液力-第5章液力机械传动.

12液力机械传动是由液力变矩器或液力偶合器和用以改变（或扩大）液力元件性能的机械元件（行星齿轮机构）结合起来的一种复合传动装置，如图5-1所示。它具有液力传动的无级变速、变矩和自动适应性的优点，由于装有机械元件，扩大了性能和应用范围，但结构复杂，抗振性能有所削弱。图5-1液力机械变矩器液力变矩器组成液力变矩器作用35.1液力机械传动的类型与特点5.1.1液力机械传动的类型液力机械传动在输入端有功率分流，在输出端有功率合流。从功率的流向上看，液力机械传动有以下几种不同类型：液力机械传动功率外分流功率内分流复合分流分流行星排，在输入端分流合流行星排，在输出端合流导轮传递功率，导轮与涡轮分流多涡轮传递功率，两独立涡轮分流功率分流内外兼有4第一类传动装置，其传动功率的流向，在输入端（R）与输出端（C）之间存在液力元件和机械元件两条平行的支路，如图5-2a所示。图中“Y”、“J”、“YJ”分别表示液力元件、机械元件和液力机械传动元件，也称这种传动为外分流式液力机械传动。BTYYJCR图5-2a液力机械传动的功率分流示意5第二类传动装置是在液力元件内部存在功率分流，然后借助于机械元件实现汇流输出。此称之为内分流式液力机械传动。第三类传动装置，其功率呈串流式全部通过液力元件和机械元件，具体是在液力传动上串联一个机械变速器，如图5-2b所示。此外，还有内、外分流兼而有之的液力机械传动系统。图5-2b液力机械传动的功率分流示意6在液力机械传动中，机械元件有采用行星传动的，也有采用定轴式多轴变速器的。如图5-3上海32吨自卸汽车传动系统简图所示。该系统有三个前进档和一个倒车档，所有传动齿轮都处于经常啮合的状态，每个前进档只经过一对齿轮传输动力。在每一档位的啮合齿轮中，都有一个齿轮是空套在转动轴上并通过摩擦离合器与传动轴联接。在需要换入该档时，操纵液压控制系统，可使相应的多片式离合器接合，齿轮与轴即可一体旋转。离合器松脱，该档退出传动工作状态。在很多工程机械行走系统中广泛采用这类传动装置。7图5-3上海SH380－32吨自卸汽车液力机械传动系简图85.1.2液力机械传动的应用与特点以液力机械传动装置在坦克上的应用说明其工作特点。坦克作为战斗车辆，既不同于火车行驶在轨道上，也不同于汽车行驶在公路上。它在十分复杂的路面行驶时，遇到沟壑土丘、残垣断壁、水渠田垄等都要跨越而过。因此，坦克遇到的阻力变化很大，必须在坦克的发动机之后，配上一套增力变速机构，以扩大发动机输出牵引力的变化范围和转速的变化范围。虽然机械传动装置传动效率高，且结构简单，但操作性能不如液力机械传动装置，例如像坦克行驶时，驾驶员要根据地面阻力的变化，不断地换档。为减少换档次数，减小驾驶员操作的疲劳强度，世界各国多数主战坦克采用液力机械传动装置，在发动机与变速器之间安装了一个液力变矩器，以增强适应地面阻力变化的能力。9然而，液力机械传动装置存在效率低的情况，如最初装在M46坦克上的CD－850传动装置的液力变矩器不是带闭锁离合器的，无论坦克在复杂地面上的低速行驶，还是在公路上的高速行驶，发动机动力都要经过液力变矩器，因此传动效率低，燃油消耗量大。车辆的牵引性能代表其动力性能的好坏。液力机械传动中，由于液力变矩器能实现连续地自动换档，因而加速性能可得到极大的提高，故牵引性能好。车辆的机动性能主要是指随路面条件的变化而快速反应的能力。液力机械传动，由于其自动适应性好，即使车速再低，甚至停车，也不会出现发动机熄火现象。在换档时，由于液力机械传动采用液压控制来实现，没有齿轮的移动，也不必切断动力，这就扩大了车辆行驶的速度范围，提高了车辆的平均行驶速度和加速性能，故机动性能好。10在液力机械传动中，由于在纯液力传动的基础上增加了一级机械传动，故液力机械传动既提高了纯液力传动的经济性，又具备了机械传动的优点，故综合经济性较好。由于液力传动是非刚性连接，可起到保护发动机和传动装置的作用，避免由于振动引起的相互间的附加载荷，因而大大提高了零件的使用寿命。