液壓與液力傳動

1、液壓與液力傳動液力部分教案（20062007學年第一學期）授課教師：劉輝機械與車輛工程學院第一章 緒論 （一）教學內容液力傳動的定義、發(fā)展與應用、液力傳動特點和液力元件設計方法（二）教學目標1了解液力傳動和液力元件的定義2了解液力傳動的發(fā)展和應用3分析液力傳動的特點4了解液力元件的設計方法（三）教學重點1液力傳動的特點2液力元件的設計方法（四）教學難點1液力傳動在車輛上應用的優(yōu)缺點2液力元件的一元束流理論設計方法（五）教學方法以課堂講授為主，穿插提問和啟發(fā)等互動教學方式；（六）教學媒體1課件2板書（七）教學安排一、液力傳動的定義所有的動力機械一般都是由原動機、傳動機構和工作機三部分組成。原動機

2、一般為電動機、內燃機（汽油機、柴油機）、蒸汽機等。傳動機構有電力傳動、機械傳動、及流體傳動等。流體傳動又可分為氣壓、液壓、液力、液粘傳動。液壓傳動：液體的壓能傳遞動力（靜液傳動）氣壓傳動：氣體的壓能傳遞動力液力傳動：液體的動能傳遞動力（動液傳動）液粘傳動：液體的油膜剪切力傳遞動力液力傳動主要依靠工作液體的動能的變化來傳遞或變換能量的液體元件稱為液力元件，在傳動系統(tǒng)中若有一個以上環(huán)節(jié)是采用液力元件來傳遞動力，則這種傳動稱為液力傳動。二、液力傳動的發(fā)展與應用德國菲丁格爾研制出第一臺液力變矩器，并于1908年應用于船舶工業(yè)。19世紀三十年代應用到汽車上，二戰(zhàn)用于軍車。20世紀50年代，應用于工程機械

3、和機車上應用領域：軍車、坦克、裝甲車工程機械： 裝載機、起重機。民車：公共汽車、高級轎車（舒適性）航空： B-1戰(zhàn)略轟炸機。三、液力傳動特點1優(yōu)點：1） 使傳動系統(tǒng)獲得自動、無級變速和變矩能力，使車輛具有自動適應能力。車輛起步平穩(wěn)。2） 具有減振、降低動負荷作用，可提高發(fā)動機、傳動系統(tǒng)的壽命。提高了乘員的舒適性。3） 具有良好的穩(wěn)定的低速性能，提高了車輛通過性。2缺點：1） 與機械傳動相比，效率較低，經濟性要差些。2） 需要增加一些附加設備，如供油冷卻系統(tǒng)等，體積和重量略大，結構較復雜，造價要高。3） 不能利用發(fā)動機制動來制動車輛，不能用牽引的辦法來啟動發(fā)動機。四、設計方法 1. 一元束流理論

4、：液體無粘性、流體質點運動軌跡與葉片滑線重合。中間平均流線，任一工作輪出口流動狀況與入口無關。2. 二元流動理論：認為流動在過旋轉軸軸心的一組軸平面內進行，每一平面內速度和壓強分布相同，流動是兩個空間坐標的函數。3. 三元流動理論：準二維理論、流線曲率法、三維不穩(wěn)定粘性流動等理論。用于分析。4. 束流理論及其假設認為液流通過工作輪流道中的流動是單元流動（即束流理論），其假設為：1）在工作輪中的液流是無限多單元液流（束流）組合而成的。而且這些單位液流對工作輪的旋轉軸是對稱的。因此，在工作輪中液流相應的質點的運動軌跡相同，而且假設同一過流斷面上的各點的軸面速度均相同。2）工作輪內的葉片數目為無限多

