O que são acoplamentos hidráulicos e como funcionam em sistemas de energia fluida?

Introdução

Imagine tentar dar partida em uma enoume correia transportadora industrial ou na hélice de um navio apertando uma embreagem mecânica. O choque repentino provavelmente quebraria as marchas, danificaria o motor e criaria uma experiência desconfortável para qualquer pessoa que estivesse por perto. É aqui que os acoplamentos hidráulicos – também conhecidos como acoplamentos fluidos – fornecem uma solução elegante. Em vez do contato rígido de metal com metal, esses dispositivos inteligentes usam apenas líquido para transmitir energia de maneira suave e eficiente de um eixo giratório para outro.

Umcoplamentos hidráulicos são utilizados há mais de um século, originados do trabalho do engenheiro alemão Hermann Föttinger, que patenteou o conceito em 1905. Hoje, eles são encontrados em todos os lugares, desde a transmissão automática do seu carro até enormes máquinas industriais, sistemas de propulsão marítima e até mesmo locomotivas a diesel. Mas, apesar de seu uso generalizado, muitas pessoas não entendem completamente o que são ou como funcionam.

O que é um acoplamento hidráulico?

Definição e Conceito Central

Um acoplamento hidráulico – também chamado de acoplamento fluido or acoplamento hidrodinâmico —é um dispositivo que transmite energia mecânica rotativa de um eixo para outro usando um líquido, normalmente óleo, como meio de transmissão. Ao contrário de uma embreagem mecânica que utiliza placas de fricção ou de uma caixa de engrenagens que utiliza dentes interligados, um acoplamento hidráulico tem sem conexão mecânica direta entre os eixos de entrada e saída. Em vez disso, a energia flui através da energia cinética do fluido.

O termo “acoplamento hidráulico” pode, na verdade, referir-se a duas categorias distintas de dispositivos, e é importante compreender essa distinção. Segundo a Britannica, existem dois tipos principais de sistemas de transmissão de energia hidráulica:

Este artigo se concentra em acoplamentos de fluido hidrocinético , que são usados para transmissão de energia rotativa. Os sistemas hidrostáticos (bombas e motores hidráulicos) são uma tecnologia totalmente diferente, apesar de também serem chamados de “hidráulicos”.

Os três componentes principais

Um acoplamento hidráulico simples consiste em três componentes principais, mais o fluido hidráulico que preenche a câmara de trabalho:

Um Habitação (Concha) – Este é o invólucro externo que contém o fluido e as duas turbinas. Deve ter vedações à prova de óleo ao redor dos eixos de transmissão para evitar vazamentos. A carcaça também serve como conexão física entre o eixo de entrada e o impulsor da bomba.

Um bomba (impulsor) – Este componente semelhante a um ventilador é conectado diretamente ao eixo de entrada, que vem do motor principal (um motor elétrico, motor de combustão interna ou turbina a vapor). Quando o motor principal gira, a bomba gira com ele exatamente na mesma velocidade. A bomba contém lâminas radiais – normalmente 20 a 40 delas – que empurram e direcionam o fluido.

Um Turbina (Corredor) – Este segundo componente em forma de ventilador fica voltado para a bomba e está conectado ao eixo de saída, que aciona a carga (como um transportador, bomba ou transmissão de veículo). A turbina não está ligada mecanicamente à bomba; ele toca apenas o fluido que a bomba joga nele.

Distinção dos Conversores de Torque

Vale a pena nãoar que um acoplamento hidráulico é not a mesma coisa que um conversor de torque, embora os dois sejam frequentemente confundidos. Um acoplamento hidráulico básico transmite torque sem multiplicá-lo – o torque de saída é igual ao torque de entrada (menos perdas menores). Um conversor de torque, por outro lado, inclui um componente adicional chamado estator que redireciona o fluxo de fluido para realmente multiplicar o torque em baixas velocidades. Em aplicações automotivas, os conversores de torque substituíram em grande parte os acoplamentos hidráulicos simples desde o final da década de 1940 porque proporcionam melhor desempenho em baixa velocidade. No entanto, os acoplamentos hidráulicos continuam amplamente utilizados em ambientes industriais onde a multiplicação de torque não é necessária.

