液力耦合器

第11章液力耦合器2020/4/112第11章液力耦合器11.1液力耦合器的工作原理11.2液力耦合器的特性11.3液力耦合器的类型和结构11.4液力耦合器与内燃机的共同工作11.5液力耦合器的选择2020/4/1122020/4/11311.1液力耦合器的工作原理液力耦合器是利用液体的动能而进行能量传递的一种液力传动装置。它是由泵轮1﹑涡轮2﹑外壳3组成的，如图11-1所示，其结构简图见图9-2a。2020/4/113图11-1液力耦合器主要构件1—泵轮；2—涡轮；3—壳体；4—主轴。2020/4/11411.1液力耦合器的工作原理•在泵轮和涡轮环状壳体内，沿径向均匀地分布着很多叶片。泵轮1与盆状的壳体3固定，组成耦合器的外壳，壳内充满工作液体。涡轮置于壳体内，其端面与泵轮端面相对，有一定间隙且同轴线放置。泵轮与输入轴相连，涡轮与输出轴相连。目前使用最广泛的是无内环液力耦合器。•泵轮和涡轮及壳体所围成的空间，形成一个封闭的液体循环流道，该流道就叫工作腔或循环圆，此圆最大直径叫做液力耦合器的有效直径，用D表示。因工作液体在循环圆内作圆周运动，又随两工作轮一起绕轴线转动，因而工作液体在液力耦合器中是作圆周螺旋运动。2020/4/11511.1液力耦合器的工作原理•液力耦合器与液力变矩器工作原理相似。图11-2是液体在泵轮和涡轮进出口处的速度三角形，右边是泵轮B的速度三角形，左边是涡轮T的速度三角形。液力耦合器工作轮叶片出口处相对速度W2都垂直于圆周速度，因此出口速度三角形为直角三角形，出口绝对速度的圆周分速度就是，出口轴面分速度就是W2。工作轮入口处的速度三角形不是直角三角形，原因是液流进入叶片时相对速度W1和圆周速度不垂直，这时的液流角和叶片角不相等，产生了液流冲击损失。因一般情况下，液力耦合器的传动比，因此，。另外，泵轮和涡轮进口绝对速度与前一工作轮的出口绝对速度相等，即，。2u2u1u1BTnni12TBuu21TBuu21BTvv21TBvv2020/4/11611.1液力耦合器的工作原理图11-2液力耦合器的速度三角形2020/4/11711.1液力耦合器的工作原理•液力耦合器工作轮叶片和液体的相互作用所产生的力矩与液力变矩器的作用原理一样。在理想条件下，液力耦合器的力矩方程为•泵轮：•涡轮：)(1122BuBBuBBrvrvgQM)(2222TTBBrurugQ)(222TBgQ)(1122TuTTuTTrvrvgQM)(2222BBTTrurugQ)(222BTgQ（11-1）（11-2）2020/4/11811.1液力耦合器的工作原理•将式（11-1）与式（11-2）相加，有•上面推导过程中应用了如下速度和半径关系（参看图11-2）：，，，•式（11-3）说明，在不计各种损失情况下，泵轮作用于工作液体的力矩与涡轮作用与液体的力矩大小相等方向相反，或者说泵轮的输入力矩等于涡轮的输出力矩，力矩方向相同。今后为了分析方便，把、统称为传动力矩。BTMM（11-3）221BuBuTuvv221TuTuBuvv12BTrr12TBrrBMTMM2020/4/11911.2液力耦合器的特性•液力耦合器的特性是指它的主要性能参数如传动力矩﹑泵轮转速﹑涡轮转速﹑传动比﹑转差率和效率等之间的关系。MBnTnisBTnniinnnsBTB1sinnnMnMBTBBTT1（11-4)(11-5)(11-6)2020/4/111011.2液力耦合器的特性11.2.1液力耦合器的外特性•当﹑都为常数时，﹑的关系称为液力耦合器的外特性，其特性图线如图11-3。图中横坐标也可用﹑来表示。•外特性由实验求得。因，所以当与用相同比例尺时，是从坐标原点起始与坐标轴成的直线。但当时，急速下降，这是由于此时的传动力矩很小，而磨擦损失的力矩所占比例显著增加的缘故。所以当时，。