z pierścieniami 16a oraz 16b komutatora umieszczonego na wale wejściowym 6. Pierścień 16a komutatora sprzęgła hydrokinetycznego połączony jest przez szczotkę 19 i przewód 20 z zaciskiem „minus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia 21. Pierścień 16b komutatora sprzęgła hydrokinetycznego jest połączony przez szczotkę 22 i przewód 23 z zaciskiem I przełącznika 24, bądź gdy zaciski I oraz III przełącznika 24 są połączone ze sobą wtedy poprzez przewód 25 z zaciskiem „plus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia 21.

Elektroda ujemna 10 części napędzającej 3 sprzęgła wiskotycznego jest połączona przewodami 26 z pierścieniem 16c komutatora umieszczonego na wale wejściowym 6 oraz przez szczotki 27 i przewód 28 z zaciskiem „minus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia 21.

Łopatki 13 wirnika turbiny 2 sprzęgła hydrokinetycznego są połączone naprzemiennie poprzez przewody 29 z pierścieniami 17a oraz 17b komutatora umieszczonego na wale wyjściowym 7. Pierścień 17a komutatora połączony jest przez szczotkę 30 i przewód 31 z zaciskiem I przełącznika 24, bądź gdy zaciski I oraz III są połączone ze sobą wtedy poprzez przewód 25 z zaciskiem „plus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia 21. Pierścień 17b komutatora sprzęgła hydrokinetycznego połączony jest przez szczotkę 32 i przewód 33 z zaciskiem „minus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia 21.

PL 215 103 B1

Elektroda dodatnia 11 części napędzanej 4 sprzęgła wiskotycznego jest połączona poprzez przewody 34 z pierścieniem 17c komutatora umieszczonego na wale wyjściowym 7 oraz przez szczotki 35 i przewód 36 z zaciskiem II przełącznika 24, bądź gdy zaciski II oraz III przełącznika 24 są połączone ze sobą wtedy poprzez przewód 25 z zaciskiem „plus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia 21.

Claims (2)

1. Sterowane sprzęgło hydrauliczne z cieczą elektroreologiczną, znamienne tym, że wewnątrz wypełnionej cieczą elektroreologiczną wspólnej obudowy (5) zawiera hydrokinetyczne sprzęgło hydrauliczne oraz wiskotyczne sprzęgło hydrauliczne, przy czym wirnik pompy (1) sprzęgła hydrokinetycznego oraz część napędzająca (3) sprzęgła wiskotycznego są osadzone na wale wejściowym (6), zaś wirnik turbiny (2) sprzęgła hydrokinetycznego oraz część napędzana (4) sprzęgła wiskotycznego są osadzone na wale wyjściowym (7), przy czym wał wejściowy (6) i wał wyjściowy (7) są ułożyskowane w wspólnej obudowie (5).

2. Sterowane sprzęgło hydrauliczne z cieczą elektroreologiczną według zastrz. 1, znamienne tym, że łopatki (12) wirnika pompy (1) sprzęgła hydrokinetycznego są połączone naprzemiennie przewodami (18) z pierścieniami (16a) oraz (16b) komutatora umieszczonego na wale wejściowym (6), przy czym pierścień (16a) komutatora sprzęgła hydrokinetycznego połączony jest przez szczotkę (19) i przewód (20) z zaciskiem „minus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia (21), natomiast pierścień (16b) komutatora sprzęgła hydrokinetycznego jest połączony przez szczotkę (22) i przewód (23) z zaciskiem (I) przełącznika (24), bądź gdy zaciski (I oraz III) przełącznika (24) są połączone ze sobą wtedy poprzez przewód (25) z zaciskiem „plus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia (21), zaś elektroda ujemna (10) części napędzającej (3) sprzęgła wiskotycznego jest połączona przewodami (26) z pierścieniem (16c) komutatora umieszczonego na wale wejściowym (6) oraz przez szczotki (27) i przewód (28) z zaciskiem „minus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia (21), natomiast łopatki (13) wirnika turbiny (2) sprzęgła hydrokinetycznego są połączone naprzemiennie poprzez przewody (29) z pierścieniami (17a) oraz (17b) komutatora umieszczonego na wale wyjściowym (7), przy czym pierścień (17a) komutatora połączony jest przez szczotkę (30) i przewód (31) z zaciskiem (I) przełącznika (24), bądź gdy zaciski (I) oraz (III) są połączone ze sobą wtedy poprzez przewód (25) z zaciskiem „plus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia (21), natomiast pierścień (17b) komutatora sprzęgła hydrokinetycznego połączony jest przez szczotkę (32) i przewód (33) z zaciskiem „minus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia (21), zaś elektroda dodatnia (11) części napędzanej (4) sprzęgła wiskotycznego jest połączona poprzez przewody (34) z pierścieniem (17c) komutatora umieszczonego na wale wyjściowym (7) oraz przez szczotki (35) i przewód (36) z zaciskiem (II) przełącznika (24), bądź gdy zaciski (II oraz III) przełącznika (24) są połączone ze sobą wtedy poprzez przewód (25) z zaciskiem „plus” regulowanego zasilacza wysokiego napięcia (21).