第五章-液力機械傳動系統(tǒng)

1、第五章 液力機械傳動系統(tǒng)第一節(jié) 概 述 液力機械傳動的主要元件為液力變矩器(偶合器)和動力換檔變速器，特別是變矩器在車輛上廣泛應(yīng)用。就單獨變矩器來說，它能使傳動系獲得無級變速和變矩的能力；良好的自動適應(yīng)性既提高了操縱性又提高了車輛的通過性；變矩器還可以吸收振動和沖擊，有效提高傳動系和發(fā)動機的壽命，同時也改善了操作者的舒服性。但是由于其效率低，使發(fā)動機油耗大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，一度曾使其失去了應(yīng)用價值。后來液力傳動與機械變速器組合形成液力機械傳動后，其功能得到擴展，才有了迅速發(fā)展的趨勢。液力機械傳動是工程機械行走傳動系的主要傳動方式，我國的裝載機、推土機、內(nèi)燃叉車、起重機、大中型載重汽車等基本上

2、都應(yīng)用液力傳動，本章就針對液力機械傳動進行詳細(xì)討論。 液力機械傳動主要由變矩器與動力換檔變速器組成。以下就介紹變矩器與動力換檔變速器。液力變矩器是由幾個葉輪組合而成的一種非剛性聯(lián)結(jié)的傳動裝置，功率的傳遞主要是通過液體動量矩的變化來實現(xiàn)的。液力變矩器是當(dāng)前液力傳動的主要元件。變矩器的主要工作特點是具有外載荷的自動適應(yīng)性，能夠無級地調(diào)速和變矩，使發(fā)動機的功率得到充分的利用。由于變矩器是以液體作為工作介質(zhì)來傳遞功率的，因此液力傳動具有良好的緩沖、減振作用，使機器的啟動、運轉(zhuǎn)十分平穩(wěn)、柔和，從而能夠延長機器的使用壽命，由于變矩器具有上述優(yōu)點，因此它在汽車、工程機械、起重運輸、內(nèi)燃機車、礦山機械、石油電

3、力、港口船舶、林業(yè)及農(nóng)業(yè)機械、化工設(shè)備以及軍工等部門，都得到了廣泛的應(yīng)用。一、 液力傳動的發(fā)展歷程 國外液力變矩器的發(fā)展，與機械傳動、電氣傳動等相比較，是一門比較年輕的學(xué)科。從第一臺液力變矩器問世，到現(xiàn)在只有一百來年的歷史，在這一百年間，液力傳動的發(fā)展，有起有伏，幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)才有今天的現(xiàn)狀。第一臺液力變矩器是由德國的費丁格爾（Föttinger）教授于1902年首先提出，并于1908年應(yīng)用到工業(yè)上。1920年又由包易爾（Bauer）在費丁格爾的基礎(chǔ)上去掉導(dǎo)輪裝置，便構(gòu)成了第一臺液力偶合器。由于當(dāng)時英國精密齒輪制造技術(shù)的飛速發(fā)展，而液力傳動剛剛處于萌芽階段，其優(yōu)越性尚未顯示出來，因而發(fā)展極

4、為緩慢，這段時間從1910年至1930年，達(dá)二十年之久，直到三十年代初期才又重新崛起。當(dāng)時瑞典的阿爾夫·里斯豪姆（Alf.Lysholm）為西屋電氣公司設(shè)計生產(chǎn)了一臺徑流葉片裝置的機車汽輪機，它與當(dāng)時較常用的軸流葉輪裝置的汽輪機不同，但因當(dāng)時柴油機電力傳動機車已經(jīng)發(fā)展起來，汽輪機車已逐漸被淘汰。所以，阿爾夫·里斯豪姆為了使其發(fā)明不致于前功盡其，便設(shè)想將泵輪和離心渦輪結(jié)合到一起，以一種輕油作為工作介質(zhì)，于是便產(chǎn)生了第一臺三級液力變矩器，它的泵輪和第一級渦輪為離心式，第一導(dǎo)輪為軸流式，其余葉輪均為向心式。為了給這種三級液力變矩器尋求用戶，里斯豪姆同英國里蘭汽車公司的史密斯（Sm

