油圧カップリングとは何ですか?また、流体動力システムではどのように機能しますか?

はじめに

機械式クラッチを強く叩いて、巨大な産業用コンベア ベルトや船のプロペラを始動させようとすることを想像してみてください。突然の衝撃によりギアが壊れ、エンジンが損傷し、近くにいる人に不快な思いをさせる可能性があります。ここで、油圧カップリング (流体カップリングとも呼ばれます) が洗練されたソリューションを提供します。これらの賢いデバイスは、金属同士をしっかりと接触させる代わりに、液体だけを使用して、ある回転シャフトから別の回転シャフトにスムーズかつ効率的に動力を伝達します。

油圧カップリング この概念は、1905 年にこの概念の特許を取得したドイツ人技術者ヘルマン フェッティンガーの研究に端を発し、1 世紀以上にわたって使用されてきました。今日では、自動車のオートマチック トランスミッションから大型産業機械、船舶用推進システム、さらにはディーゼル機関車に至るまで、あらゆるところで使用されています。しかし、広く使用されているにもかかわらず、多くの人はそれが何であるか、またどのように機能するかを完全に理解していません。

油圧カップリングとは何ですか?

定義とコアコンセプト

あ 油圧カップリング —とも呼ばれます 流体継手 または 流体力学的カップリング - 伝達媒体として液体、通常は油を使用して、あるシャフトから別のシャフトに回転機械動力を伝達する装置です。摩擦板を使用する機械式クラッチや連動歯を使用するギアボックスとは異なり、油圧カップリングには 直接的な機械的接続がない 入力軸と出力軸の間。代わりに、動力は流体の運動エネルギーを介して流れます。

「油圧カップリング」という用語は、実際には 2 つの異なるカテゴリのデバイスを指す場合があり、この区別を理解することが重要です。 Britannica によると、油圧伝動システムには主に 2 つのタイプがあります。

この記事では以下に焦点を当てます 油圧流体継手 、回転動力伝達に使用されます。油圧システム (油圧ポンプと油圧モーター) は、「油圧」とも呼ばれますが、まったく異なるテクノロジーです。

3 つの主要コンポーネント

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

ハウジング（シェル） – これは、流体と 2 つのタービンを含む外側のケーシングです。漏れを防ぐために、ドライブシャフトの周りに油密シールが必要です。ハウジングは入力シャフトとポンプインペラの間の物理的な接続としても機能します。

ポンプ（インペラ） – このファン状のコンポーネントは、原動機 (電気モーター、内燃機関、または蒸気タービン) からの入力シャフトに直接接続されています。原動機が回転すると、ポンプも原動機とともにまったく同じ速度で回転します。ポンプには、流体を押して方向付ける放射状ブレード (通常は 20 ～ 40 枚) が含まれています。

タービン（ランナー） – この 2 番目のファン状コンポーネントはポンプに面しており、負荷 (コンベア、ポンプ、車両トランスミッションなど) を駆動する出力シャフトに接続されています。タービンはポンプに機械的に接続されていません。ポンプが送り込む流体に触れるだけです。

トルクコンバータとの違い

油圧カップリングは そうではない トルクコンバータと同じものですが、この 2 つはよく混同されます。基本的な流体カップリングは、トルクを倍増させることなく伝達します。つまり、出力トルクは入力トルクと等しくなります（わずかな損失を差し引いたもの）。対照的に、トルクコンバータには、と呼ばれる追加のコンポーネントが含まれています。 ステーター 流体の流れの方向を変更して、低速でのトルクを実際に増大させます。自動車用途では、トルクコンバータはより優れた低速性能を提供するため、1940 年代後半以降、単純な流体カップリングに大きく取って代わりました。ただし、流体カップリングは、トルクの増大が必要ない産業環境では依然として広く使用されています。

油圧カップリングはどのように機能しますか?

フェッティンガーの原理

最新の油圧カップリングはすべて、いわゆる フェッティンガーの原理 1905 年にこの概念を最初に特許取得したドイツの技術者にちなんで名付けられました。原理は一見単純です。ポンプが流体を外側に加速し、その移動する流体がタービンに衝突してタービンを回転させます。その後、流体はポンプに戻り、このサイクルが繰り返されます。

これは、オイルが満たされた密閉ケース内で向かい合う 2 つのファンのようなものだと考えてください。 1 つのファン (ポンプ) をオンにすると、そのブレードがオイルを押し出します。その移動したオイルが 2 番目のファン (タービン) のブレードに衝突し、ファンが回転します。 2 番目のファンは、固体リンクによって最初のファンに接続されておらず、移動する流体によってのみ接続されています。これが流体力学的動力伝達の本質です。