Como funciona um acoplamento hidráulico?

O Princípio de Föttinger

Todo acoplamento hidráulico moderno opera no que é conhecido como Princípio de Föttinger , em homenagem ao engenheiro alemão que patenteou o conceito pela primeira vez em 1905 . O princípio é aparentemente simples: uma bomba acelera o fluido para fora, e esse fluido em movimento atinge uma turbina, fazendo-a girar. O fluido então retorna à bomba para repetir o ciclo.

Pense nisso como dois ventiladores frente a frente dentro de uma caixa selada cheia de óleo. Se você ligar um ventilador (a bomba), suas pás empurram o óleo. Esse óleo em movimento atinge as pás do segundo ventilador (a turbina), fazendo-o girar. O segundo ventilador não está conectado ao primeiro por nenhum elo sólido – apenas pelo fluido em movimento. Esta é a essência da transmissão de potência hidrodinâmica.

Passo a passo: o ciclo de transmissão de energia

Vejamos exatamente o que acontece dentro de um acoplamento hidráulico durante a operação normal.

Passo 1 – O motor principal gira a bomba

O motor ou motor elétrico gira o eixo de entrada, que está conectado ao impulsor da bomba. À medida que a bomba gira, suas lâminas radiais retêm o fluido hidráulico (geralmente óleo) dentro da carcaça do acoplamento. As lâminas são anguladas para lançar o fluido para fora e tangencialmente, como uma bomba centrífuga.

Passo 2 – Fluido ganha energia cinética

Um bomba transmite movimento linear para fora e movimento rotacional ao fluido. À medida que o fluido se move do centro da bomba em direção à borda externa, ele ganha energia cinética significativa. Quanto mais rápido a bomba gira, mais energia o fluido absorve. A relação é proporcional ao quadrado da velocidade de entrada: o torque transmitido aumenta com o quadrado da velocidade de entrada, enquanto a potência transmitida aumenta com o cubo da velocidade de entrada.

Passo 3 – Fluido atinge as pás da turbina

O fluido energizado é direcionado pelo formato da bomba em direção à turbina (corredor). Como a bomba e a turbina ficam frente a frente com um pequeno espaço entre elas, o fluido atravessa esse espaço e impacta as pás da turbina. A força deste impacto transfere o momento angular do fluido para a turbina, fazendo com que ela gire no mesma direção como a bomba.

Passo 4 – Retorno do Fluido para a Bomba

Depois de ceder a maior parte de sua energia à turbina, o fluido flui de volta para o centro do acoplamento e entra novamente na bomba. Isto cria um contínuo padrão de fluxo toroidal —o fluido circula em torno de um caminho em forma de rosca (um toro) dentro do acoplamento. Enquanto a bomba continuar a girar, o fluido continuará circulando e transmitindo torque.

Passo 5 – O torque é entregue à carga

Um turbina está conectada ao eixo de saída, que aciona a carga. À medida que a turbina gira, ela gira o eixo de saída, fornecendo energia mecânica a qualquer máquina conectada – seja uma correia transportadora, um impulsor de bomba, uma transmissão de veículo ou uma hélice de navio.

O caminho do fluxo de fluido (circulação toroidal)

O movimento do fluido dentro de um acoplamento hidráulico segue um fascinante caminho toroidal (em forma de rosca). Existem dois componentes para este movimento:

• Fluxo circular – O fluido gira em torno do eixo de rotação, seguindo a circunferência do acoplamento.
• Fluxo meridional – O fluido se move da bomba para a turbina e vice-versa, criando um ciclo de reciclagem.

Quando os eixos de entrada e saída giram na mesma velocidade, não há fluxo líquido de uma turbina para a outra – o fluido simplesmente gira no lugar. Mas quando há um diferença de velocidade entre a bomba e a turbina (que existe sempre sob carga), o fluido flui vigorosamente da bomba para a turbina, transmitindo torque.

