液力傳動概述

9.1液力傳動概述液力傳動概念工程機(jī)械的動力裝置大多為內(nèi)燃機(jī)（柴油機(jī)或汽油機(jī)）。內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，最大穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速與最小穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速之比約為1.5?2.8；內(nèi)燃機(jī)曲軸上的最大轉(zhuǎn)矩與最小轉(zhuǎn)矩之比約為1.06?1.25。工程機(jī)械的行駛或工作速度的變化，以及行駛阻力或工作負(fù)載的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過內(nèi)燃機(jī)的工作要求。因此，如果在傳動系統(tǒng)中加入液力傳動，將會大大改善工作機(jī)構(gòu)的工作性能。所以，在很多機(jī)械尤其是建設(shè)機(jī)械中廣泛地采用液力傳動。液力傳動——（動液傳動）基于工程流體力學(xué)的動量矩原理，利用液體動能而做功的傳動（如離心泵、液力變矩器）。液力傳動是以液體為工作介質(zhì)的葉片式傳動機(jī)械。它裝置在動力機(jī)械（如蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)等）和工作機(jī)械（如水泵、風(fēng)機(jī)、螺旋槳、機(jī)車和汽車的轉(zhuǎn)軸等）之間，是動力機(jī)和工作機(jī)的聯(lián)接傳動裝置，起著聯(lián)接和改變扭矩的作用。液力傳動是液體傳動的另一分支，它是由幾個(gè)葉輪而組成的一種非剛性連接的傳動裝置。這種裝置起著把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的動能，再將液體的動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的能量傳遞作用。液力傳動實(shí)際上就是一組離心泵—渦輪機(jī)系統(tǒng)，離心泵作為主動部件帶動液體旋轉(zhuǎn)，從泵流出的高速液體拖動渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，講液體動能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能量傳遞。首臺液力傳動裝置是十九世紀(jì)初由德國費(fèi)丁格爾（Fottinger）教授研制出來并應(yīng)用于大噸位船舶上。圖9-1是液力傳動原理圖。圖9-1液力傳動裝置1—發(fā)動機(jī)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—液力變矩器模型液力傳動的輸入軸與輸出軸之間只靠液體為工作介質(zhì)聯(lián)系，構(gòu)件間不直接接觸，是一種非剛性傳動。液力傳動的優(yōu)點(diǎn)是：能吸收沖擊和振動，過載保護(hù)性好，甚至在輸出軸卡住時(shí)動力機(jī)仍能運(yùn)轉(zhuǎn)而不受損傷，帶載荷起動容易，能實(shí)現(xiàn)自動變速和無級調(diào)速等。因此它能提高整個(gè)傳動裝置的動力性能。液力傳動開始應(yīng)用于船舶內(nèi)燃機(jī)與螺旋槳間的傳動。20世紀(jì)30年代后很快在車輛（各種汽車、履帶車輛和機(jī)車）、工程機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械、鉆探設(shè)備、大型鼓風(fēng)機(jī)、泵和其他沖擊大、慣性大的傳動裝置上廣泛應(yīng)用。離心泵葉輪2在發(fā)動機(jī)1的驅(qū)動下，使工作液體的速度和壓力增加，并借助于導(dǎo)管3經(jīng)導(dǎo)輪8沖擊渦輪9，此時(shí)液體釋放能量給渦輪，渦輪帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)能量傳遞，這就是液力變矩器。它可使輸入力矩和輸出力矩不等；如果無導(dǎo)輪，就成為液力偶合器。圖示方式的液力傳動，由于導(dǎo)管較長等原因，能量損失大，一般效率只有70％。