第九章 液力傳動(dòng)

第九章液力傳動(dòng)第一節(jié)液力傳動(dòng)第二節(jié)液力偶合器第三節(jié)液力變矩器§1.5液力傳動(dòng)工作原理及其分類(lèi)

利用液體作為工作介質(zhì)，通過(guò)液體在循環(huán)流動(dòng)過(guò)程中，液體動(dòng)能的變化來(lái)傳遞動(dòng)力，這種傳動(dòng)稱(chēng)為液力傳動(dòng)。一.液力傳動(dòng)工作原理1.發(fā)動(dòng)機(jī)2.離心泵葉輪3.連接管路

4.水輪機(jī)葉輪5.水槽6.螺旋槳7.液力傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖一.液力傳動(dòng)工作原理

原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)泵輪使流體流經(jīng)泵輪后能量增加，因此泵輪是原動(dòng)機(jī)的直接負(fù)載。從泵輪流出的高速流體又推動(dòng)類(lèi)似水輪機(jī)的渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)。從而帶動(dòng)與渦輪軸相連的工作機(jī)，這就實(shí)現(xiàn)了能量的傳遞。流體流經(jīng)泵輪后，其機(jī)械能(流體的動(dòng)能和壓力能)是增加的，而流經(jīng)渦輪后，其能量減少。流體在工作腔中的循環(huán)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了能量從原動(dòng)機(jī)到工作機(jī)的傳送。二.液力傳動(dòng)的分類(lèi)

1、液力偶合器2、液力變矩器3、液力機(jī)械變矩器液力耦合器只能傳遞扭矩，而不能改變扭矩，液力變矩器不僅傳遞扭矩而且能在泵輪輸入扭矩不變的情況下，隨著渦輪轉(zhuǎn)速的不同，而改變渦輪輸出扭矩，液力變矩器比耦合器多一個(gè)固定不動(dòng)的導(dǎo)輪，就多一個(gè)變矩的功能。液力變矩器已替代了液力耦合器。

§1.6液力傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)

一.液力傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)1、具有良好的自適應(yīng)性能；2、提高機(jī)械和車(chē)輛的使用壽命；3、提高車(chē)輛的通過(guò)性和具有良好的低速穩(wěn)定性；4、簡(jiǎn)化操縱，提高駕駛員和乘員的舒適性；5、可以不中斷的充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣造成的空氣污染；6、液力元件的可靠度高，使用壽命長(zhǎng)。二.液力傳動(dòng)的缺點(diǎn)1、液力傳動(dòng)的效率比機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的效率低；2、需設(shè)置冷卻補(bǔ)償裝置，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積和重量大，成本高；3、不能利用發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性來(lái)制動(dòng)，也不能用牽引的辦法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)?！?.7液力傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

1、在各種工程機(jī)械中應(yīng)用最多，如挖掘機(jī)、推土機(jī)、裝載機(jī)、軍用坦克、裝甲運(yùn)兵車(chē)、自行火炮、內(nèi)燃機(jī)車(chē)和各種汽車(chē)。2、起重運(yùn)輸機(jī)械的皮帶機(jī)、刮板輸送機(jī)、塔式起重機(jī)、門(mén)式起重機(jī)、挖泥船等也大多采用液力傳動(dòng)。3、大慣性負(fù)載(如球磨機(jī)、磨煤機(jī)、破碎機(jī)等)采用液力傳動(dòng)可大大改善動(dòng)力機(jī)的啟動(dòng)性能。4、工況需要調(diào)節(jié)的水泵、風(fēng)機(jī)(如電站鍋爐給水泵、鍋爐引風(fēng)機(jī)、高爐除塵風(fēng)機(jī))大多采用液力調(diào)速型偶合器。5、大功率船舶的多機(jī)并車(chē)也采用液力偶合器。6、輕紡機(jī)械、石化工業(yè)中的輸油泵、石油鉆機(jī)等都廣泛采用液力傳動(dòng)。第一節(jié)液力傳動(dòng)1.什么是液力傳動(dòng)？