5、，葉片的厚度為無限??；在這種情況下，液體質點的運動軌跡與葉片的形狀和方向一致。3）液體流過工作輪時，液流與葉片間的相互作用，可以用具有平均值的中間流線（或稱設計流線）的流動狀況來代表（見圖中的點劃線1-2）。這樣，整個工作輪中液體的流動，就可以用對中間流線的研究來代替。4）任一工作輪入口處的液體流動狀況，完全取決于前一工作輪出口的流動狀況。5）工作輪入口處液體流動狀況的變化，不影響工作輪出口處液體的流動情況。第二章 液力傳動基礎知識（一）教學內容液體在工作輪中的運動及速度三角形、動量矩定理和各工作輪轉矩、工作液體與工作輪的能量變換（二）教學目標1了解液體在工作輪中的運動2繪制和分析速度三角形含

6、義3運用動量矩定理推導工作輪轉矩4掌握歐拉方程的推導（三）教學重點1各工作輪的速度三角形意義2各工作輪轉矩的表達式（四）教學難點1動量矩定理的運用2工作輪與工作液體的能量變化過程3歐拉方程的推導以及各項物理意義（五）教學方法以課堂講授為主，穿插提問和啟發(fā)等互動教學方式；（六）教學媒體1課件2板書（七）教學安排§2-1 液體在旋轉工作輪中運動及速度三角形一、液體在旋轉工作輪中的流動牽連運動和相對運動在研究液體在旋轉工作輪中的流動情況時，常常要應用速度三角形的概念。任取一工作輪，假定工作輪的流道充滿著工作液體，當工作輪以角速度作順時針方向旋轉時，則工作輪流道內液體的任一質點的運動將由兩種

7、運動組成：一種是由工作輪帶動液體質點一起旋轉的旋轉運動，也叫做牽連運動，其運動速度以表示；另一種運動是液體質點沿工作輪中的葉片形成的流道流動時，相對于葉片的相對運動，其運動速度以表示。二、速度三角形將兩種運動速度按向量合成的原則相加，即可得到液體質點在工作輪中流動時的絕對運動速度。在速度合成過程中，由三個速度所形成的三角形（見圖2-1 b），叫做液體質點在工作輪中運動情況的速度三角形。在速度三角形中，角為絕對速度與牽連速度的正向間的夾角；角為相對速度與牽連速度的正向間的夾角。在液力傳動中，為了研究工作輪中液體流動的需要，常將液體質點的絕對速度，向軸面（過工作輪軸心線的剖面）和與軸面垂直的圓周運

8、動方向分解成兩個分速度和，其中叫做軸面分速度；叫做圓周分速度。與是互相垂直的。三、各個速度的大小和方向的確定速度三角形中各個速度的大小、方向以及相互間的關系如下。牽連速度其方向為液體質點圓周切線方向，其數值等于 式中 工作輪的角速度； 工作輪的轉速（轉/分）； 自工作輪中心至任意液體質點的半徑。軸面分速度在工作輪軸面內，假設液流是等速流，則的數值等于 式中 通過工作輪流量； 與軸面分速度相垂直的有效過流的斷面面積。相對速度等于圓周分速度等于 絕對速度是空間向量，其數值等于§2-2 液流的動量矩及液流與工作輪葉片的相互作用一、液流的動量矩設液體質量為，則與該點絕對運動速度的乘積，叫做該

9、質點的動量，以表示。由于速度是向量，因此動量也是向量。液體質點在葉片出口處的動量，在葉片入口處的動量，它們的方向與絕對速度，的方向相同。動量與動量至旋轉軸的垂直距離的乘積叫作液體質點對旋轉軸的動量矩。圖中，分別為液體質點在葉片出口和入口處對旋轉軸的動量矩，。由于；所以 同理 因此，葉片進出口處液體質點的動量矩實際上等于該點的質量與該點的絕對速度的圓周分速度和該點的半徑的乘積。二、液流與工作輪葉片的相互作用根據力學中的動量矩原理，一物體動量矩變化數量的大小與作用于該物體的力矩的大小和作用時間的長短有關，以公式表示，則為 式中表示動量矩的變化數量；表示力矩的作用時間。根據束流理論的假定，液流在工作

