液力傳動基礎(chǔ)

1、2021-6-131 第第9 9章章 液力傳動基礎(chǔ)液力傳動基礎(chǔ) 2021-6-1322021-6-132 2021-6-1332021-6-133 2021-6-134 圖9-1 液力傳動裝置 1發(fā)動機；2離心泵葉輪；3導(dǎo)管；4水槽；5泵的螺殼；6吸水管； 7渦輪螺殼；8導(dǎo)輪；9渦輪葉輪；10排水管；11螺旋槳；12液力 變矩器模型。 2021-6-135 目前，液力傳動元件主要有液力元件和液力機 械兩大類。液力元件有液力耦合器和液力變矩器； 液力機械元件是液力元件與機械傳動元件組合而 成的。 1 1液力耦合器 由圖9-2(a)可知，它是由泵 輪b和渦輪t組成的。泵輪與主動軸相連，渦輪與 從動

2、軸相接。如果不計機械損失，則液力耦合器 的輸入力矩與輸出力矩相等，而輸入與輸出軸轉(zhuǎn) 速不相等。因工作介質(zhì)是液體，所以b、t之間屬 非剛性連接。 2021-6-136 2 2液力變矩器 圖9-2(b)是液力變矩器結(jié)構(gòu) 簡圖。它是由泵輪b、渦輪t及導(dǎo)輪d主要件構(gòu)成。 b、t分別與主動軸、從動軸連接，導(dǎo)輪則與殼體 固定在一起不能轉(zhuǎn)動。當傳動比小時，輸出力矩 大，輸出轉(zhuǎn)速低；反之，輸出力矩小而轉(zhuǎn)速高。 它可以隨著負載的變化自動增大或減小輸出力矩 與轉(zhuǎn)速。因此說，液力變矩器是一個無極力矩變 換器。 2021-6-137 圖9-2 (a) 液力偶合器；(b) 液力變矩器。 1主動軸；2從動軸；t渦輪；b泵

3、輪；d導(dǎo)輪 2021-6-138 1 1軸面 液力元件過旋轉(zhuǎn)軸線的剖切面，也叫軸 截面或子午面，如圖9-3。 2 2循環(huán)圓 液力元件中液體循環(huán)流動工作腔的 軸面叫做循環(huán)圓，如圖9-3所示。它有一定的幾何 形狀，能表示出各工作輪排列順序、位置及液體 循環(huán)流動的方向。 3 3有效直徑 循環(huán)圓（工作腔）的最大直徑稱為 液力元件的有效直徑，用d表示。 2021-6-139 4 4平均流線 指在工作輪中的一條假想流線，該 流線上液流的動力學效果與整個葉輪中的所有液 流產(chǎn)生的動力學效果一樣，該假想流線就是平均 流線。 5 5工作輪進、出口半徑 工作輪葉片進出口邊 與平均流線的交點到軸線的長度。 6 6外環(huán)

4、和內(nèi)環(huán) 限定循環(huán)圓流道的工作輪外側(cè) 壁面及內(nèi)側(cè)壁面分別為外環(huán)及內(nèi)環(huán)。 2021-6-1310 圖9-3 液力元件循環(huán)圓 2021-6-1311 液力傳動用的工作液體應(yīng)滿足如下要求： （1）適宜的粘度 為減少摩擦損失，希望液體的 粘度小，但潤滑性能、密封性能會降低。 （）粘溫性好即要求液體粘度受溫度的影響 要小。 （）不易產(chǎn)生泡沫、老化和沉淀。 （）酸值要低、抗氧化性高。 2021-6-1312 （）具有較高的閃點和較低的凝固點。液力元 件工作時，油溫常在80100，甚至可達160， 因此要求閃點不低于180；凝固點要低于-20， 以利于在低溫環(huán)境時液力元件的起動。 （）要有較大的重度重度大，液

