第4章 液力變矩器

第4章液力變矩器設(shè)計(jì)

4.1液力傳動(dòng)基本知識(shí)1.理想液體和恒定流動(dòng)2.液流連續(xù)性原理當(dāng)理想液體在管道中穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，根據(jù)物質(zhì)不變定律，液體在流道內(nèi)既不能增多，也不能減少，因此在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)流道內(nèi)每一橫截面的液體質(zhì)量一定是相等的。這就是液流的連續(xù)性原理。如圖4.6所示圖4.6液流連續(xù)簡(jiǎn)圖式(4-1)稱(chēng)為液流的連續(xù)方程式(4-1)3.伯努利方程在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中是利用有壓力的流體來(lái)傳遞能量的，如圖4.7。圖4.7伯努利方程示意圖稱(chēng)為伯努利方程式為實(shí)際液體的伯努利方程式4.動(dòng)量方程和動(dòng)量矩方程

作用于流體上的力及流體的動(dòng)量變化5.流體在工作輪中的運(yùn)動(dòng)及速度三角形1）流體在以角速度為的工作輪中的運(yùn)動(dòng)，是一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，它符合速度的平行四邊形法則：2）一元束理論及工作輪中的速度三角形在葉片式流體機(jī)械設(shè)計(jì)中，普遍采用一元束流理論。所謂一元束流理淪是指流動(dòng)參數(shù)只與沿流線(xiàn)的曲線(xiàn)坐標(biāo)系中的一個(gè)坐標(biāo)參數(shù)有關(guān)，按一元束流理論，對(duì)工作輪中的流動(dòng)作以下假設(shè)：

(1)工作輪葉片無(wú)限多、無(wú)限薄。由此流體在工作輪中的流動(dòng)呈軸對(duì)稱(chēng)，而且葉輪中流體的相對(duì)速度w的方向與葉片曲線(xiàn)的切線(xiàn)方向相同；

(2)同一過(guò)流斷面上的軸面速度vm相等；

(3)葉輪出口處的流動(dòng)情況與進(jìn)口處的流動(dòng)情況無(wú)關(guān)。

(4)葉輪流道中的流動(dòng)情況可用平均流線(xiàn)上的流體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)來(lái)描述。

在工作輪中平均流線(xiàn)上任意一點(diǎn)K上流體的運(yùn)動(dòng)速度可用速度三角形表示，如圖4-9所示。圖4.9葉輪中流體運(yùn)動(dòng)的速度三角形4.2液力變矩器設(shè)計(jì)方法根據(jù)原始資料、設(shè)計(jì)要求和達(dá)到目標(biāo)的不同，設(shè)計(jì)方法可分為三種。1.相似設(shè)計(jì)法2.經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法3.理論設(shè)計(jì)法4.2.1相似設(shè)計(jì)法液力變矩器設(shè)計(jì)在此主要指變矩器循環(huán)圓設(shè)計(jì)、葉片設(shè)計(jì)以及一些關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)。4.2.2傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要步驟1.循環(huán)圓設(shè)計(jì)2.葉片角度設(shè)計(jì)3.葉型設(shè)計(jì)4.改進(jìn)設(shè)計(jì)4.2.3理論設(shè)計(jì)方法類(lèi)型分為兩大類(lèi)型：1相對(duì)參數(shù)法；2.優(yōu)化設(shè)計(jì)法4.3液力變矩器的優(yōu)化設(shè)計(jì)4.3.1目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量1.計(jì)算工況對(duì)應(yīng)的效率

2.高效區(qū)寬度3.高效區(qū)內(nèi)效率曲線(xiàn)與高效效率包圍的面積S。4.計(jì)算工況對(duì)應(yīng)的能容系數(shù)5.起動(dòng)變矩系數(shù)上述五種均為單目標(biāo)函數(shù)。4.3.2約束條件目標(biāo)函數(shù)取決于設(shè)計(jì)變量，但實(shí)際問(wèn)題中，變量的取值范圍是有限制的，這就是約束條件。在本命題中有顯約束和隱約束兩種。1.顯約束顯約束是對(duì)設(shè)計(jì)變量的直接限制。1)葉片角2）導(dǎo)輪出口相對(duì)半徑3）渦輪出口相對(duì)半徑2.隱約束隱約束是對(duì)設(shè)計(jì)變量的間接限制。1）2）3）或T4）綜上可見(jiàn)，正確的約束條件不僅可對(duì)于多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化中的次要目標(biāo)函數(shù)，給予其適當(dāng)?shù)淖顑?yōu)化值估計(jì)，將其轉(zhuǎn)化為約束處理，從而將多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化，變成單目標(biāo)函數(shù)處理，得出整個(gè)設(shè)計(jì)可以接受的相對(duì)最優(yōu)解；而且由約束條件規(guī)定的可行域，大大縮小了對(duì)變量盲目搜索的范圍，以最快的運(yùn)算速度獲得最優(yōu)解。4.4液力變矩器參數(shù)對(duì)性能的影響4.4.1內(nèi)部參數(shù)q*對(duì)性能的影響a)b)c)圖4.10液力變矩器空間綜合性能特性

