اقتران السوائل

الاقتران السائل أو الاقتران الهيدروليكي هو جهاز هيدروديناميكي أو "حركي مائي" يستخدم لنقل الطاقة الميكانيكية الدوارة. ^[1] وقد تم استخدامه في نواقل الحركة بالسيارات كبديل للقابض الميكانيكي . كما أن له تطبيق واسع النطاق في محركات الآلات البحرية والصناعية، حيث يكون التشغيل بسرعة متغيرة والبدء المتحكم فيه بدون تحميل صدمة لنظام نقل الطاقة أمرًا ضروريًا.

يجب التمييز بين المحركات الهيدروكينتيكية، مثل هذه، والمحركات الهيدروستاتيكية ، مثل مجموعات المضخة الهيدروليكية والمحرك .

نشأت فكرة اقتران السوائل من عمل هيرمان فوتينجر ، الذي كان كبير المصممين في شركة AG Vulcan Works في شتيتين . ^[2] غطت براءات اختراعه التي حصل عليها عام 1905 كل من اقتران السوائل ومحولات عزم الدوران .

تعاون الدكتور جوستاف باور من شركة Vulcan-Werke مع المهندس الإنجليزي هارولد سينكلير من شركة Hydraulic Coupling Patents Limited لتكييف وصلة Föttinger مع ناقل الحركة في المركبات في محاولة للتخفيف من الاهتزاز الذي عانى منه سينكلير أثناء ركوبه في حافلات لندن خلال عشرينيات القرن العشرين ^[2] وبعد مناقشات سينكلير مع شركة London General Omnibus Company التي بدأت في أكتوبر 1926، والتجارب على هيكل حافلة Associated Daimler، قرر بيرسي مارتن من شركة Daimler تطبيق المبدأ على السيارات الخاصة لمجموعة Daimler. ^[3]

خلال عام 1930، بدأت شركة دايملر في كوفنتري بإنجلترا في تقديم نظام نقل باستخدام اقتران السوائل وعلبة تروس ويلسون ذاتية التغيير للحافلات وسياراتها الرائدة . وبحلول عام 1933، تم استخدام النظام في جميع المركبات الجديدة من دايملر ولانشيستر وبي إس إيه التي تنتجها المجموعة من المركبات التجارية الثقيلة إلى السيارات الصغيرة. وسرعان ما تم توسيعه ليشمل المركبات العسكرية لشركة دايملر وفي عام 1934 ظهر في سيارة سينجر إليفن التي تحمل العلامة التجارية فلويدريف. وُصفت هذه الوصلات بأنها مبنية بموجب براءات اختراع فولكان-سينكلير ودايملر. ^[3]

في عام 1939، قدمت شركة جنرال موتورز نظام Hydramatic drive ، وهو أول نظام ناقل حركة أوتوماتيكي بالكامل للسيارات يتم تركيبه في سيارة يتم إنتاجها بكميات كبيرة. ^[2] يستخدم نظام Hydramatic اقتران السوائل.

كما تم إنتاج أول قاطرات الديزل التي تستخدم وصلات السوائل في ثلاثينيات القرن العشرين. ^[4]

يتكون اقتران السوائل من ثلاثة مكونات، بالإضافة إلى السائل الهيدروليكي :

• يحتوي الغلاف، المعروف أيضًا باسم الغلاف ^[5] (الذي يجب أن يكون به ختم محكم للزيت حول أعمدة الدفع)، على السائل والتوربينات.
• توربينتان (مكونات تشبه المروحة):
  • واحد متصل بعمود الإدخال؛ يُعرف باسم المضخة أو المكره ، ^[5] أو توربين الإدخال بالعجلة الأساسية . ^[5]
  • الآخر المتصل بعمود الإخراج، المعروف باسم التوربين ، توربين الإخراج ، العجلة الثانوية ^[5] أو العداء

يتم تدوير التوربين الدافع، المعروف باسم "المضخة" (أو حلقة القيادة ^{[أ] ) بواسطة} المحرك الرئيسي ، والذي يكون عادةً محرك احتراق داخلي أو محرك كهربائي . تنقل حركة المكره حركة خطية ودورانية خارجية إلى السائل.