2.液力傳動(dòng)裝置完成能量轉(zhuǎn)換與傳遞的過(guò)程所

必須具有的機(jī)構(gòu)；

3.液力傳動(dòng)的車(chē)輛具有的優(yōu)點(diǎn)。利用液體為工作介質(zhì)，通過(guò)液體在循環(huán)流動(dòng)過(guò)程中，液體動(dòng)能變化來(lái)傳遞動(dòng)力，這種傳動(dòng)稱(chēng)為液力傳動(dòng)。液力傳動(dòng)原理1.發(fā)動(dòng)機(jī)2.離心泵葉輪3.連接管路

4.水輪機(jī)葉輪5.水槽6.螺旋槳7.液力傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖液力傳動(dòng)裝置要完成能量轉(zhuǎn)換與傳遞的過(guò)程，必須具有如下機(jī)構(gòu)：

1、盛裝與輸送工作循環(huán)液體的密閉工作腔;2、一定數(shù)量的帶葉片的工作輪及輸入輸出軸，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳遞；

3、滿足一定性能要求的工作液體與其輔助裝置，以實(shí)現(xiàn)能量的傳遞并保證正常工作。

液力傳動(dòng)的車(chē)輛具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、提高了車(chē)輛的使用壽命，液力變矩器使用油液傳遞動(dòng)力，泵輪與渦輪之間不是剛性連接，能較好地緩和沖擊，有利于提高車(chē)輛上各零部件的使用壽命。2、能自動(dòng)適應(yīng)外阻力的變化，使車(chē)輛能在一定范圍內(nèi)無(wú)極的變更其輸出軸轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，當(dāng)阻力增加時(shí)，則自動(dòng)的降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩，從而提高了車(chē)輛的平均速度與生產(chǎn)率。3、簡(jiǎn)化了車(chē)輛的操縱，變矩器本身就相當(dāng)于一個(gè)無(wú)極變速箱，可減少變速箱檔位和換檔次數(shù)，加上一般采用動(dòng)力換檔，故可簡(jiǎn)化變速箱結(jié)構(gòu)和減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。液力偶合器的結(jié)構(gòu)液力偶合器的工作原理液力偶合器的基本特性液力偶合器的分類(lèi)第二節(jié)液力偶合器液力偶合器

液力偶合器是利用液體的動(dòng)能進(jìn)行能量傳遞的液力元件，能使主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間實(shí)現(xiàn)柔性連接，并將主動(dòng)軸輸入的轉(zhuǎn)矩等值的傳遞給從動(dòng)軸。因此，液力偶合器也稱(chēng)為液力聯(lián)軸器。液力偶合器的結(jié)構(gòu)和工作原理液力偶合器的結(jié)構(gòu)