Principais características operacionais

Escorregar – A Inevitável Diferença de Velocidade

Uma das características mais importantes de qualquer acoplamento hidráulico é escorregar . Escorregamento é a diferença na velocidade de rotação entre o eixo de entrada (bomba) e o eixo de saída (turbina), expressa em porcentagem.

Um acoplamento fluido não pode desenvolver torque de saída quando as velocidades angulares de entrada e saída são idênticas . Isto significa que sob carga, a turbina deve sempre girar um pouco mais devagar que a bomba. Em um acoplamento hidráulico adequadamente projetado sob condições normais de carga, a velocidade do eixo acionado é de cerca de 3 por cento menos que a velocidade do eixo de transmissão. Para acoplamentos menores, o escorregamento pode variar de 1,5% (unidades de potência grandes) a 6% (unidades de potência pequenas).

Por que o escorregamento é importante? Porque o deslizamento representa energia perdida. A potência que não é transmitida ao eixo de saída é dissipada como calor dentro do fluido devido ao atrito interno e à turbulência. É por isso que os acoplamentos hidráulicos não são 100% eficientes – a eficiência típica varia de 95% a 98% . A energia perdida aquece o fluido hidráulico, razão pela qual muitos acoplamentos hidráulicos requerem sistemas de refrigeração ou são projetados para dissipar o calor de forma eficaz.

Velocidade de estol

Outra característica crítica é a velocidade de estol . Isto é definido como a velocidade mais alta na qual a bomba pode girar quando a turbina de saída está travada (não pode se mover) e o torque de entrada total é aplicado. Sob condições de estol, toda a potência do motor naquela velocidade é convertida em calor dentro do acoplamento hidráulico. A operação prolongada parada pode danificar o acoplamento, as vedações e o fluido.

Um velocidade de estol é particularmente relevante em aplicações automotivas. Quando você está parado em um semáforo com a transmissão automática engatada, o conversor de torque (que evoluiu do acoplamento hidráulico) fica parcialmente parado. O motor está em marcha lenta e o acoplamento hidráulico está dissipando uma pequena quantidade de energia na forma de calor.

Controle de colher para velocidade variável

Uma das características mais valiosas dos acoplamentos hidráulicos industriais é a capacidade de variar a velocidade de saída sem alterar a velocidade de entrada. Isto é conseguido usando um controle de colher sistema.

Uma concha é um tubo não giratório que entra no acoplamento giratório através de um cubo central. Ao mover esta pá – girando-a ou estendendo-a – o operador pode remover o fluido da câmara de trabalho e devolvê-lo a um reservatório externo. Menos fluido no acoplamento significa menos transmissão de torque e, portanto, menor velocidade do eixo de saída. Quando é necessária mais velocidade, o fluido é bombeado de volta para o acoplamento.

Isto permite controle de velocidade variável contínuo de grandes máquinas, como bombas de alimentação de caldeiras, ventiladores e transportadores. O motor elétrico pode funcionar a uma velocidade constante e eficiente, enquanto a velocidade de saída é ajustada suavemente conforme necessário.

Tipos de acoplamentos hidráulicos

Umcoplamentos de preenchimento constante

O tipo mais básico de acoplamento hidráulico é o preenchimento constante acoplamento. Como o nome sugere, esses acoplamentos contêm um volume fixo de fluido que permanece sempre na câmara de trabalho. Eles são simples, confiáveis ​​e requerem manutenção mínima.

Os acoplamentos de preenchimento constante fornecem:

• Umceleração suave e sem choques
• Proteção contra sobrecarga (se a carga emperrar, o acoplamento escorrega em vez de parar o motor)
• Ummortecimento de vibração torcional

Eles são comumente encontrados em aplicações industriais, como transportadores, britadores, ventiladores e bombas. A Série Transfluid K é um exemplo de acoplamento de enchimento constante, disponível para aplicações elétricas e a diesel.