5、力元件傳動 的力矩也大。 （）潤滑性能好。 2021-6-1313 （1）自動適應(yīng)性 （2）防振、隔振性能 （3）透穿性能 另外，它還具有過載保護、自動協(xié)調(diào)、分配負載 的功能。 但是，液力傳動效率較低，高效范圍較窄，需要 增設(shè)冷卻補償系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。 2021-6-1314 當連續(xù)的、不可壓縮的液體沿著任何形狀的靜止 管道做穩(wěn)定流動時，只要液體在管道中沒有流量、 能量的輸入或輸出，若不計各種能量的損失，則 在管道的任意兩個緩變流動的端面上（如1、2端 面），均遵守下列等式關(guān)系： g u g p z g u g p z 22 2 22 2 2 11 1 （9-1） 2021-6-131

6、5 式中: 、 在1、2處單位重量液體的位能； 、 在1、2處單位重量液體的壓能 ； 、 在1、2處單位重量液體的動能； 液體在斷面形心上的壓力； 液體在斷面形心上的平均流速； 分別為液體的密度和重力加速度。 1 z 2 z g p 1 g p 1 g u 2 2 1 g u 2 2 2 p u g、 2021-6-1316 從幾何意義上來講是斷面1、2的形心到 基準平面的位置高度。式（9-1）就是實際液體在 靜止流道中流動時的能量守恒定律的數(shù)學表達式， 也稱作絕對運動的伯努利方程。 上述方程只適應(yīng)于液體在靜止不動的流道中流 動時的情況，但對于液力傳動中流動在工作輪里的 液體就不適用了。因為液

7、體在這些工作輪中的運動， 除了有沿著工作輪流道做相對運動外，同時還做與 工作輪一起旋轉(zhuǎn)的牽連運動。 21zz、 2021-6-1317 假定把所研究的正在旋轉(zhuǎn)的工作輪（如泵輪）置 于和工作輪同軸線、同轉(zhuǎn)速但轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)平 臺上（如圖9-4）, 此時工作輪中液體的相對速度 就可看作絕對速度（因牽連速度為零）。這樣， 就可以利用絕對運動的伯努利方程，但應(yīng)考慮因 平臺旋轉(zhuǎn)而使工作輪中液體失去的能量 。 g u 2 2 2021-6-1318 圖 9-4工作輪中液體的相對運動 2021-6-1319 相對運動的伯努利方 程如下： 21uu、 g u g w g p z g u g w g p z 2

8、222 2 2 2 22 2 2 1 2 11 1 (9-2) 式中: 分別為液體在工作輪進出口處牽連運動的速度； 分別為液體在工作輪進出口處相對運動的速度； 、 分別為工作輪進出口處單位重量液體作牽連運動 21ww、 g u 2 2 1 g u 2 2 2 的動能 2021-6-1320 上式還可以改寫成為： g uu g w g p z g w g p z 2 ) 2 () 2 ( 2 1 2 2 2 11 1 2 22 2 （9-3） 式中（ 就是相對運動液流在工作輪進口處單位重 量液體的總機械能； ）是在出口處單位重量液體 的總機械能。對于泵輪 ，說明泵輪出口處總機械能 要比入口處的總

9、機械能大 ，大出的這部分能量正是 ) 2 2 11 1 g w g p z g w g p z 2 ( 2 22 2 12 uu g uu 2 2 1 2 2 2021-6-1321 由于動力機使液體產(chǎn)生了牽連運動，有了離心力 而使液體動能增加的。如果是渦輪，則與泵輪相 反。因渦輪的 ，所以它的出口處要比入口處 總機械能少 ，而這部分能量被渦輪吸收 后對外輸出機械能。 12 uu g uu 2 2 1 2 2 2021-6-1322 液體在工作輪中的流動是一種復(fù)合空間運動。液 體既要隨工作輪一起作旋轉(zhuǎn)運動，又要在旋轉(zhuǎn)的 工作輪葉片流道內(nèi)流動。所以，液體在工作輪中 的合成運動是呈螺管形態(tài)的運動（

10、圖9-5）。 2021-6-1323 圖9-5 液體的螺管運動 2021-6-1324 為了便于研究分析，將復(fù)雜的空間運動進行 簡化，然后再用實驗的方法加以修正。 假定如下： （1）工作輪葉片無限多、無限薄。 （2）工作輪出口處的流動情況與進口處流動的情 況無關(guān)； （3）以平均流線代表整個工作輪葉片流道內(nèi)液體 運動的物理現(xiàn)象； （4）液體不可壓縮、穩(wěn)定流動、無能量損失。 2021-6-1325 在工作輪中的平均流線上，任意點a處流體流動的 速度可用速度三角形表示，如圖（9-6） 圖9-6 工作輪的液流速度三角形 2021-6-1326 式中: u 液流隨工作輪一起轉(zhuǎn)動的速度，即牽連速度； w

