液力變矩器效率

1、對于工程機(jī)械液力變矩器傳動損失的研究液氣壓世界2007年第3期孟亞/劉長生/戴奇明/李勝健閱讀次數(shù)：816 摘 要：液力變矩器在現(xiàn)代工程機(jī)械傳動中被廣泛采用，它不僅可以傳遞力矩而且可以 改變力矩的大小。對于現(xiàn)代大型工程機(jī)械，其能耗非常大，但其效率往往比較低。因 此，我們總希望能夠盡量地提高工程機(jī)械的效率。因此，對于液壓傳動能量損失的 研究就顯得尤為重要了。作者從流體力學(xué)的角度對現(xiàn)代工程機(jī)械中液力變矩器的損 失進(jìn)行了研究。 關(guān)鍵詞：工程機(jī)械 液力變矩器 液力損失 機(jī)械損失 容積損失 1 前言 <在工程機(jī)械傳動系中，一般采用液力機(jī)械式傳動，它能夠滿足現(xiàn)代工程機(jī)械要求的牽引力大、速 度低、牽引

2、力和行駛速度變化范圍大、進(jìn)退自如等特點。而在液力機(jī)械式傳動中加裝了液力變矩器， 則具有自動變矩、變速，防振隔振，良好的啟動性能，和限矩保護(hù)的作用，更能適應(yīng)現(xiàn)代工程機(jī)械的 需要。 流體在變矩器中沿泵輪、渦輪、導(dǎo)輪組成的循環(huán)圓流道流動一周，從泵輪獲得能量、并將能量傳 給渦輪。當(dāng)導(dǎo)輪不動的時候，流體經(jīng)過導(dǎo)輪時沒有能量交換。但流體在循環(huán)圓中流動具有黏性，必然 有摩擦損失，且損失大小與其速度有直接關(guān)系。工作輪流道為非原型斷面且有彎曲、擴(kuò)散等，因此， 其摩擦損失比圓管流道要大得多。另外在非設(shè)計工況，在渦輪及導(dǎo)輪進(jìn)口處要產(chǎn)生沖擊損失。因此，一般液力變矩器的效率最大為85%92% 1。而對于一般的工程機(jī)械，由

3、于其負(fù)載大、作業(yè)條件惡劣、 零件磨損嚴(yán)重，其效率普遍比較低。因此，對于液力變矩器能量損失的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。 2 液力變矩器的工作原理 液力變矩器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由三個具有彎曲( 空間曲面)葉片的工作輪組成，即可旋轉(zhuǎn)的泵輪4和渦輪3，以及固定不動的導(dǎo)輪5。各 工作輪常用高強(qiáng)度的輕合金精密鑄造而成。泵輪4一般與變矩器殼2連成一體，用螺栓固定在發(fā)動機(jī) 曲軸1的連接盤上。渦輪3經(jīng)從動軸7傳出動力。導(dǎo)輪5固定在不動的套筒6上。所有的工作輪在變矩 器裝配完成后，共同形成環(huán)行內(nèi)腔。 液力變矩器工作時，儲存于環(huán)行內(nèi)腔的工作液除隨變矩器作圓周運(yùn)動( 即牽連運(yùn)動)之外，還在循環(huán)圓沿箭頭圖1中所

4、示方向作循環(huán)流動( 即相對運(yùn)動)。液體離開泵輪時，以一定的絕對速度進(jìn)入渦輪、沖擊渦輪葉片，將力矩從泵輪傳遞給渦輪。                                        

5、60; 1.發(fā)動機(jī)曲軸 2.變矩器殼 3.渦輪                                         4.泵輪 5.導(dǎo)輪 6.固定套筒 7.從動輪   &

6、#160;                                          圖1 液力變矩器結(jié)構(gòu)原理3 液力變矩器的能量損失 綜上所述，液力傳動的過程中，必然伴隨著能量的損

7、失。液力變矩器的能量損失一般分為三種： 液力損失、機(jī)械損失和容積損失。 3.1 液力損失 液力損失分為兩類：一類為摩擦阻力損失，另一類為局部阻力損失。 1.摩擦阻力損失 工作液體在循環(huán)圓內(nèi)流動的過程中，各流層間和液體與流道壁間有一定的相對速度，由于液體有 粘性，就會出現(xiàn)摩擦阻力，流速慢的流層對流速快的流層起阻礙作用。單位質(zhì)量的液體為了克服這種 阻力而損失的能量叫做摩擦阻力損失。在文獻(xiàn)2中，通常以液流的速度頭v2/2g的百分?jǐn)?shù)來表示摩擦阻 力損失的大小。液力傳動中，液體質(zhì)點相對葉輪的運(yùn)動是相對運(yùn)動，故摩擦阻力損失以相對速度的速度頭表示。 式中：L流道的長度，m;摩擦阻力系數(shù); Rn流道的水力半徑

