第九章 液力傳動

第九章液力傳動第一節(jié)液力傳動第二節(jié)液力偶合器第三節(jié)液力變矩器§1.5液力傳動工作原理及其分類

利用液體作為工作介質(zhì)，通過液體在循環(huán)流動過程中，液體動能的變化來傳遞動力，這種傳動稱為液力傳動。一.液力傳動工作原理1.發(fā)動機2.離心泵葉輪3.連接管路

4.水輪機葉輪5.水槽6.螺旋槳7.液力傳動原理簡圖一.液力傳動工作原理

原動機帶動泵輪使流體流經(jīng)泵輪后能量增加，因此泵輪是原動機的直接負載。從泵輪流出的高速流體又推動類似水輪機的渦輪轉(zhuǎn)動。從而帶動與渦輪軸相連的工作機，這就實現(xiàn)了能量的傳遞。流體流經(jīng)泵輪后，其機械能(流體的動能和壓力能)是增加的，而流經(jīng)渦輪后，其能量減少。流體在工作腔中的循環(huán)流動實現(xiàn)了能量從原動機到工作機的傳送。二.液力傳動的分類

1、液力偶合器2、液力變矩器3、液力機械變矩器液力耦合器只能傳遞扭矩，而不能改變扭矩，液力變矩器不僅傳遞扭矩而且能在泵輪輸入扭矩不變的情況下，隨著渦輪轉(zhuǎn)速的不同，而改變渦輪輸出扭矩，液力變矩器比耦合器多一個固定不動的導(dǎo)輪，就多一個變矩的功能。液力變矩器已替代了液力耦合器。

§1.6液力傳動的優(yōu)缺點

一.液力傳動的優(yōu)點1、具有良好的自適應(yīng)性能；2、提高機械和車輛的使用壽命；3、提高車輛的通過性和具有良好的低速穩(wěn)定性；4、簡化操縱，提高駕駛員和乘員的舒適性；5、可以不中斷的充分利用發(fā)動機的功率，有利于降低發(fā)動機尾氣造成的空氣污染；6、液力元件的可靠度高，使用壽命長。二.液力傳動的缺點1、液力傳動的效率比機械傳動系統(tǒng)的效率低；2、需設(shè)置冷卻補償裝置，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積和重量大，成本高；3、不能利用發(fā)動機的慣性來制動，也不能用牽引的辦法啟動發(fā)動機?！?.7液力傳動技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

1、在各種工程機械中應(yīng)用最多，如挖掘機、推土機、裝載機、軍用坦克、裝甲運兵車、自行火炮、內(nèi)燃機車和各種汽車。2、起重運輸機械的皮帶機、刮板輸送機、塔式起重機、門式起重機、挖泥船等也大多采用液力傳動。3、大慣性負載(如球磨機、磨煤機、破碎機等)采用液力傳動可大大改善動力機的啟動性能。4、工況需要調(diào)節(jié)的水泵、風機(如電站鍋爐給水泵、鍋爐引風機、高爐除塵風機)大多采用液力調(diào)速型偶合器。5、大功率船舶的多機并車也采用液力偶合器。6、輕紡機械、石化工業(yè)中的輸油泵、石油鉆機等都廣泛采用液力傳動。第一節(jié)液力傳動1.什么是液力傳動？

2.液力傳動裝置完成能量轉(zhuǎn)換與傳遞的過程所

必須具有的機構(gòu)；

3.液力傳動的車輛具有的優(yōu)點。利用液體為工作介質(zhì)，通過液體在循環(huán)流動過程中，液體動能變化來傳遞動力，這種傳動稱為液力傳動。液力傳動原理1.發(fā)動機2.離心泵葉輪3.連接管路

4.水輪機葉輪5.水槽6.螺旋槳7.液力傳動原理簡圖液力傳動裝置要完成能量轉(zhuǎn)換與傳遞的過程，必須具有如下機構(gòu)：

1、盛裝與輸送工作循環(huán)液體的密閉工作腔;2、一定數(shù)量的帶葉片的工作輪及輸入輸出軸，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳遞；