液力偶合器的主要零件是兩個(gè)直徑相同的葉輪，稱(chēng)工作輪，由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)輸入軸4驅(qū)動(dòng)的葉輪3為泵輪B，與輸出軸5裝在一起的為2渦輪T。葉輪內(nèi)部裝有許多半圓形的徑向葉片，在各葉片之間充滿工作液體。兩輪裝合后相對(duì)端面之間約有2-5mm間隙。它們的內(nèi)腔共同構(gòu)成圓形或橢圓形的環(huán)狀空腔（稱(chēng)為循環(huán)圓）；循環(huán)圓的剖面圖如下：該剖面圖是通過(guò)輸入軸與輸出軸所作的截面（稱(chēng)軸截面）1.泵輪殼2-渦輪3-泵輪4-輸入軸5-輸出軸6、7-尾部切去一片的葉片液力偶合器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、只有兩個(gè)工作輪(泵輪、渦輪）。2、葉片均布，為平面徑向布置。為了避免液流脈動(dòng)對(duì)工作輪產(chǎn)生的不利影響，偶合器泵輪和渦輪的葉片數(shù)目一般是不相等的。3、葉片尾部切角。為了減輕葉片對(duì)液體的排擠，在偶合器泵輪入口處和渦輪出口處各有半數(shù)葉片切去一角，并且使長(zhǎng)短葉片間隔均布。4、循環(huán)圓內(nèi)一般無(wú)內(nèi)環(huán)。循環(huán)圓中流動(dòng)工作腔的軸截面圖是以轉(zhuǎn)軸為中心的軸對(duì)稱(chēng)圖形，稱(chēng)其中之一為“循環(huán)圓”，工作腔的最大直徑稱(chēng)之為有效直徑，它是偶合器的一個(gè)最重要的幾何參數(shù)。循環(huán)圓其它各部分的線性尺寸均可以其對(duì)有效直徑的比例關(guān)系來(lái)表示。abcd分別是泵輪、渦輪進(jìn)出口處位于平均流線上的四個(gè)點(diǎn)。先假定在泵輪與渦輪之間加一隔板D，此時(shí)工作腔中的流體由于葉片的強(qiáng)制作用使泵輪和渦輪中的流體分別具有不同轉(zhuǎn)速nB和nT此時(shí)因有隔板，兩輪中流體不會(huì)流動(dòng)，由靜力學(xué)計(jì)算方法可知，當(dāng)nT<nB時(shí)，pa>pb，pd>pc且pa-pb>pd-pc，因此當(dāng)把擋板D去掉以后，上述壓差及流體的連續(xù)性使流體質(zhì)點(diǎn)沿著abcd的方向流動(dòng)，在工作腔中形成一個(gè)在泵輪及渦輪之間周而復(fù)始的軸面方向上的循環(huán)流動(dòng)。“循環(huán)圓”的稱(chēng)呼就源于此。

由于工作輪本身也在旋轉(zhuǎn)，而且一般因此對(duì)于每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)來(lái)說(shuō)．它都有軸面方向上的速度分量，也有圓周方向運(yùn)動(dòng)的速度分量，而且每次通過(guò)工作輪時(shí)都未必是同一個(gè)葉片間流道。流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡將是一個(gè)既在循環(huán)圓中運(yùn)動(dòng)，又繞著工作輪軸旋轉(zhuǎn)的圓形螺旋線。渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的油液螺旋路線渦輪旋轉(zhuǎn)后，由于渦輪內(nèi)的離心力對(duì)液體環(huán)流的阻礙作用，使油液的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向有改變。此時(shí)，螺旋線拉長(zhǎng)如圖所示，渦輪轉(zhuǎn)速越高，油液的螺旋形路線拉得越長(zhǎng)。當(dāng)渦輪和泵輪轉(zhuǎn)速相同時(shí)，兩輪離心力相等，油液沿循環(huán)圓流動(dòng)停止，油液隨工作輪繞軸線作圓周運(yùn)動(dòng),這時(shí)，偶合器不再傳遞動(dòng)力。

能量傳遞原理：

泵輪通過(guò)輸入軸吸收原動(dòng)機(jī)的輸出功率，而使偶合器泵輪中流體獲得機(jī)械能，渦輪則吸收液體的機(jī)械能通過(guò)輸出軸向工作機(jī)械輸出功率，起到相當(dāng)于水力渦輪機(jī)(水輪機(jī))的作用。

液力偶合器的工作原理以工作腔中的流體力平衡體來(lái)進(jìn)行分析當(dāng)偶合器處于平衡運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，作用于該平衡體上的外力矩之和必為零，即忽略軸承、密封、空氣摩擦等產(chǎn)生的機(jī)械摩擦力矩的影響，液力偶合器的基本特性偶合器轉(zhuǎn)矩平衡示意圖按一般效率的定義，偶合器的效率為偶合器的輸入、輸出轉(zhuǎn)矩相等和傳動(dòng)效率等于轉(zhuǎn)速比，是其特性上最基本的特點(diǎn)。

