第九章液力传动

液压与液力传动

第九章液力传动1液力变矩器2液力变矩器3液力传动的出现和发展液力传动的研究与应用出现在20世纪初，液力传动最早应用于船舶工业，作为船舶动力机构（汽轮机）与执行机构（螺旋桨）之间的传动机构。当时大功率、高转速汽轮机的出现，为船舶工业提供了新型的动力。但由于螺旋桨受到气蚀的限制，转速不能很高。因此在汽轮机与螺旋桨之间需要设置大功率的减速装置。在当时的技术条件下，齿轮的制造技术水平相当低下，不能制造所要求的尺寸精度和表面粗糙度的大直径齿轮。4液力传动的出现和发展在此情况下，德国的盖尔曼·弗丁格尔教授提出了如下图设想：把离心式水泵和水轮机用粗管连接，由原动机带动离心泵把集水槽的水抽上来，通过管道冲击水轮机的叶片，使水轮机旋转带动螺旋桨转动。5液力传动的出现和发展这种传动方法可以解决高低速的变换问题，而且可以解决螺旋桨在推动船只运行过程中转矩变化问题。但这种方案的缺点是传动效率太低，小于70%，无法得到实际应用。为了提高传动效率，盖尔曼·弗丁格尔教授将离心泵和水轮机尽量靠近，取消进、出水管和水槽等，以具有新的几何形状的泵轮和涡轮取代离心泵和水轮机，构成一个共同的工作液体循环腔，效率得到提高，在船舶工业中得到成功应用和发展。6液力传动的出现和发展在第一次世界大战前，齿轮制造工艺获得很大发展，船舶工业中的液力传动元件被制造精密的齿轮传动所代替。但在船舶工业应用液力传动的过程中，人们对液力传动的性能和特点有所了解和认识，涡轮转速随负载的变化而变化；对传动系统的缓冲与减振等。这些功能对船舶来说不一定那么重要，但对于陆地上行驶的车辆却是非常理想和重要的。7液力传动的出现和发展20世纪30年代，瑞典的阿尔夫·里斯豪姆和英国的史密斯合作，设计了里斯豪姆-史密斯液力变矩器，并成功应用于城市公共汽车。液力变矩器具有的特殊性能极大地改善了公共汽车的传动特性，因此，许多其它类型的车辆相继安装了液力变矩器。自此，液力传动重新得到发展。尤其是第二次世界大战以来，随着军事工业的迅速发展，液力传动得到进一步发展和应用。8液力传动是利用液体动能传递动力的一种传动方式。虽然液力传动同液压传动一样是以液体作为工作介质的一种能量转换方式，但零部件的结构型式及工作特性等都不一样，因此应用场合也不同。本章的重点是介绍有关液力传动的基本传动原理、工作特性、结构形式、变矩器的选择及补偿和冷却系统等到内容。

9.1液力传动概述99.1液力传动概述最早采用的传动方式（机械传动）发动机→主离合器→变速箱→主传动→轮边减速→车轮

由于工程机械工作负荷变化剧烈，需要根据负荷大小，不断改变工作机构的速度（换档），以取得必要的作业能力和生产率，并防止发动机熄火，采用液力传动装置能够解决这些问题。109.1液力传动概述

液力传动主要用于发动机后底盘传动前这段传动，就是在发动机与变速箱之间，装上液力传动元件（液力偶合器或液力变矩器），其它不变。当改用液力传动后，机械作业能力显著提高。生产率可提高15~30%，司机劳动强度大为减轻，发动机不会熄灭，可以重载起动，简化变速箱结构（减少档数），还可延长机械使用寿命等。

119.1液力传动概述129.1液力传动概述液力传动在汽车和工程机械上应用越来越广泛，如推土机、平地机、汽车起重机、大型汽车运输车辆以及军用坦克车辆等。

139.1.1液力传动基本原理

原动机与离心泵轮1连接，工作机与涡轮2轴连接。当原动机旋转时，带动离心泵1工作，液体从油箱吸入泵内，油在泵内被加速，增加了能量，从输油管3高速进入涡轮，“冲击”涡轮2叶片，把能量传给涡轮机，推动其旋转，通过涡轮机轴带动工作机构作功。14