5、ith）工程師合作，史密斯采用了里斯豪姆的液力變矩器，并增加了閉鎖離合器和單向離合器的結(jié)構(gòu)裝置，這便成為有名的里斯豪姆史密斯型液力變矩器。該變矩器曾應(yīng)用在公共汽車上。之后，阿爾斯·卡爾馬斯斯普云非爾德（Allis.Chalmers-Springfiel）工廠和菲亞特阿爾斯（Fiat-Allis）建筑機械公司在履帶式拖拉機上也開始采用了液力變矩器（三級）。自此以后，液力傳動則以其特有的工作特性在各個工業(yè)部門得到越來越廣的應(yīng)用。尤其是在第二次世界大戰(zhàn)時期，珍珠港的打撈絞車、登陸艇的錨鏈鉸車、坦克、自行火炮等都應(yīng)用了液力變矩器。軍事工業(yè)的應(yīng)用，引起了世界各國汽車、拖拉機、工程機械、起重運輸

6、、石油開采等各部門對液力傳動的關(guān)注和應(yīng)用。美國在七十年代研制的B1戰(zhàn)略轟炸機上的燃汽輪機的啟動裝置上也采用了液力變矩器。關(guān)于國外液力變矩器的發(fā)展簡史可用表1來加以概括說明。19表1液力變矩器發(fā)展史名稱年代類型零速變矩系數(shù)功率范圍（HP）最高效率最高效率時轉(zhuǎn)速比說 明Föttinger1908變矩器510083%2.01920年應(yīng)用在輪船上（16000HP）并由Voith公司應(yīng)用于機車和工業(yè)上Bauer1920偶合器1適用于不同功率在Föttinger變矩器基礎(chǔ)上去掉導(dǎo)輪而構(gòu)成偶合器最后由Vulcon形成偶合器Reiseler1925二級變矩器344084%13二級F

7、6;ttinger變矩器，用于汽車傳動Simclair1727偶合器1適于不同功率Vulcan-Sinclair型偶合器，用于汽車，并在1930年形成“液力自動輪”具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域Coats1929多相變矩器343086%13利用三列可調(diào)式導(dǎo)輪葉片，形成Vickers-Coats型變矩器Lysholm1930多級變矩器55086%20Lysholm-Smith型變矩器，已在英、美、德各國應(yīng)用Voith1932變矩器和偶合器348085%13用于機車車輛的各種傳動上Trilok1934綜合式變矩器378080%14整體裝置的綜合式變矩器Salerni1937二級綜合式變矩器378082%13二

8、級綜合式液力變矩器Schneider1940綜合式變矩器372588%15改進綜合式變矩器的效率 二、 液力傳動的發(fā)展現(xiàn)狀 據(jù)有關(guān)資料介紹，全世界液力變矩器的年產(chǎn)量已達(dá)幾千萬臺以上。如歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，轎車的液力變矩器裝備率最高時可達(dá)80%以上，日本在九十年代的年產(chǎn)量約100萬臺。第二節(jié) 液力變矩器2 . 1 液力變矩器的結(jié)構(gòu)和工作原理液力變矩器由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪作用于成，所有工作輪都在一個封閉的環(huán)形空腔內(nèi)，其縱向斷面通常稱為變矩器的循環(huán)圓。變矩器的循環(huán)圓內(nèi)充滿工作液體，工作液體由油泵經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓力后從泵輪的入口處進入變矩器，又從渦輪的出口處通到變矩器的冷卻器。變矩器主要術(shù)語：級是指渦輪元

9、件插在其它構(gòu)件的元件之間的個數(shù)。是指渦輪構(gòu)件的元件數(shù)目。相是指由單向離合器或其它裝置如離合器或制動器等，當(dāng)作用變化時而產(chǎn)生工作元件用裝置的數(shù)目。單向離合器僅向一個方向輸送轉(zhuǎn)矩的裝置。轉(zhuǎn)速比（i）是指輸出轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速之比變矩系數(shù)(k)是指輸出轉(zhuǎn)矩與輸入轉(zhuǎn)矩比零速變矩系數(shù)(K0)指當(dāng)渦輪停止轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)矩比能容(Mb(1000)變矩器收功率的能力22 液力變矩器的分類與選型 液力變矩器的類型液力變矩器的類型及分類方法較多，現(xiàn)就工程機械常用的變矩器介紹如下：（1） 單級和多級液力變矩器液力變矩器按照布置在其它兩個工作輪（泵輪與導(dǎo)輪或?qū)л喤c導(dǎo)輪）之間的渦輪數(shù)，可分為單級變矩器和多級變矩器。多級變矩器的

