液力机械传动和机械式无级变速箱-M课件

1、液力机械传动和机械式无级变速器液力机械传动和机械式无级变速器主要内容1.液力耦合器与液力变矩器的工作原理2.液力机械变速器的结构与原理3.自动变速器的操纵机构4.机械式无级变速器液力传动的发展简史 20世纪初, 船舶用大功率高速汽轮机与螺旋桨之间需要大功率 减速装置进行传动匹配，而齿轮制造技术还不能满足要求。 德国盖尔曼弗丁格尔教授提出：由水槽、离心式水泵、水管 和水轮机组成液力循环传动系统；采用带叶片的泵轮和涡轮取代离心式水泵和水轮机，并取消水槽、水管，构成具有共同工作液体循环腔的液力变矩器；德国客轮“切勒比茨”号采用了液力变矩器；随后，船用齿轮减速器取代了船用液力变矩器，液力变矩器转向车用

2、；20世纪70年代起，美国90%以上的轿车、 100%的公交BUS和70%的重载汽车及非公路车辆已使用液力变矩器。目前世界各大汽车公司都生产液力传动+二档、三档或四档自动变速器。车用液力变矩器在变速器中的位置车用液力变矩器的基本元件第一节 液力机械传动 液力耦合器是一种动液传动装置。所谓动液传动是指靠液体在循环流动过程中动能的变化而传递动力的液压传动方式。一、液力耦合器曲 轴壳 体泵 轮涡 轮输出轴1.1 液力耦合器的结构和工作原理主动元件：（叶轮）泵轮3从动元件： （叶轮）涡轮4泵轮3与耦合器外壳2及曲轴1刚性连接，与曲轴一起旋转。涡轮4与从动轴5连接，装在密封的外壳2中。泵轮3与涡轮4：

3、统称为工作轮。间隙（ 3-4mm ）泵轮涡轮 在泵轮与涡轮上，径向焊接了数目相同的叶片，用来传递动力。 泵轮与涡轮装合后，其通过输入轴或者输出轴的纵断面为环形，称为循环圆，传递动力的液体被泵轮叶片驱动，绕轴线作旋转运动，在离心力作用下流向叶片外缘、流速增加，其速度取决于曲轴的速度和工作轮的半径，“碰壁”升压后液体动能增加，冲向涡轮叶片，推动涡轮旋转，而液体动能减少，并形成从高能区向低能区的动液循环。即工作液自泵轮外缘冲向涡轮，并形成首尾 相连的螺旋线。归纳一下： 液力耦合器的工作过程是：泵轮接受发动机传来的机械能，并将其传给工作液，使工作液的动能升高，然后再由工作液将动能传给涡轮，并由涡轮将动

4、力输出，液力耦合器实现传动的必要条件是： 泵论和涡轮之间有液体循环流动，产生液体循环流动的原因是二者存在转速差。因此在液力耦合器工作时泵轮的速度总是大于涡轮的速度。液力耦合器的工作原理： 流动的液体在动能变化过程中吸收或者放出能量。1.2 液力耦合器的工作过程（举例）汽车起步发动机曲轴带动泵轮旋转；涡轮与传动系处于静止状态。泵轮带动工作液对涡轮做功，并产生转矩发动机转速增高，上述转矩增大，并克服汽车的起步阻力。汽车上采用液力耦合器的优缺点优点：泵轮与涡轮之间允许较大的转速差，可以保证汽车的平稳起步和加速，同时衰减系统扭转振动引起的过载；延长传动系统的使用寿命；在暂时停车时也可以不脱开传动系统，

5、可以减少换档的次数；缺点：液力耦合器只能传递扭矩，而不能改变扭矩的大小，因此必须与变速机构一起使用。增加质量和尺寸。因为液力耦合器不能完全中断动力，因此在换档时仍然需要采用离合器来中断动力，以减少变速换档时的冲击。存在液流损失，传动效率低。目前在汽车上的应用逐渐减少。二、 液力变矩器二、 液力变矩器2.1 工作原理和特征a.组成：固定在发动机曲轴上固定在输出轴上固定在固定套管上。泵轮、涡轮、导轮。图16-4b. 液力变矩器与液力耦合器的不同点：在结构上多一个固定不动的导轮。不仅能传递转矩，还能在泵轮转速和转矩不变的前提下，改变涡轮转矩的大小。主要元件分解图导轮c. 液力变矩器的展开图 将循环圆

