1、第五章 液力機械傳動系統第一節 概 述 液力機械傳動的主要元件為液力變矩器(偶合器)和動力換檔變速器，特別是變矩器在車輛上廣泛應用。就單獨變矩器來說，它能使傳動系獲得無級變速和變矩的能力；良好的自動適應性既提高了操縱性又提高了車輛的通過性；變矩器還可以吸收振動和沖擊，有效提高傳動系和發動機的壽命，同時也改善了操作者的舒服性。但是由于其效率低，使發動機油耗大，結構復雜、造價高，一度曾使其失去了應用價值。后來液力傳動與機械變速器組合形成液力機械傳動后，其功能得到擴展，才有了迅速發展的趨勢。液力機械傳動是工程機械行走傳動系的主要傳動方式，我國的裝載機、推土機、內燃叉車、起重機、大中型載重汽車等基本上

2、都應用液力傳動，本章就針對液力機械傳動進行詳細討論。 液力機械傳動主要由變矩器與動力換檔變速器組成。以下就介紹變矩器與動力換檔變速器。液力變矩器是由幾個葉輪組合而成的一種非剛性聯結的傳動裝置，功率的傳遞主要是通過液體動量矩的變化來實現的。液力變矩器是當前液力傳動的主要元件。變矩器的主要工作特點是具有外載荷的自動適應性，能夠無級地調速和變矩，使發動機的功率得到充分的利用。由于變矩器是以液體作為工作介質來傳遞功率的，因此液力傳動具有良好的緩沖、減振作用，使機器的啟動、運轉十分平穩、柔和，從而能夠延長機器的使用壽命，由于變矩器具有上述優點，因此它在汽車、工程機械、起重運輸、內燃機車、礦山機械、石油電

3、力、港口船舶、林業及農業機械、化工設備以及軍工等部門，都得到了廣泛的應用。一、 液力傳動的發展歷程 國外液力變矩器的發展，與機械傳動、電氣傳動等相比較，是一門比較年輕的學科。從第一臺液力變矩器問世，到現在只有一百來年的歷史，在這一百年間，液力傳動的發展，有起有伏，幾經輾轉才有今天的現狀。第一臺液力變矩器是由德國的費丁格爾（Föttinger）教授于1902年首先提出，并于1908年應用到工業上。1920年又由包易爾（Bauer）在費丁格爾的基礎上去掉導輪裝置，便構成了第一臺液力偶合器。由于當時英國精密齒輪制造技術的飛速發展，而液力傳動剛剛處于萌芽階段，其優越性尚未顯示出來，因而發展極

4、為緩慢，這段時間從1910年至1930年，達二十年之久，直到三十年代初期才又重新崛起。當時瑞典的阿爾夫·里斯豪姆（Alf.Lysholm）為西屋電氣公司設計生產了一臺徑流葉片裝置的機車汽輪機，它與當時較常用的軸流葉輪裝置的汽輪機不同，但因當時柴油機電力傳動機車已經發展起來，汽輪機車已逐漸被淘汰。所以，阿爾夫·里斯豪姆為了使其發明不致于前功盡其，便設想將泵輪和離心渦輪結合到一起，以一種輕油作為工作介質，于是便產生了第一臺三級液力變矩器，它的泵輪和第一級渦輪為離心式，第一導輪為軸流式，其余葉輪均為向心式。為了給這種三級液力變矩器尋求用戶，里斯豪姆同英國里蘭汽車公司的史密斯（Sm

5、ith）工程師合作，史密斯采用了里斯豪姆的液力變矩器，并增加了閉鎖離合器和單向離合器的結構裝置，這便成為有名的里斯豪姆史密斯型液力變矩器。該變矩器曾應用在公共汽車上。之后，阿爾斯·卡爾馬斯斯普云非爾德（Allis.Chalmers-Springfiel）工廠和菲亞特阿爾斯（Fiat-Allis）建筑機械公司在履帶式拖拉機上也開始采用了液力變矩器（三級）。自此以后，液力傳動則以其特有的工作特性在各個工業部門得到越來越廣的應用。尤其是在第二次世界大戰時期，珍珠港的打撈絞車、登陸艇的錨鏈鉸車、坦克、自行火炮等都應用了液力變矩器。軍事工業的應用，引起了世界各國汽車、拖拉機、工程機械、起重運輸