3、滿足一定性能要求的工作液體與其輔助裝置，以實現(xiàn)能量的傳遞并保證正常工作。

液力傳動的車輛具有如下優(yōu)點：1、提高了車輛的使用壽命，液力變矩器使用油液傳遞動力，泵輪與渦輪之間不是剛性連接，能較好地緩和沖擊，有利于提高車輛上各零部件的使用壽命。2、能自動適應(yīng)外阻力的變化，使車輛能在一定范圍內(nèi)無極的變更其輸出軸轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，當阻力增加時，則自動的降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩，從而提高了車輛的平均速度與生產(chǎn)率。3、簡化了車輛的操縱，變矩器本身就相當于一個無極變速箱，可減少變速箱檔位和換檔次數(shù)，加上一般采用動力換檔，故可簡化變速箱結(jié)構(gòu)和減輕駕駛員的勞動強度。液力偶合器的結(jié)構(gòu)液力偶合器的工作原理液力偶合器的基本特性液力偶合器的分類第二節(jié)液力偶合器液力偶合器

液力偶合器是利用液體的動能進行能量傳遞的液力元件，能使主動軸與從動軸之間實現(xiàn)柔性連接，并將主動軸輸入的轉(zhuǎn)矩等值的傳遞給從動軸。因此，液力偶合器也稱為液力聯(lián)軸器。液力偶合器的結(jié)構(gòu)和工作原理液力偶合器的結(jié)構(gòu)

液力偶合器的主要零件是兩個直徑相同的葉輪，稱工作輪，由發(fā)動機曲軸通過輸入軸4驅(qū)動的葉輪3為泵輪B，與輸出軸5裝在一起的為2渦輪T。葉輪內(nèi)部裝有許多半圓形的徑向葉片，在各葉片之間充滿工作液體。兩輪裝合后相對端面之間約有2-5mm間隙。它們的內(nèi)腔共同構(gòu)成圓形或橢圓形的環(huán)狀空腔（稱為循環(huán)圓）；循環(huán)圓的剖面圖如下：該剖面圖是通過輸入軸與輸出軸所作的截面（稱軸截面）1.泵輪殼2-渦輪3-泵輪4-輸入軸5-輸出軸6、7-尾部切去一片的葉片液力偶合器結(jié)構(gòu)特點1、只有兩個工作輪(泵輪、渦輪）。2、葉片均布，為平面徑向布置。為了避免液流脈動對工作輪產(chǎn)生的不利影響，偶合器泵輪和渦輪的葉片數(shù)目一般是不相等的。3、葉片尾部切角。為了減輕葉片對液體的排擠，在偶合器泵輪入口處和渦輪出口處各有半數(shù)葉片切去一角，并且使長短葉片間隔均布。4、循環(huán)圓內(nèi)一般無內(nèi)環(huán)。循環(huán)圓中流動工作腔的軸截面圖是以轉(zhuǎn)軸為中心的軸對稱圖形，稱其中之一為“循環(huán)圓”，工作腔的最大直徑稱之為有效直徑，它是偶合器的一個最重要的幾何參數(shù)。循環(huán)圓其它各部分的線性尺寸均可以其對有效直徑的比例關(guān)系來表示。abcd分別是泵輪、渦輪進出口處位于平均流線上的四個點。先假定在泵輪與渦輪之間加一隔板D，此時工作腔中的流體由于葉片的強制作用使泵輪和渦輪中的流體分別具有不同轉(zhuǎn)速nB和nT此時因有隔板，兩輪中流體不會流動，由靜力學計算方法可知，當nT<nB時，pa>pb，pd>pc且pa-pb>pd-pc，因此當把擋板D去掉以后，上述壓差及流體的連續(xù)性使流體質(zhì)點沿著abcd的方向流動，在工作腔中形成一個在泵輪及渦輪之間周而復(fù)始的軸面方向上的循環(huán)流動。“循環(huán)圓”的稱呼就源于此。