10、各級渦輪彼此剛性連接，以提高渦輪輸出軸的輸出力矩。有時渦輪數(shù)為兩個或兩個以上，但每個渦輪并不安置在其它兩個工作輪之間，則仍為單級液力變矩器，可按其渦輪數(shù)稱為雙渦輪變矩器或三渦輪變矩器。單級變矩器結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，變矩系數(shù)K0也較大，一般可達(dá)34。多級變矩器雖然K0較大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較高，故應(yīng)用不廣而被單級液力變矩器所取代。（2） 液力變矩器的渦輪型式單級變矩器按照渦輪在循環(huán)圓中的布置可分為向心式渦輪、軸流式渦輪和離心式渦輪三種。（3） 單級和多相式液力變矩器液力變矩器根據(jù)工作輪相互配合作用的數(shù)目，可分為單相、兩相、和三相等。工作輪相互配合作用的變換是采用自由輪機構(gòu)或其它方法來達(dá)到的。單導(dǎo)

11、輪綜合式變矩器是單級兩相式變矩器，雙導(dǎo)輪綜合式變矩器是單級三相式變矩器。我國批量生產(chǎn)的ZL50輪式裝載機是雙渦輪液力變矩器，其結(jié)構(gòu)特點是：第一渦輪與第二渦輪分別由兩根相互套裝的輸出軸通過匯流機構(gòu)匯流后將動力傳給變速箱。第一渦輪經(jīng)一對減速齒輪，通過自由輪機構(gòu)將動力傳給變速器輸入軸與第二渦輪另一對減速齒輪動力,動力匯流后傳給變速器輸入軸。高速輕載時，第一渦輪空轉(zhuǎn)，動力由第二渦輪單獨傳遞；低速重載時，自由輪鎖死，兩個渦輪同時工作，變矩系數(shù)增大。因此，此種型式的變矩器為單級兩相式。2 . 3液力變矩器與發(fā)動機的共同工作1 變矩器的原始特性 包括Mb(1000)、k、等i=n2/n1k=M2/M1=k、

12、IMb(1000)=Mb*106/nb2下圖是一典型的單渦輪和雙渦輪液力變矩器的原始特性曲線.2 液力變矩器的輸入特性變矩器輸入特性是研究M1=f(n1)的變化關(guān)系。輸入特性可根據(jù)原始特性用力矩計算方程求得。3液力變矩器的輸出特性 變矩器的輸出特性是研究M2、M1、n1、=f(n2)的變化關(guān)系.4 .變矩器的評價指標(biāo)(1) 變矩系數(shù)K：制動工況K0表示變矩器克服短期超載的能力。(2) 傳動效率：希望最高效率高，同時變矩器高效率范圍區(qū)段要寬。(3) 透過性：變矩器的透過性是研究M(b)=f(i)的變化關(guān)系，根據(jù)各種車輛的工況來選擇透過性。(4) 泵輪力矩系數(shù)：M(b) 下表及圖是某單渦輪液力變矩

13、器結(jié)構(gòu)圖及變矩器的原始數(shù)據(jù)及特性曲線。典型單渦輪液力變矩器結(jié)構(gòu)圖單渦輪液力變矩器性能參數(shù)序號iKMbg(Nm)備 注10.000 3.020 0.000 116.300 20.100 2.682 0.268 120.890 30.200 2.384 0.477 122.530 40.300 2.127 0.638 122.720 50.397 1.889 0.750 120.870 60.400 1.879 0.752 120.730 70.500 1.639 0.820 116.530 80.600 1.415 0.849 113.170 90.683 1.255 0.857 109.310