يتم توجيه السائل الهيدروليكي بواسطة "المضخة" التي يجبر شكلها التدفق في اتجاه "التوربين الخارجي" (أو الحلقة المحركة ^[أ] ). هنا، أي فرق في السرعات الزاوية لـ "مرحلة الإدخال" و "مرحلة الإخراج" يؤدي إلى قوة صافية على "التوربين الخارجي" مما يتسبب في عزم الدوران؛ وبالتالي يتسبب في دورانه في نفس اتجاه المضخة.

حركة السائل حلقية بشكل فعال - تتحرك في اتجاه واحد على مسارات يمكن تصورها على سطح حلقة :

• إذا كان هناك فرق بين السرعات الزاوية الداخلة والخارجة فإن الحركة لها مكون قطبي
• إذا كانت مرحلتي الإدخال والإخراج لهما سرعات زاوية متطابقة، فلا توجد قوة مركزية صافية - وتكون حركة السائل دائرية ومحورية مع محور الدوران (أي حول حواف الحلقة)، ولا يوجد تدفق للسائل من توربين إلى آخر.

من أهم خصائص اقتران السوائل سرعة التوقف. تُعرَّف سرعة التوقف بأنها أعلى سرعة يمكن للمضخة أن تدور بها عندما يتم قفل التوربين الناتج ويتم تطبيق عزم الإدخال الكامل (عند سرعة التوقف). في ظل ظروف التوقف، يتم تبديد كل طاقة المحرك عند هذه السرعة في اقتران السوائل على شكل حرارة، مما قد يؤدي إلى تلفها.

التعديل على اقتران السوائل البسيط هو اقتران الدائرة المتدرجة الذي تم تصنيعه سابقًا باسم "اقتران STC" بواسطة شركة Fluidrive Engineering Company.

يحتوي وصلة STC على خزان ينجذب إليه بعض الزيت، ولكن ليس كله، عندما يتوقف عمود الإخراج. وهذا يقلل من "السحب" على عمود الإدخال، مما يؤدي إلى تقليل استهلاك الوقود عند الخمول وتقليل ميل السيارة إلى "الزحف".

عندما يبدأ عمود الإخراج في الدوران، يتم إخراج الزيت من الخزان بواسطة قوة الطرد المركزي، ويعود إلى الجسم الرئيسي للوصلة، بحيث يتم استعادة نقل الطاقة الطبيعي. ^[6]

لا يمكن لربط السوائل أن يطور عزم الدوران الناتج عندما تكون السرعات الزاوية الداخلة والخارجة متطابقة. ^[7] وبالتالي، لا يمكن لربط السوائل أن يحقق كفاءة نقل الطاقة بنسبة 100 بالمائة. وبسبب الانزلاق الذي سيحدث في أي ربط سائل تحت الحمل، ستضيع بعض الطاقة دائمًا في احتكاك السوائل والاضطراب، وتتبدد على شكل حرارة. ومثل أجهزة ديناميكية السوائل الأخرى، تميل كفاءتها إلى الزيادة تدريجيًا مع زيادة الحجم، كما تم قياسها بواسطة رقم رينولدز .

نظرًا لأن اقتران السوائل يعمل حركيًا، فإن السوائل منخفضة اللزوجة هي المفضلة. ^[7] وبشكل عام، يتم استخدام زيوت المحرك متعددة الدرجات أو سوائل ناقل الحركة الأوتوماتيكي . تؤدي زيادة كثافة السائل إلى زيادة مقدار عزم الدوران الذي يمكن نقله بسرعة إدخال معينة. ^[8] ومع ذلك، فإن السوائل الهيدروليكية، مثلها كمثل السوائل الأخرى، تخضع لتغيرات في اللزوجة مع تغير درجة الحرارة. يؤدي هذا إلى تغيير في أداء ناقل الحركة، وبالتالي حيث يجب الحفاظ على التغيير غير المرغوب فيه في الأداء / الكفاءة إلى الحد الأدنى، فيجب استخدام زيت محرك أو سائل ناقل حركة أوتوماتيكي بمؤشر لزوجة مرتفع.

يمكن أن تعمل وصلات السوائل أيضًا كمكابح هيدروديناميكية ، حيث تعمل على تبديد الطاقة الدورانية على شكل حرارة من خلال قوى الاحتكاك (سواء كانت لزجة أو سائلة/حاوية). عندما يتم استخدام وصلة السوائل للكبح، فإنها تُعرف أيضًا باسم المثبط . ^[5]

يعتمد التشغيل الصحيح لوصلة السوائل على ملئها بالسائل بشكل صحيح. لن تتمكن وصلة السوائل غير المملوءة من نقل عزم الدوران الكامل، ومن المرجح أيضًا أن ترتفع درجة حرارة حجم السائل المحدود، وغالبًا ما يؤدي ذلك إلى تلف الأختام.