a）變矩性能b)負(fù)荷性能c)效率性能4.4.2幾何參數(shù)對(duì)性能的影響幾何尺寸在這里指各工作輪進(jìn)、出口半徑、相對(duì)面積s和循環(huán)圓形狀、進(jìn)、出口半徑對(duì)轉(zhuǎn)矩、流量和流速的影響，從相應(yīng)的公式均有直接反應(yīng)。渦輪進(jìn)、出口半徑位置變化，對(duì)流量特性有重大影響。泵輪的出口半徑應(yīng)盡可能大，進(jìn)口半徑應(yīng)盡可能小，這樣不僅使工作輪獲得較大的轉(zhuǎn)矩，還可以提高泵輪的工作能力，減小泵輪進(jìn)口處的相對(duì)速度，降低葉道擴(kuò)散度，提高泵輪效率。4.4.3葉片角對(duì)性能的影響這里討論的是各工作輪最佳的進(jìn)、出口角參數(shù)。1.導(dǎo)輪出口角圖4.11性能參數(shù)隨變化關(guān)系2.泵輪出口角表4-1向心渦輪液力變矩器參數(shù)對(duì)性能的影響和選擇范圍4.5循環(huán)圓設(shè)計(jì)4.5.1液力變矩器循環(huán)圓定義過(guò)液力變短器軸心線(xiàn)作截面，在截面上與液體相接的界線(xiàn)形成的形狀，稱(chēng)為循環(huán)圓。圖4.12液力變矩器循環(huán)圓4.5.2循環(huán)圓形狀設(shè)計(jì)液力變矩器循環(huán)圓形狀的設(shè)計(jì)，一般分二步進(jìn)行。第一步設(shè)計(jì)出內(nèi)環(huán)、外環(huán)和中間流線(xiàn)的形狀，第二步確定各工作輪的位置及入口半徑和出口半徑。液力變矩器循環(huán)圓的設(shè)計(jì)，常常根據(jù)樣機(jī)進(jìn)行仿形設(shè)計(jì)，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)，即沒(méi)有一定之規(guī)。這里將通過(guò)對(duì)現(xiàn)有液力變矩器的循環(huán)圓形狀(主要是圓形的)進(jìn)行分析，以得到一定規(guī)律。4.5.3工作輪在循環(huán)圓中的排列位置由于在循環(huán)圓中的排列位置的不同，變矩器有下列幾種形式的工作輪。

1.徑流式

2.軸流式

3.混流式4.5.4循環(huán)圓尺寸的確定1.變矩器有效直徑確定圖4.15變矩器循環(huán)圓的幾何參數(shù)2.確定循環(huán)圓形狀尺寸圖4.16變矩器循環(huán)圓設(shè)計(jì)4.6葉片設(shè)計(jì)葉片設(shè)計(jì)是在得到液力變矩器的合理幾何參數(shù)和確定了循環(huán)圓后進(jìn)行的，它遵循的原則是：1）應(yīng)使流道過(guò)流面積平緩地變化，以減小液流損失，提高變矩器效率。2）滿(mǎn)足加工的工藝性、制模的可行性，以提高生產(chǎn)率和降低成本?，F(xiàn)在用雙鈕線(xiàn)葉型設(shè)計(jì)方法，較少依賴(lài)人的經(jīng)驗(yàn)，基本上可以一次繪制就獲得成功，故本章重點(diǎn)介紹此法。1.雙鈕線(xiàn)特性圖4.21雙紐線(xiàn)如圖4.21所示，其雙鈕線(xiàn)方程為：2.葉片加厚的數(shù)學(xué)模型葉片骨架與加厚示意圖如圖所示。圖4.23葉片骨線(xiàn)與加厚示意圖圖4.24雙紐線(xiàn)葉片展開(kāi)圖形從圖4.24可知，進(jìn)、出口的兩條、曲線(xiàn)分別與進(jìn)、出口以、為直徑的圓相切，并使、在銜接處相切，構(gòu)成一條光滑的連續(xù)曲線(xiàn)，這就形成了的曲線(xiàn)的背弧。同理，工作面曲線(xiàn)也采