實(shí)際上所使用的液力變矩器是將各元件綜合在一起而創(chuàng)制的完全新的結(jié)構(gòu)形式（取消進(jìn)出水管、集水槽，以具有新的幾何形狀的泵輪和渦輪代替離心機(jī)和水輪機(jī)，并使泵輪和渦輪盡可能接近，構(gòu)成一個(gè)共同的工作液體的循環(huán)圓），如圖中12。葉輪將動力機(jī)（內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)、渦輪機(jī)等）輸入的轉(zhuǎn)速、力矩加以轉(zhuǎn)換，經(jīng)輸出軸帶動機(jī)器的工作部分。液體與裝在輸入軸、輸出軸、殼體上的各葉輪相互作用，產(chǎn)生動量矩的變化，從而達(dá)到傳遞能量的目的。液力傳動與靠液體壓力能來傳遞能量的液壓傳動在原理、結(jié)構(gòu)和性能上都有很大差別。液力傳動的輸入軸與輸出軸之間只靠液體為工作介質(zhì)聯(lián)系，構(gòu)件間不直接接觸，是一種非剛性傳動。目前，液力傳動元件主要有液力元件和液力機(jī)械兩大類。液力元件有液力偶合器和液力變矩器；液力機(jī)械元件是液力元件與機(jī)械傳動元件組合而成的。根據(jù)使用場合的要求，液力傳動可以是單獨(dú)使用的液力變矩器或液力耦合器;也可以與齒輪變速器聯(lián)合使用,或與具有功率分流的行星齒輪差速器（見行星齒輪傳動）聯(lián)合使用。與行星齒輪差速器聯(lián)合組成的常稱為液力-機(jī)械傳動。傳動效率在額定工況附近較高：耦合器約為96?98.5%，變矩器約為85?92%。偏離額定工況時(shí)效率有較大的下降。1、液力偶合器由圖9-2a可知，它是由泵輪B（離心泵）和渦輪T（液動機(jī)）組成的。泵輪與主動軸相連，渦輪與從動軸相接。如果不計(jì)機(jī)械損失，則液力偶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。2、液力變矩器圖9-2b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與主動軸連接，T與從動軸相連接，導(dǎo)輪（可裝在泵輪的出口或入口處）則與殼體固定在一起不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)液力變矩器工作時(shí)，因?qū)л咲對液體的作用，而使液力變矩器輸入力矩與輸出力矩不相等。當(dāng)傳動比小時(shí)，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(fù)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(gè)無極力矩變換器。液力變矩器主要用于工程機(jī)械、石油機(jī)械和內(nèi)燃機(jī)車，主要與內(nèi)燃機(jī)匹配應(yīng)用。泵輪、渦輪、導(dǎo)輪常用B、T、D分別表示，而且有關(guān)參數(shù)角標(biāo)也用這些符號標(biāo)注。圈冬2液力偶合器與液力變矩器司液力偶合器b）液力變矩器1一王動軸2—從動軸T一渦輪B—泵輪D-導(dǎo)輪液力傳動術(shù)語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、 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、 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。4、 平均流線指在工作論中的一條假想流線，該流線上液流的動力學(xué)效果與整個(gè)葉輪中的所有液流產(chǎn)生的動力學(xué)效果一樣，該假想流線就是平均流線。5、工作輪進(jìn)、出口半徑 工作輪葉片進(jìn)出口邊與平均流線的交點(diǎn)到軸線的長度。6、外環(huán)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)。圖9-3圖9-3液力元件循環(huán)H”「半均流線/外環(huán)液力傳動的工作液體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。所以粘度要適當(dāng)，一般用油在lOO^C時(shí)，絕對粘度5?8m2/s為宜。