离心泵1的作用是把发动机的机械能变成液力油的动能，是能量输入装置，涡轮机的作用是把液力油的动能又变为机械能而输出。在能量变换或传递时，动力元件和工作元件（即泵轮和涡轮）的工作容积从不发生变化，主要是液力油的动能在变化，压力能变化很小。

9.1.1液力传动基本原理15这种以液体为介质，利用液体动能变化来传递能量的过程就叫做液力传动或动液传动。

这种液力传动，由于离心泵、涡轮机、管路损失能量大，故效率低（一般不超过70%），结构庞大。现在应用的液力传动元件有两类：液力偶合器和液力变矩器。这两类都是在上图所示工作原理的基础上发展起来的。9.1.1液力传动基本原理169.1.2液力传动的优缺点根据实践证明，液力传动的主要优点为：1、具有良好的自适应性能。能根据负荷大小，自动地无级地调整工作速度，适应作业要求，防止发动机熄火，提高作业能力和生产率，并能减少变速箱排档数。2、提高机械的使用寿命。由于主、从动件为非刚性连接，故能消除和减缓来自工作机构的冲击和振动。

179.1.2液力传动的优缺点3、提高车辆的通过性和具有良好的低速稳定性。可使发动机重载起动，而且起动平稳，对发动机有安全保护作用。4、简化操纵，提高驾驶员和乘员的舒适性。主要缺点为：1、效率比机械传动系统的低。2、结构复杂，成本高。3、不能用发动机的惯性制动，也不能用牵引的办法启动发动机。18省去吸油管、输油管和回油管、油箱等，并将泵轮和涡轮做成盆状，叶片都成平面径向。两轮之间无机械联系，但很靠近，仅留有不大的间隙。使泵轮的出9.2液力偶合器口与涡轮的入口相对，泵轮的入口与涡轮的出口相对。这样泵轮旋转时，事先充入其中的液力油，便在泵轮叶片的作用下，带动液体一同旋转。

199.2.1液力偶合器基本原理

因液体有质量，故在液体质点上就作用着离心惯性力，质点必然在此力的作用下由泵轮轮心处向轮缘处流动；同时，由于涡轮的角速度ω2小于泵轮的角速度ω1，涡轮入口轮缘处的压力小于泵轮出口轮缘处的压力，液体质点在此压力差的作用下，液体便如图箭头所示方向流动，形成所谓环流。209.2.1液力偶合器基本原理油流过涡轮时，把能量传给涡轮，推动涡轮旋转。与前面图相比，此图的结构使液流路程大为缩短，结构大为简化，因而提高了效率，缩小了尺寸，减轻了重量。

219.2.1液力偶合器基本原理

在稳定运动时，若忽略摩擦阻力，则液力偶合器中的液力油受到的外力矩只有泵轮传给的力矩M1和涡轮传给的力矩M2。按液力油的平衡条件有：M1+M2=0或M2=-M1即液力偶合器在工作时，泵轮轴与涡轮轴上的力矩大小相等，方向相反。由此可见，偶合器只能传递力矩，而不能改变输出力矩。这一点和简单的机械联轴器一样，所以液力偶合器也被称作液力联轴器。229.2.1液力偶合器基本原理

设泵轮的输入功率为PB，转数为nB，涡轮的输出功率为PT，转数为nT，偶合器的效率为η则：

η=PT/PB=MTnT/(MBnB)=nT/nB=ii叫传动比。此式说明，液力偶合器的效率与传动比相等。传动比越大，效率越高，所以液力偶合器总希望在较高的传动比下工作。正常工作时，传动比i一般为0.95~0.99,可见液力偶合器的效率是相当高的。239.2.1液力偶合器基本原理因为效率不能大于1，故偶合器的传动比i(=η)不能大于1，即涡轮转数总是小于泵轮转数(nT<nB)。即：当nB>nT时，泵轮出口压力大于涡轮进口压力，从而传递能量。否则，当nB=nT时，泵轮出口与涡轮入口离心力相等，压力差等于0，液体不会流动，因而不能传递能量。由于液力偶合器的效率和输出力矩与工作轮叶片形状无关，为了简单、易制，偶合器的工作轮一般都做成平面径向叶片。

249.2.1液力偶合器的特性

MT与nT的关系由实验测出，是一条曲线，由该曲线看出，输出力矩（阻力矩）随涡轮的转数的减小而增大。这是由于当nB一定时，若nT减小，则nB与nT之差增大，引起环流的压力差增大，从而使传递力矩增大。