6、、石油開采等各部門對液力傳動的關注和應用。美國在七十年代研制的B1戰略轟炸機上的燃汽輪機的啟動裝置上也采用了液力變矩器。關于國外液力變矩器的發展簡史可用表1來加以概括說明。19表1液力變矩器發展史名稱年代類型零速變矩系數功率范圍（HP）最高效率最高效率時轉速比說 明Föttinger1908變矩器510083%2.01920年應用在輪船上（16000HP）并由Voith公司應用于機車和工業上Bauer1920偶合器1適用于不同功率在Föttinger變矩器基礎上去掉導輪而構成偶合器最后由Vulcon形成偶合器Reiseler1925二級變矩器344084%13二級F

7、6;ttinger變矩器，用于汽車傳動Simclair1727偶合器1適于不同功率Vulcan-Sinclair型偶合器，用于汽車，并在1930年形成“液力自動輪”具有廣泛的應用領域Coats1929多相變矩器343086%13利用三列可調式導輪葉片，形成Vickers-Coats型變矩器Lysholm1930多級變矩器55086%20Lysholm-Smith型變矩器，已在英、美、德各國應用Voith1932變矩器和偶合器348085%13用于機車車輛的各種傳動上Trilok1934綜合式變矩器378080%14整體裝置的綜合式變矩器Salerni1937二級綜合式變矩器378082%13二

8、級綜合式液力變矩器Schneider1940綜合式變矩器372588%15改進綜合式變矩器的效率 二、 液力傳動的發展現狀 據有關資料介紹，全世界液力變矩器的年產量已達幾千萬臺以上。如歐美等工業發達國家，轎車的液力變矩器裝備率最高時可達80%以上，日本在九十年代的年產量約100萬臺。第二節 液力變矩器2 . 1 液力變矩器的結構和工作原理液力變矩器由泵輪、渦輪和導輪作用于成，所有工作輪都在一個封閉的環形空腔內，其縱向斷面通常稱為變矩器的循環圓。變矩器的循環圓內充滿工作液體，工作液體由油泵經調節閥調節壓力后從泵輪的入口處進入變矩器，又從渦輪的出口處通到變矩器的冷卻器。變矩器主要術語：級是指渦輪元

9、件插在其它構件的元件之間的個數。是指渦輪構件的元件數目。相是指由單向離合器或其它裝置如離合器或制動器等，當作用變化時而產生工作元件用裝置的數目。單向離合器僅向一個方向輸送轉矩的裝置。轉速比（i）是指輸出轉速與輸入轉速之比變矩系數(k)是指輸出轉矩與輸入轉矩比零速變矩系數(K0)指當渦輪停止轉動時的轉矩比能容(Mb(1000)變矩器收功率的能力22 液力變矩器的分類與選型 液力變矩器的類型液力變矩器的類型及分類方法較多，現就工程機械常用的變矩器介紹如下：（1） 單級和多級液力變矩器液力變矩器按照布置在其它兩個工作輪（泵輪與導輪或導輪與導輪）之間的渦輪數，可分為單級變矩器和多級變矩器。多級變矩器的

10、各級渦輪彼此剛性連接，以提高渦輪輸出軸的輸出力矩。有時渦輪數為兩個或兩個以上，但每個渦輪并不安置在其它兩個工作輪之間，則仍為單級液力變矩器，可按其渦輪數稱為雙渦輪變矩器或三渦輪變矩器。單級變矩器結構簡單，工作可靠，變矩系數K0也較大，一般可達34。多級變矩器雖然K0較大，但結構復雜，價格較高，故應用不廣而被單級液力變矩器所取代。（2） 液力變矩器的渦輪型式單級變矩器按照渦輪在循環圓中的布置可分為向心式渦輪、軸流式渦輪和離心式渦輪三種。（3） 單級和多相式液力變矩器液力變矩器根據工作輪相互配合作用的數目，可分為單相、兩相、和三相等。工作輪相互配合作用的變換是采用自由輪機構或其它方法來達到的。單導

