摘要:液力变矩器是液力传动系统中最重要的部件之一,具有自动适应性、无级变速、良好稳定的低速性能、减振、隔振及无机械磨损等优良特性,在车辆、工程机械、石油化工等领域得到了广泛应用。文章论述了液力变矩器的构造和工作原理、增矩原理,并对液力变矩器制造方法的发展现状及其在我国的发展前景进行了探讨。
关键词:液力变矩器;增矩原理;非刚性扭矩变换器;液力传动系统
中图分类号:TH137文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)13-0038-02
一、液力变矩器的特性及形式
液力变矩器是以液体为工作介质的一种非刚性扭矩变换器,是液力传动的型式之一。
液力变矩器具有的优良特性,自动适应性、无级变速、良好稳定的低速性能、减振隔振及无机械磨损等,是其它传动元件无可替代的。历经百年的发展,液力变矩器的应用不断扩大,从汽车、工程机械到石油、化工、矿山、冶金机械等领域都得到了广泛的应用。液力变矩器的流场理论、设计和制造、实验等研究工作,近年来,也得到了突飞猛进的发展。国外已普遍将液力传动用于轿车、公共汽车、豪华型大客车、重型汽车、某些牵引车及工程机械等。
目前广泛使用的液力变矩器主要有下列几种形式:(1)普
通三工作轮闭锁式液力变矩器。结构简单,车辆起动和低速行使时,主要利用变矩器的增矩性能,换档时利用变矩器的缓冲性能,高速时将变矩器闭锁,充分利用机械传动的高效性能;(2)多工作轮液力变矩器。主要用于需要起动转矩大的工程机械和车辆,和需要液力变矩器多工况工作的机械上;(3)导叶式液力变矩器。当负载需作双向运动,对动力性能具有恒速或恒力等特殊牵引特性要求时,液力变矩器必须具有可调节反馈控制的功能,并在动态指标方面满足一定的要求。主要应用领域是,具有特种牵引要求的各种军、民用机械,如空中加油软管曳绕卷盘机械,主被动双向运动恒力加载试验机械,大型固定式提升机械,陆基或船基水下物件曳绕机械等;(4)牵引-制动型液力变矩器。在保证牵引能力的同时,充分利用液力变矩器的减速制动性能。俄罗斯研制了一种牵引-制动型液力变矩器。
二、液力变矩器的构造
液力变矩器以液体作为介质,传递和增大来自发动机的扭矩。液力变矩器由可转动的泵轮和涡轮,以及固定不动的导轮三元件构成。各件用铝合金精密铸造或用钢板冲压焊接而成。泵轮与变矩器壳成一体。用螺栓固定在飞轮上,涡轮通过从动轴与传动系各件相连。所有工作轮在装配后,形成断面为循环圆的环状体。它有一个密闭工作腔,液体在腔内循环流动,其中泵轮、涡轮和导轮分别与输入轴、输出轴和壳体相联。动力机(内燃机、电动机等)带动输入轴旋转时,液体从离心式泵轮流出,顺次经过涡轮、导轮再返回泵轮,周而复始地循环流动。泵轮将输入轴的机械能传递给液体。高速液体推动涡轮旋转,将能量传给输出轴。液力变矩器靠液体与叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。液力变矩器不同于液力耦合器的主要特征是它具有固定的导轮。导轮对液体的导流作用使液力变矩器的输出扭矩可高于或低于输入扭矩,因而称为变矩器。变矩系数随输出转速的上升而下降。液力变矩器的输入轴与输出轴间靠液体联系,工作构件间没有刚性联接。液力变矩器的特点是:能消除冲击和振动,过载保护性能和起动性能好;输出轴的转速可大于或小于输入轴的转速,两轴的转速差随传递扭矩的大小而不同;有良好的自动变速性能,载荷增大时输出转速自动下降,反之自动上升;保证动力机有稳定的工作区,载荷的瞬态变化基本不会反映到动力机上。液力变矩器在额定工况附近效率较高。叶轮是液力变矩器的核心。它的型式和布置位置以及叶片的形状,对变矩器的性能有决定作用。有的液力变矩器有两个以上的涡轮、导轮或泵轮,借以获得不同的性能。最常见的是正转、单级(只有一个涡轮)液力变矩器。兼有变矩器和耦合器性能特点的称为综合式液力变矩器,例如导轮可以固定、也可以随泵轮一起转动的液力变矩器。为使液力变矩器正常工作,避免产生气蚀和保证散热,需要有一定供油压力的辅助供油系统和冷却系统。
三、液力变矩器的工作原理
目前使用液力变矩器设备上广泛采用由泵轮、涡轮和导轮组成的单级双相三元件闭锁式综合液力变矩器。泵轮和涡轮均为盆状的。泵轮与变矩器外壳连为一体,是主动元件;涡轮悬浮在变矩器内,通过花键与输出轴相连,是从动元件;导轮悬浮在泵轮和涡轮之间,通过单向离合器及导轮轴套固定在变速器外壳上。
发动机启动后,曲轴带动泵轮旋转,因旋转产生的离心力使泵轮叶片间的工作液沿叶片从内缘向外缘甩出;这部分工作液既具有随泵轮一起转动的园周向的分速度,又有冲向涡轮的轴向分速度。这些工作液冲击涡轮叶片,推动涡轮与泵轮同方向转动。