14、 最高效率點100.700 1.221 0.855 108.420 110.7981.000 0.798 95.650 120.800 0.996 0.797 95.250 130.8420.891 0.750 85.630 140.9000.745 0.671 66.970 151.0000.335 0.335 22.130 典型單渦輪變矩器原始特性曲線下圖為我國ZL50輪式裝載機用雙渦輪液力變矩器結(jié)構(gòu)圖及原始特性曲線.1-工作泵 2-變速泵 3一級渦輪輸出齒輪 4-二級渦輪輸出齒輪 5-變速泵驅(qū)齒輪 6-導(dǎo)輪座 7-二級渦輪 8-一級渦輪 9-導(dǎo)輪 10-泵輪 11-齒輪 12-變速器輸入

15、軸13-離合器滾柱 14-離合器內(nèi)圈雙渦輪液力變矩器結(jié)構(gòu)圖雙渦輪液力變矩器原始特性曲線第三節(jié) 動力換檔變速器3 . 1概述動力換檔變速器與液力變矩器相配合使用。根據(jù)車輛性能要求動力換檔變速器具有一定的檔位數(shù)，與工程機械配合使用的變速器一般前進與后退檔位數(shù)相同。 動力換檔變速器和人力換檔變速器的主要區(qū)別是用液壓離合器作為操縱元件。動力換檔變速箱按結(jié)構(gòu)原理分為定軸式和行星式兩種。3 . 2動力換檔變速器基本型式和方案選擇321動力換檔變速器的基本型式： 主要是從齒輪傳動方上來分一般有兩種型式：定軸式和行星式322方案選擇對于大部分工程機械，目前般采用前進四檔、后退四檔的變速器，這是由工程機械的工作

16、工部優(yōu)而決定的。從換檔方式上來說有如下兩種方式式（1） 摩擦離合器各嚙合套結(jié)合換檔 實現(xiàn)方式是用四個摩擦離合得到前進一、二檔和倒退一二檔，再結(jié)合嚙合套得到高低檔，從而實現(xiàn)前進四檔后退四檔。這種方式的變速器在我國目前應(yīng)用較多，例如我國大部分ZL30輪式裝載機、我公司的PY160平地機、部分廠家生產(chǎn)的ZL50裝載機等都采這種方式。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，缺點是換檔不方便，國外已經(jīng)很少采用。（2） 全部摩擦離合器換檔所有檔位都采用摩擦離合器換檔，對定軸式前四后四變速器，需要六個摩擦離合器，對前三后三變速器需要五個摩擦離合器。對于行星式變速器，是摩擦離合器與制動器結(jié)合工作的。該種結(jié)構(gòu)方式換檔方便，目前

17、采用的電液換檔可以完全實現(xiàn)自動控制，該種方式是目前大量采用的方式。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。3 . 3定軸式動力換檔變速器這種變速器的每一個檔由液壓操縱的濕式離合器控制，齒輪均屬外嚙合齒輪。動力換檔定軸式變速器因為有摩擦離合器換檔，所需軸向尺寸大，這樣就不可能在兩軸間實現(xiàn)多檔變速，所以這種變速器一般都采用多軸串聯(lián)式，以適應(yīng)工程機械的前進及倒退檔數(shù)相同的要求。對于工程機械用變速器該結(jié)構(gòu)制造工藝性好、傳動效率高，從傳統(tǒng)的觀點來說，同等功率一般情況下其尺寸重量均比行星齒式變速器大。但是現(xiàn)代工藝水平的發(fā)展，該種變速器的結(jié)構(gòu)重量也不比行星式差。對于小汽車及小型汽車變速器，目前基本沒有采用定軸式動力換檔變速