6、的中间流线展开一条直线中间流线：将流道分割成面积相等的两部分的流线。 叶片图16-6d.液力变矩器的工作原理设发动机转速和负荷不变，即泵轮的（nb）和转矩（Mb）不变。nw=0以起步工况为例。设泵轮、导轮、涡轮对工作液的作用转矩为：Mb 、Md 、Mw，则有： Mw =Mb + Md 因为 Mw = Mw （涡轮输出转矩）因此： Mw Mb 液力变矩器器到了增大转矩的作用。 当涡轮的转矩随着泵轮的转矩增大而增大到克服汽车的起步阻力，则汽车实现起步。汽车实现起步nw 0 此时由涡轮叶片出口处的速度为：v= w + uu牵连速度；w沿叶片的相对速度。 当v与导轮的出口方向一致时 Md=0此时： M

7、w=Mb汽车实现起步nw 继续增大V继续向左倾斜Md变为负值此时： Mw=Mb Md直至: nw = nb经过上述分析： 液力变矩器的输出转矩可以根据涡轮的转速变化：具体为： 涡轮速度低转矩大于泵轮转矩； 涡轮速度等于一设定值转矩等于泵轮转矩； 涡轮速度高转矩小于泵轮转矩； 涡轮速度等于泵轮速度不传递转矩。 液力变矩器能够改变扭矩的原因是在泵轮和涡轮之间加入了导轮。e.液力变矩器的特性表征液力变矩器的特性的参数为：传动比i：输出速度与输入速度之比。 i=nwnb变矩系数K：输出转矩与输入转矩之比。 k=MwMb最大变矩系数：涡轮转速为0时的变矩系数。泵轮（nb）和转矩（Mb）不变。图16-8结

8、论： 液力变矩器的传动比为小于等于1的连续可变的数； 液力变矩器的转矩随汽车的行驶工况自动改变。当涡轮的速度低时具有较大的转矩；涡轮速度为0时的转矩最大；当涡轮的速度高时具有较小的转矩；涡轮速度与泵轮的速度相等时的转矩最小为0； 液力变矩器同时具有液力耦合器保证汽车平稳起步，衰减传动系的扭转振动，防止系统过载的特点。在涡轮速度高于nw1时，涡轮的输出转矩小于泵轮的输入转矩，效率低、降低了动力性。2.2 典型液力变矩器结构a. 三元件综合式液力变矩器三元件： 泵轮、导轮、涡轮各1个。泵轮8通过壳体7、起动齿圈托盘、螺钉固定在曲轴凸缘上。涡轮5通过涡轮轮毂上的花键与输出轴连接。导轮9通过单向离合器

9、及其花键连接在固定不动的套管14上。图16-9b. 单向离合器的结构与作用9.导轮10.外圈11.内圈18.铆钉1.滚柱17.弹簧导轮传力变为耦合器图16-10单向离合器的作用 在液力变矩器的涡轮速度达到一定的程度时，让液力变矩器转化为液力耦合器工作，以增大涡轮在高速时的输出的转矩，提高动力性。 因为这个液力变矩器可以转化为液力耦合器工况，因此称之为综合式的。 一般将液力变矩器的工作状态的数目称之为相。 同时，一般将导轮与泵轮、或者导轮与导轮之间的涡轮数称之为液力变矩器的级。 上述液力变矩器的全称为：单级双相三元件综合式液力变矩器。c. 三元件综合式液力变矩器的特性耦合器效率变矩器效率工况转换

10、点 变矩器的效率：输出功率与输入功率之比。在变矩系数K1 （iik=1）范围内： 变矩器的效率比耦合器高；在变矩系数Kik=1）范围内： 变矩器的效率比耦合器低。 采用综合式液力变矩器的目的是为了增加高效区。称自变矩器转为耦合器工作的点称为工况转换点。图16-11c. 三元件综合式液力变矩器的特性 液力变矩器为了避免气蚀现象，其中的工作液应该保持一定的补偿压力。 补偿压力来自于油泵的补偿油。因为补偿压力的存在，工作轮轴向受力，因此需要考虑磨损问题。c. 三元件综合式液力变矩器的特性特点： 结构简单，工作可靠，性能稳定，效率高，在变矩器状态下的最高效率为92%，在耦合器状态下的高传动比区的效率可