液力机械传动中，不装主离合器，换档也不必切断动力，且采用液压动力换档，既简化了操作，又使操作轻便，使驾驶员在体力上、精神上都不致引起过度的疲劳，对提高车辆安全行驶十分有利，因而其操纵性能较好。综上所述，在提高车辆的安全行驶方面，液力机械传动有着其明显的优势，是一种较为先进的传动装置，已在世界各国广泛应用，也是我国车辆传动装置的发展方向。115.2行星齿轮机构的传动常识行星齿轮机构结构紧凑、动力运输能力强、传动效率高、便于行驶中换档，尤其是其工作主构件具有同一个旋转轴线，可以方便地与液力元件的泵轮和涡轮相连，因而常作为理想的机械元件与液力装置组合成液力机械传动系统。液力机械传动中，常用行星齿轮传动机构有单行星排、双行星排和复合行星排三种，如图5-4所示。（1）简单行星排：单排、单行星、内外啮合式行星齿轮机构（图5-4a）。图5-4用于分流、合流的行星排a）简单行星排行星齿轮的工作原理演示1234512（2）双行星排：单排、双行星、内外啮合式行星齿轮机构（图5-4b）。b）双行星排图5-4用于分流、合流的行星排13（3）复合行星排：单排、双联行星外啮合式行星齿轮机构（图5-4c）。（c）复合行星排图5-4用于分流、合流的行星排14表示行星齿轮传动机构的结构性能参数称为行星机构的特性参数。对于简单行星排和双行星排：等于齿圈和太阳轮的齿数比。gtZZ式中------齿圈的齿数；------太阳轮的齿数。gZtZ对于复合行星排2121tXXtZZZZ对圆柱齿轮，值可按下式选取：3/4≤≤4/515简单行星排三构件在六种不同连接方案下传动比计算公式见表5-1。表5-1行星排构件不同连接方案下的传动比计算公式165.3外分流液力机械传动图5-5为外分流式液力机械传动框图，输入总功率流一分为二，其中一路功率流通过液力变矩器，而另一路功率流则直接通过机械传动（行星齿轮机构）。输入功率在输入轴分流，然后双流功率在输出轴处汇合。总功率P分功率流P1分功率流P2差速器执行机构P0图5-5外分流式液力机械传动框图17图5-6为功率外分流式的液力机械复合传动方案，其中5-6a是行星排在输入端的一般原理；图5-6b、c是行星排在输入端的两个可实现的方案（行星排的行星架为主动件）；图5-6功率外分流式液力机械传动方案18图5-6d是行星排在输出端的一般原理；图5-6e、f是可实现的方案（行星架j为输出的被动件）。这种外分流式的液力机械传动用于动力机与工作机之间，如高级轿车、重型汽车及工程机械上。19美国卡特皮勒（Caterpillar）公司在184～331kW轮式牵引车传动系统中采用了外分流式液力机械变矩器，其传动装置运动学简图如图5-7所示。该传动装置是由输入端的行星排闭锁离合器C、制动器B、离心涡轮式单级三叶轮液力变矩器和单向离合器M所组成。单向离合器可使输出轴2在转速高于涡轮轴时，二者松脱联接。图5-7轮式牵引车的传动装置离合器的工作原理演示123420液力机械变矩器有如下三种工况：（1）闭锁离合器C和制动器B同时松脱：液力变矩器正常工作，液力机械传动装置处于分流传动状态，用于轮式牵引车的低速作业工况。（2）闭锁离合器C松脱，制动器B结合：此时行星排成为一个传动比i21=(1+α）/α＝4/3的机械增速器。液力变矩器停止转动，涡轮借助于单向离合器与输出轴松脱。这种纯机械增速传动适用于轮式车辆的运输作业工况。（3）闭锁离合器C结合，制动器B松脱：由于液力变矩器泵轮处于旋转状态，涡轮除了在启动的瞬间可能与输出轴不同步外，持续运转时也都与输出轴一起旋转。这种直接传动工况适合拖车启动工况或车辆高速下坡行驶时作动力制动使用。21液力机械变矩器在分流传动工况时，其主要参数为i21、K21、η21、λ1、nB、MB和PB，根据这些主要参数，液力传动有如下特点：（1）液力变矩器在牵引工况下，液力机械变矩器也处于牵引工况。