Как работает гидромуфта вентилятора охлаждения

Принцип работы вискомуфты вентилятора

Вязкостная муфта в системе охлаждения двигателя автомобиля применяется в качестве альтернативы электрическому вентилятору. Рассмотрим, как работает вискомуфта вентилятора, ее устройство, возможные неисправности, преимущества и недостатки.

Роль в системе охлаждения ДВС

Вентилятор с вискомуфтой устанавливается на автомобили с продольным расположением двигателя (обычно это полноприводные и заднеприводные модели). При такой компоновке шкив вентилятора радиатора целесообразней всего соединить со шкивом водяной помпы. Как известно, вращение водяной помпе передается сервисным ремнем от шкива коленчатого вала.

Недостаток такой конструкции в том, что скорость вращения крыльчатки вентилятора всегда будет пропорциональна оборотам коленчатого вала. Подобное устройство приведет к тому, что на высоких оборотах в условиях холодного воздуха двигатель будет чрезмерно охлаждаться, что снизит его КПД. К тому же постоянное соединение крыльчатки и шкива коленчатого вала увеличит механические потери на трение, что будет отнимать мощность и повышать расход топлива.

Вискомуфта вентилятора позволяет регулировать скорость вращения крыльчатки в зависимости от температуры двигателя.

Устройство

Разница в конструкции вискомуфт вентилятора Toyota, BMW, Mercedes, Audi. минимальна, так как все они устроены и работают по единому принципу.

Вал с соединительным фланцем крепится к приводу помпы охлаждения, поэтому его скорость вращения всегда пропорциональна оборотам коленчатого вала. К валу, в свою очередь, крепится приводной шкив, который вращается в рабочей камере. Рабочая и резервная камеры разделены пластинами. Переход между камерами возможен только через впускные клапаны и возвратные каналы. Изначально резервная камера заполнена специальным силиконовым маслом. Приводной шкив, или диск, как его еще называют, имеет по окружности косые зубья, которые при вращении позволяют выгонять масло обратно в резервную камеру. Поверхность приводных дисков, как и делительных пластин, имеет специальные ребра, которые превращают рабочую камеру в своеобразную сеть лабиринтов, по которым циркулирует силиконовое масло.

Корпус муфты, к которому и крепится крыльчатка вентилятора, соединяется с валом (ротором вискомуфты) посредством обычного шарикового подшипника. Впускные клапаны соединены с биметаллической пластиной, которая располагается в передней части корпуса вискомуфты. При нагреве пластина расширяется, что приводит к увеличению пропускного сечения клапанов.

Свойства силиконового масла

Основная особенность силиконовой жидкости, использующейся в вискомуфтах вентиляторов, – термостойкость и вязкостная стабильность. С изменением температуры масло лишь незначительно изменяет свою вязкость.

В работе вискомуфты силиконовое масло исполняет роль связывающего вещества, позволяющего создать между приводным диском и разделительными пластинами, соединенными с корпусом, трение. Несмотря на то что между корпусом и приводным шкивом всегда будет некоторая степень проскальзывания, созданного коэффициента сцепления достаточно для зацепления корпуса муфты с приводным валом.

В некоторых источниках указывается, что с повышением температуры масло расширяется, что и провоцирует вязкостное зацепление приводного диска с корпусом вискомуфты. Подобное понимание принципа работы вискомуфты вентилятора охлаждения является ложным и возникло, скорее всего, из-за сравнения вискомуфты вентилятора с вязкостными муфтами раздаточных коробок полноприводных автомобилей. В вискомуфтах дифференциалов используется дилатантная жидкость, вязкость которой сильно зависит от скорости деформации сдвига.

Принцип работы

Когда рабочая камера не заполнена маслом, приводной диск свободно вращается в рабочей камере. Небольшое количество масла все же присутствует, но коэффициент сцепления приводного шкива с корпусом вискомуфты минимален, поэтому с повышением оборотов двигателя скорость вращения крыльчатки не увеличивается.

Процесс прогрева двигателя и увеличения температуры тосола в радиаторе сопровождается нагревом биметаллической пластины. Нагреваясь, пластина расширяется, что приводит к открытию впускного клапана и увеличению количества рабочей жидкости, проникающей из резервной в рабочую камеру. Возникающее между приводным диском и разделительными пластинами трение приводит к увеличению скорости вращения корпуса и крыльчатки вентилятора.