10、輪內流動時各質點的運動狀況對旋轉軸是完全對稱的，可把液流的全部質量集中于一點來研究，質點的質量。此質點由入口流至出口，其動量矩由變至，動量矩的增量為，引起這個增量的原因是由于工作輪對工作液體作用轉矩的結果。由上式得 將代入 化簡得 此式表明液體流經工作輪時，工作輪葉片與液流相互作用的力矩關系。這一關系十分重要，是研究液力元件工作原理、設計計算的理論基礎。應用此式時應注意式中和是指液流進入工作輪之前和流出工作輪后的絕對速度的圓周分速度。§2-3 工作液體與工作輪的能量變換歐拉方程式工作液體通過泵輪，將泵輪的機械能轉換成液體能。泵輪的機械能 泵輪內工作液體能式中工作液體的密度；重力加速度

11、；工作液體通過泵輪的流量；工作液體經泵輪建立的能頭。如不考慮損失，則將公式代入，經變換得即有：同理，可以得到渦輪、導輪內工作液體的能頭表達式一般為正值，即液體從泵輪吸收能量，能頭增高；由于一般為負值，而為負值，即流體能頭減小，轉換為渦輪輸出的機械能；導輪轉速為0，則，而，即液體在導輪內無能量交換。以上對能頭的討論是完全建立在束流理論假定的基礎上，因而稱其為理論能頭。與實際能頭是有出入的。第三章 液力變矩器（一）教學內容液力變矩器的結構、工作原理、特性和分類，液力變矩器的變矩原理、自動適應性。（第1、2、3節(jié)）（二）教學目標1了解液力變矩器的結構和種類2了解液力變矩器的工作過程3掌握液力變矩器各

12、工作輪的工作特性，能夠推導各工作輪的轉矩3運用力矩平衡和動量矩定理分析液力變矩器的變矩原理4運用渦輪速度三角形分析液力變矩器的自動適應性（三）教學重點1液力變矩器的工作特性及各工作輪速度三角形分析2各工作輪轉矩的表達式3分析液力變矩器的自動適應性（四）教學難點1動量矩定理的運用2工作輪與工作液體的能量變化過程3分析液力變矩器的自動適應性（五）教學方法以課堂講授為主，穿插提問和啟發(fā)等互動教學方式；（六）教學媒體1課件2教具3板書（七）教學安排§3-1 液力變矩器的結構、工作過程及種類以最簡單的三工作輪液力變矩器為例，來說明液力變矩器的工作過程。該液力變矩器的主要結構為泵輪B、渦輪T和導

13、輪D。液力變矩器循環(huán)圓內充滿著工作液體，液力變矩器不工作時，工作液體處于靜止狀態(tài)，不傳遞任何能量。液力變矩器工作時，由發(fā)動機帶動泵輪B旋轉，并將發(fā)動機的力矩MB施加于泵輪。泵輪旋轉時，泵輪內的葉片帶動工作液體一起做牽連的圓周運動，并迫使液體沿葉片間通路做相對運動。工作液體經受泵輪葉片的作用在離開泵輪時，獲得一定的動能和壓能，從而實現了將發(fā)動機的機械能變?yōu)橐后w的液能（動能和壓能）。由泵輪流出的高速油流，經過一段無葉片區(qū)段進入渦輪T，高速液流沖擊渦輪葉片，使渦輪開始旋轉，并且使渦輪軸上獲得一定的轉矩去克服外阻力做功。此時，液流在渦輪中的運動仍由兩部分組成，即與旋轉的渦輪一起運動的牽連運動，和在渦輪

14、葉片流道內的相對運動。由于液體沖擊葉片，一部分液能轉變?yōu)闄C械能，所以液體的動能和壓能降低。由渦輪流出的液流進入導輪。由于導輪固定不轉，即轉速，所以不管導輪上有無力矩作用，導輪上的功率始終等于零。因此，液流在導輪內流動時，沒有能量的輸入和輸出。當液體流經導輪時，液體只有沿導輪葉片所限制的流道作相對運動，因為沒有旋轉的牽連運動，所以液流的相對運動就是液流的絕對運動。液體流經導輪時，相對運動（或絕對運動）速度可發(fā)生兩種變化，一是速度大小發(fā)生變化，根據管中流動的伯努利方程式，這只有當葉片間的通道（或導輪的流道）斷面發(fā)生變化時才有可能，當導輪葉片進出口處的斷面相等時，則速度的絕對值相同；二是速度的方向改