8、，其數(shù)值等于過流斷面面 積與濕周之比，m。 由于泵輪、渦輪和導(dǎo)輪在傳動過程中均存在摩擦現(xiàn)象，所以，摩擦損失的總和應(yīng)該是三者的總和， 即：       hm=hmB+hmT+h mD (2)       2.局部阻力損失 (1)沖擊損失 一般情況下，液流在葉輪進(jìn)口處并不與葉片骨線進(jìn)口方向一致。這樣就會引起旋渦損失以及脫流區(qū) 使流道收縮而引起的附加摩擦損失。進(jìn)口的相對速度 0與骨線間的夾角c為沖角，見圖2。 c有正負(fù)之別。0流向葉片工作面時， c正;0流向葉片背面時， c負(fù)。葉片工作面壓力高、背面的

9、壓力低。                                         a 泵輪進(jìn)口沖角 b 渦輪進(jìn)口沖角        

10、                                            圖2 進(jìn)口沖角相對速度0與葉片骨線偏離時，往往會在葉 片的表面形成脫流區(qū)，使流道在

11、脫流區(qū)收縮，沖擊損失與沖擊損失速度和沖擊損失系數(shù)有關(guān)，沖擊損失速度如圖3所示。圖3 沖擊損失速度式中：hc沖擊損失能頭，m; c沖擊損失系數(shù); c沖擊損失速度，m/s 同理，泵輪、渦輪和導(dǎo)輪同樣有沖擊損失，所以中的沖擊損失為： hc=hcB+hcT+h cD (3) (2)突然擴(kuò)大和突然收縮的損失 葉輪進(jìn)口前無葉片區(qū)的過流斷面大于進(jìn)口后的過流斷面。葉輪出口過流斷面小于出口后無葉片區(qū)的過流斷面。在葉輪進(jìn)口處有突然收縮的損失， 而在出口處有突然擴(kuò)大的損失。這是葉片排擠而引起的。這些損失根據(jù)文獻(xiàn) 3的公式計算： 式中：htk突然擴(kuò)大的單位能量損失，m; hts突然縮小的單位能量損失，m; ts突然縮

12、小的損失系數(shù)，=0.40.5; vm3葉輪剛出口的軸面速度，m/s; vm0葉輪剛要進(jìn)口的軸面速度，m/s。 因此，總的擴(kuò)大和縮小的能量損失為： ht=htK+htS (6) (3)擴(kuò)散損失 對液力傳動來說，存在擴(kuò)散管狀的流道，如泵輪內(nèi)的流道，渦輪內(nèi)流道的前半段，綜合式液力變 矩器導(dǎo)輪前半段流道等。擴(kuò)散管的損失計算如下： 式中：vm1擴(kuò)散管道起始斷面的軸面速度; vm2擴(kuò)散管末端斷面的軸面速度; k擴(kuò)散損失系數(shù)。 由上可知，對于總的液力損失為： h=hm+hc+ht +hk (8) 3.2 機(jī)械損失 動力經(jīng)液力傳動傳遞時伴隨著機(jī)械損失，這種機(jī)械損失包括泵輪軸的軸承和密封的損失，泵輪圓 盤摩擦損

13、失泵輪外表面與液體的摩擦損失，渦輪圓盤摩擦損失渦輪外表面與液體的摩擦損 失。所有這些機(jī)械損失都要消耗動力機(jī)的能量，影響液力傳動的效率。 對于軸承和密封的損失，通過提高配合精度、適當(dāng)?shù)剡x取潤滑油和密封材料，可以把這種在額定 的工況下控制在1%以下4。而機(jī)械摩擦損失重要 是泵輪、渦輪等旋轉(zhuǎn)件的圓盤摩擦損失。當(dāng)相對轉(zhuǎn)數(shù)較高時，圓盤摩擦損失較大。另外，并非所有的 圓盤摩擦都消耗功率，必須對其進(jìn)行具體分析。 3.3 容積損失 由于泵輪出口的絕大部分液體流進(jìn)渦輪，這部分液體再由渦輪流進(jìn)導(dǎo)輪，然后又回到泵輪，起傳 遞力的作用。泵輪進(jìn)口與導(dǎo)輪出口的內(nèi)環(huán)間有比較小的環(huán)行間隙，同樣的間隙存在與渦輪出口和導(dǎo)輪進(jìn)口內(nèi)