Bn)(1TnfM)(2Tnfisii45995.0~99.0i1i12020/4/111111.2液力耦合器的特性图11-3液力耦合器的外特性2020/4/111211.2液力耦合器的特性•图中，I点为零矩工况，此时，发动机带动耦合器空转，﹑﹑﹑、功率P≈0；II点为设计工况，该工况点一般在接近液力耦合器可能达到的实际最高效率点，此时的效率用表示，即=0.96~0.975。通常用过载系数来评价液力耦合器的过载能力：•0MTBnn1i0MMGZmax（11-7)2020/4/111311.2液力耦合器的特性式中•——时的传动力矩；•——设计工况时的传动力矩。•Ⅲ点是零速工况，即（或）为零时的工况，这是车辆起步或制动时的工况。此时，、、功率，此工况下耦合器传递的功率转变为热能而消耗掉了。•液力耦合器的正常工作范围应在Ⅰ～Ⅱ两工况之间，而Ⅱ～Ⅲ工况之间是超载工作范围。maxM0iMiTnmaxMM0i0P2020/4/111411.2液力耦合器的特性11.2.2液力耦合器的原始特性•把液力耦合器的转矩系数与传动比，效率与之间的关系称为它的原始特性，即﹑。•对于同一系列彼此相似的液力耦合器，象液力变矩器一样，可以根据相似原理推导出它的力矩方程：ii)(1if)(2if25BTBnDMMM(11-8)2020/4/111511.2液力耦合器的特性•式中D为液力耦合器的有效直径。理论证明，是随而变化的函数。对于同系列彼此相似的液力耦合器，不论大小是否相同，它们的原始特性曲线都是一样的，所以也叫做类型特性，它是通过实验或外特性曲线并利用公式换算出来的，如图11-4。图11-4液力耦合器的原始特性曲线2020/4/111611.2液力耦合器的特性11.2.3液力耦合器的通用特性•通用特性是在﹑一定时，当不同的时的特性。它可由原始特性线及式（11-8）﹑的关系绘制出它的通用曲线。取，当取不同的若干个时，就有若干个相对应的、、、值，这样就能绘制出时的曲线。同理，取、…，就可以得出多条取不同值时的曲线。将这些曲线绘在同一坐标图上，就成了液力耦合器的通用特性图，这些特性线覆盖一个平面区域，如图11-5。为了能了解任一工况时的效率，一般还在通用特性图上绘出等效率线，如图中、。DBn)(TnfMBTnniBBnnTniMBBnn)(TnfMBBnnBnBn)(TnfM2020/4/111711.2液力耦合器的特性图11-5液力耦合器的通用特性2020/4/111811.2液力耦合器的特性11.2.4液力耦合器的输入特性•的关系称为输入特性，也叫负荷特性。当、一定时，由原始特性知，给定为某一值，就有对应的值，在以作自变量代入转矩公式，可以得到一条曲线；同理，给定一系列不同值时，就可以做出一系列这样的曲线，这就是液力耦合器的输入特性线，如图11-6。)(BBnfMMDiBn25BnDM)(BnfMi2020/4/111911.2液力耦合器的特性11.2.5部分充液特性•液力耦合器在使用中，一般并不将工作液体完全充满，充液量和工作腔容积的比值叫做相对充液量。充液量改变，其外特性也将发生变化。•液力耦合器在部分充液时，环流具有自由表面。环流的分布和形状随转差率s(或者说）而变化。q2020/4/112011.2液力耦合器的特性•当时，泵轮和涡轮中的液体因离心压力相等而无相对流动，工作液体对称地分布在工作轮的外缘，如图11-7a。当增加，因泵轮和涡轮中的离心力不均衡，于是液体产生循环流动。涡轮内液体的向心流动到达b点时，流速已下降到零，环流从b点开始由向心流动变为离心流动，并由c点进入泵轮，如图11-7b。如果再增加到某值时，由于涡轮液流的向心流动更强，使液流可流到它的内缘，并在处进入泵轮，如图11-7c。这是一种临界状态，在此状态之前液体循环流动是小循环。