2、 粘溫性好：即要求液體粘度受溫度的影響要小。3、 不易產(chǎn)生泡沫、老化和沉淀。4、 酸值要低、抗氧化性高。5、 具有較高的閃點(diǎn)和較低的凝固點(diǎn)。液力元件工作時(shí)，油溫常在80?100°C，甚至可達(dá)160C,因此要求閃點(diǎn)不低于180C；凝固點(diǎn)要低于-20C,以利于在低溫環(huán)境時(shí)液力元件的起動。6、 要有較大的重度重度大，液力元件傳動的力矩也大。7、 潤滑性能好。國內(nèi)外液力傳動所用液體品種繁多，國內(nèi)多采用6號、8號液力傳動油，也常用22號油代替。液力傳動油是以22號油為基礎(chǔ)油，再加入抗磨、抗氧化、增粘、防銹、抗泡沫、

降凝等添加劑而成的。目前，國內(nèi)外液力傳動應(yīng)用的工作液體種類較多，除各種石油基產(chǎn)品外，也有采用清水或其它難燃液體的（煤礦井下為防引燃爆炸而應(yīng)用）。幾種常用油的性能參數(shù)指標(biāo)見表9-1。表9-1液力傳動用油的性能參數(shù)指標(biāo)性能22號透平油8號液力傳動油6號液力傳動油20號液力傳動油重度/20°CKN/m8.8368.4348.5518.581粘度/m/s(20~23)x10-6(50C)(7.5~9)x10-6(100°C)(22~26)x10-6(50°C)運(yùn)動粘度比/（V50）/（V100）不大于3.64.2粘度指數(shù)>90閃點(diǎn)（開口、不低于）/C180150180>190凝點(diǎn)（不高于）/C—15—50—性能22號透平油8號液力傳動油6號液力傳動油20號液力傳動油重度/20°CKN/m8.8368.4348.5518.581粘度/m/s(20~23)x10-6(50C)(7.5~9)x10-6(100°C)(22~26)x10-6(50°C)運(yùn)動粘度比/（V50）/（V100）不大于3.64.2粘度指數(shù)>90閃點(diǎn)（開口、不低于）/C180150180>190凝點(diǎn)（不高于）/C—15—50—25氧化后酸值/mgKOH/g0.02銅片腐蝕/100°Cx3h合格抗泡沫性/mL50/0(93C)抗泡沫性/mL25/0(24°C)抗乳化度時(shí)間（不大于,min）臨界載荷（不大于,kN）顏色無色透明合格55/0(120°C)10/0(80°C)180/0(120°C)20/0(80°C)784.5823.8784.5紅色透明淺黃色透明淡黃色透明一50°C適用于長城以北地區(qū)，一25°C適用于長城以南地區(qū).（V50）/（V100）為50C時(shí)運(yùn)動粘度與100C時(shí)運(yùn)動粘度之比.液力傳動的特點(diǎn)液力傳動主要有以下特點(diǎn)：1、自動適應(yīng)性。液力變矩器的輸出力矩能夠隨著外負(fù)載的增大或減小而自動地增大或減小，轉(zhuǎn)速能自動地相應(yīng)降低或增高，在較大范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，這就是它的自動適應(yīng)性。自動適應(yīng)性可使車輛的變速器減少檔位數(shù)，簡化操作，防止內(nèi)燃機(jī)熄火，改善車輛的通用性能。液力偶合器具有自動變速的特點(diǎn)，但不能自動變矩。2、防振、隔振性能。因?yàn)楦魅~輪間的工作介質(zhì)是液體，它們之間的連接是非剛性的，所以可吸收來自發(fā)動機(jī)和外界負(fù)載的沖擊和振動，過載保護(hù)性好，甚至在輸出軸卡住時(shí)動力機(jī)仍能運(yùn)轉(zhuǎn)而不受損傷，使機(jī)器啟動平穩(wěn)，加速均勻，延長零件壽命。試驗(yàn)表明:采用液力傳動后，發(fā)動機(jī)使用壽命可提高85%,變速器使用壽命可提高1?2倍，傳動軸,驅(qū)動半軸壽命可提高85%.3、 透穿性能。透穿性能是指泵輪轉(zhuǎn)速不變的情況下，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)引起輸入軸（即泵輪或發(fā)動機(jī)軸）力矩變化的程度。由于液力元件類型的不同而具有不同的透穿性，可根據(jù)工作機(jī)械的不同要求與發(fā)動機(jī)合理匹配，借以提高機(jī)械的動力和經(jīng)濟(jì)性能。