《流体机械》课件第4章液力传动

学习要求：（1）掌握液力传动的组成和工作原理；（2）掌握液力偶合器的基本构造和工作原理；（3）掌握液力变矩器的基本构造和工作原理；（4）掌握变矩器和偶合器的特性曲线；（5）掌握综合式液力变矩器的结构和工作原理；（6）了解带锁止离合器的液力变矩器的结构与工作原理；（7）了解液力传动在石油工程机械和汽车工程上的应用。

课程安排：作业（2）占3%，4-9，4-12，4-14

理论8学时。第4章液力传动第4章液力传动4.1概述4.2液力偶合器4.3液力变矩器4.4液力变矩器的特性曲线及选用4.5

液力变矩器的类型和构造第4章液力传动4.1

概述

一般的机器设备都包括动力机、传动装置和工作机三部分。传动装置将动力机和工作机连接成一体，并起着传递能量、变速、变矩、换向、制动及改变动力性能等作用，它是现代机器设备中为满足工作机特定要求所不可缺少的重要组成部分。

按传递能量方式，现有机器的传动装置中主要有机械传动、电力传动和液体传动等形式。液力传动是液体传动中的一种，主要靠改变液体动能的大小达到传递和改变能量形式的目的，又称作动液传动。

任何传动系统中，机械传动件总是不可缺少的。但为了便于区别和比较，将具有一个或一个以上液力传动元件的传动系统都称作液力传动系统。

4.1

概述

4.1.1液力传动的工作原理及优缺点

液力传动系统实际上是离心泵、涡轮机、管道以及其他部件的组合体，其原始型式如图4-1所示。

离心泵变机械能为液体能；液体能沿管道进入涡轮，推动涡轮旋转并带动与之相联的工作机作功，又将液体能转换为机械能

。液力传动的主要优点是：

（1）液力元件内部靠液体传递能量，无机械连接，因而传动性能柔和，具有很好的防振和隔振作用，有利于提高由动力机到工作机全部设备的使用寿命。

（2）液力变矩器能在一定范围内自动变矩和变速。工作机负荷大时，变矩器输出力矩自动增大，转速自动降低；负荷减小时，转速随之增加，从而使工作机保持正常的运转状态。液力偶合器无自动变矩的能力，但可以进行无级调速。

（3）对动力机和工作机起过载保护作用，防止因载荷突然增大而使动力机熄火或停转，并且改善了动力机的启动性能。（4）工作机起步平稳，加速均匀、迅速。（5）易于实现操作的简化和自动化。4.1

概述

与机械传动相比，液力传动的缺点是：传动损失较大，效率不高；需要配备供油和冷却等辅助设备，结构比较复杂，制造成本比较高。

4.1

概述

4.1.2液力传动的工作介质

液力传动装置中的工作介质除了传递能量外，还起着润滑和冷却轴承及齿轮等零部件的作用。选用合适的工作液，是保证液力传动元件具有良好的工作性能和稳定性，以及较长工作寿命的重要条件。

（1）密度较大。

（2）有足够的润滑性和适当的粘度。

（3）

不含有可析出的或吸收的大量气体，不易分解出蒸汽或含有易分解出蒸汽的物质。

（4）具有适当的闪点和凝点。

注：闪点是指一定温度条件下，工作液体的蒸汽与周围空气形成的混合气体，接近火焰发出闪火时的温度值。凝点是工作液体在一定条件下开始失去流动性的温度。

（5）对零部件和密封件无腐蚀作用。

（6）

能在较高的温度(80～110℃)下长期稳定工作，即使用过程中粘度无明显的改变，也不发生液体的稠化、氧化及产生沉淀。

目前我国使用的工作液主要是国产6号和8号液力传动油。

6号液力传动油：主要用于内燃机车、重负荷卡车、履带车越野车等大型车辆液力变矩器和液力偶合器，还可用于工程机械的液力传动系统。8号液力传动油：主要用于各种小轿车、轻型卡车的液力自动传动系统。