Когда двигатель нуждается в максимальном охлаждении, биметаллическая пластина изогнута настолько, чтобы обеспечить максимальное проходное сечение впускных клапанов. В таком случае разница частоты вращения вала и корпуса вискомуфты минимальна, поэтому повышение оборотов коленчатого вала приводит к практически равнозначному увеличению скорости вращения крыльчатки вентилятора.

Снижение температуры набегающего воздуха приводит к постепенному возврату биметаллической пластины в исходное положение. Соответственно, уменьшается проходное сечение впускных клапанов, жидкость перегоняется в резервную полость. Уменьшение коэффициента сцепления приводит к увеличению разницы частоты вращения приводного вала вискомуфты и корпуса – крыльчатка вентилятора замедляется.

Работа вискомуфты Toyota на примере конкретных температурных режимов

Устройство вискомуфт вентиляторов Toyota предполагает наличие двух рабочих камер (в первых вариантах конструкции была только одна камера).

• Биметаллическая пластина в «холодном» состоянии.
• Пластина разогрета теплым воздухом, открыт впускной клапан передней камеры.
• Коэффициент температурного расширения соответствует максимальному режиму охлаждения. Открыт клапан задней камеры.

Почему вискомуфта вращается на холодную

Многие владельцы автомобилей с механическим приводом вентилятора системы охлаждения, скорее всего, замечали, что после запуска холодного двигателя вентилятор крутится с большой скоростью. Спустя некоторое время после прогрева двигателя, количество оборотов крыльчатки уменьшается, поэтому может показаться, что подобное явление идет в разрез с описанным выше принципом работы вискомуфты вентилятора. Такой эффект возникает из-за того, что во время простоя масло самотеком стекает в нижнюю рабочую камеру, поэтому сразу после запуска крыльчатка и корпус вискомуфты будут вращаться до того времени, пока масло перекачается обратно в резервную секцию.

Преимущества

Обороты крыльчатки подстраиваются под фактический температурный режим двигателя, что позволяет:

• уменьшить расход топлива;
• снизить уровень шума;
• уменьшить потери мощности.

Установка вискомуфты в системе охлаждения позволяет уменьшить нагрузку на генератор и снизить себестоимость авто, исключив затраты на электропривод крыльчатки, проводку.

Недостатки

Многие сетуют на ненадежность вискомуфты, забывая, что система с электровентилятором также периодически нуждается в ремонте. Наиболее распространенная поломка – утечка рабочей жидкости. Несмотря на то что большинство муфт вязкостного типа неразборные, существуют проверенные технологии восстановления работоспособности системы. В случае износа поддается восстановлению и подшипник. Именно поэтому важно знать способы проверки и ремонта вискумуфты вентилятора радиатора.

Купив уаз и столкнувшись с долгим прогревом зимой и почти перегревом в жару в пробке стал разбираться как реально работает это устройство. Вот что в итоге замечено: при пуске двигателя вентилятор крутится на полную до первого срабатывания термостата. После охлаждения радиатора до какой то температуры виска начинает пробуксовывать (уменьшается поток воздуха и появляется как бы жужащий звук). При следующем открытии термостата виска снова включается и все повторяется. Виска начинает работать как положено. При попадании в жару в пробку двигатель начинает греться и нагревшись около 90-93 градуса виска начинает пробуксовывать и температура ползет вверх открыв капот двигателя и включив отопитель смог остановить рост температуры в районе 97 градусов. Пробка тронулась и температура очень быстро пришла в норму. В результате этих случаев сделал для себя выводы о недостатках вискомуфты: 1 долгий прогрев в зимний период 2 плохое охлаждение в жару на холостых оборотах двигателя. Для себя решил избавится от вискомуфты и установить эл. вентиляторы. Преимущества которых: 1 более быстрый прогрев в зимний период 2 более лучшее охлаждение в жару так как обороты эл. вентилятора не зависят от оборотов двигателя.

Гидромуфта КАМАЗ: надежный привод вентилятора

В грузовиках Камского автозавода привод вентилятора охлаждения реализован в виде особого устройства — гидравлической муфты, расположенной в передней части силового агрегата. О том, как устроена и работает гидромуфта и связанные с ней компоненты, а также о ее эксплуатации, обслуживании и особенностях ремонта читайте в этой статье.