259.2.2液力偶合器的特性

当外载过大时（大于图中M0）,涡轮便停止不动，即nT=0。此时加到发动机轴上的力矩M0叫做制动力矩，是由液力偶合器的结构和尺寸决定的，与外载荷无关（注意M0与nB有关）。不管外载荷多大，加到发动机轴上的载荷最大只到M0。这是液力传动的最大特点之一。269.2.2液力偶合器的特性利用这个特性，通过合理的选择液力偶合器，可以有效地防止发动机过载，并能改善发动机的起动性能，使其能重载起动。一般用于防止过载和改善起动性能的液力偶合器，通常称谓安全型液力偶合器，其M0都较小，如图中虚线所示。

目前，液力偶合器在国内主要用于安全保护和改善起动性能，如用于矿山机械中的皮带运输机等。

279.3液力变矩器

28液力变矩器29液力变矩器30从左至右：涡轮、导轮、泵轮液力变矩器31液力变矩器3233液力变矩器349.3.1液力变矩器工作原理与偶合器不同的是增加了固定不动的导轮3，此外，泵轮、涡轮、导轮的叶片都是曲面形。当发动机带动泵轮旋转时，泵轮叶片迫使预先充入其中的油跟随泵轮一起旋转，与偶合器一样，泵轮的作用是把机械能变为液力油的动能，涡轮的作用是把这种动能又变为机械能而输出。359.3.1液力变矩器工作原理导轮装在涡轮与泵轮之间，一般是在涡轮之后，泵轮之前（顺液流方向看）。冲击涡轮后的液流，部分地又通过导轮使其反回泵轮，如此循环流动，形成液力变矩器的正常运转。

液力变矩器最大特点，是由于导向轮的作用，使输出力矩增大，故名变矩器。

36

1-飞轮2-涡轮3-泵轮4-导轮5-变矩器输出轴6-曲轴7-导轮固定套

液力变矩器9.3.1液力变矩器工作原理37A-泵轮B-涡轮C-导轮1-由泵轮冲向涡轮的液力油方向，2-由涡轮冲向导轮的液力油方向，3-由导轮流回泵轮的液力油方向。液力变矩原理图工作油方向。9.3.1液力变矩器工作原理38

在车俩起步之前，涡轮转速为0，发动机通过液力变矩器壳体带动泵轮转动，并对液压油产生一个大小为MB的扭矩，该扭矩即为液力变矩器的输入扭矩。液压油在泵轮叶片的推动下，以一定的速度，按图中箭头1所示方向冲向涡轮上缘处的叶片，对涡轮产生冲击扭矩，该扭矩即为液力变矩器的输出扭矩。液力变矩器工作原理图

9.3.1液力变矩器工作原理39

此时涡轮静止不动，冲向涡轮的液压油沿叶片流向涡轮下缘，在涡轮下缘以一定的速度，沿着与涡轮下缘出口处叶片相同的方向冲向导轮，对导轮也产生一个冲击力矩，并沿固定不动的导轮叶片流回泵轮。液力变矩器工作原理图9.3.1液力变矩器工作原理409.3.1液力变矩器工作原理

当油液对涡轮和导轮产生冲击扭矩时，涡轮和导轮也对液压油产生一个与冲击扭矩大小相等、方向相反的反作用扭矩MT和MD，其中MT的方向与MB的方向相反，而MD的方向与MB的方向相同。41根据液压油受力平衡原理，可得：

MT﹢MB+MD=0

－MT=MB+MD由于涡轮对液压油的反作用，扭矩MT与液力油对涡轮的冲击扭矩（即变矩器的输出扭矩）大小相等，方向相反，因此可知，液力变矩器的输出扭矩在数值上等于输入扭矩与导轮对液压油的反作用扭矩之和。显然这一扭矩要大于输入扭矩，即液力变矩器具有增大扭矩的作用。42液力变矩器输出扭矩增大的部分即为固定不动的导轮对循环流动的液压油的作用力矩，其数值不但取决于由涡轮冲向导轮的液流速度，也取决于液流方向与导轮叶片之间的夹角。当液流速度不变时，叶片与液流的夹角愈大，反作用力矩亦愈大，液力变矩器的增扭作用也就愈大。一般液力变矩器的最大输出扭矩可达输入扭矩的2-6倍。43导轮的作用：泵轮使液流冲击涡轮叶片时，涡轮就开始旋转，而同时沿着涡轮叶片落下的液流冲击到导轮叶片上，这时导轮因固定，接受液流后叶片又使它改变流向，对泵轮叶片（背面）又进行了冲击，使泵轮增大了对涡轮的输出扭矩。44