11、达96%。 但在最高效区到转换点之间的效率仍较低。三、 液力机械变速器 液力变矩器一般与齿轮变速器（有级式）共同组成，液力机械变速器。原因： 1.液力变矩器的变矩系数较小，不能满足汽车的需要； 2.过大的变矩系数影响液力变矩器的效率注意： 与液力变矩器配合使用的一般是行星齿轮变速器（轴线旋转式）但也有采用轴线固定式的。原因： 行星齿轮变速箱结构紧凑，承载能力大，可以用较小的齿轮实现较大的传动比，传动效率高，机构运动平衡，抗振能力强。3.1 行星齿轮变速器的工作原理3.1.1 单排行星齿轮机构的工作原理图16-15n1+a*n2(1+a)n3=0 (1)a=z2/z1从式（1）中可以看出： 太阳

12、轮、齿圈与行星齿轮架3者任意一对可作为传动件； 如果有两个被固定在一起，则第三个的速度与前两个相同，传动比为1； 如果三个均为自由转动，则行星齿轮不能传动，相当于空档。 行星架被固定时，太阳轮、齿圈转速相反，可作为倒档。任意两个作为传动件时的传动比：n1+a*n2(1+a)n3=0 (1)分别讨论如下：1）齿圈2固定： n2=0 i13= n1/ n3=1+a=1+z2/z12）太阳轮1固定： n1=0 i23= n2/ n3=（1+a）/a=1+z1/z23）行星架3固定： n3=0 i12= n1/ n2=a=z2/z14) n2=n1 n3=n1=n25) 全部自由时，不传递动力。3.1

13、.2 复合式行星齿轮机构的工作原理定义： 具有两排以上行星的行星齿轮机构。原因： 单排行星齿轮机构所提供的传动比数目是有限的，为了获得较多的档数，可以采用两排或三排行星齿轮机构。3.2 液力变矩器与行星齿轮变速器组成的液力机械变速器3.2 液力变矩器与行星齿轮变速器组成的液力机械变速器空档：直接档离合器分离、低速档和倒档制动器松开。低速档：直接档离合器分离、低速档制动器制动、倒档制动器松开。该档的传动比不等于后排太阳轮与后排齿圈的齿数比。直接档：直接档离合器结合、低速档制动器、倒档制动器松开。前后行星齿轮被联锁，传动比为1。倒档：直接档离合器分离、低速档制动器松开、倒档制动器制动。行星架被锁定

14、，后排太阳轮与后排齿圈的旋转方向相反。液力机械变速器的总传动比 液力机械变速器的总传动比为：液力变矩器的变矩系数K与齿轮变速器的传动比i的乘积。I=K*i 传动比越大，液力机械变速器的所传递的转矩越大，转速越低，这点与机械变速箱是一致的。 因为液力变矩器的变矩系数在一定的范围内可以连续变化，配合上机械变速机构后，液力机械变速器的传动比在几个区间内是连续变化的。我们称之为部分无级变速器。四 液力机械传动的液压自动操纵系统 自动操纵汽车前进行驶过程中，驾驶员按行驶需要控制加速踏板，变速器根据发动机负荷和汽车行驶速度的变化，自动的换入不同的档位。 分为：液控液压操纵系统、电控液压操纵系统。特点：操纵

15、轻便；换档过程平稳，提高舒适性；结构复杂；工艺复杂。液力机械自动变速器供油系统执行装置控制装置换档品质控制装置主油路、换档信号系统、换档阀系统、滤清冷却系统换档离合器、换档制动器、单向离合器缓冲阀、限流阀、单向节流阀、节流孔。油 泵操纵机构的组成五 自动变速器的操纵系统5.2 自动变速器的电子控制系统液力变矩器行星齿轮变速机构电子控制系统换档控制机构液压操纵执行机构5.2.1电子控制系统的组成：电子控制单元ECU传 感 器控制开关执行器输入轴转速传感器车速传感器液压温度传感器档位开关发动机电控单元发动机转速传感器故障诊断插座节气门位置传感器模式开关档位指示灯电磁阀ECU电子控制单元ECU： 接