11、輪綜合式變矩器是單級兩相式變矩器，雙導輪綜合式變矩器是單級三相式變矩器。我國批量生產的ZL50輪式裝載機是雙渦輪液力變矩器，其結構特點是：第一渦輪與第二渦輪分別由兩根相互套裝的輸出軸通過匯流機構匯流后將動力傳給變速箱。第一渦輪經一對減速齒輪，通過自由輪機構將動力傳給變速器輸入軸與第二渦輪另一對減速齒輪動力,動力匯流后傳給變速器輸入軸。高速輕載時，第一渦輪空轉，動力由第二渦輪單獨傳遞；低速重載時，自由輪鎖死，兩個渦輪同時工作，變矩系數增大。因此，此種型式的變矩器為單級兩相式。2 . 3液力變矩器與發動機的共同工作1 變矩器的原始特性 包括Mb(1000)、k、等i=n2/n1k=M2/M1=k、

12、IMb(1000)=Mb*106/nb2下圖是一典型的單渦輪和雙渦輪液力變矩器的原始特性曲線.2 液力變矩器的輸入特性變矩器輸入特性是研究M1=f(n1)的變化關系。輸入特性可根據原始特性用力矩計算方程求得。3液力變矩器的輸出特性 變矩器的輸出特性是研究M2、M1、n1、=f(n2)的變化關系.4 .變矩器的評價指標(1) 變矩系數K：制動工況K0表示變矩器克服短期超載的能力。(2) 傳動效率：希望最高效率高，同時變矩器高效率范圍區段要寬。(3) 透過性：變矩器的透過性是研究M(b)=f(i)的變化關系，根據各種車輛的工況來選擇透過性。(4) 泵輪力矩系數：M(b) 下表及圖是某單渦輪液力變矩

13、器結構圖及變矩器的原始數據及特性曲線。典型單渦輪液力變矩器結構圖單渦輪液力變矩器性能參數序號iKMbg(Nm)備 注10.000 3.020 0.000 116.300 20.100 2.682 0.268 120.890 30.200 2.384 0.477 122.530 40.300 2.127 0.638 122.720 50.397 1.889 0.750 120.870 60.400 1.879 0.752 120.730 70.500 1.639 0.820 116.530 80.600 1.415 0.849 113.170 90.683 1.255 0.857 109.310

14、 最高效率點100.700 1.221 0.855 108.420 110.7981.000 0.798 95.650 120.800 0.996 0.797 95.250 130.8420.891 0.750 85.630 140.9000.745 0.671 66.970 151.0000.335 0.335 22.130 典型單渦輪變矩器原始特性曲線下圖為我國ZL50輪式裝載機用雙渦輪液力變矩器結構圖及原始特性曲線.1-工作泵 2-變速泵 3一級渦輪輸出齒輪 4-二級渦輪輸出齒輪 5-變速泵驅齒輪 6-導輪座 7-二級渦輪 8-一級渦輪 9-導輪 10-泵輪 11-齒輪 12-變速器輸入

15、軸13-離合器滾柱 14-離合器內圈雙渦輪液力變矩器結構圖雙渦輪液力變矩器原始特性曲線第三節 動力換檔變速器3 . 1概述動力換檔變速器與液力變矩器相配合使用。根據車輛性能要求動力換檔變速器具有一定的檔位數，與工程機械配合使用的變速器一般前進與后退檔位數相同。 動力換檔變速器和人力換檔變速器的主要區別是用液壓離合器作為操縱元件。動力換檔變速箱按結構原理分為定軸式和行星式兩種。3 . 2動力換檔變速器基本型式和方案選擇321動力換檔變速器的基本型式： 主要是從齒輪傳動方上來分一般有兩種型式：定軸式和行星式322方案選擇對于大部分工程機械，目前般采用前進四檔、后退四檔的變速器，這是由工程機械的工作

16、工部優而決定的。從換檔方式上來說有如下兩種方式式（1） 摩擦離合器各嚙合套結合換檔 實現方式是用四個摩擦離合得到前進一、二檔和倒退一二檔，再結合嚙合套得到高低檔，從而實現前進四檔后退四檔。這種方式的變速器在我國目前應用較多，例如我國大部分ZL30輪式裝載機、我公司的PY160平地機、部分廠家生產的ZL50裝載機等都采這種方式。優點是結構簡單、成本低，缺點是換檔不方便，國外已經很少采用。（2） 全部摩擦離合器換檔所有檔位都采用摩擦離合器換檔，對定軸式前四后四變速器，需要六個摩擦離合器，對前三后三變速器需要五個摩擦離合器。對于行星式變速器，是摩擦離合器與制動器結合工作的。該種結構方式換檔方便，目前

