第十六章 液力机械传动和机械式无极变速器

《汽车构造》电子教案第十六章液力机械传动与机械无极变速2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第2页第十六章液力机械传动和机械式无级变速器随着科学技术的发展，液力机械式变速器和机械式无级变速器在汽车上，特别是在轿车上的应用越来越广泛。因此，本章将主要介绍这两种形式的变速器。上述两种变速器具有如下优点：操纵方便，消除了驾驶员换挡技术的差异性。有良好的传动比转换性能，速度变换不仅快而且连续平稳，从而提高了乘坐舒适性；并对今后轿车进入家庭和非职业驾驶员化有重要意义。减轻驾驶员疲劳，提高行车安全性。降低排气污染。其主要缺点是：机构复杂，造价高，传动效率低。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第3页第一节液力机械传动第二节机械式无级变速器一、液力耦合器二、液力变矩器2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第4页液力耦合器2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第5页液力耦合器的传动过程是：泵轮接受发动机传来的机械能，传给工作液，使其提高动能，然后再由工作液将动能传给涡轮。液力耦合器实现传动的必要条件是工作液在泵轮和涡轮之间有循环流动。由于液力耦合器是用液体作为传动介质，泵轮与涡轮之间允许有很大的转速差，因此装用液力耦合器，可以保证汽车平稳地起步和加速；能够衰减传动系中的扭转振动并防止传动系过载，从而延长传动系和发动机机件寿命；显著减少了需要换挡的次数，甚至在暂时停车时不脱开传动系也能维持发动机怠速运转。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第6页由液力耦合器工作原理可知，液体在循环流动过程中，没有受到任何其他附加外力，故发动机作用于泵轮上的转矩与涡轮所接受并传给从动轴的转矩相等。亦即液力耦合器只起传递转矩的作用，而不起改变转矩大小的作用，故必须由变速机构与其配合使用。此外，由于液力耦合器不能使发动机与传动系彻底分离，故在采用移动齿轮或接合套方法换挡的普通齿轮式变速器时，仅仅为了使换挡时将发动机与变速器彻底分离，以减小轮齿冲击，在液力耦合器与变速器之间还必须装一个离合器。在此情况下使用液力耦合器，虽然具有使汽车起步平稳，减少传动系中冲击载荷等优点，但未能完全免除操纵离合器的动作，还会使整个传动系的重量增大，纵向尺寸增加；此外，由于液力耦合器中存在液流损失，传动系效率比单用离合器时为低。目前，液力耦合器在汽车上的应用日益减少。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第7页液力变矩器（二）几种典型的液力变矩器（三）液力机械变矩器（四）液力机械传动的液压自动操纵系统（一）液力变矩器的工作原理2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第8页液力变矩器的工作原理液力变矩器（图16-4）主要由可旋转的泵轮4和涡轮3以及固定不动的导轮5三个元件组成。和耦合器一样，变矩器正常工作时，储于环形内腔中的工作液，除有绕变矩器轴的圆周运动以外，还有在循环圆中沿图16-4中箭头所示方向的循环流动，故能将转矩从泵轮传到涡轮上。与耦合器不同的是：变矩器不仅能传递转矩，且能在泵轮转矩不变的情况下，随着涡轮的转速（反映着汽车行驶速度）不同而改变涡轮输出的转矩数值。变矩器之所以能起变矩作用，是由于结构上比耦合器多了导轮机构。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第9页下面用变矩器工作轮的展开图来说明变矩器的工作原理。将循环圆上的中间流线（此流线将流通道断面分割成面积相等的内外两部分）展开成一直线，各循环圆中间流线均在同平面上展开。于是在展开图上，泵轮B,涡轮W和导轮D便形成三个环形平面，且工作轮的叶片角度也清楚地显示出来。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第10页由图可见，冲向导轮叶片的液流的绝对速度将随着牵连速度的增加（即涡轮转速的增加）而逐渐向左倾斜，使导轮上所受转矩值逐渐减小。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第11页于是，变矩系数相应增大，使驱动轮获得较大的转矩，保证汽车能克服增大的阻力而继续行驶。所以，液力变矩器是一种能随汽车行驶阻力的不同而自动改变变矩系数的无机变速器。此外，液力耦合器的保证汽车平稳起步，衰减传动系中的扭转振动，防止传动系超载等功能，液力变矩器也同样具备。