INSTYTUT KONSTRUKCJI MASZYN 

 

PRACOWNIA 

NAPĘDÓW HYDRAULICZNYCH 

 

 
 
 
 
 
 
 

LABORATORIUM 

NAPĘDÓW I STEROWANIA 

HYDRAULICZNEGO I PNEUMATYCZNEGO

 

 

 
 
 
 
 
 

Temat: Badanie charakterystyk sprzęgła 

hydrokinetycznego 

 
 
 
 
 
 
 

Grupa: ........................ Zespół: ......................... 

 

 

Lp 

 

Nazwisko i Imię 

 

Ocena 

 

Data 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wstęp 

 

Przekładnie i sprzęgła hydrokinetyczne są wynalazkiem z początku XX w. Wówczas 

transportem masowym był transport morski. Wtedy zastępowano wolnoobrotowe silniki parowe 
szybkoobrotowymi turbinami parowymi. Ponieważ przy dużych obrotach śruby okrętowej 
sprawność spadała tak, że przy 1,5 razy większej mocy nie uzyskiwano efektów lepszych niż 
przy silnikach tłokowych, powstała konieczność zbudowania pomiędzy turbiną i śrubą okrętową 
odpowiednich przekładni. Prace nad tym podjął w stoczni Vulkan w Szczecinie początkujący 
inżynier  Herman Fottinger. Zwrócił uwagę na możliwość wykorzystania pompy i turbiny 
do zbudowania odpowiedniej przekładni. Mimo nieprzychylnych opinii ówczesnych wybitnych 
specjalistów z dziedziny hydromechaniki utrzymujących, że wobec sprawności pomp wodnych 
i turbin dochodzącej do 85%, maksymalna sprawność przekładni nie przekroczy 65% - prowadził 
prace dalej, a w 1905 r. opatentował przekładnie i sprzęgła hydrokinetyczne. W 1909 r. 
zastosowano przekładnię hydrokinetyczną o mocy 500 KM po próbach stanowiskowych na 
statku, który wypłynął w próbny rejs. W 1932 r. wbudowano przekładnię hydrokinetyczną do 
napędu wagonu motorowego na trasie Berlin-Hamburg, napędzanego silnikiem 600 KM. W 1930 
r. zakłady Daimlera po raz pierwszy zastosowały sprzęgło hydrokinetyczne w samochodzie 
osobowym. 

 

Budowa i zasada pracy sprzęgła hydrokinetycznego 

 Sprzęgła są elementami napędu maszyn i mechanizmów przenoszącymi ruch obrotowy 
z wału wejściowego - od strony silnika napędowego, na wał wyjściowy – od strony odbiornika. 

  Sprzęgło hydrokinetyczne składa się zasadniczo z trzech podstawowych elementów: 

wirnika pompy, wirnika turbiny i obudowy. Wirniki wykonane są w postaci czasz wyposażonych 
w szereg promieniowych łopatek. Wirnik pompy połączony jest z wałem wejściowym, a wirnik 
turbiny z wałem wyjściowym. Obudowa, wewnątrz której znajdują się oba wirniki, wypełniona 
jest cieczą roboczą. 

  Zasada pracy sprzęgła jest następująca: obracający się, napędzany zewnętrznym źródłem 

energii wirnik pompy wprawia cząstki cieczy znajdujące się w kanałach międzyłopatkowych 
w ruch wirowy dookoła osi obrotu wirnika. Pod wpływem powstających przy ruchu obrotowym 
sił odśrodkowych działających na cząstki cieczy powstaje przepływ cieczy w kierunku od środka 
do zewnątrz. 

 

 

Rys.1. Sprzęgło hydrokinetyczne 

 

Rys.2. Sprzęgło hydrokinetyczna: 1 – wirnik pompy, 2 – wirnik turbiny, 3 – obudowa, 4 – wał 

wejściowy, 5 – wał wyjściowy, 7 – łożysko wału wejściowego, 8 - łożysko wału wyjściowego, 9 - 

łożysko wewnętrzne przekładni, 10 – łożysko obudowy przekładni, 11 – uszczelnienie, D – średnica 

czynna 

 