4.1

概述

第4章液力传动4.2

液力偶合器

4.2.1液力偶合器的结构

液力偶合器是结构最简单的液力元件。它是以两个工作轮（泵轮和涡轮）代替离心泵和涡轮机，并装在如图4-2所示的同一壳体之中。

4.2

液力偶合器

工作轮都由外环、内环及若干叶片组成，如图4-3所示。一般的偶合器多采用平面径向直叶片，每个叶片都位于轴面内。偶合器的外环内曲表面、内环外曲表面及相邻两叶片的表面组成工作轮的流道。两个工作轮的全部流道空间称作偶合器的循环工作腔。

4.2

液力偶合器

通过工作轮轴线作工作腔的截面（即轴面），则内外环型线所形成的轴面投影，称作循环圆。

偶合器的循环圆以轴线为中心，分为上下两个完全对称的部分，故通常只以中心线上半部分的形状表示循环圆。

循环圆或工作腔的最大直径用D表示，称作有效直径，是液力传动元件的表征尺寸。循环圆或工作腔其他部位的尺寸都用有效直径的百分数表示，如图4-4所示。

4.2

液力偶合器

偶合器对工作轮叶片形状要求不严格，为了便于制造，通常采用平直叶片，叶片在泵轮与涡轮的环状腔中沿径向均布。在泵轮出口与涡轮入口处，液流的通流面积较为宽阔，而在泵轮入口与涡轮出口处，流通面积较为狭小，为了增大此处的流通面积，降低液流阻力，常将此处工作轮叶片间隔地截去一段，如图4-3（a）所示。

由工作轮内环包络成的内腔区城仍充满工作油，该区城的油液并不参与能量的传递。目前常用的偶合器都取消了工作轮的内环，全部油液都参与能量传递，这种偶合器传递扭矩的能力较强，如图4-3（b）所示。

如图4-2所示，功率较小的偶合器，由于功率低，产生的热量有限，因此都不配置专门的冷却系统，而采用自然通风散热的办法。这类偶合器的壳体上常铸有鼓风叶片，当罩壳随同泵轮旋转时，鼓风叶片鼓风散热。4.2

液力偶合器

大功率的偶合器，由于产生热量较多，常配备专门的冷却系统，工作时对工作油进行强制循环冷却。

偶合器工作时，工作腔里的充液量不能改变的叫做不可调式液力偶合器，充液量可以改变的叫做可调式液力偶合器。

大功率偶合器，具有冷却系统，工作轮无内环、充液量可调的类型，如图4-5所示。

该液力偶合器中装有可伸缩移动的导管，俗称杓管，通过调节杓管的位置可以改变工作腔中的充液量。杓管的伸缩可通过偶合器上的手轮机构实行手动控制。4.2

液力偶合器

4.2

液力偶合器

4.2.2液力偶合器的基本理论

1.液流在工作轮中的运动规律

液力偶合器工作时，工作油在工作轮中循环流动，工作油所流经的空间叫做工作腔，如图4-8（a）所示，工作油一方面按照泵轮—涡轮的顺序沿叶片间的流道循环流动（绕O2轴）；另一方面又随同泵轮，涡轮做旋转运动（绕O1轴）；因此工作油的运动轨迹形同空间螺管，如图4-8（b）所示。即液流作螺管运动。

4.2

液力偶合器

在循环圆上流道中线处的流线称为平均流线。平均流线绕输入轴与输出轴的轴心线旋转，形成平均回转曲面。平均回转曲面将工作轮叶片切成叶栅。平均回转曲面上的液流运动规律具有代表性，因此，就以该曲面上的液流作为研究对象。为了便于研究和讨论常常利用叶栅展开图。