0~1i210~1i（2）在整个工况区，液力机械变矩器均以功率分流方式工作，可获得较之纯液力传动更高的效率值，即。21043i21（3）启动工况时泵轮传递全部功率，而当时，泵轮传递功率减少为。B1PP1i1B4PP（4）能容系数显著增大，启动力矩也显著增大。（5）正透穿性大大增加。225.4内分流液力机械传动功率内分流液力机械变矩器的机械传动部分（行星齿轮机构）放在变矩器之外，如图5-8所示，其功率分流是在液力变矩器内部实现的。功率由泵轮输入，而由两个或两个以上独立旋转的叶轮分别传递一部分功率，最后通过机械传动机构将叶轮的输出功率汇流输出。a）b）图5-8功率内分流的液力机械变矩器235.4.1强制导轮旋转型的内分流液力机械变矩器强制导轮旋转的变矩器是由涡轮和强制旋转的导轮共同传递泵轮输入的功率（图5-8a）。根据被强制旋转导轮的转向又可分为强制导轮正转和强制导轮反转的内分流液力机械变矩器。强制导轮反转的内分流液力机械变矩器能提高低转速比范围内的变矩系数；强制导轮正转的内分流液力机械变矩器则可提高高转速比范围的效率。现以瑞典SRM公司的DS型强制导轮反转的液力机械变矩器为例，说明其结构与工作特点，图5-9为该装置的运动学简图和原始特性曲线。它是这一类液力机械传动中较有代表性的一种装置，并得到了成功的应用。242468KYJ00.20.40.60.81i21KYJ0.20.40.60.801.0YJYJ图5-9DS型内分流液力机械变矩器运动学简图25DS型液力机械变矩器有下列三种工况：（1）导轮反转工况。在工况区，制动器B2制动，制动器B1和闭锁离合器C分离时。（2）导轮固定工况。在工况区，制动器B1制动，制动器B2和闭锁离合器C分离时。（3）直接传动工况。当时，制动器B1、B2分开，导轮成为自由轮而浮动，闭锁离合器C接合。210~0.37i210.37~0.71i210.71i265.4.2多涡轮的内分流液力机械变矩器多涡轮内分流液力机械变矩器的导轮固定不动，功率的分流和传递通过两个以上独立旋转的涡轮来实现（图5-8b）。传递功率的涡轮有双涡轮和多涡轮两种。应用多涡轮液力机械变矩器的目的在于能够获得高的零速变矩系数，扩宽高效范围。有时，多涡轮液力机械变矩器可能只有一个涡轮工作，其它涡轮则自由旋转。此时，多涡轮液力机械变矩器将按一般的单涡轮液力变矩器工作。27现以ZL50型装载机用的双涡轮液力机械变矩器为例，简要介绍这类变矩器的结构和工作特点（图5-10）。图5-10双涡轮型液力机械变矩器a）结构简图b）原始特性曲线ab28ZL50装载机用双涡轮液力机械变矩器有以下几种工作状态。起步工况时，主要是第一涡轮TI工作。第二涡轮TII则根据结构不同可能有几种不同工况：液流对涡轮作用的力矩为负力矩、零力矩和正力矩。在负力矩时，结构上应保证第二涡轮退出工作，以提高启动时的变矩系数。由于第二涡轮与输出轴刚性连接，不能退出工作。因此要求叶片应保证高转速比工作有较高效率，而低转速比时，不致产生负力矩。起步工况后，第一涡轮TI转速提高。由第一涡轮流出的液流冲向第二涡轮TII叶片的工作面，液流对第二涡轮产生正力矩。在i21=0～0.525区段，是两个涡轮共同输出功率的工作范围。但第二涡轮的力矩是逐渐增大的，第一涡轮的力矩将逐渐减小，直至退出工作。295.4.3复合分流的液力机械变矩器这是一种兼有内外分流工作特点的液力机械变矩器，实际上是一种双涡轮内分流液力变矩器，第一涡轮TI（即循环涡轮）的部分功率通过行星排传动，以循环的方式返回液力变矩器的泵轮；泵轮B、循环涡轮TI及行星排之间构成一个外分流液力机械变矩器（图5-11）。图5-11复合分流液力机械变矩器一般形式30现以VKD复合分流液力机械变矩器为例，介绍其结构与工作特点。VKD液力机械变矩器是由液力变矩器、单排单行星齿轮机构、差速器及两个单向联轴器组成，如图5-12所示。液力变矩器有四个工作轮，除泵轮B和导轮D外，还有两个独立工作的涡轮TI和TII。第一涡轮TI的叶片是可旋转的，它的转动