第1章第4节

-1-第四节液力机械传动液力机械传动：传动系中除机械传动装置，还有液体传动的液力装置。在液力机械传动系中，常把液力装置与机械变速器组合为液为机械变速器。液体传动分为：动液传动（液力传动）和静液传动（液压传动）。液力传动：依靠液体在循环流动过程中动能变化传递动力。液力传动装置有液力偶合器、变矩器两种。液压传动：依靠容器容积变化（液体压力能变化）传递动力。常用液压装置有千斤顶、水压机、液压油泵、液压油缸等。液压传动很少用于汽车传动系，但特殊用途汽车的工作装置常用液压传动。如汽车吊、自卸汽车等。在汽车的操纵系统中，常用液压传动，如动力转向系、液压制动系、离合器、自动变速器操纵系统。液力机械变速器优点：①使汽车起步更平稳，提高乘坐舒适性，能吸收、衰减冲击振动；②能获得极低的稳定车速，提高在坏路面上通过性；③能自动适应行驶阻力变化，可实现无级变速，有利于提高动力性，车速；④减小传动系动载荷，提高机件寿命；⑤明显减小换档次数，便于实现自动、半自动换档。简化操作，可避免发动机因外载突变而熄火。液力机械变速器广泛用于高级轿车，超重型汽车，高通过性军车和城市大型客车。目前美产轿车全部采用这种变速器。液力机械变速器缺点：结构复杂，造价高，传动效率低。我国产轿车还很少采用。货车、客车则更少。一、液力偶合器1、组成：泵轮——主动轮，与外壳一起固定在发动机曲轴上，将发动机发出的机械能转化为液体的动能。涡轮——从动轮，与从动轴机连，将液体动能转化为机械能输出。泵轮、涡轮都称为工作轮。在其环状壳体之内径向排列到许多等距或-2-不等距的叶片。涡轮装在密封的外壳之内，端面与泵轮相对，二者有一定间隙（3～4mm）泵轮、涡轮组装好之后，通过轴线的纵断面呈环形，称为循环圈。环状壳体内装有工作液。2、工作原理：1）运动分析：工作轮转动，工作液被叶片带动一同转动，在离心力作用下，工作液从叶片内缘向外缘流动。使外缘处压力高于内缘压力。压力差取决于工作轮半径和转速。因泵轮直径与涡轮直径相等，在泵轮转速高于涡轮转速时，泵轮外缘压力大于涡轮外缘压力。因此，工作液不仅有随时工作轮一起的转动圆周运动——牵连运动；还有在上述压力差作用沿着叶片的循环流动——相对运动。工作液的绝对运动（实际运动）是二者的合成，即液体质点的实际运动轨迹是在环形壳体内的环形螺旋线，也称螺管运动。2）动力传递及能量转换泵轮：带动液体做圆周运动，把转矩传给液体，因液体相对泵轮叶片作离心运动，其圆周速度（牵连速度）逐渐增大，绝对速度增大，液体动能增大。涡轮：液体由泵轮流入涡轮，相对运动为向心运动，圆周速度逐渐下降，绝对速度减小，又将动能传给涡轮输出。（在此期间，不但圆周速度减小，其惯性力推动涡轮，而且相对速度和转动角速度也要产生哥氏加速度rkvwa，方向与牵连速度方向相反，哥氏力也推动涡轮）。由于液流冲击涡轮被减速，液流动能又转化为机械能由涡轮输出。3）动力传递的必要条件工作液在泵轮、涡轮中有循环流动（相对运动）。产生循环流动的条件是：wBnn，若wBnn，不能传动。4)工作特点:只能传递扭矩，不能改变扭矩，即WBMM。原因是：液流在偶合器内的循环流动中，仅受到泵轮和涡轮的作用，没受其它外力的作用。3、偶合器优缺点：优点：①能保证平稳起步和加速-3-②能衰减传动系振动，防止过载，延长传动系、发动机寿命。③显著减少换档次数，甚至不摘杨，发动机也能怠速运转。缺点：①不能改变转矩，必须有变速器；②不能与发动机完全分离，还需离合器；③传动效率低。故偶合器很少使用。二、液力变矩器1、组成：泵轮——主动轮，与外壳连为一体，固定在发动机曲轴上。涡轮——从动轮，通过从动轴与传动系相连。导轮——固定轮，固定在不动的套管上。工作轮常用高强度铝合金精密铸造，或用钢板冲压焊接而成。工作轮叶片不是径上平直的，而是以不同倾斜方向、弯曲地制在工作轮上。