1、渦輪轉(zhuǎn)速渦輪轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于負(fù)載，與負(fù)載成反比。

2、循環(huán)圓流量

若渦輪轉(zhuǎn)速增加，離心力增大，渦輪液阻增加，流量減小。流量與渦輪轉(zhuǎn)速成反比。

3、泵輪、渦輪旋轉(zhuǎn)方向相同

4、傳遞扭矩液力偶合器只能傳遞扭矩，不能改變扭矩且輸入、輸出扭矩相等。

輸入、輸出扭矩均與渦輪轉(zhuǎn)速成反比。

5、效率

η=P出/P入=i<1液力偶合器的分類(lèi)1、牽引型偶合器主要用于傳遞功率，同時(shí)起到柔性離合器的作用。2、安全型偶合器（限矩型）主要用于機(jī)械在常載、重載條件下啟動(dòng)性能的改善，減少機(jī)械沖擊，有效的保護(hù)原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)械。3、調(diào)速型偶合器可以根據(jù)負(fù)載情況調(diào)節(jié)偶合器的工況點(diǎn)，達(dá)到調(diào)節(jié)工作機(jī)械的目的。4、普通型（標(biāo)準(zhǔn)型）偶合器僅用于要求對(duì)系統(tǒng)隔離振動(dòng)、改善啟動(dòng)沖擊或使偶合器只做離合器使用的場(chǎng)合。限矩型液力偶合器1、油室體2、泵輪3、外殼4、渦輪5、注油塞6、擋板7、軸套8、彈性聯(lián)軸節(jié)9、過(guò)熱保護(hù)塞設(shè)有內(nèi)、外兩個(gè)輔助油室，兩室之間由孔a連通；小孔b的作用是將外油室W與循環(huán)圓連通，而擋板6上的孔c，又將循環(huán)圓與內(nèi)油室N溝通。在循環(huán)圓內(nèi)轂中，由泵輪內(nèi)轂和擋板圍成的空腔是內(nèi)油室N；在循環(huán)圓之外，由泵輪背面與油室體1等圍成的是外油室W。泵輪2與油室體1，外殼3以及彈性聯(lián)軸節(jié)8等組合成一個(gè)整體，并通過(guò)兩個(gè)軸承支承在軸套7上；渦輪4與擋板6都固定在軸套7上；整個(gè)偶合器又通過(guò)軸套7被支承在工作機(jī)械的輸入軸上。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸節(jié)8帶動(dòng)泵輪旋轉(zhuǎn)，而渦輪則通過(guò)軸套7向工作機(jī)械輸出功率。裝于外殼3外緣上的過(guò)熱保護(hù)塞9是為防止工作油的過(guò)熱事故而設(shè)的。當(dāng)工作油的溫度超過(guò)極限值，保護(hù)塞9中的易熔合金熔化；于是，偶合器被排空，破壞性事故得以避免。限矩型偶合器在投入運(yùn)行前，充入定量的工作液體。按運(yùn)行規(guī)律需要，一般充液率為40~80％。充液率小于40％時(shí)，傳遞能力過(guò)小，充液率超過(guò)80％時(shí)，缺乏足夠的空間供液流型態(tài)變化而影響液力偶合器特性，并且當(dāng)全充滿液體時(shí)，液體受熱膨脹會(huì)引起密封或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞。在部分充液情況下，運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)出現(xiàn)兩種基本流態(tài)，即小循環(huán)流動(dòng)和大循環(huán)流動(dòng)。小循環(huán)流動(dòng)如圖所示。在這種流態(tài)下，液流在渦輪中向心流動(dòng)時(shí)，受到渦輪離心阻力影響以及能量交換的作用，速度逐漸減小。當(dāng)減小到一定數(shù)值時(shí)，離心力使液流脫離渦輪流向泵輪，造成液體在工作輪外緣循環(huán)流動(dòng)，而成小循環(huán)流態(tài)。此時(shí)由于泵輪平均流線上的進(jìn)口半徑RB1增大，使傳遞扭矩相對(duì)(大循環(huán)流動(dòng))減小。小循環(huán)流動(dòng)只發(fā)生在高速度比(nT大)的工況。大循環(huán)流動(dòng)如圖所示。在這種流態(tài)下，液體沿著工作腔軸斷面的外緣流動(dòng)，RB1較小，動(dòng)量矩變化量大，傳遞扭矩較大。大循環(huán)流動(dòng)發(fā)生在低轉(zhuǎn)速比的工況，大、小循環(huán)流動(dòng)相互轉(zhuǎn)換時(shí)，扭矩突變，速度不穩(wěn)定，故不能穩(wěn)定地工作。為避免出現(xiàn)這種狀況，通常是對(duì)液力偶合器采取結(jié)構(gòu)措施，即在工作腔中心部位的渦輪側(cè)加裝擋板，或設(shè)輔助油室，以防止小循環(huán)流動(dòng)向大循環(huán)流動(dòng)突變。