18、器的。(1) 方案選擇目前工程機械動務(wù)換檔變速箱一般采用前四后四、前三后三、前四后三的檔位數(shù)，換檔都采用液壓換檔，很少再加機械換檔。（2） 結(jié)構(gòu)設(shè)計一、傳動簡圖的設(shè)計，在設(shè)計一變速器之前，繪制傳動簡圖是必不可少的,它可為傳動比的分配及齒輪的計算提供依據(jù).。繪制傳動簡圖一般是參考現(xiàn)有的國內(nèi)外已有的傳動方式，再根據(jù)設(shè)計的具體在求來進行的。變速器的發(fā)展已有多年的歷史，從現(xiàn)論上來說，可以有全新的傳動方式，但從實際結(jié)構(gòu)等出發(fā)，很難脫離已有的技術(shù)，繪制全新的傳動簡圖。下圖示例為某一變速器傳動簡圖實例。 定軸式變速器的特點是采用多片摩擦離合器，一般離合器受兩軸中心距的限制，尺寸不能太大。為使多個離合器傳遞力

19、矩小，以減小離合器的尺寸，同時各個離合器盡量統(tǒng)一規(guī)格，減少制造成本。另外，在空轉(zhuǎn)的離合器中，被動片間產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)速也不能太高，以減小液力摩擦損失，使傳動效率降低，同時相對轉(zhuǎn)速過大，當(dāng)空轉(zhuǎn)的離合器重新結(jié)合時，離合器片滑磨增加，使離合器發(fā)熱。二、 配齒和變速器主要參數(shù)的確定確定變速器傳動簡圖后，配齒是比較容易的。變速器主要參數(shù)的確定： 齒輪模數(shù)m及中心距A，齒輪模數(shù)是決定齒輪大小和幾何參數(shù)的重要參數(shù)，直接影響到齒輪的彎曲及疲勞強度。對于中小功率的車輛，齒輪模數(shù)一般為3.55之間。齒輪模數(shù)確定后即可計算出中心距A。齒輪輪齒寬度B，齒輪寬度B的大小直接影響齒輪的強度。一般以中心距或模數(shù)的比例系數(shù)來確定

20、齒寬B。軸徑d，軸徑一般是根根據(jù)齒輪及離合器等結(jié)構(gòu)來設(shè)計時確定，相關(guān)資料上都有多種公式，一般只可作為參考。三、 主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計變速器中的零件成百上千計，每個零件都是至關(guān)重要的，如果每個零件都進行理論計算，是不可能的，也是不實際的，大部分是參考設(shè)計。對齒輪及花鍵的計算可參考相關(guān)資料，下面只對動力換檔變速器的換檔離合器的設(shè)計作以說明。（一）旋轉(zhuǎn)密封 多片摩擦離合器的旋轉(zhuǎn)密封，一直是我國動力換檔變速器的主要故障源之一。大部分變速器的旋轉(zhuǎn)密封是布置在兩端的，也有的變速器是將旋轉(zhuǎn)密封設(shè)計在離合器內(nèi)。 由于旋轉(zhuǎn)密封面的相對轉(zhuǎn)速較高，一般線速度最高可達(dá)30米/秒，所以密封環(huán)磨損嚴(yán)重，密封環(huán)磨損后，漏油嚴(yán)重

21、，換檔離合器的操縱油壓建立不起來，使車輛無法正常行走。以前，旋轉(zhuǎn)密封環(huán)一般為金屬鑄鐵密封環(huán)，近幾年，大部分廠家都將其改為聚四氟乙烯。主要優(yōu)點是容易裝配，壽合也可以。但是還沒有達(dá)到與變速器其它零件同等壽命的要求，此技術(shù)仍有待研究。下圖是某一變速器中換檔離合器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。（二）換檔離合器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計 換檔離合器是變速器是的主要和關(guān)鍵部分。 不管各廠家生產(chǎn)的變速器結(jié)構(gòu)千差萬別，但其離合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是基本相同的，均由摩擦片、鋼片、活塞、密封圈及軸承等組成。 摩擦片是離合器中的關(guān)鍵零件，摩擦片的摩擦材料一般為銅基粉沫冶金，目前國外開始用紙基摩擦材料，其優(yōu)點是動靜摩擦系數(shù)接近，對要求較高的自動換檔變速器來