从变矩器特性中可以看出，变矩系数K是随涡轮转速的改变而连续变化的。当汽车起步，上坡或遇到较大阻力时，如果发动机的转速和负荷不变，车速将降低，即涡轮转速降低。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第12页几种典型的液力变矩器三元件液力变矩器四元件综合式液力变矩器带锁止离合器的液力变矩器2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第13页三元件液力变矩器三元件液力变矩器的典型结构如图。它由泵轮8，涡轮5和导轮9组成。最大变矩系数（即涡轮转速为零时的变矩系数）为1.9—2.5。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第14页变矩器自由轮机构的构造可用图16-10来说明。它由外座圈2，内座圈1，滚柱5及不锈钢叠片弹簧6组成。当涡轮转速较低，与泵轮转速差较大时，从涡轮流出的液流冲击导轮叶片，力图使导轮3顺时针方向（虚线箭头所示）旋转。变矩器就转入耦合器的工作状况。这种可以转入耦合器工况的变矩器称综合示液力变矩器。采用综合式液力变矩器的目的，在于利用耦合器在高传动比时相对变矩器有较高效率的特点。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第15页三元件综合式液力变矩器结构简单，工作可靠，性能稳定，最高效率达92%。在转为耦合器工作时，高传动比区的效率可达96%。因此，它在高级轿车上应用极广，在大型客车，自卸车及工程车辆上的应用也逐渐增多。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第16页四元件综合式液力变矩器某些起动变矩系数大的变矩器，若采用上述三元件综合式液力变矩器，则在最高效率工况到耦合器工况始点之间区段上效率显著降低。为避免这个缺点，可将导轮分割成两个，分别装在各自的自由轮上，从而形成四元件综合式液力变矩器。四元件综合式液力变矩器的示意图。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第17页•四元件综合式液力变矩器的特性是两个变矩器的特性和一个耦合器特性的综合。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第18页带锁止离合器的液力变矩器因变矩器的涡轮与泵轮之间存在转速差和液力损失，变矩器的效率不如机械变速器高，故采用变矩器的汽车在正常行驶时的燃油经济性较差。为提高变矩器在高传动比工况下的效率，可采用带锁止离合器的液力变矩器。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第19页液力机械变速器1.行星齿轮变速器的工作原理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.液力变矩器与固定轴线式齿轮变速器组成的液力机械变速器4.带锁止离合器的液力变矩器，换挡离合器和全同步变速器组成的液力机械变速器5.双流液力机械传动2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第20页行星齿轮变速器的工作原理为了了解行星齿轮变速器工作原理，下面先分析单排行星齿轮机构的运动规律。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第21页液力变矩器与行星齿轮变速器组成的液力机械变速器红旗牌7560型高级轿车即采用这种类型的液力机械变速器，它由一个四元件综合式液力变矩器和可自动换挡的两挡行星齿轮变速器组成2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第23页图16-17为其变速传动部分示意图。其中，行星齿轮变速器由前后两排行星齿轮机构组成。用离合器和制动器可改变行星齿轮机构中各元件的相对运动关系，以实现不同挡位的传动。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第24页红旗CA7560型轿车的双排行星齿轮变速器，共有一个倒挡和两个前进挡，低速挡和高速挡﹝直接挡﹞。各挡传动路线如图红旗牌轿车变矩器的变矩系数为1-2.45。当行星齿轮变速器在低速挡工作时，总传动比可在1.72-4.2范围内连续变化；在直接挡工作时，总传动比的连续变化范围为1-2.45；倒挡工作时，总传动比变化范围为2.39-5.85。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第25页行星齿轮变速器可以由驾驶员强制操纵，也可以做成自动操纵的。