叶栅展开图是将曲面展开成平面，即要把空间的运动表示在平面上。展开的原则是保持叶片的倾角不变。

液力偶合器工作轮进出口处的液流速度三角形如图4-9所示。

4.2

液力偶合器

2.工作轮的扭矩方程式4.2

液力偶合器

（4-1）

（4-2）

4.2

液力偶合器

（4-3）

式（4-2）、（4-3）为液力偶合器的泵轮扭矩与涡轮扭矩方程式。

作油自泵轮入口处开始，循环一周后又回至泵轮入口处，液流对其回转轴的动量矩增量为零，因此液流所受工作轮的作用力矩之和也为零。

根据泵轮扭矩与涡轮扭矩方程式以及液流速度三角形中的矢量关系也可得到同样的结论。4.2

液力偶合器

4.2.3液力偶合器的特性曲线

1.液力偶合器的输出特性曲线

偶合器的输出特性曲线由实验测得如图4-10所示。

4.2

液力偶合器

偶合器效率：

4.2

液力偶合器

2.液力偶合器的原始特性曲线

根据相似理论，凡具有几何相似的液力偶合器，在运动相似条件下，根据第四相似定律式（2-52）得：其轴上扭矩应与线性尺寸的五次方、转速的二次方以及工作油重度的一次方的乘积成正比，即

式（4-4）为液力偶合器的泵轮扭矩实用方程式。

4.2

液力偶合器

4.2

液力偶合器

3.液力偶合器的调节特性曲线

4.2

液力偶合器

当外载不变时，改变偶合器的充液量可以获得不同的涡轮转速。

4.2

液力偶合器

4.液力制动器

利用液力元件的特点，工程上将偶合器的一个工作轮固定，使另一个工作轮与外动力相联作为负载机械，就成了液力制动器，它相当于一个始终工作在制动工况的偶合器。

4.2

液力偶合器

4.3液力变矩器

第4章液力传动4.3.1

液力变矩器的结构

与液力偶合器相比较，液力变矩器除了有泵轮和涡轮外，还有固定不动的导轮，如图4-15所示。

液力变矩器由于导轮的作用，随着工作机负载力矩的变化，变矩器可以在一定的范围内自动地改变输出力矩的大小和方向，以适应工作机运转的需要。

导轮只起导流作用，即改变液体流速的大小和方向，使液体的压能和动能发生相互转化，改变进、出口处液体的动量矩。4.3液力变矩器

4.3液力变矩器

防止汽蚀的发生，变矩器都装有供油泵

为了保证油温不致过高，变矩器都装有冷却系统，即从工作腔引出一部分工作油，经冷却后再输回工作腔里。4.3液力变矩器

4.3.2液体在工作轮中的运动规律

1.泵轮出口处2.涡轮入口处3.涡轮出口处4.导轮入口处5.导轮出口处6.泵轮入口处

与变矩器结构、泵轮转速、环流量Q有关

.4.3液力变矩器

4.3.3工作轮的扭矩方程式

1.泵轮扭矩方程

如图4-19所示，由变矩器的叶栅展开图上液流速度三角形，可以看出

4.3液力变矩器

4.3液力变矩器

2.涡轮扭矩方程式

根据叶栅展开图上液流速度三角形

可以得到以下关系

4.3液力变矩器

4.3液力变矩器

3.导轮扭矩方程式

如图4-19所示，根据叶栅展开图上液流速度三角形，可以得到以下关系。

4.3液力变矩器

4.3.4工作轮扭矩的平衡

工作油在工作轮里循环流动，由于液流有动量矩的变化，因此工作轮和液流之间相互产生作用力矩。但当工作油从泵轮入口流经泵轮、涡轮、导轮再返回泵轮入口时，其动量矩并无变化。其动量矩的增量为零。因此在循环一周之后液流所受各工作轮的作用力矩根据动量矩定理其总和为零。（4-11）