Umcoplamentos de preenchimento retardado

Um acoplamento de atraso-preenchimento (também conhecido como acoplamento de circuito escalonado) adiciona um reservatório que retém parte do fluido quando o eixo de saída está parado ou girando lentamente. Isso reduz o arrasto no eixo de entrada durante a partida, o que traz dois benefícios:

• Menor consumo de combustível quando o motor está em marcha lenta
• “fluência” reduzida em aplicações automotivas (a tendência de um veículo avançar enquanto está engatado com o motor em marcha lenta)

Assim que o eixo de saída começa a girar, a força centrífuga joga o fluido para fora do reservatório e de volta para a câmara de trabalho principal, restaurando a capacidade total de transmissão de energia.

Acoplamentos de preenchimento variável (controlados por colher)

Ums 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:

• Acionamentos de bombas de alimentação de caldeiras em usinas de energia
• Grandes unidades de ventilador e soprador
• Sistemas de propulsão marítima
• Acionamentos de compressores centrífugos

Umpplications of Hydraulic Couplings

Máquinas Industriais

Os acoplamentos fluidos são amplamente utilizados em aplicações industriais que envolvem potência rotacional, especialmente onde há partidas de alta inércia ou cargas cíclicas constantes. Exemplos comuns incluem:

• Transportadores – A partida suave evita danos à correia e derramamento de material
• Trituradores e trituradores – Protege o motor se o britador ficar preso em material inquebrável
• Bombas centrífugas – Permite que o motor comece sem carga e, em seguida, aumenta gradualmente a velocidade da bomba
• Ventiladores e sopradores – Fornece controle de velocidade variável para economia de energia
• Misturadores e despolpadores – Absorve cargas de choque de materiais irregulares

Propulsão Marinha

Navios e barcos usam acoplamentos hidráulicos entre o motor diesel e o eixo da hélice. O acoplamento hidráulico oferece vários benefícios neste ambiente exigente:

• Permite que o motor dê partida e fique em marcha lenta sem girar a hélice
• Amortece as vibrações de torção do motor
• Ele fornece engate suave e sem choque quando a energia é aplicada
• Protege o sistema de transmissão se a hélice atingir detritos

Transporte Ferroviário

Locomotivas a diesel e unidades múltiplas a diesel (DMUs) freqüentemente usam acoplamentos fluidos como parte de seus sistemas de transmissão de energia. Fabricantes como a Voith fabricam turbotransmissões que combinam acoplamentos fluidos e conversores de torque para aplicações ferroviárias. A empresa Self-Changing Gears fabricava transmissões semiautomáticas para a British Rail que usavam acoplamentos fluidos.

Umutomotive (Historical)

Em aplicações automotivas, a bomba é normalmente conectada ao volante do motor (a carcaça do acoplamento pode até fazer parte do próprio volante), e a turbina é conectada ao eixo de entrada da transmissão. O comportamento de um acoplamento hidráulico se assemelha fortemente ao de uma embreagem mecânica que aciona uma transmissão manual – à medida que a rotação do motor aumenta, o torque é transferido suavemente para a transmissão.

A aplicação automotiva mais famosa foi a Volante Fluido Daimler , usado em conjunto com uma caixa de engrenagens pré-seletora Wilson. A Daimler usou-os em toda a sua gama de carros de luxo até mudar para caixas de velocidades automáticas com o Majestic de 1958. A General Motors também usou um acoplamento hidráulico no Hidramático transmissão, introduzida em 1939 como a primeira transmissão totalmente automática em um automóvel produzido em massa.

Hoje, o conversor de torque hidrodinâmico substituiu em grande parte o acoplamento hidráulico simples em automóveis de passageiros porque os conversores de torque fornecem multiplicação de torque em baixas velocidades, melhorando a aceleração a partir de uma parada.

Umviation

Acoplamentos fluidos também encontraram uso na aviação. O exemplo mais proeminente ocorreu no Motor alternativo turbo composto Wright , usado em aeronaves como o Lockheed Constellation e o Douglas DC-7. Três turbinas de recuperação de energia extraíram aproximadamente 20% da energia (cerca de 500 cavalos) dos gases de escape do motor. Usando três acoplamentos fluidos e engrenagens, a potência da turbina de alta velocidade e baixo torque foi convertida em saída de baixa velocidade e alto torque para acionar a hélice.