由于工作輪本身也在旋轉(zhuǎn)，而且一般因此對于每個流體質(zhì)點來說．它都有軸面方向上的速度分量，也有圓周方向運動的速度分量，而且每次通過工作輪時都未必是同一個葉片間流道。流體質(zhì)點的運動軌跡將是一個既在循環(huán)圓中運動，又繞著工作輪軸旋轉(zhuǎn)的圓形螺旋線。渦輪轉(zhuǎn)動時的油液螺旋路線渦輪旋轉(zhuǎn)后，由于渦輪內(nèi)的離心力對液體環(huán)流的阻礙作用，使油液的絕對運動方向有改變。此時，螺旋線拉長如圖所示，渦輪轉(zhuǎn)速越高，油液的螺旋形路線拉得越長。當渦輪和泵輪轉(zhuǎn)速相同時，兩輪離心力相等，油液沿循環(huán)圓流動停止，油液隨工作輪繞軸線作圓周運動,這時，偶合器不再傳遞動力。

能量傳遞原理：

泵輪通過輸入軸吸收原動機的輸出功率，而使偶合器泵輪中流體獲得機械能，渦輪則吸收液體的機械能通過輸出軸向工作機械輸出功率，起到相當于水力渦輪機(水輪機)的作用。

液力偶合器的工作原理以工作腔中的流體力平衡體來進行分析當偶合器處于平衡運行狀態(tài)時，作用于該平衡體上的外力矩之和必為零，即忽略軸承、密封、空氣摩擦等產(chǎn)生的機械摩擦力矩的影響，液力偶合器的基本特性偶合器轉(zhuǎn)矩平衡示意圖按一般效率的定義，偶合器的效率為偶合器的輸入、輸出轉(zhuǎn)矩相等和傳動效率等于轉(zhuǎn)速比，是其特性上最基本的特點。