限矩型偶合器在高轉(zhuǎn)速比下工作時(shí)，由于渦輪轉(zhuǎn)速較高，液體將全部進(jìn)入循環(huán)圓內(nèi)參與工作，并被分配在稍偏向渦輪一側(cè)的循環(huán)圓大直徑處；因此，擋板基本上不阻攔液體的循環(huán)流動(dòng)，偶合器的有效充液量不變，當(dāng)轉(zhuǎn)速比下降時(shí)，液體在循環(huán)圓內(nèi)的分布越來(lái)越多的偏向渦輪一側(cè)，擋板也開(kāi)始越來(lái)越多地阻攔液流，并通過(guò)其上的孔c使越來(lái)越多的液體進(jìn)入內(nèi)油室，再通過(guò)a孔進(jìn)入外油室，又通過(guò)b孔進(jìn)入循環(huán)圓，但由于小孔b的面積小于孔a和孔c的面積，故從循環(huán)圓內(nèi)流到外油室的液體，總是比從小孔b充入循環(huán)圓的液體多，所以隨著轉(zhuǎn)速比的進(jìn)一步降低，偶合器循環(huán)圓內(nèi)的有效充液量越來(lái)越少，故其扭矩特性比較平坦。這樣，既限制了扭矩的徒然升高，又有效地防止了發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載。該偶合器在起重運(yùn)輸機(jī)械和工程機(jī)械中應(yīng)用最多。第三節(jié)液力變矩器一、液力變矩器的構(gòu)造二、液力變矩器和偶合器的相異點(diǎn)三、液力變矩器的工作原理四、液力變矩器的類(lèi)型五、液力變矩器的典型結(jié)構(gòu)一、液力變矩器的構(gòu)造液力變矩器是由泵輪B、渦輪T和導(dǎo)輪D等三個(gè)工作輪及其它零件組成。泵輪和渦輪都通過(guò)軸承裝在殼體上，而導(dǎo)輪則與殼體固定不動(dòng)。三個(gè)工作輪都密閉在由殼體形成的并充滿油液的空間中。各工作輪中裝有彎曲成一定形狀的葉片以利油液的流動(dòng)，各工作輪中心部分成圓環(huán)形稱(chēng)之為循環(huán)圓內(nèi)環(huán)。如果接通風(fēng)扇A，使風(fēng)扇A操作產(chǎn)生氣流,該氣流將進(jìn)入風(fēng)扇B的葉片，使風(fēng)扇B也同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。液力偶合器傳遞扭矩的方式與風(fēng)扇傳遞氣流的方式相似。