15、變，液流進入葉片以后和離開葉片以前，液流的運動方向完全由葉片的形狀和進出口安裝角所決定的。由于液流速度大小和方向的改變都將導致液流動量矩的變化，而動量矩的變化導致在導輪上承受液體力矩的作用。導輪的主要作用是改變液體的動量矩。導輪改變液流的動量矩的同時，還改變液流液能的形式，即將液流的壓能變?yōu)閯幽?，或將液體的動能變成壓能。液流從導輪流出后，重新流入泵輪。重復上述液體的能量變換過程。在液力變矩器中，泵輪、渦輪和導輪的工作過程，彼此相互聯(lián)系，前一工作輪的出口液流狀態(tài)決定了后一工作輪入口液流狀態(tài)。從上述可以看出，在液力變矩器的工作過程中，液流與工作輪葉片的相互作用，包括速度的變化，能量和轉矩的變化與傳

16、遞，是一個相當復雜的過程。液力變矩器的種類1） 按渦輪數目分單級、二級、三級渦輪變矩器2） 按軸面液流在渦輪內的流動方向分為：離心渦輪變矩器軸流渦輪變矩器向心渦輪變矩器3） 按渦輪相對泵輪的轉動方向分為：（指牽引工況下）正轉：BTD渦輪與泵輪轉向相同反轉：BDT渦輪與泵輪轉向相反4） 按變矩器的能容是否可調分為：（外特性能否調節(jié)）可調變矩器：泵輪或渦輪葉片角度可調節(jié)不可調變矩器：外特性不可調5） 按照變矩器能否實現偶合器工況分：綜合式液力變矩器：泵輪和渦輪對稱布置，導輪裝在單向離合器上，導輪不轉變矩器、導輪隨泵輪旋轉偶合器。普通液力變矩器。§3-2 液力變矩器的工作原理液力變矩器的工

17、作原理的分析是以向心式三工作輪液力變矩器為例進行的。一、泵輪的工作特性1泵輪在液力變矩器中的作用1）泵輪旋轉時，由于葉片對液流的作用，使液體產生圓周運動（牽連運動）速度，和沿葉片間通路的相對運動速度，合成為絕對速度。2）由于液流進入葉片和流出葉片的絕對速度在數量和方向上的變化，使液體的動量矩發(fā)生變化。液流動量矩的變化是由于泵輪上的力矩，通過葉片對液流作用的結果。3）由發(fā)動機輸入液力變矩器的功率，通過泵輪葉片對液流的作用，將機械能變?yōu)橐后w液能，并以能頭表示。液體能的能頭由兩部分組成：一是速度能（動能），它是由液體絕對運動的速度增高來表示的；另一部分是壓力能，它由牽連運動（圓周運動）的離心壓力和相

18、對運動中由于截面的變化所引起的速度變化，最終引起壓頭的變化。下面通過對泵輪葉片入口和出口處液流速度三角形的分析，來建立上述參數變化的數量關系。2泵輪入口和出口處的速度三角形液體在泵輪葉片入口處和出口處的速度三角形，實際上是指入口處液流尚未進入葉片前和出口處液流剛離開葉片后的速度三角形。液體的牽連運動是旋轉運動，因此牽連運動速度的方向為圓周的切線方向，其大小與旋轉速度和葉片入口和出口處的半徑和有關。入口和出口處的牽連速度分為：液體在葉片入口和出口處的相對速度方向沿葉片骨線方向，數值為：式中 入口處和出口處葉片流道間的最短距離； 軸面上流道的寬度； 泵輪的葉片數。泵輪葉片入口和出口處的絕對速度為上