ステップバイステップ: 動力伝達サイクル

通常の動作中に油圧カップリングの内部で何が起こっているのかを正確に見てみましょう。

ステップ 1 – 原動機がポンプを回転させる

エンジンまたは電気モーターは、ポンプ インペラに接続された入力シャフトを回転させます。ポンプが回転すると、その放射状ブレードがカップリング ハウジング内の作動油 (通常はオイル) を捕らえます。ブレードは角度が付いており、遠心ポンプのように流体を接線方向に外側に投げます。

ステップ 2 – 流体は運動エネルギーを得る

ポンプは、流体に外側への直線運動と回転運動の両方を与えます。流体がポンプの中心から外縁に向かって移動すると、大きな運動エネルギーが発生します。ポンプの回転が速いほど、流体が吸収するエネルギーが多くなります。この関係は入力速度の 2 乗に比例します。伝達トルクは入力速度の 2 乗で増加し、伝達電力は入力速度の 3 乗で増加します。

ステップ 3 – 流体がタービンブレードに当たる

エネルギーを与えられた流体は、ポンプの形状によってタービン (ランナー) に向けられます。ポンプとタービンは小さな隙間を隔てて対向しているため、流体はこの隙間を越えて飛び出し、タービンブレードに衝撃を与えます。この衝撃の力によって角運動量が流体からタービンに伝達され、タービンが回転します。 同じ方向 ポンプとして。

ステップ 4 – 液体がポンプに戻る

あfter 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 トロイダル流パターン - 流体はカップリング内のドーナツ状の経路 (トーラス) の周りを循環します。ポンプが回転し続ける限り、流体は循環しトルクを伝達し続けます。

ステップ 5 – トルクが負荷に伝達される

タービンは出力軸に接続されており、負荷を駆動します。タービンが回転すると出力シャフトが回転し、コンベア ベルト、ポンプ インペラ、車両のトランスミッション、船舶のプロペラなど、接続されているあらゆる機械に機械動力が供給されます。

流体の流路（トロイダル循環）

油圧カップリング内の流体の動きは、魅力的なトロイダル (ドーナツ型) 経路に従います。この動きには 2 つの要素があります。

• 循環流 – 流体はカップリングの円周に沿って回転軸を中心に回転します。
• 子午線の流れ – 流体はポンプからタービンに移動し、再び戻ることでリサイクル ループが形成されます。

入力シャフトと出力シャフトが同じ速度で回転する場合、一方のタービンからもう一方のタービンへの正味の流れは存在せず、流体はその場で回転するだけです。しかし、あるときは、 速度の違い ポンプとタービンの間に（常に負荷がかかっている状態で）流体がポンプからタービンに勢いよく流れ、トルクを伝達します。

主な動作特性

スリップ – 避けられない速度差

流体継手の最も重要な特性の 1 つは次のとおりです。 スリップ 。スリップとは、入力シャフト (ポンプ) と出力シャフト (タービン) の間の回転速度の差をパーセンテージで表したものです。

あ fluid coupling 入力角速度と出力角速度が同じ場合、出力トルクを発生させることはできません 。これは、負荷がかかると、タービンは常にポンプよりもわずかに遅く回転する必要があることを意味します。適切に設計された油圧カップリングでは、通常の負荷条件下で、被動シャフトの速度は約 3パーセント減 ドライブシャフトの速度よりも。小型カップリングの場合、スリップは 1.5% (大型パワー ユニット) から 6% (小型パワー ユニット) の範囲になります。

なぜスリップが重要なのでしょうか? スリップはエネルギーの損失を表すためです。出力軸に伝達されなかった動力は、内部摩擦や乱流により流体内に熱として放散されます。これが、流体継手の効率が 100% ではない理由であり、一般的な効率の範囲は 95% ～ 98% です。失われたエネルギーによって作動油が加熱されるため、多くの流体継手は冷却システムを必要とするか、熱を効果的に放散するように設計されています。

失速速度

あnother critical characteristic is the 失速速度 。これは、出力タービンがロックされ（動けなくなり）、最大の入力トルクが加えられたときにポンプが回転できる最高速度として定義されます。失速状態では、その速度でのエンジンの出力はすべて流体カップリング内で熱に変換されます。失速状態で長時間動作すると、カップリング、シール、および流体が損傷する可能性があります。

失速速度は自動車用途に特に関係します。オートマチック トランスミッションのギアを入れた状態で信号で停止すると、トルク コンバーター (流体カップリングから発展したもの) が部分的にストールした状態になります。エンジンはアイドリング状態で、流体継手は少量の動力を熱として放散します。

可変速度のスクープ制御

工業用流体カップリングの最も価値のある機能の 1 つは、入力速度を変更せずに出力速度を変更できることです。これは、 スクープコントロール システム。

あ 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.