22、說比較適合，再就是造價較低。國外的摩擦片大都是紙基摩擦材料，目前我國對紙基摩擦材料還是處于試制研究階段，沒有形成產(chǎn)品。 換檔離合器的設(shè)計及計算主要包括如下內(nèi)容。1. 離合器回位彈簧計算1)彈簧鋼度KG剪切彈性模量d彈簧鋼絲直徑D2彈簧中徑n工作圈數(shù)2)彈簧安裝力P13）彈簧工作力P24）彈簧在最大工作負(fù)荷所產(chǎn)生的最大剪切力 c彈簧指數(shù) c=D2/dk曲度系數(shù) k=(4c-1)/(4c-4)= 取=550N/mm2 滿足max< 2.離合器轉(zhuǎn)矩容量計算 （1）摩擦片的壓力 活塞面積：D活塞大徑d活塞小徑 活塞壓力： P活=p操。S活-P2 p操離合器操縱油壓 對動力換檔變速箱離合器的操縱油

23、壓一般為1.22.5Mpa，壓力太小，離合器的結(jié)構(gòu)就大，壓力過高摩擦片的比壓太大，容易損壞，同時旋轉(zhuǎn)密封的泄漏也較大。（2） 摩擦片的實際比壓： 摩擦片的總面積：S片=/4（D2-d2） 油槽面積： S槽=n.L.B-n/2.Z.B2 n油槽條數(shù)L油槽長度B油槽寬度Z每條油槽與其它油槽相交點數(shù) 摩擦片實際面積： S實= S片-S槽摩擦片實際比壓：p實= P片/S實(3)離合器轉(zhuǎn)矩容量M摩=n.P活.Rcp.n摩擦副數(shù)Rcp摩擦片平均有效半徑Rcp=（D+d）/4 摩擦系數(shù)，對銅基粉末冶金一般取0.08-0.12。 多片效率3離合器儲備系數(shù) 對于一般車輛按附著力決定離合器最大轉(zhuǎn)矩計算。 一般情況

24、下，推薦離合器儲備系數(shù)為1.11.2即可。離合器設(shè)計時的計算還包括有熱容量、滑磨功等的計算，計算公式復(fù)雜并且還不是很成熟 , 涉及的參數(shù)太多，一般設(shè)計不計算。另外離合器的設(shè)計還包括排油閥的設(shè)計。3.4 行星式動力換檔變速器它由幾排行星齒輪機構(gòu)組合而成。根據(jù)機構(gòu)的組合形式用離合器或制動器控制行星機構(gòu)的構(gòu)件以達(dá)到變速的目的。采用行星齒輪機構(gòu)可以用較少的行星排以得到適當(dāng)多的檔位數(shù)；能以較少的空間傳遞較大的功率；由于行星機構(gòu)上受力較小，其齒輪模數(shù)僅是定軸式的一半。（1） 行星傳動原理 復(fù)雜的行星齒輪變速器，是由基本的行星機構(gòu)組合而成，行星齒輪變速器中的用的基本行星機構(gòu)大多數(shù)是單排內(nèi)、外嚙合行星機構(gòu)，簡

25、稱行星排。 行星排有三個基本元件，太陽輪、齒圈和行星架組成。（2）前二后一行星變速器 我國目前ZL40、50輪式裝載機上應(yīng)用的均為行星傳動變速箱。它由兩個行星排和一個制動器組成。發(fā)動機的動力傳遞給雙渦輪液力變矩器，變矩器的兩個渦輪分別用兩根相互套裝在一起的輸出軸將動力通過常嚙齒輪副傳遞給變速器。雙渦輪變矩器由于自由輪機構(gòu)的作用，可根據(jù)裝載機的運行阻力，自動達(dá)到液力變矩器第二渦輪單獨工作和兩個渦輪同時工作的目的，且由于常嚙齒輪副的傳動比不同，所以相當(dāng)于一個兩檔自動變速器，使變速器的檔位數(shù)減少，簡化了使用者的操作，因此變速器只有兩個前進檔一個倒退檔，行星變速器由兩個行星排組成。兩行星排的太陽輪、行星輪、齒圈的齒數(shù)都相同，兩行星排的太陽輪設(shè)計為一體，通過花鍵與變速器的輸入、輸出軸聯(lián)接，前行星排齒圈、后行星排行星架和制動器從動轂通過花鍵連成一體，前行星架和后行星排齒圈分別