19、兩速度的向量和。其數值可按下式計算： 絕對速度是一個空間速度，通常把它按軸面和圓周運動的切向分解，因而得到兩個互相垂直的分速度和。即其中軸面分速度的方向與軸面上的中間流線相切，其大小等于式中 泵輪入口處和出口處截面阻塞系數； 泵輪出口和入口處與軸面速度相垂直的流道截面積。圓周分速度 的方向與牽連速度u的方向一致，其大小由速度三角形可知：在無葉片區(qū)段液流的動量矩不變，則3泵輪葉片與液流相互作用的力矩液體在泵輪葉片的作用下，動量矩發(fā)生了變化，液體由葉片入口至出口，動量矩增大，其原因是由于泵輪上力矩作用的結果?？傻帽幂喤c液體相互作用的力矩關系式，即將的關系式代入得： 由速度三角形的分析，有得4泵輪中

20、能頭的轉換及能頭泵輪通過葉片對液體的作用將發(fā)動機傳來的機械能變?yōu)橐后w的液能，其表現的形式為葉片出口處液流的總能頭高于入口處的總能頭，兩者之差，即為在泵輪作用下液流增加的能頭。根據歐拉方程式，可得將代入得：二、渦輪的工作特性1渦輪在液力變矩器中的作用1）當由泵輪流出的高速的液流沖擊渦輪葉片時，葉片將液流的液能轉變?yōu)闇u輪軸上的機械能。液流離開渦輪時，其能頭降低，絕對速度在方向和數量上均發(fā)生變化。2） 渦輪葉片改變液流的動量矩，使渦輪軸獲得來自液流作用的轉矩MT。2渦輪入口和出口處的速度三角形液流在渦輪流道內的運動與泵輪一樣，也是由在葉片間通路的相對運動和與渦輪一起的牽連運動所組成的。液流在渦輪葉片

21、入口和出口處的速度三角形。牽連運動速度uT的方向是圓周運動的切線方向，其值為相對運動速度的方向與葉片斷面的骨線方向一致，大小等于流量Q除以與相對運動速度方向垂直的葉片間有效通路面積。即液流在渦輪葉片入口和出口處的絕對速度分別為：渦輪的絕對速度也是空間速度，它可分解為軸面分速度、及圓周分速度、。軸面分速度、的方向與渦輪葉片的中間流線相切，大小等于流量Q除以與中間流線相垂直的截面積。即絕對速度的圓周分速度、的方向為圓周運動的切線方向，大小等于 3液流與渦輪葉片相互作用的力矩液流在沖擊渦輪葉片時，由于液流速度在大小和方向上不斷發(fā)生變化，因此動量矩也發(fā)生變化。液流作用于渦輪上的轉矩為對于所研究的液力變

22、矩器，因此上式可改寫成 （3-2）由速度三角形的分析，有代入（3-2）得液流流經渦輪的動量矩減小，MT為負值，表示液體傳出轉矩。4渦輪中能量的轉換及渦輪消耗的能頭HT液力變矩器工作時，渦輪由液流獲得能量，并以機械能的形式傳至能量消耗部分。由歐拉方程式得把代入得 HT常為負值，表示液體的能量降低。三、導輪的工作特性1導輪的作用1)由于導輪固定不動(np=0)，因此在導輪中沒有液能與機械能的轉換。2)由于導輪固定不動，因此液體在導輪流道內的運動沒有旋轉的牽連運動存在，而只有液體沿導輪葉片所形成通道的相對運動，也就是液流的絕對運動。3)由于液流通過葉片時進、出口處速度的大小和方向發(fā)生變化，因而引起液

23、流動量矩的變化。動量矩的變化使液流對導輪產生一個作用力矩，而導輪則對液流產生一個反作用力矩。4)液流在導輪內流動，如果不考慮各種損失，則其總能頭保持不變，但液體所具有的動能和壓能進行互換。2導輪入口和出口處的速度三角形由于在導輪中只存在液流相對于葉片的單一運動，因此，導輪中液流速度分析比較簡單。導輪中葉片入口和出口處的速度三角形中，導輪葉片入口和出口處絕對速度的軸面分速度和圓周分速度分別為： 而 3導輪葉片與液流相互作用的轉矩由歐拉方程式得對于所研究的液力變矩器，因此上式可改寫成 一般導輪的動量矩由入口至出口逐漸增大，為正值，表示液流得到導輪施加的力矩。由速度三角形的分析，有 代入（3-3）得