11、液流沿著葉片方向運動的速度，即相對速度； v 液流的絕對速度。 由u、w、v 組成的三角形叫做速度三角形。需指出 的是此三角形并不位于紙面上所繪的速度三角形平 面內(nèi)，而是在過a點與平均流線相切的平面上。 wvu（9-4） 2021-6-1327 另外, 又可把絕對速度分解為兩個互相垂 直的速度分量 、 ， 是絕對速度 的圓周分速度， 是計算速度環(huán)量的參數(shù)； 是絕對速度的軸面分速度，它關(guān)系到循環(huán) 流量的大小。 u v m v u v m v 2021-6-1328 在液力傳動中，需要計算工作輪的力矩，而求工 作輪的力矩則要用到動量矩定理。 質(zhì)量為的質(zhì)點與其運動的絕對速度的乘積就是該 質(zhì)點的動量，

12、動量是個向量。動量矩則是動量與 該質(zhì)點到旋轉(zhuǎn)軸o的垂直距離的乘積，以l表示， 如圖9-7,那么 rmvmvrrmvl u cos 式中 r質(zhì)點到o軸的半徑。 ， cosrr cosvvu 2021-6-1329 圖9-7 工作輪中的液體在葉片進出口處的動量矩 2021-6-1330 根據(jù)動量矩定理，工作輪作用于質(zhì)點的力矩等于 單位時間內(nèi)液體質(zhì)點動量矩的變化量，即 1122 rvrv dt dm dt rmvd dt dl m uu u （9-5） 若單位時間內(nèi)流經(jīng)工作輪的液體流量為q，則 q q dt dt q dt dm 所以 1122 rvrvqm uu （9-6） 2021-6-1331

13、 式中： m 工作輪對液體的作用力矩（nm），液體 對工作輪的力矩則與大小相等，方向相反； q 工作輪流量，即循環(huán)圓流量（ ）； 工作液體的密度（ ）； 、 工作輪葉片進出口處的半徑（m）； 、 工作輪進出口處液流絕對速度v的圓周 分速度（ ）。 sm3 3 mkg 1 r 2 r u v1 u v2 sm 2021-6-1332 式中 工作輪進口處液流的速度環(huán)量， ; 工作輪出口處液流的速度環(huán)量， 。 速度環(huán)量 ，即速度環(huán)量等于半徑r的 圓周長與在半徑上液流絕對速度的圓周分速度 的乘積。它表明了液體旋轉(zhuǎn)的程度，工作輪的 力矩取決于速度環(huán)量在出口和進口的差值。 1 2 u vr 111 2 u

14、 vr 222 2 u vr2 u v 式(9-6)可改寫成如下形式: uu vrvr q m 1122 22 2 12 2 q (9-7) 2021-6-1333 式（9-6）、（9-7）就是工作輪的力矩方程。 如果工作輪是泵輪，則 )( 1122bubbubb rvrvqm)( 2 12bb q （9-8） 若是渦輪，則 )( 1122tuttutt rvrvqm)( 2 12tt q （9-9） 若是導(dǎo)輪，則 )( 1122duddudd rvrvqm)( 2 12dd q （9-10） 2021-6-1334 式中參數(shù)加角標b、t、d分別表示泵輪、渦輪、 導(dǎo)輪的相關(guān)參數(shù)，而各參數(shù)的含義

15、與式(9-6)、 式(9-7)的參數(shù)意義相同。 在式（9-9）中，因 ，所以 是個負值，它表示渦輪吸收了液體給與的能量而 對外輸出力矩。 參見圖9-8，當液體流進兩個工作輪之間時，如b 與t之間，t與d之間和d與b之間，因液體不受葉片 作用，故有 1122tuttut rvrv t m 2021-6-1335 將式（9-11）代入式（9-8）、式（9-9）、式 （9-10）中，得 21 21 21 td bt db t （9-11） )( 2 )( 2 )( 2 22 22 22 tdd btt dbb q m q m q m （9-12） 2021-6-1336 式（9-12）就是單級三工作