4、 工作狀況變化時(shí)，液力變矩器最高效率約85?92%，液力偶合器效率約為96?98%。另外，還具有過載保護(hù)、自動協(xié)調(diào)、分配負(fù)載的功能。但是，液力傳動也有一些缺點(diǎn)。1、 與齒輪傳動型式相比，效率偏低。液力傳動系統(tǒng)的傳動效率一般只有82-87%左右,而機(jī)械傳動的效率可達(dá)95-97%.；2、 機(jī)械布置上，基本是：動力機(jī)—傳動裝置—工作機(jī)在一軸線方向上，不如液壓傳動、電力傳動的布置位置和方向上的方便；3、 另外尚需配置輔助裝置——潤滑油裝置、冷卻裝置等，使設(shè)備復(fù)雜。4、 液力傳動裝置的整體性能跟它與動力機(jī)的匹配情況有關(guān)。若匹配不當(dāng)便不能獲得良好的傳動性能。因此，應(yīng)對總體動力性能和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行分析計(jì)算，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)整個(gè)液力傳動裝置。液力傳動的應(yīng)用由于液力傳動具有傳動的很多優(yōu)點(diǎn)（如大功率、自適應(yīng)等），在工業(yè)和技術(shù)的各部門得到廣泛應(yīng)用。由最早應(yīng)用在輪船上（1907年，法國人應(yīng)用）開始，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于各部門。1、 在汽車（重型卡車、高級轎車）、拖拉機(jī)、工程機(jī)械、建筑機(jī)械、鐵路運(yùn)輸?shù)雀鞣N車輛上作為主傳動裝置。如內(nèi)燃機(jī)在大功率起動，高級轎車傳動的無級變速等，工程機(jī)械的傳動。2、 在軍事工業(yè)中的坦克、自動火炮等作傳動應(yīng)用。3、 在一般的工業(yè)生產(chǎn)中（化工廠的泵、煉鋼廠的風(fēng)機(jī)等等）用液力偶合器作調(diào)節(jié)速度用，節(jié)省能源。4、在船舶、重載設(shè)備（大型皮帶機(jī)等）等啟動時(shí)應(yīng)用，可減少起動的電力沖擊和并車的協(xié)調(diào)。內(nèi)燃機(jī)車的液力傳動能用作驅(qū)動機(jī)車車輪的機(jī)械,電動機(jī)不是唯一無二的。水力機(jī)械中的渦輪機(jī)也有和電動機(jī)相類似的驅(qū)動特性。只要用柴油機(jī)帶動一個(gè)泵，向渦輪提供具有某些壓力的液流，而且能夠把在渦輪中工作完畢后的液流引回到泵的進(jìn)口處，使液流循環(huán)工作，這套系統(tǒng)就可用作內(nèi)燃機(jī)車的動力驅(qū)動系統(tǒng)。根據(jù)這一原理，德國工程師費(fèi)廷格創(chuàng)造了液力變扭器和液力偶合器，把渦輪和泵輪組合在一起，二者之間沒有機(jī)械連結(jié)而只是通過液流循環(huán)來相互作用。內(nèi)燃機(jī)車采用這種“軟”連結(jié)方式而設(shè)計(jì)的傳動系統(tǒng)稱作液力傳動。與電力傳動相比，液力傳動不過是后起之秀。但它在與電傳動的競爭中，異軍突起，很快贏得了重要位置。液力傳動裝置的優(yōu)點(diǎn)是不用電機(jī)，可以節(jié)省大量昂貴的銅，同時(shí)它的重量也輕些。這使得機(jī)車降低了造價(jià)也減輕了重量，即在同樣的機(jī)車重量下，它的機(jī)車功率一般都比電傳動機(jī)車大。另外，液力傳動裝置的可靠性高，維護(hù)工作簡單，修理費(fèi)也少。還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它的部件是密閉式的，無論風(fēng)砂雨雪對它的工作都不產(chǎn)生什么壞的影響。液力傳動裝置的主要組成部分是液力傳動箱、車軸齒輪箱、換向機(jī)構(gòu)和相互聯(lián)結(jié)的萬向軸等。它的核心元件是液力傳動箱中的液力變扭器，主要由泵輪、渦輪和導(dǎo)向輪組成。泵輪通過軸和齒輪與柴油機(jī)的曲軸相連，渦輪通過軸和齒輪與機(jī)車的動輪相連，導(dǎo)向輪固定在變扭器的外殼上，并不轉(zhuǎn)動。當(dāng)柴油機(jī)啟動時(shí)，泵輪被帶動高速旋轉(zhuǎn)，泵輪葉片則帶動工作油以很高的壓力和流速沖擊渦輪葉片，使渦輪與泵輪以相同的