إذا تم تصميم وصلة بشكل متعمد للعمل بأمان عندما تكون مملوءة بشكل غير كافٍ، وعادةً عن طريق توفير خزان سائل واسع غير مرتبط بالمكره، فيمكن استخدام التحكم في مستوى ملئها للتحكم في عزم الدوران الذي يمكنها نقله، وفي بعض الحالات للتحكم أيضًا في سرعة الحمل. ^[ب]

يتم التحكم في مستوى التعبئة باستخدام "مغرفة"، وهي عبارة عن أنبوب غير دوار يدخل إلى الوصلة الدوارة من خلال محور مركزي ثابت. من خلال تحريك هذه المجرفة، إما بتدويرها أو تمديدها، فإنها تغرف السائل من الوصلة وتعيده إلى خزان احتجاز خارج الوصلة. يمكن ضخ الزيت مرة أخرى إلى الوصلة عند الحاجة، أو تستخدم بعض التصميمات تغذية بالجاذبية - عمل المجرفة كافٍ لرفع السائل إلى خزان الاحتجاز هذا، مدعومًا بدوران الوصلة.

يمكن استخدام التحكم في المجرفة للتحكم السهل والمتدرج في نقل عزم الدوران الكبير جدًا. استخدمت قاطرة الديزل Fell ، وهي قاطرة ديزل تجريبية بريطانية للسكك الحديدية من الخمسينيات، أربعة محركات وأربع وصلات، كل منها مزود بتحكم مستقل في المجرفة، لتشغيل كل محرك بدوره. تُستخدم عادةً لتوفير محركات ذات سرعات متغيرة . ^{[9] [10]}

تُستخدم وصلات السوائل في العديد من التطبيقات الصناعية التي تنطوي على طاقة دورانية، ^{[11] [12]} وخاصة في محركات الآلات التي تنطوي على بدايات عالية القصور الذاتي أو تحميل دوري ثابت.

توجد وصلات السوائل في بعض قاطرات الديزل كجزء من نظام نقل الطاقة. تصنع شركة Self-Changing Gears نواقل حركة شبه أوتوماتيكية لشركة السكك الحديدية البريطانية، وتصنع شركة Voith نواقل حركة توربينية لوحدات الديزل المتعددة التي تحتوي على مجموعات مختلفة من وصلات السوائل ومحولات عزم الدوران.

تم استخدام وصلات السوائل في مجموعة متنوعة من نواقل الحركة شبه الأوتوماتيكية المبكرة ونواقل الحركة الأوتوماتيكية . منذ أواخر الأربعينيات من القرن العشرين، حل محول عزم الدوران الهيدروديناميكي محل وصلات السوائل في تطبيقات السيارات .

في تطبيقات السيارات ، عادة ما تكون المضخة متصلة بعجلة الموازنة للمحرك - في الواقع، قد يكون غلاف القابض جزءًا من عجلة الموازنة المناسبة، وبالتالي يتم تدويره بواسطة العمود المرفقي للمحرك . يتم توصيل التوربين بعمود الإدخال لناقل الحركة . أثناء وجود ناقل الحركة في وضع التشغيل، ومع زيادة سرعة المحرك، يتم نقل عزم الدوران من المحرك إلى عمود الإدخال بواسطة حركة السائل، مما يدفع السيارة. في هذا الصدد، يشبه سلوك القابض السائل إلى حد كبير سلوك القابض الميكانيكي الذي يقود ناقل الحركة اليدوي .

تُعرف عجلات الموازنة السائلة، على عكس محولات عزم الدوران، باستخدامها في سيارات دايملر جنبًا إلى جنب مع علبة تروس ويلسون ذات الاختيار المسبق . استخدمت دايملر هذه في جميع أنحاء مجموعتها من السيارات الفاخرة، حتى تحولت إلى علب التروس الأوتوماتيكية مع ماجيستيك 1958. اشتهرت دايملر وألفيس أيضًا بمركباتهما العسكرية وسياراتهما المدرعة، والتي استخدم بعضها أيضًا مزيجًا من علبة تروس الاختيار المسبق وعجلة الموازنة السائلة.