16、輪液力變矩器的力矩 方程。可知，液力變矩器各工作輪的力矩主要取 決于相銜接的兩個工作輪出口速度環(huán)量之差。 圖9-8 工作輪的銜接次序 2021-6-1337 根據(jù)式（9-6），工作輪作用于液體的功率應(yīng)為 )( 1122 rvrvqmp uu )coscos( 111222 vuvuq（9-13） 式中 工作輪旋轉(zhuǎn)角速度； u液體質(zhì)點的圓周速度（牽連速度）。 根據(jù)能量不滅定律，當不計液力損失時，工作輪作用于 液體的能量應(yīng)等于能量的增量，因此 t gqhp（9-14） 2021-6-1338 將式（9-13）代入（9-14），得 g vuvu h t 111222 coscos （9-15） 或為

17、 g vuvu h uu t 1122 （9-16） 式中， 是在工作輪葉片無限多且無限薄的情況下， 不計液力損失時單位重量液體所獲得的能量（即能頭）。 式（9-15）或（9-16）就叫液體流經(jīng)葉片式工作輪時 的歐拉方程。 t h 2021-6-1339 根據(jù)工作輪進出口的速度三角形之間的關(guān)系，歐拉方程可 改寫成如下表達式： g ww g uu g vv ht 222 2 2 2 1 2 1 2 2 2 1 2 2 （9-17） 由式（9-17）可看出，液體在工作輪葉片流道中時， 因葉片與液體的相互作用而產(chǎn)生的能量變化是由于絕對 速度、牽連速度、相對速度的變化而引起的。 如果是泵輪，其歐拉方程

18、為 ubbubbbt vuvu g h 1122 1 或 g ww g uu g vv h bbbbbb bt 222 2 2 2 1 2 1 2 2 2 1 2 2 （9-18） （9-19） 2021-6-1340 同理，對于渦輪也可列出它的歐拉方程。 液體流經(jīng)泵輪時吸收了能量， ；而液體流經(jīng) 渦輪時，又將能量釋放給渦輪，故 ；在導(dǎo) 輪內(nèi)無能量的傳遞，只有能量形式的變換，一般 是把壓能轉(zhuǎn)變成動能。 由于實際的工作輪葉片不可能無限多、無限薄， 液體受慣性、粘性的影響，所以實際的能頭 要 比理論能頭 小，即 ， 是小于1的能量 （能頭）修正系數(shù)。 0 bt h 0 tt h t h t h t

19、t hh 2021-6-1341 在液力傳動中，由于液體在工作輪流道里流動極 為復(fù)雜，至今還不能采用純理論方法確切地把液 力變矩器的特性計算出來。因此進行液力傳動裝 置系列化設(shè)計，或者根據(jù)樣機進行放大、縮小的 仿型設(shè)計時，都采用相似原理的設(shè)計方法，而無 需對每個液力傳動元件進行逐一試驗，既能減少 設(shè)計工作量，又能保證液力傳動的良好性能。因 此，相似原理是液力傳動裝置系列化設(shè)計或仿型 設(shè)計的理論基礎(chǔ)。 2021-6-1342 一、液力變矩器的相似條件一、液力變矩器的相似條件 對不可壓縮、穩(wěn)定流動的液體，能滿足如 下條件，則該系列液力變矩器相似。 （1）幾何相似 如果各個液力變矩器工作 輪流道形狀相同，對應(yīng)的線性成比例，對 應(yīng)角度相等，則這些液力變矩器為幾何相 似。 2021-6-1343 （2）運動相似 如果各個液力變矩器中液 體流態(tài)相似，即對應(yīng)點液流的運動速度方 向相同，大小成比例，或者說對應(yīng)點上的 速度三角形相似，這稱為運動相似。運動 相似時的工況稱為相似工況，此時液力變 矩器的傳動比相等。 （3）動力相似 各個液力變矩器對應(yīng)點的 液體質(zhì)點所受力的性質(zhì)相同，即力的方向 相同，大小成比例，這稱為動力相似。 2021-6-1344 實際上，要使兩個液力變矩器完全符合動力