1、渦輪轉(zhuǎn)速渦輪轉(zhuǎn)速決定于負載，與負載成反比。

2、循環(huán)圓流量

若渦輪轉(zhuǎn)速增加，離心力增大，渦輪液阻增加，流量減小。流量與渦輪轉(zhuǎn)速成反比。

3、泵輪、渦輪旋轉(zhuǎn)方向相同

4、傳遞扭矩液力偶合器只能傳遞扭矩，不能改變扭矩且輸入、輸出扭矩相等。

輸入、輸出扭矩均與渦輪轉(zhuǎn)速成反比。

5、效率

η=P出/P入=i<1液力偶合器的分類1、牽引型偶合器主要用于傳遞功率，同時起到柔性離合器的作用。2、安全型偶合器（限矩型）主要用于機械在常載、重載條件下啟動性能的改善，減少機械沖擊，有效的保護原動機和工作機械。3、調(diào)速型偶合器可以根據(jù)負載情況調(diào)節(jié)偶合器的工況點，達到調(diào)節(jié)工作機械的目的。4、普通型（標準型）偶合器僅用于要求對系統(tǒng)隔離振動、改善啟動沖擊或使偶合器只做離合器使用的場合。限矩型液力偶合器1、油室體2、泵輪3、外殼4、渦輪5、注油塞6、擋板7、軸套8、彈性聯(lián)軸節(jié)9、過熱保護塞設(shè)有內(nèi)、外兩個輔助油室，兩室之間由孔a連通；小孔b的作用是將外油室W與循環(huán)圓連通，而擋板6上的孔c，又將循環(huán)圓與內(nèi)油室N溝通。在循環(huán)圓內(nèi)轂中，由泵輪內(nèi)轂和擋板圍成的空腔是內(nèi)油室N；在循環(huán)圓之外，由泵輪背面與油室體1等圍成的是外油室W。泵輪2與油室體1，外殼3以及彈性聯(lián)軸節(jié)8等組合成一個整體，并通過兩個軸承支承在軸套7上；渦輪4與擋板6都固定在軸套7上；整個偶合器又通過軸套7被支承在工作機械的輸入軸上。發(fā)動機通過彈性聯(lián)軸節(jié)8帶動泵輪旋轉(zhuǎn)，而渦輪則通過軸套7向工作機械輸出功率。裝于外殼3外緣上的過熱保護塞9是為防止工作油的過熱事故而設(shè)的。當工作油的溫度超過極限值，保護塞9中的易熔合金熔化；于是，偶合器被排空，破壞性事故得以避免。限矩型偶合器在投入運行前，充入定量的工作液體。按運行規(guī)律需要，一般充液率為40~80％。充液率小于40％時，傳遞能力過小，充液率超過80％時，缺乏足夠的空間供液流型態(tài)變化而影響液力偶合器特性，并且當全充滿液體時，液體受熱膨脹會引起密封或結(jié)構(gòu)強度破壞。在部分充液情況下，運轉(zhuǎn)中會出現(xiàn)兩種基本流態(tài)，即小循環(huán)流動和大循環(huán)流動。小循環(huán)流動如圖所示。在這種流態(tài)下，液流在渦輪中向心流動時，受到渦輪離心阻力影響以及能量交換的作用，速度逐漸減小。當減小到一定數(shù)值時，離心力使液流脫離渦輪流向泵輪，造成液體在工作輪外緣循環(huán)流動，而成小循環(huán)流態(tài)。此時由于泵輪平均流線上的進口半徑RB1增大，使傳遞扭矩相對(大循環(huán)流動)減小。小循環(huán)流動只發(fā)生在高速度比(nT大)的工況。大循環(huán)流動如圖所示。在這種流態(tài)下，液體沿著工作腔軸斷面的外緣流動，RB1較小，動量矩變化量大，傳遞扭矩較大。大循環(huán)流動發(fā)生在低轉(zhuǎn)速比的工況，大、小循環(huán)流動相互轉(zhuǎn)換時，扭矩突變，速度不穩(wěn)定，故不能穩(wěn)定地工作。為避免出現(xiàn)這種狀況，通常是對液力偶合器采取結(jié)構(gòu)措施，即在工作腔中心部位的渦輪側(cè)加裝擋板，或設(shè)輔助油室，以防止小循環(huán)流動向大循環(huán)流動突變。

限矩型偶合器在高轉(zhuǎn)速比下工作時，由于渦輪轉(zhuǎn)速較高，液體將全部進入循環(huán)圓內(nèi)參與工作，并被分配在稍偏向渦輪一側(cè)的循環(huán)圓大直徑處；因此，擋板基本上不阻攔液體的循環(huán)流動，偶合器的有效充液量不變，當轉(zhuǎn)速比下降時，液體在循環(huán)圓內(nèi)的分布越來越多的偏向渦輪一側(cè)，擋板也開始越來越多地阻攔液流，并通過其上的孔c使越來越多的液體進入內(nèi)油室，再通過a孔進入外油室，又通過b孔進入循環(huán)圓，但由于小孔b的面積小于孔a和孔c的面積，故從循環(huán)圓內(nèi)流到外油室的液體，總是比從小孔b充入循環(huán)圓的液體多，所以隨著轉(zhuǎn)速比的進一步降低，偶合器循環(huán)圓內(nèi)的有效充液量越來越少，故其扭矩特性比較平坦。這樣，既限制了扭矩的徒然升高，又有效地防止了發(fā)動機過載。該偶合器在起重運輸機械和工程機械中應(yīng)用最多。第三節(jié)液力變矩器一、液力變矩器的構(gòu)造二、液力變矩器和偶合器的相異點三、液力變矩器的工作原理四、液力變矩器的類型五、液力變矩器的典型結(jié)構(gòu)一、液力變矩器的構(gòu)造液力變矩器是由泵輪B、渦輪T和導(dǎo)輪D等三個工作輪及其它零件組成。泵輪和渦輪都通過軸承裝在殼體上，而導(dǎo)輪則與殼體固定不動。三個工作輪都密閉在由殼體形成的并充滿油液的空間中。各工作輪中裝有彎曲成一定形狀的葉片以利油液的流動，各工作輪中心部分成圓環(huán)形稱之為循環(huán)圓內(nèi)環(huán)。如果接通風扇A，使風扇A操作產(chǎn)生氣流,該氣流將進入風扇B的葉片，使風扇B也同時轉(zhuǎn)動。液力偶合器傳遞扭矩的方式與風扇傳遞氣流的方式相似。