液力偶合器的工作原理

通過(guò)風(fēng)扇B的氣流仍具有相當(dāng)大的能量。如果利用導(dǎo)管將氣流重新引導(dǎo)至風(fēng)扇A內(nèi)葉片的后部，那么將會(huì)輔助風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，因此產(chǎn)生更大的扭矩。這就是液力變扭器操作所依據(jù)的原理。液力偶合器的工作原理液力變矩器的三個(gè)工作輪1-泵輪2-渦輪3-導(dǎo)輪液力變矩器循環(huán)圓示意圖

通常把軸向截面稱(chēng)為變矩器的循環(huán)圓，由循環(huán)圓所構(gòu)成的回轉(zhuǎn)體空間則是變矩器內(nèi)油液進(jìn)行循環(huán)的空間。

變矩器循環(huán)圓示意圖液力變矩器簡(jiǎn)圖

右圖所示為一種最簡(jiǎn)單的變矩器，它只有泵輪1、渦輪2與導(dǎo)輪3等三個(gè)工作輪。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)泵輪1旋轉(zhuǎn)時(shí)，油液自a端進(jìn)入泵輪葉片間的通道，自b端流出沖向渦輪2的葉片，使渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在從渦輪的c端流出后，經(jīng)導(dǎo)輪3再進(jìn)入泵輪的a端。如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。

1-泵輪2-渦輪3-導(dǎo)輪4-工作輪內(nèi)環(huán)5-渦輪槽ac二、液力變矩器和偶合器的相異點(diǎn)相同點(diǎn)：都有泵輪及渦輪，都是靠流體的動(dòng)量變化來(lái)傳遞能量。不同點(diǎn)：變矩器有一固定不動(dòng)的導(dǎo)輪，使泵輪轉(zhuǎn)矩與渦輪的輸出轉(zhuǎn)矩不相等。從葉片形狀看，偶合器為徑向平面葉片，而變矩器一般為空間扭曲葉片。偶合器一般沒(méi)有內(nèi)環(huán)，工作腔內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)為無(wú)壓流動(dòng)，而變矩器有內(nèi)環(huán)，工作腔內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)為有壓流動(dòng)。除調(diào)速型偶合器是用勺管將流體導(dǎo)出，將工作油液接冷卻器加以冷卻，其它各類(lèi)偶合器則靠自然風(fēng)冷，而變矩器必須有單獨(dú)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)。三、液力變矩器的工作原理1、液力變矩器改變扭矩的原理設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷不變，即變矩器泵輪的轉(zhuǎn)速n1與力矩M1為常數(shù)，根據(jù)液力平衡方程

M`1+M`2+M`3=0即-M`2=M`1+M`3，又根據(jù)作用與反作用公理，各工作輪加給油液的力矩與油液加給工作輪的力矩大小相等、方向相反。設(shè)油液加給渦輪的力矩為M2,則M2=-M`2

，固有M2=M`1+M`3

。上式說(shuō)明油液加給渦輪的力矩M2等于泵輪與導(dǎo)輪對(duì)油液的力矩之和，從而實(shí)現(xiàn)了變矩功能。2、液力變矩器的自動(dòng)適應(yīng)性當(dāng)n1=常數(shù)，n2=0時(shí)當(dāng)n1=常數(shù)，n2逐漸增加時(shí)當(dāng)變矩器輸出力矩經(jīng)傳動(dòng)系產(chǎn)生的牽引力足以克服機(jī)械啟動(dòng)阻力時(shí)，則機(jī)械啟動(dòng)并加速行駛同時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速n2也逐漸增加，這時(shí)液流在渦輪出口處不僅有沿葉片相對(duì)速度W還有沿圓周方向的牽連速度U，因此沖向?qū)л喨~片的絕對(duì)速度V應(yīng)是二者合成速度。因假設(shè)泵輪轉(zhuǎn)速不變，故液流在渦輪出口處相對(duì)速度不變，但因渦輪的轉(zhuǎn)速在變化，故牽連速度U也在變化。由圖可見(jiàn)沖向?qū)л喗^對(duì)速度V將隨著牽連速度U增加而逐漸