 Przy 

przepływie cieczy przez kanały międzyłopatkowe obracającego się wirnika pompy 

w kierunku coraz większej  średnicy, następuje przyspieszenie cząstek cieczy w kierunku 
obwodowym i zwiększenie ich prędkości obwodowej. Jest to równoznaczne ze zwiększaniem 
energii kinetycznej strumienia cieczy. Wychodzący z wirnika pompy strumień cieczy wpada 
do wirnika turbiny. Tu przepływając wzdłuż kanałów międzyłopatkowych w kierunku coraz 
mniejszej średnicy, cząstki cieczy muszą zmniejszyć swą prędkość obwodową. Wiąże się to ze 
zmniejszaniem energii kinetycznej cieczy i powstawaniem reakcji strumienia na łopatki wirnika 
turbiny (siły Coriolisa). Siły reakcji strumienia powodują obracanie się wirnika turbiny w 
kierunku zgodnym z kierunkiem obrotów wirnika pompy. Wychodzący z wirnika turbiny 
strumień cieczy wpada ponownie do wirnika pompy i w ten sposób obieg cieczy między 
wirnikami odbywa się w sposób ciągły. 

  Ruch cieczy między wirnikami pompy i turbiny sprzęgła może zachodzić tylko wtedy, 

gdy ciśnienie na wylocie z wirnika pompy jest większe od ciśnienia na wlocie, do wirnika 
turbiny. Ponieważ ciśnienia te wywołane są siłami odśrodkowymi, proporcjonalnymi do 
kwadratu prędkości obrotowych, zatem aby uzyskać krążenie cieczy między wirnikami prędkość 
obrotowa wirnika pompy musi być większa od prędkości obrotowej wirnika turbiny. Im większa 
będzie, różnica prędkości obrotowych obu wirników, tym większa będzie również i różnica 
ciśnień na wylocie z wirnika pompy i na wlocie, do wirnika turbiny, a zatem i większa prędkość 
krążenia cieczy. Od szybkości krążenia cieczy między wirnikami zależy z kolei wielkość reakcji 
wywieranych przez strumień na łopatki wirników. Im szybkość ta jest większa, tym większe są 
i reakcje, a zatem i momenty przenoszone przez sprzęgło. 

 Rozpatrując równanie momentów zewnętrznych działających na sprzęgło hydrokinety-

czne w ruchu ustalonym i pomijając niewielkie momenty oporów tarcia obudowy o otaczające 
powietrze oraz momenty tarcia w łożyskach zewnętrznych wałów 4 i 5 można napisać 

 

2

1

M

M

=

 

 

0

2

1

=

+

=

∑

M

M

M

Z

 

              

A zatem, dla sprzęgła hydrokinetycznego momenty na wale wejściowym i na wale 

wyjściowym są równe. Dlatego też przełożenie dynamiczne sprzęgła wynosi 

1

1

2

=

=

M

M

i

d

 

Natomiast przełożenie kinematyczne i

k

  nie jest równe jedności i w dodatku jest zmienne w 

zależności od warunków ruchu sprzęgła. Zgodnie z powyższym równaniem, przyjmując i

d

 = 1 

otrzymuje się 

k

k

d

i

i

i

=

⋅

=

η

 

Jak wynika z powyższych rozważań wielkość momentu przenoszonego przez sprzęgło 

zależy zarówno od prędkości obrotowej wirnika pompy, jak i od stosunku prędkości obrotowych 
obu wirników, czyli od przełożenia kinematycznego i

k   

przy jakim sprzęgło pracuje. Innymi 

słowy dane sprzęgło hydrokinetyczne będzie pracować z różnym przełożeniem kinematycznym i

k 

 

w zależności od prędkości obrotowej wirnika pompy i od wielkości momentu jakim jest 

obciążone. Sprzęgło hydrokinetyczne nie może pracować przy przełożeniu kinematycznym i

k 

= 

1, gdyż wówczas prędkości obrotowe obu wirników byłyby równe i obieg cieczy między 
wirnikami ustałby. Zatem aby była możliwa praca sprzęgła hydrokinetycznego musi występować 
poślizg. 

Charakterystyczna dla sprzęgieł hydrokinetycznych praca ze zmiennym (w zależności od 

przenoszonego momentu i prędkości obrotowej wirnika pompy) przełożeniem kinematycznym 
powoduje, że dla określenia własności danego sprzęgła konieczne jest podanie funkcji  M

1

 = f(i

k

), 

przy czym funkcja ta jest inna dla różnych prędkości obrotowych wirnika pompy. Funkcje te 
podaje się w formie wykresów, nazywanych charakterystykami sprzęgieł hydrokinetycznych. 
 