24、從上式可以看出，欲使獲得最大值，首先應使最大，為最小，即，。在無沖擊進入工況，接近于。此時葉片的彎曲情況，應使液流做的方向變化。四、液流在工作輪無葉片區(qū)段的流動特性在工作輪的流道中，葉片不一定占據著流道的全長，存在著無葉片區(qū)段，此外在兩工作輪之間的空腔，也是無葉片區(qū)段。液流在無葉片區(qū)段流動時，其特點是沒有葉片與液體的相互作用，因此無能量的輸入或輸出(不考慮摩擦和漏損的損失)，液流的動量矩不變。當液流由前一工作輪(如為泵輪)的葉片出口流出時，其絕對速度為，其軸面分速度和圓周速度為當液流離開泵輪葉片后，進入無葉片區(qū)段時，絕對速度的圓周分速度沒有變化。唯一可能的變化，是葉片區(qū)段沒有葉片，因而。設以下

25、標代表無葉片區(qū)段時液流的運動參數，則無葉片區(qū)入口處絕對運動的軸面分速度和圓周分速度分別為：由于在無葉片區(qū)段沒有外轉矩的作用，因此在無葉片區(qū)段入口處的動量矩等于出口處的動量矩。根據當時，即因此，在無葉片區(qū)段出口處，其軸面分速度和圓周分速度分別為液體由無葉片區(qū)段出口到要進入下一工作輪的入口處，如為渦輪入口處，則§3-3 液力變矩器的變矩原理和自動適應性一、液力變矩器中的力矩平衡和變矩原理取液力變矩器循環(huán)圓中的整個液體為自由體來研究它的力矩平衡。此時作用于液體的外力矩有：來自泵輪的主動力矩，它通過葉片作用于液體：渦輪的阻力矩，它也是通過葉片作用于液體的；導輪的反作用力矩，它也是通過葉片作用

26、于液體的。在無葉片區(qū)段，液體沒有外力矩的作用。當整個循環(huán)圓中的液體處于穩(wěn)定運動狀態(tài)時(無加、減速運動)，根據力學原理，則作用于液體的外力矩之和等于零，即對液流來說，使其動量矩增大的轉矩為正，反之為負。在正常工作情況下， 為正，為負，在大部分工況下為正，有時為負。將上式移項得由此式可以看出，要使渦輪上取得得力矩大于泵輪的力矩，必須要求導輪有一個對液流正向作用(與泵輪力矩方向相同)的反作用力矩。因此，導輪是液力變矩器能夠產生增大的輸出力矩必不可少的工作輪。沒有導輪，則液力變矩器就不可能變矩。液力偶合器沒有導輪，則力矩平衡式變?yōu)橐虼耍毫ε己掀鳠o變矩能力。在液力變矩器中，當導輪隨液流一起空轉(或導輪

27、自由轉動)時，則導輪的反作用力矩0，此時液力變矩器的工作相當于一個液力偶合器。因此，如果液力變矩器在結構上能夠控制導輪固定和松開，這樣一個變矩器就兼有變矩器和偶合器這兩種性能，一般稱這種液力變矩器叫綜合式(或兩相及多相)液力變矩器。上面根據力學的一般原理，說明液力變矩器能夠變矩的原因，也可以根據動量矩的變化和平衡說明液力變矩器的變矩原理。前面已經由動量矩定理推導得到：將上三式左右兩邊相加得：即液體由泵輪葉片入口開始，沿循環(huán)圓旋轉一周，重新回到泵輪葉片入口時，總的動量矩的變化等于零，因而引起動量矩變化的外力矩之和也一定為零。根據動量矩的變化，也同樣可以說明液力變矩器的變矩原理。二、液力變矩器的自