これにより、 無段階変速制御 ボイラー給水ポンプ、ファン、コンベアなどの大型機械。電気モーターは一定の効率的な速度で動作し、出力速度は必要に応じてスムーズに調整されます。

油圧カップリングの種類

定充填カップリング

油圧カップリングの最も基本的なタイプは、 定数フィル カップリング。名前が示すように、これらのカップリングには一定量の流体が含まれており、常に作動室内に残ります。シンプルで信頼性が高く、メンテナンスも最小限で済みます。

定充填カップリングは以下を提供します。

• スムーズでショックのない加速
• 過負荷保護 (負荷が詰まった場合、モーターが停止する代わりにカップリングがスリップします)
• ねじり振動減衰

これらは、コンベア、クラッシャー、ファン、ポンプなどの産業用途でよく見られます。 Transfluid K シリーズは、電気およびディーゼル駆動の両方の用途に利用できる定充填カップリングの一例です。

ディレイフィルカップリング

あ ディレイフィルカップリング (ステップ回路カップリングとしても知られています) は、出力シャフトが静止しているとき、またはゆっくりと回転しているときに流体の一部を保持するリザーバーを追加します。これにより、始動時の入力シャフトの抵抗が軽減され、次の 2 つの利点があります。

• 燃料消費量の削減 エンジンがアイドリングしているとき
• 「クリープ」の低減 自動車用途（エンジンがアイドリング状態でギアが入っているときに車両が前進する傾向）

出力シャフトが回転し始めると、遠心力によって流体がリザーバーから排出され、主作動室に戻り、フルパワー伝達能力が回復します。

可変充填 (スクープ制御) カップリング

あs 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:

• 発電所のボイラー給水ポンプ駆動装置
• 大型ファンおよびブロワードライブ
• 船舶用推進システム
• 遠心圧縮機ドライブ

あpplications of Hydraulic Couplings

産業機械

流体カップリングは、回転力を必要とする産業用途、特に高慣性始動や一定の周期的負荷が存在する場合に広く使用されています。一般的な例は次のとおりです。

• コンベヤ – スムーズな始動により、ベルトの損傷や材料の流出を防ぎます
• 粉砕機とシュレッダー – クラッシャーが壊れにくい材料に引っかかった場合にモーターを保護します
• 渦巻ポンプ – モーターを無負荷状態で開始し、徐々にポンプの速度を上げます。
• ファンと送風機 – 可変速度制御を提供してエネルギーを節約します
• ミキサーとパルパー – 不規則な材料からの衝撃荷重を吸収します

船舶推進機

船舶やボートでは、ディーゼル エンジンとプロペラ シャフトの間に流体カップリングが使用されます。流体カップリングは、この要求の厳しい環境においていくつかの利点をもたらします。

• プロペラを回転させずにエンジンを始動し、アイドリングさせることができます。
• エンジンからのねじり振動を減衰します。
• 力が加わったときにスムーズで衝撃のない係合を実現します。
• プロペラが破片に衝突した場合にドライブトレインを保護します。

鉄道輸送

ディーゼル機関車およびディーゼル多重ユニット (DMU) は、動力伝達システムの一部として流体継手を頻繁に使用します。 Voith などのメーカーは、鉄道用途向けに流体カップリングとトルクコンバータを組み合わせたターボトランスミッションを製造しています。 Self-Changing Gears 社は、英国鉄道向けに流体カップリングを使用した半自動トランスミッションを製造しました。

あutomotive (Historical)

自動車用途では、通常、ポンプはエンジンのフライホイールに接続され (カップリングのハウジングがフライホイール自体の一部である場合もあります)、タービンはトランスミッション入力シャフトに接続されます。流体カップリングの動作は、マニュアル トランスミッションを駆動する機械式クラッチの動作によく似ています。エンジン速度が上昇すると、トルクがスムーズにトランスミッションに伝達されます。