Należą do nich: 
ƒ

  charakterystyka bezwymiarowa, 

ƒ

  charakterystyki wymiarowe, wśród których można z kolei wymienić: 

−  charakterystykę wymiarową dla stałej liczby obrotów wału wejściowego, 
−  charakterystykę uniwersalną, 
−  charakterystykę pełną. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Charakterystyka bezwymiarowa 

 

 

Rys.3. Charakterystyka bezwymiarowa sprzęgła hydrokinetycznego 

 
 

Charakterystyka bezwymiarowa sprzęgła hydrokinetycznego przedstawia wykreślną 

zależność współczynnika momentu 

M

f

 lub 

λ  i sprawności 

η

 w funkcji przełożenia 

kinematycznego 

k

i  (rys.3). Charakterystyka taka odnosi się do całej rodziny sprzęgieł 

podobnych, o różnych średnicach czynnych D, o ile zostaną zachowane warunki podobieństwa 
sprzęgieł. 
 Dysponując charakterystyką bezwymiarową sprzęgła można po założeniu jego średnicy 
czynnej D określić parametry pracy sprzęgła w danych warunkach obciążeniowych, korzystając 
z wyprowadzonej w teorii podobieństwa zależności na moment przenoszony przez sprzęgło: 

5

2

D

n

f

M

M

⋅

⋅

=

 

gdzie: 
 

n – prędkość obrotowa wirnika pompy [obr/min], 

 

D – średnica nominalna sprzęgła [m]. 

 

 
Można również dobrać wielkość średnicy czynnej sprzęgła odpowiedniego dla danych warunków 
pracy.  
 Charakterystyka 

sprzęgła i wartości współczynników 

M

f

 zależą przede wszystkim od 

kształtu wirników, stosunków wymiarowych, liczby łopatek itp. Na charakterystykę ma równie 
wpływ rodzaj cieczy roboczej. Ścisłe ustalenie charakterystyki sprzęgła możliwe jest tylko 
doświadczalnie (przez przeprowadzenie badań wykonanego już sprzęgła lub jego modelu). 
Istniejące metody obliczeń teoretycznych pozwalają na określenie charakterystyki sprzęgła 
jedynie z pewnym przybliżeniem. 
 Charakterystyka 

bezwymiarowa 

sprzęgła jest bardzo wygodna w użyciu i umożliwia 

porównywanie własności sprzęgieł niezależnie od ich wymiarów. Z charakterystyki 
bezwymiarowej sprzęgła można określić tzw. wskaźnik sztywności sprzęgła oznaczany 
symbolem Φ i będący stosunkiem współczynników momentu 

M

f

 

przy 

k

i  = 0 oraz 

k

i  = 0,98 

1

0

=

=

=

Φ

k

i

k

i

M

M

f

f

 

Łatwo udowodnić, że wskaźnik sztywności sprzęgła określa stosunek momentów obrotowych 
przenoszonych przez sprzęgło przy danej prędkości obrotowej wału wejściowego: przy 
zatrzymanym wale wyjściowym i przy przełożeniu kinematycznym 

k

i = 0,98, które odpowiada 

zazwyczaj normalnej pracy sprzęgła. Momenty przenoszone przez sprzęgło przy 

k

i = 0 oraz  

k

i = 0,98 można wyrazić w sposób następujący: 

5

2

1

0

D

n

f

M

k

i

k

M

o

i

=

=

=

 

 

5

2

1

98

,

98

,

0

D

n

f

M

k

i

k

M

o

i

=

=

=

 

Stąd 

Φ

=

=

=

98

,

0

0

k

k

i

i

M

M

 

Wielkość wskaźnika sztywności dla sprzęgieł hydrokinetycznych jest zależna od konstrukcji 
sprzęgła i zawiera się zazwyczaj w granicach Φ = 4 – 16. Wielkość ta wpływa w sposób istotny 
na warunki pracy sprzęgła z silnikiem, zwłaszcza przy rozruchu oraz przy napędzie maszyn o 
dużym zakresie obciążeń. 
 
 

Charakterystyka wymiarowa 
 

Charakterystyka wymiarowa przy stałych obrotach wału wejściowego odnosi się do 

sprzęgła o określonej średnicy czynnej D i przedstawia wykres momentu przenoszonego przez 
sprzęgło w funkcji prędkości obrotowej wału wyjściowego dla stałej prędkości obrotowej wału 
wejściowego. Charakterystyki takie podaje się dla sprzęgieł pracujących w urządzeniach 
stacyjnych, gdzie sprzęgła często pracują przy stałej prędkości obrotowej wału wejściowego. 
 

