偶合器

定义

偶合器安装在原动机与工作机之间，通过内部产生的力矩把原动机的旋转动力传给工作机，属于非刚性的机械传动装置^[1]。与刚性联轴器不同，它不依靠两轴之间的机械硬连接，而以液体、电磁力等中间介质完成动力传递^[4]。

按照工作介质和结构，偶合器可分为以油液为介质的液力偶合器、依靠摩擦力传递动力的摩擦偶合器，以及利用电磁能的电磁耦合器等^[1][4][5]。其中液力偶合器应用最广，按国家标准其基本型式分为普通型、限矩型和调速型三种；限矩型还包括静压泄液式、动压泄液式等，调速型包括进口调节式、出口调节式等^[5][6]。限矩型主要用于过载保护与软启动，调速型则在原动机转速不变的情况下调节输出转速^[5][6][7]。

原理

液力偶合器主要由泵轮、涡轮两个带径向叶片的叶轮和密封外壳组成，泵轮与输入轴相连，涡轮与输出轴相连，两轮之间留有间隙，工作腔内充满液压油等工作液体^[8]。电动机运行时带动壳体和泵轮一起转动，泵轮叶片内的油液随之旋转，在离心力作用下被甩向叶片外缘，并冲向与之相对的涡轮叶片，使涡轮旋转；油液沿涡轮叶片向内缘流动，之后重新回到泵轮，如此循环不止^[8]。

在这一循环中，泵轮将输入的机械能转换为液体的动能和势能，涡轮再把液体的动能和势能转换为输出轴上的机械能，动力由此从主动轴传到从动轴^[9]。泵轮的作用相当于离心泵，涡轮相当于水轮机，两轮之间没有机械接触，传动效率仅取决于泵轮与涡轮的转速差^[10]。

液力偶合器必须存在转速差才能传递力矩，没有转速差就没有扭矩传递；标准负荷下，大功率机组的转差率约为 1.5%，小功率机组约为 6%，可按 $s=\frac{n_1-n_2}{n_1}\times100\%$ 计算，其中 $n_1$、$n_2$ 分别为输入与输出转速^[10]。调速型液力偶合器通过改变工作腔的充液量来调节输出力矩和输出转速，例如调节导管的开度排出部分油液，就能在原动机转速不变时实现无级调节^[11]。

发展历程

液力传动最早用于船舶，作为动力装置与螺旋桨之间的传动机构。德国工程师赫尔曼·费廷格(Hermann Föttinger)在 1905 年获得的专利同时包含液力偶合器与液力变矩器^[12]。

20 世纪 20 年代，英国液压耦合器专利有限公司的哈罗德·辛克莱(Harold Sinclair)针对伦敦公共汽车行驶中的剧烈冲击，与伏尔甘造船厂的古斯塔夫·鲍尔(Gustav Bauer)合作，把费廷格的耦合器用于车辆变速系统^[12]。1930 年，戴姆勒公司在英国考文垂开始把液力偶合器与威尔逊自选变速齿轮箱组合起来，装用于巴士和旗舰车型；1933 年，该集团的新款戴姆勒、兰彻斯特及 BSA 车辆均采用这一系统^[12]。1939 年，通用汽车推出采用液力偶合器的 Hydramatic 驱动系统，这是世界上首款应用于量产汽车的全自动变速系统^[12]。

在中国，液力偶合器的专业化生产以大连液力机械厂 1978 年、1979 年从德国和英国引进技术为标志，此后 20 余年间其应用领域不断扩大^[13]。20 世纪 60 年代，英国劳斯莱斯、美国奥兹莫比尔以及苏联部分汽车的自动变速器装有液力偶合器，但由于效率偏低、体积较大，它在现代汽车中逐渐被液力变矩器取代，仅在一些工业领域继续使用^[14]。

应用

液力偶合器有利于提高机械的能力、节约能源并延长装置寿命，在矿山、冶金、电力、化工、造船、交通和起重运输等部门都有应用^[3]。

在矿山与煤炭行业，限矩型液力偶合器用于惯性圆锥破碎机可取得节能效果^[15]；调速型液力偶合器用于带式输送机，可实现软启动和多机功率平衡，从而提高经济技术指标^[16]。选煤厂在配置带式输送机软启动装置时，需要结合设备特点加以选择，并在降低投资的前提下可以优先选用国产液力偶合器^[17][7]。

在电力与化工行业，调速型液力偶合器用于风机和水泵的调速，使用方便、运行可靠且节能效果明显^[18]；在火电厂，风机和水泵加装调速液力偶合器后可获得约五分之一至三分之一的节电效果^[19]。电磁耦合器主要用于机械传动系统中主动轴与从动轴之间动力和运动的传递与断开^[4]。

局限

液力偶合器只有在输入与输出转速不一致时才能输出力矩，因此无法达到百分之百的传动效率；负载引起的滑差会使一部分功率在液体摩擦和湍流中损失，并以热量形式耗散^[20]。在输出轴被锁死的堵转状态下，输入的功率几乎全部转化为热量，可能造成部件损坏^[20]。

从功能上看，普通液力偶合器只能传递扭矩，无法改变扭矩的大小，需要与齿轮等变速机构配合使用；它也不能完全切断原动机与传动系统之间的联系，通常还要另设离合器^[14]。此外，这类装置的体积和重量较大，响应速度比机械传动慢，可传递的功率也受到限制^[14]。

参见

• 液力变矩器 —— 同属液力传动元件，除传递扭矩外还能改变扭矩大小。

• 液力传动 —— 偶合器所依据的传动方式，依靠液体动量矩的变化传递动力。

• 联轴器 —— 连接两轴以传递扭矩的部件，偶合器在广义上属于非刚性联轴器。

• 离心泵 —— 泵轮的工作机理与离心泵相似。

• 软启动 —— 偶合器的主要功能之一，可使大惯量设备平稳启动。