从理论上变矩器输出力矩可增大的原因：设在稳定运动时，泵轮作用于液体的力矩为MB（设力矩以反时针为正，即为MB正）,涡轮作用于液体的力矩为MT,导轮作用于液体的力矩为MD，并假设涡轮、导轮与泵轮旋向相同，按液体平衡条件有：

MB+MT+MD=0或:MT=-(MB+MD)（1）说明，液力变矩器涡轮的输出力矩不等于泵轮力矩，而等于泵轮和导轮作用给液体的力矩之和。可见导轮的作用是改变输出力矩，使液力变矩器的输出大于输入力矩，这是液力变矩器与液力偶合器的主要区别。459.3.2液力变矩器的基本特性

设液力变矩器输入功率为PB，转数为nB，输出功率（负载功率）为PT，转数为nT、泵轮转矩MB,，涡轮转矩MT,效率为η：

η=PT/PB=MTnT/(MBnB)=Kii=nT/nBK=MT/MB

K叫做变矩系数，其大小随工况而变，是传动比i的函数,一般当i减小时K增大。i=0时K达到最大值，以K0表示，叫做制动变矩系数。469.3.2液力变矩器的基本特性性能分析：因为η=MTnT/MBnB，所以当输入功率MBnB一定时，nT随阻力矩MT的增大而减小，随MT的减小而增大。即：当负荷增大时，转数nT减小，负荷减小时,转数nT增大。这样，液力变矩器能随负荷变化自动调整工作速度，这叫做自动适应性。这种性能，对负荷变化剧烈的工程机械及其工况要求非常有利：可以充分利用发动机的功率，提高生产和增大作业能力，减少换档，防止发动机熄火等。479.3.2液力变矩器的基本特性一、液力变矩器的特性参数（1）变矩系数KK=MT/MB

即涡轮力矩与泵轮力矩之比，它表征了变矩器改变力矩的能力。（2）传动比i

i=nT/nB即涡轮转速与泵轮转速之比。发动机一般都在额定转速下工作，泵与发动机相连，故nB基本不变。当涡轮负载变化时，nT随之变化，故i的变化表示了液力变矩器的工况，i越小，说明涡轮负载越大。489.3.2液力变矩器的基本特性（3）效率ηη=PT/PB

即液力变矩器涡轮输出功率与泵轮输入功率之比。

η=PT/PB=MTnT/(MBnB)=Ki（4）泵轮力矩系数λB、涡轮力矩系数λT

λB=MB/(γn2BD5)

λT=MT/(γn2BD5)则：K=λT／λB

MB＝λBγn2BD5

MT＝λTγn2BD5499.3.2液力变矩器的基本特性二、液力变矩器的基本特性1.液力变矩器的外特性液力变矩器的外特性也叫输出特性,是当nB为定值时MB、MT、η与nT的关系，即

MB=ƒ1(nT)MT=ƒ2(nT)

η=ƒ3(nT)MB=ƒ1(nT)MT=ƒ2(nT)曲线由实验测得绘制，η=ƒ3(nT)由

η=MTnT/(MBnB)绘制

0MnTMBηMTnB=常数509.3.2液力变矩器的基本特性由图可以看出：1）nT增加，MT下降。当MT=0（无负载空转时），nT=nTmax;nT=0(即起动时），MT最大，即起动力矩大。2）nT增加，MB下降缓慢，即涡轮转速的变化（也表示涡轮负载的变化）对泵轮力矩影响不明显。3）由η=MTnT/(MBnB)可知，当nT=0和 MT=0时，η=0，所以η曲线与横坐标有两个交点且具有最大值。519.3.2液力变矩器的基本特性2、液力变矩器的原始特性把泵轮的力矩系数λB、变矩系数K、变矩器效率η与传动比i的关系叫做原始特性，即：

λB

=ƒ1(i)

K=ƒ2(i)