2、工作原理与偶合器一样，变矩器工作时，装在环形内腔中的工作液除有随时工作轮的运动外，在有沿叶片在循环圆内的循环流动。所以，也能将转矩从泵轮传给涡轮，与偶合器不同的是：变矩器不仅能传递转矩，还能在泵轮转矩不变的情况下，随涡轮转速（反映车速）的不同改变涡轮输出转矩的大小。变矩器能变矩的原因是结构上比偶合器多了一个固定不转的导轮，液流在循环流动中，导轮也对液流作用有转矩，该转矩通过液流也传给了涡轮，使涡轮转矩不同于泵轮转矩。为便于分析，常用展开图来说明变矩器原理。展开图做法：流线：循环圆上某一质点运动轨迹在循环圆上的投影。中间流线：将循环圆分割为内外面积相等的两部分的流线。将各循环圆中间流线都在同一平面上展开，这样泵轮、涡轮和导就可展成三个环形（或条形）的平面。工作轮叶片的形状和角度就可以显示在图上。为便于分析，假定bbnM,不变，这样泵轮流出液流的绝对速度bv的大小、-4-方向不变。工作液流以一定方向（角度）冲向涡轮叶片，然后沿涡轮叶片流出冲向导轮，再沿导轮叶片流回泵轮。当液流流过工作轮叶片时，受叶片作用，其方向、速度都发生变化。设泵、涡、导三轮对液流作用转矩分别为dwbMMM,,1）起步工况起步前wn=0,工作液在泵轮叶片带动下，以一定绝对速度和方向冲向涡轮叶片，受涡轮叶片作用后改变速度和方向沿涡轮叶片流出，进入固定不动的导轮，又沿导轮叶片流回泵轮。在此过程中，液流分别受泵轮、涡轮、导轮作用有转矩，dwbMMM,,，根据液流受力平条件有：dbwMMM。由于液流受涡轮转矩wM与液流对涡轮的作用转矩wM大小相等、方向相反，因此，数值上dbwMMM，方向与dbMM,方向相同。可见，这时bwMM，变矩器起到了增大转矩作用。2）变矩工况（起步后工况）：当变矩器输出转矩传动驱动轮，产生的驱动力大于行驶力时，汽车由静止开始运动，并逐渐被加速，wn由零逐渐增大。涡轮出口处的相对速度w不变，牵连速度u逐渐增大，绝对速度v的大小、方向随wn增大不断变化，方向逐渐向左倾斜。对导轮冲击逐渐减小，dM减小，因此dbwMMM也逐渐减小。3）偶合器工况当wn增至某一数值，涡轮流出液流的方向正好与导轮流出液流方向一致，液流流经导轮方向不变，对导轮无冲击。dM＝0，这时，dwMM（与偶合器相同）4）wn继续增大，wv继续向左倾斜，这时液流冲击导轮叶片背面，导轮力矩dM与bM相反，这时，dbwMMM，即:bwMM，且随wn逐渐增大，wM逐渐趋于零。5）当bwnn时，循环流动消失，动力传递中断，wM＝0。因此，变矩器变矩原理在于：有固定导轮对液流也作用有转矩，该转矩和泵轮转矩都通过液流传给了涡轮；而且，导轮转矩随wn增大而减小，从而使wM随wn增大而自动减小。-5-3、变矩器特性在bbnM,不变条件下，wM随wn变化规律称变矩器特性。常用图表示，称特性曲线图。变矩系数bwMMk，一般汽车0(3~20wnk时），k与wn关系：MMwMb0ωwωw'ωw=ωbMdMb00knw（最大，起步工况）wnk（变矩工况）11knnww（偶合器工况）0knnbw（动力中断）实际上，K随wn的改变而连续变化。变矩器效率：iknMnMPPbbwwbw其中：bwnni称为变矩器传动比。与一般传动比意义不同。在00＝时，i0.80.4～i较高，约为80％～90％；01＝时，i因为k＝0由于汽车经常在10.8～i下工作，这时η很低，不能满足要求，改善方法：①采用综合式液力变矩器-6-将导轮装在单向自由轮离合器上，在1wwnn时，导轮随液流转动（偶合器）。②采用锁止离合器在变矩器k=1时，用摩擦式离合器将泵轮与涡轮锁住。i=1，η＝100％，相当无变矩器。在起步和坏路行驶，离合器分离，起变矩作用。而在好路上行驶，接合离合器，成为直接传动，改变动力性、经济性。