17、采用的電液換檔可以完全實現自動控制，該種方式是目前大量采用的方式。缺點是結構復雜，成本高。3 . 3定軸式動力換檔變速器這種變速器的每一個檔由液壓操縱的濕式離合器控制，齒輪均屬外嚙合齒輪。動力換檔定軸式變速器因為有摩擦離合器換檔，所需軸向尺寸大，這樣就不可能在兩軸間實現多檔變速，所以這種變速器一般都采用多軸串聯式，以適應工程機械的前進及倒退檔數相同的要求。對于工程機械用變速器該結構制造工藝性好、傳動效率高，從傳統的觀點來說，同等功率一般情況下其尺寸重量均比行星齒式變速器大。但是現代工藝水平的發展，該種變速器的結構重量也不比行星式差。對于小汽車及小型汽車變速器，目前基本沒有采用定軸式動力換檔變速

18、器的。(1) 方案選擇目前工程機械動務換檔變速箱一般采用前四后四、前三后三、前四后三的檔位數，換檔都采用液壓換檔，很少再加機械換檔。（2） 結構設計一、傳動簡圖的設計，在設計一變速器之前，繪制傳動簡圖是必不可少的,它可為傳動比的分配及齒輪的計算提供依據.。繪制傳動簡圖一般是參考現有的國內外已有的傳動方式，再根據設計的具體在求來進行的。變速器的發展已有多年的歷史，從現論上來說，可以有全新的傳動方式，但從實際結構等出發，很難脫離已有的技術，繪制全新的傳動簡圖。下圖示例為某一變速器傳動簡圖實例。 定軸式變速器的特點是采用多片摩擦離合器，一般離合器受兩軸中心距的限制，尺寸不能太大。為使多個離合器傳遞力

19、矩小，以減小離合器的尺寸，同時各個離合器盡量統一規格，減少制造成本。另外，在空轉的離合器中，被動片間產生的相對轉速也不能太高，以減小液力摩擦損失，使傳動效率降低，同時相對轉速過大，當空轉的離合器重新結合時，離合器片滑磨增加，使離合器發熱。二、 配齒和變速器主要參數的確定確定變速器傳動簡圖后，配齒是比較容易的。變速器主要參數的確定： 齒輪模數m及中心距A，齒輪模數是決定齒輪大小和幾何參數的重要參數，直接影響到齒輪的彎曲及疲勞強度。對于中小功率的車輛，齒輪模數一般為3.55之間。齒輪模數確定后即可計算出中心距A。齒輪輪齒寬度B，齒輪寬度B的大小直接影響齒輪的強度。一般以中心距或模數的比例系數來確定

20、齒寬B。軸徑d，軸徑一般是根根據齒輪及離合器等結構來設計時確定，相關資料上都有多種公式，一般只可作為參考。三、 主要零件結構設計變速器中的零件成百上千計，每個零件都是至關重要的，如果每個零件都進行理論計算，是不可能的，也是不實際的，大部分是參考設計。對齒輪及花鍵的計算可參考相關資料，下面只對動力換檔變速器的換檔離合器的設計作以說明。（一）旋轉密封 多片摩擦離合器的旋轉密封，一直是我國動力換檔變速器的主要故障源之一。大部分變速器的旋轉密封是布置在兩端的，也有的變速器是將旋轉密封設計在離合器內。 由于旋轉密封面的相對轉速較高，一般線速度最高可達30米/秒，所以密封環磨損嚴重，密封環磨損后，漏油嚴重