自动操纵系统通常采用液压式。为了使变矩器内的油液在最有利的温度范围内（80ºC左右）工作，变矩器内一部分高温油流到置于发动机散热器下储水箱内的专用管式冷却器中进行冷却。冷却后的油液又经过细滤器并由后盖流入变速器，作为润滑油，然后回到变速器的油底壳。由于冷却器位于发动机散热器下储水箱之中，所以油液不仅得到必要的冷却，而且在发动机起动后的预热过程中也能得到预热，使其粘度减小，以提高变矩器的效率。目前，国外高级轿车上普遍应用的式三元件液力变矩器与固定轴线式齿轮变速器组成的液力机械变速器，以使汽车具有较高的动力性和经济性。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第26页液力变矩器与固定轴线式齿轮变速器组成的液力机械变速器原上海SH380型自卸车所采用的即为液力变矩器与固定轴线式齿轮变速器组成的液力机械变速器，其传动部分示意图见图16-19。该变速器由增速器，液力变矩器和固定轴线式齿轮变速器组成。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第27页•带锁止离合器的液力变矩器，换挡离合器和全同步变速器组成的液力机械变速器。近年来，国外重型货车和工程车辆开始采用WSK系统与全同步多挡变速器（4-6挡）组成的液力机械变速器。所谓WSK(德文缩写)系统，是由锁止离合器，变矩器，滑行自由轮机构和换挡离合器组成的“变矩器-换挡离合器系统”。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第28页双流液力机械传动前已述及，液力变矩器单独与发动机匹配，不能满足汽车使用要求，还需要与机械变速器串联组成液力机械变速器。此外，还可以将液力变矩器与二自由度行星齿轮机构并联，而后再与机械变速器串联。在并联部分中，发动机功率的一部分经变矩器传递，其余部分经行星齿轮机构传递，因而兼有两种传动的优点。这种有并联部分的液力机械传动即称为双流液力机械传动或液力机械分流传动。其中，并联部分可称为液力机械变矩器。汽车上采用的双流液力机械传动可分为外分流式，内分流式和复合分流式。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第29页外分流式液力机械传动的一种形式。内分流式液力机械传动与外分流式的区别在于，功率分流是在液力传动内部实现的。复合分流式是外分流式与内分流式的综合。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第30页液力机械传动的液压自动操纵系统液力机械传动中的变速器的操纵方式可分为强制操纵，半自动操纵和自动操纵。所谓自动操纵是指汽车前进行驶过程中，驾驶员按行驶需要控制加速踏板，变速器即可根据发动机负荷和汽车速度的变化，自动地换入不同挡位工作。自动操纵可使驾驶操作大为简化轻便，有利于安全行驶，并使换挡过程中的速度变化平顺，从而提高了汽车的加速性和舒适性。因此，虽然自动操纵系统结构复杂，工艺要求高，但在高级轿车上仍得到普遍应用。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第31页自动操纵系统包括动力源，执行机构和控制机构三部分2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第32页动力源是装在变矩器1与前阀体之间（参看图16-16），由变矩器泵轮驱动的内啮合齿轮式液压泵7。它除了向控制机构，执行机构供应压力油以实现换挡外，还向液力变矩器供应工作油液，向行星齿轮变速器供应润滑油。执行机构包括直接挡离合器18，低挡制动器19和倒挡制动器20。控制机构由主油路系统，换挡信号系统，换挡阀系统，缓冲安全系统和滤清冷却系统组成。其作用是按照来自驾驶员和各传感器发出的控制信号，将液压泵输出压力加以精确调节，并输入执行机构。此外，还能保证换挡过程的正常进行和改善换挡过程的平顺性。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第33页第二节机械式无级变速器一、机械式无级变速器的工作原理二、CVT的关键部件三、典型运用实例2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第34页机械式无级变速器的工作原理当主、从动工作轮的可动部分做轴向移动时，即可改变传动带与工作轮的啮合半径，从而改变了传动比。工作轮可动部分的轴向移动是根据汽车的行驶工况，通过控制系统进行连续的调节而实现的无级变速传动。2019/8/8哈尔滨工业大学（威海）第36页CVT的关键部件1.金属带2.工作轮3.液