液力偶合器的工作原理

通過風扇B的氣流仍具有相當大的能量。如果利用導(dǎo)管將氣流重新引導(dǎo)至風扇A內(nèi)葉片的后部，那么將會輔助風扇轉(zhuǎn)動，因此產(chǎn)生更大的扭矩。這就是液力變扭器操作所依據(jù)的原理。液力偶合器的工作原理液力變矩器的三個工作輪1-泵輪2-渦輪3-導(dǎo)輪液力變矩器循環(huán)圓示意圖

通常把軸向截面稱為變矩器的循環(huán)圓，由循環(huán)圓所構(gòu)成的回轉(zhuǎn)體空間則是變矩器內(nèi)油液進行循環(huán)的空間。

變矩器循環(huán)圓示意圖液力變矩器簡圖

右圖所示為一種最簡單的變矩器，它只有泵輪1、渦輪2與導(dǎo)輪3等三個工作輪。當發(fā)動機帶動泵輪1旋轉(zhuǎn)時，油液自a端進入泵輪葉片間的通道，自b端流出沖向渦輪2的葉片，使渦輪轉(zhuǎn)動，在從渦輪的c端流出后，經(jīng)導(dǎo)輪3再進入泵輪的a端。如此循環(huán)實現(xiàn)動力的傳遞。

1-泵輪2-渦輪3-導(dǎo)輪4-工作輪內(nèi)環(huán)5-渦輪槽ac二、液力變矩器和偶合器的相異點相同點：都有泵輪及渦輪，都是靠流體的動量變化來傳遞能量。不同點：變矩器有一固定不動的導(dǎo)輪，使泵輪轉(zhuǎn)矩與渦輪的輸出轉(zhuǎn)矩不相等。從葉片形狀看，偶合器為徑向平面葉片，而變矩器一般為空間扭曲葉片。偶合器一般沒有內(nèi)環(huán)，工作腔內(nèi)流體運動為無壓流動，而變矩器有內(nèi)環(huán)，工作腔內(nèi)流體運動為有壓流動。除調(diào)速型偶合器是用勺管將流體導(dǎo)出，將工作油液接冷卻器加以冷卻，其它各類偶合器則靠自然風冷，而變矩器必須有單獨的循環(huán)冷卻系統(tǒng)。三、液力變矩器的工作原理1、液力變矩器改變扭矩的原理設(shè)發(fā)動機轉(zhuǎn)速及負荷不變，即變矩器泵輪的轉(zhuǎn)速n1與力矩M1為常數(shù)，根據(jù)液力平衡方程

M`1+M`2+M`3=0即-M`2=M`1+M`3，又根據(jù)作用與反作用公理，各工作輪加給油液的力矩與油液加給工作輪的力矩大小相等、方向相反。設(shè)油液加給渦輪的力矩為M2,則M2=-M`2

，固有M2=M`1+M`3

。上式說明油液加給渦輪的力矩M2等于泵輪與導(dǎo)輪對油液的力矩之和，從而實現(xiàn)了變矩功能。2、液力變矩器的自動適應(yīng)性當n1=常數(shù)，n2=0時當n1=常數(shù)，n2逐漸增加時當變矩器輸出力矩經(jīng)傳動系產(chǎn)生的牽引力足以克服機械啟動阻力時，則機械啟動并加速行駛同時渦輪轉(zhuǎn)速n2也逐漸增加，這時液流在渦輪出口處不僅有沿葉片相對速度W還有沿圓周方向的牽連速度U，因此沖向?qū)л喨~片的絕對速度V應(yīng)是二者合成速度。因假設(shè)泵輪轉(zhuǎn)速不變，故液流在渦輪出口處相對速度不變，但因渦輪的轉(zhuǎn)速在變化，故牽連速度U也在變化。由圖可見沖向?qū)л喗^對速度V將隨著牽連速度U增加而逐漸