14、環(huán)間。這種間隙使葉輪互相不接觸，使葉輪 之間相互沒有機(jī)械摩擦。但是，這種環(huán)行間隙的兩端壓力不等，有一部分液體就要通過這些間隙由高 腔流向低腔。泵輪出口的壓力高于泵輪進(jìn)口的壓力也高于渦輪出口的壓力，故液流由泵輪出口經(jīng)環(huán)行 密封再流到泵輪進(jìn)口，繞泵輪內(nèi)環(huán)流動。從水泵研究表明，當(dāng)比轉(zhuǎn)數(shù)在100200時，容積損失所占比 重不足1.5%4。與液力損失相比要小得多，故該項 在計算時也可忽略，即認(rèn)為v1。 3.4 效率分析 當(dāng)泵輪轉(zhuǎn)速n1不變時，沖擊損失主要取決于渦 輪轉(zhuǎn)速n2。變矩器的效率PTD應(yīng)為輸出功率與輸入 功率之比，即：顯然，當(dāng)n2=0時，PTD=0;當(dāng) n2=n20時候，因M2=0，則 PTD=

15、0。效率PTD隨n2 變化的曲線見圖4。 圖4 液力變矩器效率曲線變矩器使用過程中，如果工況變化較大，而對設(shè)計工況 轉(zhuǎn)速比沒什么特殊要求，由于變矩器最高效率只有85%92%， 當(dāng)啟動變矩系數(shù)K0要求較大，則最高效率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速比一般 小于0.6，而當(dāng)iTB>(iTB)K=1 后，其效率會很快下降。為了在高轉(zhuǎn)速比工況下有較高的效率，我們可以采 用綜合式液力變矩器或閉鎖式液力變矩器。(1)綜合式液力變矩器 特點：導(dǎo)輪通過單向離合器裝在固定不動的導(dǎo)輪座上，結(jié)構(gòu)布置上泵輪與渦輪對稱布置。 當(dāng)iTB<(iTB)K=1(即K>1)時，M D=-MT-MB>0，此時，單向離合器在楔緊力

16、的作用下無轉(zhuǎn)動，故導(dǎo)輪 固定不動，這時是變矩器工況。而當(dāng)iTB>(i TB)K=1時，MD<0，這時導(dǎo)輪能夠轉(zhuǎn)動，此時的變矩器變成了偶 合器，有MB=-MT，K=1，=i TB參見圖5。在高轉(zhuǎn)速比工況下，偶合器的效率要高于變矩器的效率 5，因此綜合式液力變矩器有較大的高效區(qū)范圍，它適 合于轉(zhuǎn)速比變化較大而且長時間在高轉(zhuǎn)速比工況運(yùn)行的工作機(jī)傳動。                    &

17、#160;            圖5 綜合式液力變矩器結(jié)構(gòu)簡圖及其特性(2)閉鎖式液力變矩器 渦輪通過閉鎖離合器M與泵輪相連，從特性曲線(如圖6)可知，閉鎖式液力變矩器在 iTB>(iTB)K=1時，比綜合式液力變矩器效率高，但由于有鼓風(fēng)損失， 雖然泵輪與渦輪剛性連接，其效率也不可能達(dá)到100%。而且當(dāng)泵輪與渦輪不對稱布置時，循環(huán)圓中會有流體流動，這也要消耗一些能量。          &

18、#160;                      圖6 單級閉鎖變矩器結(jié)構(gòu)簡圖及原始特性另外，為了保證液力傳動車輛能可靠地利用發(fā)動機(jī)只動或拖車啟動發(fā)動機(jī)，除了可以利用閉鎖式 的液力變矩器外，還可采用：在內(nèi)環(huán)中帶有輔助徑向葉片的液力變矩器;安裝液力減速器作輔助 制動裝置。 4 工程機(jī)械液力損失特性 液力變矩器摩擦阻力損失的機(jī)理雖然簡單，但數(shù)學(xué)模型不易得到，定量分析難以實現(xiàn) 6。通常工程機(jī)械轉(zhuǎn)速較低，摩擦阻力損失相對較小，對工作 效率影響不大，且對不可透變矩器，由于相對流量為常數(shù)，所以摩擦阻力損失也是相對常量，即隨工 況變化不大。如上所述，一般容積損失也可忽略。因而，液力變矩器沖擊損失是影響工程機(jī)械效率的 主要因素。 對于某一個具體的葉輪，其沖擊損失由式(12)決定。其數(shù)學(xué)模型為： 式中：i為