最も有名な自動車用途は ダイムラー流体フライホイール 、ウィルソンプリセレクターギアボックスと組み合わせて使用されます。ダイムラーは、1958 年のマジェスティックでオートマチック ギアボックスに切り替えるまで、自社の高級車全体でこれらを使用していました。ゼネラルモーターズも流体継手を使用していました。 ハイドラマチック トランスミッションは、1939 年に量産自動車初の完全自動トランスミッションとして導入されました。

現在、流体力学的トルクコンバータは、乗用車の単純な流体カップリングに大きく取って代わりました。トルクコンバータは、低速でのトルク増大を提供し、停止からの加速を改善するためです。

あviation

流体継手は航空分野でも使用されています。最も顕著な例は、 ライト製ターボ複合レシプロエンジン 、ロッキード コンステレーションやダグラス DC-7 などの航空機で使用されています。 3 つの動力回収タービンにより、エンジンの排気ガスからエネルギーの約 20 パーセント (約 500 馬力) が抽出されました。 3 つの流体継手と歯車装置を使用して、この高速、低トルクのタービン出力を低速、高トルクの出力に変換し、プロペラを駆動しました。

利点と制限事項

油圧カップリングの利点

制限事項と考慮事項

固有のスリップ – 流体継手はトルク伝達に滑りが必要なため、100% の効率を達成することはできません。電力の一部は常に熱として失われます。

発熱 – 失速または激しいスリップ状態では、かなりの熱が発生します。大型のカップリングには外部冷却が必要な場合があります。

リジッドカップリングよりも効率が低い – 内部流体力学損失のため、流体力学トランスミッションは、ベルトドライブやギアボックスなどの剛結合トランスミッションよりも伝達効率が低くなる傾向があります。

液体のメンテナンス – 作動油は時間の経過とともに劣化するため、定期的に交換する必要があります。液体の粘度は性能に影響し、間違った液体を使用すると過熱を引き起こす可能性があります。

正確な速度同期には適していません – 入力シャフトと出力シャフトがまったく同じ速度で回転する必要がある場合、流体カップリングの動作には滑りが固有であるため、流体カップリングは使用できません。

よくある質問 (FAQ)

Q1: 油圧カップリングとトルクコンバータの違いは何ですか?

あ 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 乗算された 低速で。これにより、トルクコンバータは、高い始動トルクが必要とされる自動車用途に適したものになります。

Q2: 油圧カップリングは 100% の効率を達成できますか?

いいえ、流体カップリングは入力速度と出力速度が同じ場合には出力トルクを発生できないため、常にある程度の滑りが必要です。通常の動作では、効率は通常 95 ～ 98% です。

Q3: 油圧カップリングに使用される流体の種類は何ですか?

ほとんどの油圧カップリングは、マルチグレードのモーター オイルやオートマチック トランスミッション液 (ATF) などの低粘度の流体を使用します。流体密度が増加すると、特定の入力速度で伝達できるトルクが増加します。温度が変化しても性能を安定させなければならない用途では、粘度指数の高い流体が推奨されます。一部のカップリングは水での操作にも使用できます。

Q4: 油圧カップリングの速度制御はどのように行うのですか?

可変充填 (スクープ制御) カップリングでは、カップリングの動作中に非回転スクープ チューブが作動チャンバーから流体を除去します。流体が少なくなると、トルク伝達が減少し、出力速度が低下します。スクープ位置を制御することで、出力速度をゼロからほぼ入力速度まで無段階に調整できます。

Q5: 油圧カップリングが空になったらどうなりますか?

流体カップリングが十分な流体なしで動作すると、必要なトルクを伝達できなくなります。さらに重要なのは、限られた流体量が急速に過熱し、多くの場合、シール、ベアリング、ハウジングに損傷を与えることです。

Q6: 油圧カップリングは現代の自動車でも使用されていますか?

乗用車では、単純な流体継手のほとんどがトルクコンバータに置き換えられています。ただし、最新のオートマチック トランスミッションには依然として流体継手の原理が使用されており、日常会話では「流体継手」という用語が「トルク コンバータ」と同じ意味で使用されることがあります。

Q7: 流体カップリングが熱くなるのはなぜですか?

滑りによって失われたエネルギーが熱として放散されるため、発熱は正常です。ただし、過度の熱は滑りが大きすぎることを示しており、過負荷、液面レベルの低下、不適切な液種、または冷却システムの故障が原因である可能性があります。

Q8: 油圧カップリングの寿命はどれくらいですか?

ポンプとタービンの間に機械的接触がないため、流体継手は非常に耐久性があります。主な摩耗部品はシールとベアリングです。適切なメンテナンスと流体交換を行えば、工業用流体カップリングは数十年にわたって使用できます。