从涡轮流出工作液的速度可以看为工作液相对于涡轮叶片表面流出的分速度与随涡轮一起转动分速度的合成。当涡轮转速比较小时,从涡轮流出的工作液是向后的,工作液冲击导轮叶片的前面。因为导轮被单向离合器限定不能向后转动,所以导轮叶片将向后流动的工作液导向向前推动泵轮叶片,促进泵轮旋转,从而使作用于涡轮的转矩增大。
随着涡轮转速的增加,分速度也变大,当涡轮叶片表面流出的分速度与随涡轮一起转动分速度的合速度开始指向导轮叶片的背面时,变矩器到达临界点。当涡轮转速进一步增加时,工作液将冲击导轮叶片的背面。因为单向离合器允许导轮与泵轮一同向前旋转,所以在工作液的带动下,导轮沿泵轮转动方向自由旋转,工作液顺利地回流到泵轮。当从涡轮流出的工作液正好与导轮叶片出口方向一致时,变矩器不产生增扭作用 (这时液力变矩器的工况称为液力偶合工况)。
单向离合器常用的单向离合器有滚柱式和楔块式两种。当单向离合器的外座圈相对于内座圈向一个方向转动时,外座圈与内座圈间被卡死不动;当外座圈相对于内座圈向另一个方向转动时,外座圈可相对于内座圈转动。
液力变矩器靠工作液传递转矩,比机械变速器的传动效率低。在液力变矩器中设置锁止离合器,可以在高速工况下将泵轮与涡轮锁在一起,实现动力直接传递,提高变矩器的传动效率。
液力变矩器的锁止离合器位于涡轮前端,由锁止活塞、减振盘和涡轮传动板等组成。锁止离合器在液压自动操纵系统的控制下,能在适当的时机进行锁止切换。
四、液力变矩器的增矩原理
概括的来说,汽车在低速时,需要增加扭矩时,泵轮传给涡轮的液流冲向导轮,导轮又导向液流再次冲向涡轮,所以涡轮得到了增加的扭矩。随着转速的升高,导轮导向液流再次冲击涡轮的角度变化,涡轮得到增加的扭矩变小。最后冲击导轮的液流冲击导轮的反面,导轮单向转动,也就不再起到增加扭矩的功能。
具体的说,在汽车起步之前,涡轮转速为0,发动机通过液力变矩器壳体带动泵轮转动,并对液压油产生一个大小为Mp的扭矩,该扭矩即为液力变矩器的输入扭矩。液压油在泵轮叶片的推动下,以一定的速度冲向涡轮上缘处的叶片,对涡轮产生冲击扭矩,该扭矩即为液力变矩器的输出扭矩。此时涡轮静止不动,冲向涡轮的液压油沿叶片流向涡轮下缘,在涡轮下缘以一定的速度,沿着与涡轮下缘出口处叶片相同的方向冲向导轮,对导轮也产生一个冲击力矩,并沿固定不动的导轮叶片流回泵轮。当液压油对涡轮和导轮产生冲击扭矩时,涡轮和导轮也对液压油产生一个与冲击扭矩大小相等、方向相反的反作用扭矩Mt和Ms,其中Mt的方向与Mp的方向相反,而Ms的方向与Mp的方向相同。根据液压油受力平衡原理,可得:Mt=Mp+Ms。由于涡轮对液压油的反作用,扭矩Mt与液压油对涡轮的冲击扭矩,大小相等,方向相反。因此可知,液力变矩器的输出扭矩在数值上等于输入扭矩与导轮对液压油的反作用扭矩之和。显然这一扭矩要大于输入扭矩,即液力变矩器具有增大扭矩的作用。液力变矩器输出扭矩增大的部分即为固定不动的导轮对循环流动的液压油的作用力矩,其数值不但取决于由涡轮冲向导轮的液流速度,也取决于液流方向与导轮叶片之间的夹角。当液流速度不变时,叶片与液流的夹角愈大,反作用力矩亦愈大,液力变矩器的增扭作用也就愈大。这就是变矩器的增矩原理。
五、液力变矩器制造方法的发展现状
液力变矩器的制造,随着液力变矩器的结构形式及应用场合不同而有所不同。叶轮的制造可以分为两大类:组装式和整体铸造式。前者叶轮的内环、外环及叶片分别采用金属板冲压或铣制而成,然后,用焊接、铆接的方法,将三部分组装成完整的叶轮,该方法具有单件成本低,加工精度和流道的表面粗糙度高的优点,但工装成本高。后者叶轮的内环、外环及叶片直接由模具浇注成一体,一般是铝铸件。根据形成流道的型芯的制法不同,工作轮的铸造方法分为整体型芯法和组合型芯法,适合于具有空间曲面形状且不等厚度的叶片的叶轮的制造。根据形成铸型型腔材料的不同,工作轮的铸造方法又可分为砂型铸造和金属型铸造。采用金属型、石膏芯复合铸造工艺生产液力变矩器铝叶轮的方法,可以提高铸件的表面粗糙度,保障尺寸精度,并能铸造出叶片根部的圆角。
六、液力变矩器在我国的发展前景
液力变矩器在我国有广阔的市场,入世以后,我国液力变矩器的制造业正面临着前所未有的挑战。另一方面,无论是液力变矩器的设计方法,还是其制造方法仍有许多工作值得去做。要积极推广变矩器的使用,开发新型液力变矩器,并不断地改善其性能。液力变矩器的研究工作对我国工业水平的提高,对工程机械的发展都存在深远的意义。
参考文献
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[3]安永东.汽车液压、气压与液力传动[M].化学工业出版社,2010.
[4]黄宗益.现代轿车自动变速器原理和设计[M].同济大学出版社.2006.
作者简介:熊毅,男,川庆钻探工程公司长庆固井公司特车修理厂书记,副厂长,工程师,研究方向:车辆维修。
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