0sssls1BR2020/4/112111.2液力耦合器的特性•当后，因涡轮转速更低，液流的向心流动比离心流动大，所以液流会沿着涡轮内缘而进入泵轮，并紧贴泵轮外环内壁面流动，形成大循环，如图11-7d，小循环过度到大循环的临界转差率为。在临界状态，泵轮中液流平均流线的入口半径产生突变，使传递力矩突然升高，影响运转的平稳性。采取措施有两个，一是在涡轮中心部位增设挡板；二是使涡轮诸叶片与其壳体构成的流动出口半径不相等，缓解临界状态的突变程度。•相对充液量不同，临界转差率也不同，一般是越大，越小。lssls1BRqlsqls2020/4/112211.2液力耦合器的特性图11-7液力耦合器部分充液时的液流循环情况2020/4/112311.3液力耦合器的类型和结构11.3.1液力耦合器的类型•液力耦合器按其应用特性可分为三个基本类型，即普通型、限矩型、调速型及两个派生类型：液力耦合器传动装置与液力减速器。根GB/T5837-93“液力耦合器型式与基本参数”国标规定，型号如下。2020/4/112411.3液力耦合器的类型和结构表11-1液力耦合器类型与代号2020/4/112511.3液力耦合器的类型和结构•我国的液力耦合器已形成不同型号的几个系列，如YOXD限矩型及YOTC调速型。图11-8为YOXD型液力耦合器的功率图谱。图11-8YOXD限矩型液力耦合器功率图谱2020/4/112611.3液力耦合器的类型和结构11.3.2液力耦合器的结构（一）普通型液力耦合器•普通型液力耦合器是最简单的一种耦合器，它是由泵轮1、涡轮2、外壳皮带轮3主要元件构成，如图11-9所示。它的工作腔体容积大，效率高（=0.96～0.98，是最高效率），传动力矩可达6～7倍的额定力矩。但因过载系数大，过载保护性能很差，所以一般用于隔离震动﹑缓减启动冲击或作离合器使用。**2020/4/112711.3液力耦合器的类型和结构图11-9普通液力耦合器1—泵轮；2—涡轮；3—外壳皮带轮。2020/4/112811.3液力耦合器的类型和结构(二)限矩型液力耦合器•常见的限矩型液力耦合器有静压泄液式、动压泄液式和复合泄液式三种基本结构。前两种在建设机械中用的较为广泛。1．静压泄液式液力耦合器•图11-10是静压泄液式液力耦合器结构图及外特性图。为了减小液力耦合器的过载系数，提高过载保护性能，在高传动比时有较高的力矩系数和效率，因此，在结构上与普通型液力耦合器有所不同。它的主要特点是泵轮2﹑涡轮3对称布置，并且有挡板5和侧辅腔4。挡板装在涡轮出口处，起导流和节流作用。2020/4/112911.3液力耦合器的类型和结构1—输入轴套；2—泵轮；3—涡轮；4—侧辅腔；5—挡板；6—外壳；7—输出轴。2020/4/113011.3液力耦合器的类型和结构图11-10静压泄液式液力耦合器（a）结构图；（b）腔型；（c）外特性曲线。2020/4/113111.3液力耦合器的类型和结构•这种液力耦合器是在部分充液条件下工作的。当转差率（即，是临界转差率时的传动比）时，工作腔中的液流呈小循环，环流还不能触及挡板，所以，增加挡板后不会影响耦合器在此阶段的正常工作。但是，当（即）后，工作腔中的液流呈大循环而触及挡板。因挡板的节流作用，使环流流流量减少而限制了传动力矩的增加。如果挡板直径较小，限矩作用不大；如果挡板直径过大，虽限矩作用明显，但因此而带来液流在挡板处产生旋涡，使液体温度上升而效率下降的后果，不能满足工作机械在低传动比时的要求,为此，需增设侧辅腔。lss0lii1lilslsslii2020/4/113211.3液力耦合器的类型和结构•侧辅腔位于涡轮外侧与外壳6之间，腔内储存的液体以约的转速旋转所造成的离心静压力与工作腔环流的压力相平衡。当超载时，降低（即s增大），侧辅腔内的液体转速也随之降低，致使腔内离心静压力下降。但是，这时在工作腔内的环流也因s的增大而使其流量﹑能量增加，导致环流的压力大于侧辅腔液体的压力，迫使工作腔的液体