Charakterystykę wymiarową sprzęgła dla n

1

 = const łatwo sporządzić, jeżeli dana jest 

charakterystyka bezwymiarowa sprzęgła i jego średnica czynna D, Wówczas korzystając 
z zależności 

M

M

o

i

f

a

D

n

f

M

k

i

k

⋅

=

=

=

=

5

2

1

0

 

gdzie 

 

 

5

2

1

D

n

a

=

 

oraz  

k

i

⋅

=

1

2

ω

ω

 

rad/s 

można podstawiając odpowiednie wartości 

M

f

 

dla określonych 

k

i

 obliczyć odpowiadające 

sobie wartości 

M

 i 

2

ω

 

i sporządzić wykres. 

 

 

 

Rys.4. Charakterystyka wymiarowa sprzęgła hydrokinetycznego 

przy stałych obrotach wału wejściowego (n

1

 = const) 

 
 
Charakterystyka uniwersalna sprzęgła hydrokinetycznego 
 

Charakterystyka uniwersalna sprzęgła hydrokinetycznego odnosi się do sprzęgła 

o określonej średnicy czynnej D i przedstawia wykres krzywych, momentów przenoszonych 
przez sprzęgło przy stałych wartościach przełożenia kinematycznego, tj. wykres krzywych 

)

(

1

ω

f

M

=

 dla 

const

i

k

=

 

 

Ten sposób przedstawiania własności sprzęgieł używany jest często przez wytwórnie 

produkujące sprzęgła i można go spotkać w katalogach i prospektach fabrycznych. Wykres 
krzywych 

)

1

(

ω

f

M

=

 dla 

const

i

k

=

 podawany jest zazwyczaj na podstawie badań 

określonego sprzęgła, można go jednak również sporządzić obliczeniowo korzystając z 
bezwymiarowej charakterystyki sprzęgła. Wychodząc z zależności 

5

2

1

D

f

M

M

⋅

⋅

=

ω

 

dla sprzęgła o określonej średnicy czynnej D przy i

k

 = const otrzymuje się 

2

1

ω

⋅

= b

M

 

gdzie 

5

D

f

b

M

⋅

=

 

 

Rys.5. Charakterystyka uniwersalna sprzęgła hydrokinetycznego 

 

 

Pełna charakterystyka sprzęgła hydrokinetycznego 

 

 Pełną charakterystykę sprzęgła hydrokinetycznego przedstawia wykres krzywych 

)

(

2

n

f

M

=

 dla 

const

n

=

1

 i 

)

(

2

n

f

M

=

 dla 

const

i

k

=

. Wykres taki umożliwia 

zorientowanie się w parametrach pracy sprzęgła przy różnych warunkach obciążeniowych. 
Wykres pełnej charakterystyki może być sporządzony na podstawie charakterystyki 
bezwymiarowej sprzęgła. Po ustaleniu średnicy czynnej sprzęgła oblicza się wartości momentów 
przenoszonych przez sprzęgło przy różnych prędkościach obrotowych wirnika pompy i różnych 
przełożeniach kinematycznych 

k

i . Za każdym razem przy tym oblicza się odpowiednie prędkości 

obrotowe wirnika turbiny n

2

 ze wzoru 

k

i

n

n

⋅

=

1

2

 

Krzywe 

)

(

2

n

f

M

=

 dla 

const

n

=

1

mają przebieg podobny do przebiegu współczynnika 

momentu 

M

f

 w funkcji 

k

i . Krzywe 

)

(

2

n

f

M

=

 

przy 

const

i

k

=

 

są równocześnie krzywymi 

stałej sprawności sprzęgła, gdyż 

k

i

=

η

. 

 

 

Rys.6. Pełna charakterystyka sprzęgła hydrokinetycznego 

 

 Wykres 

pełnej charakterystyki sprzęgła umożliwia zorientowanie się, z jaką sprawnością 

i przełożeniem kinematycznym będzie pracować dane sprzęgło w określonych warunkach ruchu. 
Na przykład jeśli sprzęgło, którego charakterystykę podano na rysunku 6 ma przenosić moment 
obrotowy M = 10 kGm przy prędkości obrotowej wału napędzanego n

2

 = 2000 obr/min, wówczas 

jak wynika z wykresu przełożenie kinematyczne sprzęgła wyniesie i

k

 = 0,95 i taką samą wartość 

osiągnie sprawność sprzęgła. Dysponując wykresami pełnych charakterystyk dla różnych 
sprzęgieł można zawsze dobrać najkorzystniejszy typ sprzęgła dla danych warunków pracy. 
 