Общий взгляд на систему охлаждения силовых агрегатов КАМАЗ

Дизельные двигатели камских грузовиков оборудуются двухконтурной жидкостной системой охлаждения, построенной по традиционной схеме. В ее состав входит водяная рубашка (система полостей и каналов) в блоке цилиндров и в ГБЦ, жидкостный насос (помпа), несколько термостатов, радиатор, система трубопроводов и различные датчики. Также в данную систему входит вентилятор, обеспечивающий отвод излишнего тепла от радиатора на определенных режимах работы мотора.

Функционирование системы сводится к следующему. При запуске мотора сразу начинает работать помпа, которая обеспечивает циркуляцию антифриза в первом (малом) контуре, в обход радиатора. При прогреве силовой установки срабатывает термостат, который открывает путь охлаждающей жидкости в радиатор, что обеспечивает охлаждение и поддержание определенной температуры двигателя.

Однако радиатор не всегда работает эффективно — на высоких оборотах, а также в жаркую погоду отвод избыточного тепла в атмосферу значительно ухудшается, что чревато перегревом и поломкой мотора. Решает проблему входящий в систему охлаждения вентилятор — он создает поток воздуха, который обдувает радиатор, обеспечивая отвод лишнего тепла. Без вентилятора нормальная эксплуатация автомобиля, особенно в теплое время года, была бы невозможной.

Работу вентилятора обеспечивает специальный узел — муфта привода вентилятора. До недавнего времени в автомобилях КАМАЗ использовалась исключительно гидравлическая муфта (гидромуфта) в паре с регулятором-выключателем. Сегодня все чаще камские грузовики оснащаются более простыми вязкостными муфтами (вискомуфтами). Здесь мы обратим внимание только на гидромуфту — решение, которое все еще пользуется популярностью и имеет ряд преимуществ перед вискомуфтой.

Назначение гидромуфты и ее роль в системе охлаждения

Гидромуфта имеет несколько несомненных плюсов и преимуществ перед вискомуфтой и электрическим приводом вентилятора, что и определяет ее широчайшее распространение. В сравнении с вискомуфтой, гидромуфта работает более надежно и эффективно, она более четко включается и выключается, обеспечивая надежное охлаждение радиатора. А в сравнении с электрическим приводом, гидравлическая муфта делает ненужной целую электрическую цепь со своими предохранителями, реле, датчиками и проводкой. При этом более сложная конструкция гидромуфты полностью окупается ее надежностью и эффективностью, которые недоступны вязкостной муфте и электродвигателю.

Гидравлическая муфта выполняет несколько функций:

• Отбор мощности от коленчатого вала на вентилятор;
• Плавное подключение и отключение вентилятора охлаждения от коленвала;
• Демпфирование нагрузок и реактивных моментов, возникающих в моменты подключения и отключения вентилятора, а также при изменении режима работы силовой установки.

Однако сразу нужно отметить, что гидромуфта сама по себе — узел малоэффективный, нормально свои функции она может выполнять только в паре с регулятором-выключателем. Данный узел осуществляет управление работой гидравлической муфты, и решает несколько задач:

• Включение и отключение вентилятора в автоматическом режиме при достижении пороговой температуры;
• Постоянное включение или отключение вентилятора независимо от степени нагрева мотора;
• Обеспечение оптимальной частоты вращения крыльчатки в зависимости от текущей температуры силовой установки.

Работая в паре, муфта и регулятор управляют работой вентилятора и всей системы охлаждения дизеля в целом. Так что данные узлы играют важную роль, но при этом не отличаются сложным устройством и дороговизной.

Конструкция гидромуфты КАМАЗ

Гидравлическая муфта имеет несложное устройство. Ее основу составляет ведущее колесо, выполненное в виде разрезанного вдоль тора («бублика»), и посредством нескольких болтов соединенное с кожухом. Сам кожух жестко смонтирован на ведущем валу, который, в свою очередь, с помощью подшипника монтируется на задней стенке муфты. Ведущий вал имеет шлицевое соединение с валом привода муфты, играющим роль посредника между муфтой и коленвалом. С внешней стороны к ведущему колесу крепится кольцевая ступица шкива и сам шкив привода генератора.