كان الاستخدام الأكثر بروزًا للوصلات السائلة في التطبيقات الجوية في محركات DB 601 و DB 603 و DB 605 حيث تم استخدامها كقابض هيدروليكي يتم التحكم فيه بارومتريًا للضاغط الطرد المركزي ومحرك Wright التوربيني المركب الترددي ، حيث استخرجت ثلاث توربينات لاستعادة الطاقة ما يقرب من 20 بالمائة من الطاقة أو حوالي 500 حصان (370 كيلو واط) من غازات عادم المحرك، ثم باستخدام ثلاث وصلات سائلة وتروس، تم تحويل دوران التوربين عالي السرعة منخفض عزم الدوران إلى خرج منخفض السرعة وعالي عزم الدوران لتشغيل المروحة .

بشكل عام، ترتبط قدرة نقل الطاقة لوصلة سائل معينة ارتباطًا وثيقًا بسرعة المضخة، وهي سمة تعمل بشكل جيد بشكل عام مع التطبيقات حيث لا يتقلب الحمل المطبق بدرجة كبيرة. يمكن وصف قدرة نقل عزم الدوران لأي وصلة هيدروديناميكية بالتعبير ، حيث هي كثافة كتلة السائل (كجم/م ³ )، هي سرعة الدافع ( دورة في الدقيقة )، و هو قطر الدافع ( م ). ^[13] في حالة تطبيقات السيارات، حيث يمكن أن يختلف التحميل إلى أقصى الحدود بشكل كبير، يكون تقريب فقط. تميل القيادة المتقطعة إلى تشغيل الوصلة في أقل نطاق كفاءة لها، مما يتسبب في تأثير سلبي على الاقتصاد في استهلاك الوقود . ${\displaystyle r\,N^{2}D^{5}}$${\displaystyle r}$${\displaystyle N}$${\displaystyle D}$${\displaystyle r\,N^{2}D^{5}}$

تعتبر وصلات السوائل مكونات بسيطة نسبيًا في الإنتاج. على سبيل المثال، يمكن أن تكون التوربينات مصنوعة من سبائك الألومنيوم أو الصلب المختم، ويمكن أن يكون الغلاف أيضًا مصنوعًا من سبائك الألومنيوم أو الصلب المختم أو المزور.

تشمل الشركات المصنعة لموصلات السوائل الصناعية شركة Voith ، ^[14] وTransfluid، ^{[15] و} TwinDisc، ^{[16] و} Siemens ، ^[17] وParag، ^{[18] و} Fluidomat، ^{[19] و} Reuland Electric ^[20] وTRI Transmission and Bearing Corp. ^[21]

قائمة براءات اختراع اقتران السوائل.

هذه ليست قائمة شاملة ولكنها تهدف إلى إعطاء فكرة عن تطور اقترانات السوائل في القرن العشرين.

رقم براءة الاختراع	تاريخ النشر	مخترع	وصلة
GB190906861	02 ديسمبر 1909	هيرمان فوتينجر	[1]
الولايات المتحدة1127758	09 فبراير 1915	جاكوب كريستيان هانسن-إليهامر	[2]
الولايات المتحدة1199359	26 سبتمبر 1916	هيرمان فوتينجر	[3]
الولايات المتحدة1472930	06 نوفمبر 1923	فريتز ماير	[4]
جي بي 359501	23 أكتوبر 1931	فويث	[5]
الولايات المتحدة1937364	28 نوفمبر 1933	هارولد سنكلير	[6]
الولايات المتحدة1987985	15 يناير 1935	شميسكي وباور	[7]
الولايات المتحدة2004279	11 يونيو 1935	هيرمان فوتينجر	[8]
الولايات المتحدة2127738	23 أغسطس 1938	فريتز كوجل	[9]
الولايات المتحدة2202243	28 مايو 1940	نوح ل. اليسون	[10]
الولايات المتحدة2264341	02 ديسمبر 1941	آرثر وسينكلير	[11]
الولايات المتحدة2491483	20 ديسمبر 1949	جوباتز ودولزا	[12]
الولايات المتحدة2505842	02 مايو 1950	هارولد سنكلير	[13]
الولايات المتحدة2882683	21 أبريل 1959	هارولد سنكلير	[14]

• مضخم عزم الدوران
• محول عزم الدوران
• فرامل الماء

• اقتران السوائل، مبادئ التشغيل، فيلم [15]