η=ƒ3(i)原始特性表示的是一系列几何相似、运动相似、动力相似的液力变矩器共同的基本特性，也就是说一系列符合相似条件的液力变矩器都有相同的特性。

0iKηλB529.3.2液力变矩器的基本特性3．液力变矩器的输入特性变矩器在不同的nB时对发动机或者说对泵轮施加负荷的特性叫做输入特性，也叫负荷特性，即

MB=ƒ(nB)的特性。

MB=λBγn2BD5=cn2B式中c=λBγD5,对已知的液力变矩器，D已经确定，γ也是已知的，λB

=ƒ1(i)，如i为某定值，则λB也是定值，这样就是常数，

那么MB=ƒ(nB)是一条过坐标原点的抛物线。539.3.2液力变矩器的基本特性若取不同的值，c值也就不同，因此可得到一组特性曲线。0MBnBi=0i=0.2i=0.4i=0.6i=0.8具有透穿性液力变矩器的输入特性549.3.3液力变矩器的基本性能及评价参数1.液力变矩器的基本性能及评价参数液力变矩器的基本性能是指涡轮输出力矩相对泵轮输入力矩的变化程度，即K=ƒ(i)，当i不同时变矩系数K值的变化程度。在图示原始特性中，K0是i=0即失速停转时的K值。K0越大表示启动力矩越大；当K=1时的传动为im,im大表示增矩能力范围大。所以通常用K0、im作为评价变矩性能的重要参数。KηBAiBi*imiA

λBOiK=1K0λB、K、η高效率下限ηmax559.3.3液力变矩器的基本性能及评价参数2.液力变矩器的高效率范围当i=i*时，液力变矩器的效率η达到最大值η

max。允许的最高效率的下限所对应的i分别为iA、iB.之间的范围叫做高效区，液力变矩器在这个范围内工作不会低于高效率允许的下限值（工程机械0.75),高效区的大小用Gi=iA/iB表示，Gi叫做高效范围相对宽度。通常用及Gi来评价变矩器的经济性能。569.3.3液力变矩器的基本性能及评价参数3.液力变矩器的透穿性能液力变矩器的透穿性表示涡轮力矩MT（负载)变化对泵轮力矩MB的影响程度。若nB不变，从MB=λBγn2BD5可以看出，λB值的变化能够反映出MB的变化。又因i能反映MT的变化（i大，MT小），所以液力变矩器的透穿性能可以从λB=ƒ(i)这条原始特性上反映出来。衡量液力变矩器的透穿程度的参数是透穿度∏∏=MB0/MBm=λB0/λBmMB0、λB0分别是当i=0（即nT=0）时的MB、λB值；579.3.3液力变矩器的基本性能及评价参数MBm、λBm分别是当i=im（K=1,即藕合工况）时的MB、λB值当∏=0.9～1.2时，即i（MT或nT）变化时，λB(或MB）不变化或者变化很小，这叫做不透穿。当∏≥1.2，即i变小（MT变大）时，λB(或MB）变大，这叫做正透穿。当∏＜0.9，即i变小（MT变大）时，λB(或MB）变小，这叫做负透穿。当λB

=ƒ(i)有极值，随i不同，表现出正、负两种透穿时，做负混合透穿589.3.3液力变矩器的基本性能及评价参数工程机械上多采用不透穿、正透穿及混合透穿，几乎不采用负透穿，因为会使动力性能、经济性能不好。不透穿正透穿负透穿混合透穿λBio599.4液力变矩器的结构类型第一类型和第二类型：

顺循环圆中液流流动方向看，导轮在泵轮前面放置的为第一类型、简称123型，在后面放置的为第二类型、简称132型。正常工作时，123型涡轮转向与泵轮一致，也称作正转变矩器。132型一般涡轮转向与泵轮相反故称做反转变矩器。造成反转的原因是由于位于涡轮前面的导轮叶片，改变了进入涡轮的液流方向。132型由于液流方向变化剧烈，使损失增大，效率低。此外由于涡轮位于泵轮之前，涡轮出口液流对泵轮影响较大，故透穿性较大，一般为正透性。

工程机械绝大多数用123型变矩器。

609.4液力变矩器的结构类型向心、轴流和离心涡轮式：

按涡轮中液流的方向，变矩器可分为向心涡轮式（r`2>r2），轴流涡轮