Внутри кожуха расположено ведомое колесо, которое также представляет собой разрезанный тор, повернутый плоской стороной к ведущему колесу. Во внутренних поверхностях обоих колес, имеющих тороидальную форму, предусмотрены лопатки, расположенные по радиусу. Колеса являются цельнолитыми (с лопатками), что значительно повышает их надежность и прочность. В ведущем колесе муфты насчитывается 33 лопатки, в ведомом — на одну меньше. Между колесами имеется небольшой зазор, который необходим для подачи и удаления масла. Пространство между колесами и их повернутые друг к другу внутренние поверхности образуют рабочую полость гидравлической муфты.

С ведомым колесом жестко соединен ведомый вал, который пропущен через отверстие в центре ведущего колеса и через ступицу шкива, и оканчивается ступицей вентилятора. Крыльчатка вентилятора монтируется на ступицу с помощью болтов и при необходимости ее можно снять. Ведомый вал опирается на один подшипник, расположенный внутри ступицы шкива, второй опорой служит подшипник в кожухе.

Весь узел в сборе монтируется в передней крышке блока цилиндров, гидромуфта находится на одной оси с коленчатым валом двигателя. С внешней стороны выходят шкив привода генератора и ступица вентилятора, с внутренней стороны гидромуфта закрыта крышкой, в которой смонтирован подшипник, удерживающий ведущий вал (поэтому данную деталь часто называют корпусом подшипника гидромуфты).

Регулятор-выключатель также имеет несложное устройство. Его основу составляет корпус, внутри которого находятся масляные каналы, клапан золотникового типа и термосиловой датчик, изменяющий свою длину в зависимости от температуры. Данный узел устанавливается на правый блок цилиндров, на впускной патрубок (через него охлаждающая жидкость подается в водяную рубашку, в данном месте она имеет минимальную температуру), при этом его масляные каналы соединены с главной масляной магистралью двигателя (которая непосредственно соединена с нагнетательной секцией масляного насоса) и масляными каналами в блоке и в корпусе подшипника гидромуфты.

Гидромуфта и регулятор-выключатель всегда работают сообща и лишь в крайних случаях требуют вмешательства водителя.

Принципы действия гидравлической муфты

Гидропривод вентилятора охлаждения может работать в трех различных режимах:

• Автоматический режим — подключение и отключение вентилятора охлаждения производится автоматически при достижении пороговой температуры мотора;
• Принудительное постоянное отключение — вентилятор всегда выключен (однако в этом режиме крыльчатка может медленно крутиться, так как на нее воздействует набегающий поток воздуха, также вращение может возникать из-за трения внутри подшипников муфты);
• Принудительное постоянное включение вентилятора — крыльчатка всегда вращается.

Переключение между режимами осуществляется с помощью рычажка на регуляторе-выключателе. Автоматический режим обозначен буквой «А» или «В» (зависит от конкретного типа регулятора), постоянное отключение — буквой «О» («отключен»), постоянное включение — буквой «П» («подключен»). Нас наиболее всего интересует первый режим.

В автоматическом режиме работы температура охлаждающей жидкости отслеживается с помощью термосилового датчика, который представляет собой запаянный герметичный баллон малого объема, заполненный активной массой, изменяющей свой объем при плавлении. В качестве активной массы обычно выступает гранулированный воск, смешанный с гранулами металлов, графита и других материалов. То есть, здесь используется то же техническое решение, что и в термостате.

При незначительном нагреве мотора (менее 85°C) датчик имеет малый объем, поэтому клапан закрыт и перекрывает доступ масла к гидромуфте. При нагреве двигателя до 85°C или выше (зависит от регулировки) заполняющая датчик смесь плавится, длина датчика увеличивается, и он воздействует на клапан, в результате чего в регуляторе открываются масляные каналы — в этом случае масло из главной магистрали под давлением поступает в переднюю крышку блока цилиндров, где по каналу и специальной трубке в корпусе подшипника подводится к ведущему валу гидромуфты, а через каналы в нем — в рабочую полость гидромуфты.