式（4-11）为工作轮力矩平衡方程式，该式表明，泵轮扭矩和导轮扭矩之和等于涡轮扭矩。

4.3液力变矩器

根据以上对液力变矩器工作原理的分析，我们可以得出下面一些结论：

4.3液力变矩器

4.3.5液力变矩器的透过性

液力变矩器泵轮上的负荷随涡轮轴上的负荷而改变的性能，叫作液力变矩器的透过性。

1.非透过性液力变矩器

由式（4-5）可知：

4.3液力变矩器

2.可透过性液力变矩器

4.3液力变矩器

4.4液力变矩器的特性曲线及选用

第4章液力传动用以表示液力变矩器性能参数的曲线图叫做液力变矩器的特性曲线。

4.4.1输出特性曲线

4.4液力变矩器的特性曲线及选用

4.4液力变矩器的特性曲线及选用

4.4液力变矩器的特性曲线及选用

4.4.2原始特性曲线

根据相似理论，按式（4-4）推导方法，可得出液力变矩器泵轮扭矩方程式

（4-12）

4.4液力变矩器的特性曲线及选用

同理，按相似理论可导出涡轮扭矩方程式。

（4-13）4.4液力变矩器的特性曲线及选用

4.4液力变矩器的特性曲线及选用

原始特性曲线是几何相似的同一类液力变矩器所共有的基本性能曲线，既可用以进行变矩器设计，又可从事变矩器与柴油机匹配选型，有时又可以代表输出特性曲线进行变矩器性能的对比与探讨。

4.4液力变矩器的特性曲线及选用

4.4.3输入特性曲线

输入特性曲线用于解决变矩器与发动机的合理匹配问题。

4.4液力变矩器的特性曲线及选用

发动机—液力变矩器共同工作时的联合输入特性曲线

变矩器与其匹配的发动机只能在cdemnc曲线区域内共同工作。

匹配原则是：

4.4液力变矩器的特性曲线及选用

4.4.4发动机与液力变矩器共同工作时的联合输出特性曲线

课后自学本部分内容4.4.5液力变矩器的选择

4.4液力变矩器的特性曲线及选用

根据既定发动机功率、扭矩和转速、工作机的工作要求及其传动系、行走系的情况等，对照国家系列产品中所列变矩器的各种性能来选取一个，然后作出它与发动机的联合工作输入与输出特性，以此来校核是否符合要求。如果选定的液力变矩器性能符合要求，但结构尺寸不适用，则可用几何相似方法进行重新设计。

(4-14)

4.4液力变矩器的特性曲线及选用

这样，只要把基型变矩器每个尺寸都缩小（或放大）一个𝛿值，而保持叶片的安置角相同，就可设计出一个符合匹配要求的新变矩器。这种方法通常叫做类比设计法。

4.4液力变矩器的特性曲线及选用

[例4-1]某轮胎起重机的发动机采用4146A型柴油机，其外特性曲线如图4-32所示，试选用一液力变矩器进行匹配。

解：初步考虑采用某单级单相液力变矩器作为基型，其有效直径D=400mm，原始特性曲线如图4-33所示。4.4液力变矩器的特性曲线及选用

凡是同一类型几何相似的变矩器，它们的原始特性曲线都相同。因此，可用基型的原始特性曲线作为计算依据。

（1）确定变矩器的作用直径D。

（2）根据D=0.580m绘制柴油机与变矩器共同工作的联合输入特性曲线及联合输出特性曲线。对联合工作特性进行全面分析，考察所选的基型和所定的作用直径是否恰当。

4.4液力变矩器的特性曲线及选用

（3）如决定采用这一直径，则进一步确定变矩器的其它部分尺寸。根据几何相似原则，应用计算所得的D与基型变矩器直径D基的比值（本例中δ）4.5

液力变矩器的类型和构造

第4章液力传动

按照插在其他工作轮叶栅间的涡轮叶栅列数，液力变矩器分为单级和多级。叶栅是一组按一定规律排列在一起的叶片，有两列叶栅的涡轮称为二级，以此类推。各级涡轮叶栅彼此刚性连接，并和从动轴相连。

液力变矩器的“相”是指通过自由轮机构、离合器或制动器等作用，所能改变液力变矩器的工作状态数。4.5液力变矩器的类型和构造

4.5.1单级单相（即三元件导轮固定）式液力变矩器