三、液力机械变速器液力变矩器虽能在一定范围内自动地无级地改变转矩比和传动比，但变矩能力不大，且效率较低，不能充分满足汽车使用要求。所以常把液力变矩器和齿轮式变速器组合成液力机械式变速器，与变矩器配用的齿轮变速器多为行星轮系变速器，也称为定轴轮系。（一）行星齿轮变速器工作原理1、单排行星齿轮机构运动规律（单行星轮）作用在太阳轮上力矩：111rFM作用在齿圈上力矩：222rFM作用在行星架上力矩：333rFM令齿圈与太阳轮齿数比为1212z,rrz＝即：，而121312212rrrrrr由行星轮受力平衡条件得：13212FFFF，因此：113112111)1(rFMrFMrFM根据能量守恒定律，三元件上输入、输出功率代数和应为零。则：0)1(0)1(0321321321332211nnn或得：代入称为单排单行星轮机构一般运动规律特性方程。可简称为运动特性方程。同理可得：单排双行星轮机构运动特性方程：0)1(0)1(321321nnn或-7-单排单行星轮系变速原理：①太阳轮——主动，行星架——从动，齿圈固定（即0zn）则，2111221zznni（减速）②齿圈——主动，行星架——从动，太阳轮固定（01n）有，2112132zznni（减速）③太阳轮——主动，齿圈——从动，行星架固定（03n）有：zznni221（减速倒退）④行星架——主动，太阳轮——从动，02n，有：211113nni（增速）⑤行星架——主动，齿圈——从动01n，有：21113nni（增速）⑥齿圈——主动，太阳轮——从动03n，有：121nni(增速倒退)⑦三元件中任两元件锁死：如21213211nnnnnnn则i＝1（直接档）⑧三元件同时旋转，则成为差速机构，可用来分解或合成旋转运动。⑨三元件中有任一个元件不受约束，则不能传动（空档）（二）常见行星齿轮变速机构1、红旗CA7560变速机构由两排单行星轮系组成，其中第一行星排齿圈、第二行星排太阳轮与变矩器涡轮相连接，两个行星排行星架连在一起，前行星排太阳轮与离合器-8-从动鼓相连，而离合器主动鼓与涡轮轴相连。第二行星排齿圈输出。此外，有低速档制动器B1和倒档制动器B2.空档：C分离，B1、B2放松，行星机构自由转动。低速档：C分离，B1制动，B2放松，这时前排太阳轮固定。前齿圈行星轮行星架后行星轮后齿圈输出动力后太阳轮后行星轮72.11-＝＝低i（i计算见教材）高速档：C接合，B1、B2放松，前太阳轮与齿圈连成一体。行星系统被锁死1＝离i（直接档）倒档：C分离，B1放松，B2制动，行星架不动。前行星排自由转动，动力由后排太阳轮行星轮后齿圈输出39.2--＝＝倒i2、采用辛普森轮系（本田皇冠2.8A40变速器）该轮系具有3个前进档，一个倒档特点：①有两个单行星轮系组成，太阳轮连为一体②两路输入：C1后排齿圈C2太阳轮③前排齿圈与后排行星架输出动力④两制动器：B1制动太阳轮，B2制动前排行星架⑤前排行星架与箱体间装单向离合器F运动学方程11211212210)1(0)1(BCsCsBBBnnnnnnnnnnnn空档：C1、C2分离，动力中断Ⅰ档：C1接合，C2分离，B1、B2放松，这时下接合（相当于B2制动）。其它档时，前行星架转动方向与Ⅰ档相反，F分离，可省去档时B2制动油路，简化液压系统2121nniIⅡ档：C1接合，B1制动iⅡ＝1Ⅲ档：C1接合，C2接合iⅢ＝1-9-R档：C2接合，B2制动iR＝3、拉威挪轮系（马向达）该轮系有4个前进档，1个倒档，由一个单行星轮系和一个双行星轮系组合而成。有3离合器，2制动器。运动学方程24314224122321213120)1(0)1(BCCCBCBCnnnnnnnnnnnnnnnⅠ档：C1、B22iⅡ档：C1、B11121iⅢ档：C1、C21iⅣ档：C3、B1111i