Масло под давлением полностью заполняет рабочую полость муфты, где оно под действием движущихся лопаток ведущего колеса начинает вращаться — этот поток взаимодействует с лопатками, расположенными на ведомом колесе, передает им часть своей кинетической энергии, и тоже заставляет вращаться. В итоге, оба колеса начинают вращаться практически как единое целое, а вместе с ними во вращение приводится и крыльчатка вентилятора. Однако масло не обеспечивает жесткую связь колес, поэтому при изменении частоты вращения коленвала ведомое колесо за счет вязкости масла изменяет свою угловую скорость постепенно, предотвращая удары и неравномерность работы вентилятора.

Выключатель-регулятор работает таким образом, что количество масла, поступающего на гидромуфту в каждый момент времени, зависит от температуры двигателя — чем она выше, тем больше масла. Поэтому чем горячее мотор, тем быстрее вращается вентилятор. Также в регуляторе предусмотрена возможность регулировки пороговой температуры включения и отключения гидромуфты в пределах от 85 до 90°C.

При падении температуры силового агрегата ниже 85°C смесь в датчике вновь затвердевает, ее объем сокращается, что приводит к закрытию клапана. Масло перестает поступать в муфту, а то масло, что осталось между колес, под действием центробежных сил через специально предусмотренное в кожухе отверстие постепенно сливается в масляный поддон. При сокращении количества масла ведущее колесо престает воздействовать на ведомое, и крыльчатка прекращает свое вращение.

Важно отметить, что ведущая часть гидромуфты (она включает в себя вал привода гидромуфты и ведущий вал, ведущее колесо с кожухом, а также ступицу шкива и сам шкив генератора) вращается всегда независимо от температуры двигателя. Этим достигается постоянный привод генератора, даже если гидромуфта отключена или вышла из строя.

Как нетрудно понять, принудительное включение и отключение гидромуфты обеспечивается открытием или закрытием масляных каналов в регуляторе-выключателе. Принудительное открытие и закрытие каналов производится поворотом пробки с отверстиями, расположенной в верхней части регулятора. При положении рычага (и пробки) в режимах «О» и «П» клапан продолжает работать, однако не оказывает влияния на работу регулятора.

Эксплуатация, обслуживание и ремонт гидромуфты

Гидравлическая муфта не нуждается в каком-либо специальном техническом обслуживании — она может на протяжении многих лет бесперебойно работать, обеспечивая надежное включение и отключение вентилятора. Однако с течением времени детали гидромуфты подвергаются износу, в результате чего весь узел может выйти из строя. В этом случае вентилятор может вращаться с пониженной скоростью или вовсе не включаться, что чревато перегревом мотора. При поломке гидромуфту необходимо как можно скорее заменить.

Обычно гидравлическую муфту меняют в сборе с передней крышкой блока — этот вариант наиболее простой, он требует минимальных затрат времени и сил. Дело в том, что снятие, разборка, ремонт и сборка гидромуфты — дело довольно сложное и требующее применения специального инструмента. Кроме того, после сборки гидромуфты необходимо провести ее испытания и регулировку на стенде, что доступно только сервисам. Следует отметить, что для замены крышки в сборе с гидромуфтой требуется частичное снятие и подъем двигателя, однако эту операцию провести гораздо проще, чем ремонт гидромуфты.

Если гидромуфта не нуждается в каком-либо обслуживании, то выключатель-регулятор гидромуфты время от времени требует вмешательства водителя. В частности, можно изменять пороговую температуру, при которой включается гидромуфта. Это делается изменением количества регулировочных колец, расположенных между термосиловым датчиком и корпусом регулятора. Но чаще всего приходится уменьшать количество колец, но только в том случае, если температура силового агрегата во время работы не снижается меньше 105°C.

Также может потребоваться принудительное постоянное включение и отключение вентилятора. Включать его рекомендуется при чрезмерном росте температуры мотора, отключать — при падении температуры ниже нормы. Обычно такие ситуации возникают при различных поломках системы охлаждения, так что указанные режимы считаются аварийными. При возникновении таких ситуаций необходимо как можно скорее выявить и устранить неисправность.

В целом, привод вентилятора на основе гидравлической муфты отличается надежностью и эффективно выполняют свои функции, он обладает значительным ресурсом и обычно не доставляет проблем водителю грузовика.