Jak wynika z powyższych rozważań, wszystkie rodzaje charakterystyk sprzęgieł 

hydrokinetycznych można z łatwością sporządzić, jeżeli znana jest charakterystyka 
bezwymiarowa danej rodziny sprzęgieł. Dlatego też przy analizowaniu własności jakiegoś 
sprzęgła zazwyczaj dąży się najpierw do ustalenia jego charakterystyki bezwymiarowej. 
 Charakterystykę bezwymiarową można otrzymać za pomocą badań danego sprzęgła. Jest 
to metoda dająca najbardziej dokładne wyniki i przez to najbardziej pewna. Wadą jej jest 
konieczność wykonania sprzęgła oraz dysponowania odpowiednimi urządzeniami do badań. 
Oprócz tego można sporządzać charakterystykę bezwymiarową na drodze obliczeniowej po 
założeniu kształtu i wymiarów wirników sprzęgła. Podstawową wadą metody obliczeniowej jest 
to, że otrzymuje się wyniki przybliżone.  

Charakterystyka sprzęgła hydrokinetycznego zależy nie tylko od kształtu, wymiarów 

i konstrukcji wirników, ale również od ilości cieczy znajdującej się w obudowie sprzęgła. Ilość ta 
określana jest tzw. stopniem napełnienia sprzęgła1jJ, przy czym 

%

100

⋅

=

Ψ

c

i

V

V

 

gdzie: 
 

i

V -ilość cieczy znajdująca się faktycznie wewnątrz sprzęgła, 

 

 

c

V  -ilość cieczy, jaka mieści się w całkowicie napełnionym sprzęgle. 

 

 

Rys. 7. Charakterystyka silnika elektrycznego trójfazowego asynchronicznego z wirnikiem zwartym 

z naniesioną charakterystyką uniwersalną sprzęgła hydrokinetycznego: I - natężenie prądu 

pobieranego przez silnik, M – moment obrotowy na wale silnika, ik = 0 i ik = 0,98 - momenty 

przenoszone przez sprzęgło przy ik = const, n1 – prędkość obrotowa wału silnika i wału wejściowego 

sprzęgła. 

 
Wszystkie sprzęgła tzw. zamknięte, to znaczy stanowiące hermetycznie zamknięty zbiornik 

z cieczą, muszą być z konieczności sprzęgłami częściowo napełnionymi, w których stopień 
napełnienia 1jJ=85~90%. Jest to spowodowane tym, że w czasie pracy sprzęgła ciecz roboczą 
silnie nagrzewa się i zwiększa w związku z tym swą objętość, wypełniając poduszkę powietrzną 
istniejącą wewnątrz sprzęgła. Przy całkowitym napełnieniu sprzęgła ciecz rozszerzając się 
powodowałaby powstawanie bardzo wysokich ciśnień prowadzących do rozsadzania obudowy. 
Jedynie sprzęgła pracujące z tzw. obiegiem cieczy, do których ciecz doprowadzana jest ze 
zbiornika przez specjalną pompę, mogą być sprzęgłami całkowicie napełnionymi tj., w których 
stopień napełnienia 1jJ=100%. 
 
 
 

Zakres ćwiczenia: 

 

Program ćwiczenia obejmuje badania sprzęgła hydrokinetycznego SHB 22M na stanowisku, 
którego schemat przedstawiony jest na rys. 8.  
 
Dane techniczne sprzęgła: 
- średnica czynna D = 0,370 [m] 
- moc przenoszenia N = 22 [kW] 
- nominalna prędkość obrotowa n = 1000 [obr/min] 
- stopień napełnienia Ψ = 0,97 
- gęstość cieczy ρ = 870 [kg/m3] 
 

 

Rys.8. Schemat stanowiska do badania sprzęgła hydrokinetycznego: 1 – silnik asynchroniczny SZJe 

76b, 2 – przekładnia pasowa, 3 – sprzęgło cierne jednostronne, 4 – skrzynia przekładniowa, 5 – sprzęgło 

nierozłączne samonastawne SBG, 6 – przetwornik momentu obrotowego T1, 7 – sprzęgło 

hydrokinetyczne SHB 22M, 8 – przetwornik prędkości obrotowej n

2

, 9 – sprzęgło podatne,  

10 – pompa PNS-150, 11 – filtr, 12 – zawór DBW-30. 

 

 
 
 
Warunki zaliczenia ćwiczenia: 
 
−  obecność na zajęciach laboratoryjnych, 
−  oddanie sprawozdania z ćwiczenia laboratoryjnego, 
−  umiejętność objaśnienia zasady działania wskazanego elementu. 
 
 
 
Cel ćwiczenia: 
 
1.   Poznanie zasady działania sprzęgła hydrokinetycznego, 
2.   Wyznaczenie charakterystyk badanego sprzęgła.