Benefícios e Limitações

Benefícios dos acoplamentos hidráulicos

Limitações e considerações

Deslizamento inerente – Um acoplamento hidráulico não pode atingir 100% de eficiência porque o escorregamento é necessário para a transmissão de torque. Alguma energia é sempre perdida na forma de calor.

Geração de calor – Sob condições de estol ou deslizamento intenso, é gerado calor significativo. Acoplamentos grandes podem exigir resfriamento externo.

Menor eficiência do que acoplamentos rígidos – Devido às perdas dinâmicas de fluido internas, as transmissões hidrodinâmicas tendem a ter menor eficiência de transmissão do que as transmissões rigidamente acopladas, como acionamentos por correia ou caixas de engrenagens.

Manutenção de fluidos – O fluido hidráulico degrada-se com o tempo e deve ser substituído periodicamente. A viscosidade do fluido afeta o desempenho e o fluido errado pode causar superaquecimento.

Não é adequado para sincronização precisa de velocidade – Se os eixos de entrada e saída devem girar exatamente na mesma velocidade, um acoplamento hidráulico não pode ser usado porque o deslizamento é inerente ao seu funcionamento.

Perguntas frequentes (FAQ)

Q1: Qual é a diferença entre um acoplamento hidráulico e um conversor de torque?

Um 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 multiplicado em baixas velocidades. Isto torna os conversores de torque melhores para aplicações automotivas onde é necessário um alto torque de partida.

Q2: Um acoplamento hidráulico pode atingir 100% de eficiência?

Não. Um acoplamento hidráulico não pode desenvolver torque de saída quando as velocidades de entrada e saída são idênticas, portanto, é sempre necessário algum escorregamento. Em operação normal, a eficiência normalmente é de 95–98%.

Q3: Que tipo de fluido é usado em um acoplamento hidráulico?

A maioria dos acoplamentos hidráulicos usa fluidos de baixa viscosidade, como óleos de motor multigraduados ou fluidos de transmissão automática (ATF). Aumentar a densidade do fluido aumenta o torque que pode ser transmitido a uma determinada velocidade de entrada. Para aplicações onde o desempenho deve permanecer estável apesar das mudanças de temperatura, é preferível um fluido com alto índice de viscosidade. Alguns acoplamentos estão disponíveis até para operação com água.

Q4: Como você controla a velocidade de um acoplamento hidráulico?

Em um acoplamento de enchimento variável (controlado por colher), um tubo coletor não giratório remove o fluido da câmara de trabalho enquanto o acoplamento está operando. Menos fluido significa menos transmissão de torque e menor velocidade de saída. Ao controlar a posição da colher, a velocidade de saída pode ser ajustada continuamente de zero até quase a velocidade de entrada.

Q5: O que acontece se um acoplamento hidráulico secar?

Se um acoplamento hidráulico funcionar sem fluido suficiente, ele não conseguirá transmitir o torque necessário. Mais criticamente, o volume limitado de fluido superaquecerá rapidamente, muitas vezes causando danos às vedações, aos rolamentos e ao alojamento.

Q6: Os acoplamentos hidráulicos ainda são usados ​​em carros modernos?

Acoplamentos hidráulicos simples foram amplamente substituídos por conversores de torque em automóveis de passageiros. No entanto, algumas transmissões automáticas modernas ainda usam princípios de acoplamento fluido, e o termo “acoplamento fluido” às vezes é usado de forma intercambiável com “conversor de torque” em conversas casuais.

Q7: Por que meu acoplamento hidráulico esquenta?

A geração de calor é normal porque a energia perdida no deslizamento é dissipada como calor. No entanto, o calor excessivo indica deslizamento excessivo, o que pode ser causado por sobrecarga, baixo nível de fluido, tipo incorreto de fluido ou mau funcionamento do sistema de refrigeração.

Q8: Quanto tempo dura um acoplamento hidráulico?

Como não há contato mecânico entre a bomba e a turbina, os acoplamentos hidráulicos são extremamente duráveis. Os principais componentes de desgaste são as vedações e os rolamentos. Com manutenção adequada e trocas de fluidos, os acoplamentos hidráulicos industriais podem durar décadas.