16、受传感器传来的电信号，进行处理，并将换档电信号发给电磁阀。传感器： 测量反映车辆运行工况的各参数，并将其转化为电信号，输入给电控单元。控制开关： 设置多种控制开关，实现车辆的行驶模式、安全和平稳。执行器： 接受电控单元的指令（电信号），控制换档机构的油路。5.2.2电子控制系统各部分的作用：5.2.3节气门位置传感器 测量节气门的开启角度，并将其转化为电信号。 工作原理：改变电阻，将节气门开度变换为输出电压。5.2.4车速传感器 测量输出轴的转速，并将其转化为电信号，传给电控单元。工作原理：不同车速对应的感应线圈电压频率不同。5.2.5 控制开关：空档起动开关：保证汽车只有在停车档或空档时才能

17、起动。自动跳合开关：自动降档开关。制动灯开关：判断汽车是否制动。超速档开关：超速档开关关闭时，汽车不能进入超速档。模式开关：根据驾驶员选择的不同模式，电控单元采用不同的换档策略。一般分为动力模式、正常模式和经济模式。5.2.6 执行器： 电子控制系统的各种电磁阀。分为： 开关式电磁阀； 脉冲线性式电磁阀开关式电磁阀结构组成工作原理脉冲线性式电磁阀结构组成工作原理脉冲线性式电磁阀与开关式电磁阀的不同：脉冲线性式电磁阀用来控制油路中的压力；开关式电磁阀控制油路的开启或者关闭；脉冲线性式电磁阀的控制信号是固定频率的脉冲信号；开关式电磁阀的控制信号是固定的电压信号；脉冲线性式电磁阀用来控制系统的油液压

18、力；开关式电磁阀用来控制换档离合器和换档制动器。电控液压操纵系统的特点： 电控液压操纵系统可以实现更多的换档策略，兼顾车辆的动力性和经济性，提高车辆的综合性能； 电磁阀和传感器的响应时间比液压阀的短。 电控系统可以采用冗余的信号来提高换档品质，提高系统工作的可靠性； 可以通过故障诊断方便的获取故障信息，并根据故障信息了解故障来源，方便维修。第二节 机械式无级自动变速器 机械式无级变速器简称CVT(Continuously Variable Transmission)，于20世纪70年代，由荷兰的VDT(VAN Doornes Transmission b.V)公司研制成功了新型的金属带式无级自

19、动变速器简称VDT - CVT 。特点： 具有结构紧凑，重量轻、成本低的特点，适合于微型和普通轿车。图16-23 带机械离合器的VDT CVTVDT CVT的主要部件工作轮可动部分在液压力可沿轴向移动； 可连续的变化工作轮的工作直径，实现无级变速。油泵：为液压系统提供一定压力的油液。图16-26VDT CVT的主要部件金属带：金属片： 1.41.7mm工具钢片叠成。金属环：0.18mm的带环叠成，对金属片起导向作用。 金属带的工作表面是它的两个侧面。图16-25VDT CVT的结构和工作原理图16-24VDT CVT的结构和工作原理无级变速部分由：油泵、主动轮（可动与不可动部分）、金属带、从动

20、轮（可动与不可动部分）和控制油缸组成。主动轮和从动轮的直径在一定的范围内可以连续变化，从而实现传动比的连续变化。传动比由液压控制系统根据行驶路况来调节；VDT CVT的传动比一般在0.47之间；采用VDT CVT在结构上需要离合器，以保证汽车起步平稳；VDT CVT的主要部件工作轮可动部分在液压力可沿轴向移动； 可连续的变化工作轮的工作直径，实现无级变速。油泵：为液压系统提供一定压力的油液。图16-26 VDT CVT的控制系统机械液压控制系统电子液压控制系统机械液压控制系统组成工作过程节气门开度增大换档凸轮旋转图16-27电子液压控制系统组成：工作过程： 电子控制单元向液压控制单元发出指令。 液压控制单元根据节气门开度、主动轮转速、带轮转速等控制主从动工作轮液压缸的压力，实现换档。图16-2