21、，換檔離合器的操縱油壓建立不起來，使車輛無法正常行走。以前，旋轉密封環一般為金屬鑄鐵密封環，近幾年，大部分廠家都將其改為聚四氟乙烯。主要優點是容易裝配，壽合也可以。但是還沒有達到與變速器其它零件同等壽命的要求，此技術仍有待研究。下圖是某一變速器中換檔離合器的詳細結構。（二）換檔離合器的結構及設計 換檔離合器是變速器是的主要和關鍵部分。 不管各廠家生產的變速器結構千差萬別，但其離合器的內部結構是基本相同的，均由摩擦片、鋼片、活塞、密封圈及軸承等組成。 摩擦片是離合器中的關鍵零件，摩擦片的摩擦材料一般為銅基粉沫冶金，目前國外開始用紙基摩擦材料，其優點是動靜摩擦系數接近，對要求較高的自動換檔變速器來

22、說比較適合，再就是造價較低。國外的摩擦片大都是紙基摩擦材料，目前我國對紙基摩擦材料還是處于試制研究階段，沒有形成產品。 換檔離合器的設計及計算主要包括如下內容。1. 離合器回位彈簧計算1)彈簧鋼度KG剪切彈性模量d彈簧鋼絲直徑D2彈簧中徑n工作圈數2)彈簧安裝力P13）彈簧工作力P24）彈簧在最大工作負荷所產生的最大剪切力 c彈簧指數 c=D2/dk曲度系數 k=(4c-1)/(4c-4)= 取=550N/mm2 滿足max< 2.離合器轉矩容量計算 （1）摩擦片的壓力 活塞面積：D活塞大徑d活塞小徑 活塞壓力： P活=p操。S活-P2 p操離合器操縱油壓 對動力換檔變速箱離合器的操縱油

23、壓一般為1.22.5Mpa，壓力太小，離合器的結構就大，壓力過高摩擦片的比壓太大，容易損壞，同時旋轉密封的泄漏也較大。（2） 摩擦片的實際比壓： 摩擦片的總面積：S片=/4（D2-d2） 油槽面積： S槽=n.L.B-n/2.Z.B2 n油槽條數L油槽長度B油槽寬度Z每條油槽與其它油槽相交點數 摩擦片實際面積： S實= S片-S槽摩擦片實際比壓：p實= P片/S實(3)離合器轉矩容量M摩=n.P活.Rcp.n摩擦副數Rcp摩擦片平均有效半徑Rcp=（D+d）/4 摩擦系數，對銅基粉末冶金一般取0.08-0.12。 多片效率3離合器儲備系數 對于一般車輛按附著力決定離合器最大轉矩計算。 一般情況

24、下，推薦離合器儲備系數為1.11.2即可。離合器設計時的計算還包括有熱容量、滑磨功等的計算，計算公式復雜并且還不是很成熟 , 涉及的參數太多，一般設計不計算。另外離合器的設計還包括排油閥的設計。3.4 行星式動力換檔變速器它由幾排行星齒輪機構組合而成。根據機構的組合形式用離合器或制動器控制行星機構的構件以達到變速的目的。采用行星齒輪機構可以用較少的行星排以得到適當多的檔位數；能以較少的空間傳遞較大的功率；由于行星機構上受力較小，其齒輪模數僅是定軸式的一半。（1） 行星傳動原理 復雜的行星齒輪變速器，是由基本的行星機構組合而成，行星齒輪變速器中的用的基本行星機構大多數是單排內、外嚙合行星機構，簡

25、稱行星排。 行星排有三個基本元件，太陽輪、齒圈和行星架組成。（2）前二后一行星變速器 我國目前ZL40、50輪式裝載機上應用的均為行星傳動變速箱。它由兩個行星排和一個制動器組成。發動機的動力傳遞給雙渦輪液力變矩器，變矩器的兩個渦輪分別用兩根相互套裝在一起的輸出軸將動力通過常嚙齒輪副傳遞給變速器。雙渦輪變矩器由于自由輪機構的作用，可根據裝載機的運行阻力，自動達到液力變矩器第二渦輪單獨工作和兩個渦輪同時工作的目的，且由于常嚙齒輪副的傳動比不同，所以相當于一個兩檔自動變速器，使變速器的檔位數減少，簡化了使用者的操作，因此變速器只有兩個前進檔一個倒退檔，行星變速器由兩個行星排組成。兩行星排的太陽輪、行星輪、齒圈的齒數都相同，兩行星排的太陽輪設計為一體，通過花鍵與變速器的輸入、輸出軸聯接，前行星排齒圈、后行星排行星架和制動器從動轂通過花鍵連成一體，前行星架和后行星排齒圈分別