28、動適應性液力變矩器的自動適應性是液力變矩器能夠根據外界負荷的大小，自動改變其速度和轉矩，并處于穩(wěn)定工作的能力。由于渦輪是液力變矩器與外界負荷聯(lián)接的一個機件，因此渦輪軸的輸出轉矩隨其轉速而變化的性能，也就代表了液力變矩器的輸出特性。對于具有良好自動適應性的液力變矩器，一般都要求渦輪的轉矩能夠隨著轉速的下降而增大，即渦輪輸出特性，應該是一條隨n增大，而單值下降的曲線?，F在研究渦輪的輸出特性是否具有這種隨增大而下降的特性。下面從速度三角形的圖形上來分析渦輪的工作情況，從而了解不同渦輪轉速下的力矩的變化情況渦輪轉矩渦輪輸出轉矩 在變化時，泵輪出口亦即渦輪入口處的速度三角形不變，因而渦輪入口處的動量矩也

29、不變，即常數。在渦輪出口處，由于常數，則常數，常數。但隨變化，變化，引起的方向和數值發(fā)生變化，也引起的變化。即動量矩則有如下關系：由于在的公式中第一項是常數，所以因此，根據對速度三角形的分析，可以明顯看出隨著的增大，單值下降，即液力變矩器具有自動適應性。（一）教學內容液力變矩器的能量平衡、特性和評價指標。（第4、5、6節(jié)）（二）教學目標1了解液力變矩器的能量平衡方程和各種損失含義2掌握液力變矩器的原始特性、外特性和通用特性的定義及確定方法3掌握液力變矩器的評價指標并運用其進行分析 （三）教學重點1原始特性、外特性和通用特性的定義和區(qū)別2原始特性、外特性和通用特性的確定方法3液力變矩器的主要評價

30、指標（四）教學難點1液力變矩器的透穿性的定義及對原始特性的影響2利用原始特性對液力變矩器進行評價3液力變矩器的負荷特性（五）教學方法以課堂講授為主，穿插提問和啟發(fā)等互動教學方式；（六）教學媒體1課件2板書（七）教學安排§3-4 液力變矩器中的能量平衡和損失一、能量平衡液體在液力變矩器中循環(huán)一周，它由泵輪取得的能量與其在渦輪中所消耗的能量以及在流動中克服所有阻力所消耗的能量應該相等，根據這種能量守恒關系建立起來的關系式，叫做能量平衡。式中 液體由泵輪取得的能頭；液體使渦輪作功消耗的能頭，本身為負值；液體在液力變矩器中流動過程中所消耗的能頭。由于功率，因此，可建立相應的功率平衡：式中由泵

31、輪轉變?yōu)橐耗艿臋C械能；渦輪由液能轉換得到的機械能，本身為負值；經液體損失的功率。由于能量的轉換必然伴隨著損失，因此，上述的和均為理論值，故稱理論能頭。實際上，液體由泵輪所獲得的實際能頭較為小，而液體在渦輪所消耗的實際能頭較為大?？偟哪茴^損失，分別消耗于液力變矩器的各個工作輪中，即能量平衡方程式對液力變矩器在任何穩(wěn)定工況下都是成立的。它對液力變矩器的性能分析極為有用。泵輪建立的能頭及渦輪消耗的能頭，在前幾節(jié)中已有研究，在此不再重述，下面將重點研究在液力變矩器中的損失。二、液力變矩器中的損失液力變矩器在能量轉換過程中存在著一系列損失，這些損失的大小直接影響著液力變矩器傳遞能量的效率。在液力變矩器中

32、傳遞能量時存在著三種形式的損失：機械損失、容器損失和液力損失。1.機械損失機械損失包括：1） 支撐泵輪和渦輪旋轉的軸承中的摩擦損失；2） 泵輪軸和渦輪軸上密封的摩擦損失；3） 液力變矩器工作輪內外表面與工作液體的摩擦損失。一般總的機械損失不超過總能量的12%。2.容積損失由于工作輪之間都存在著間隙，因此，當液體由前一工作輪流入后一工作輪時，不可避免地將有一部分液體由間隙中流出，造成前后輪中流量的差別。例如泵輪中的流量為，當進入渦輪時由于有一部分液體由泵輪和渦輪間的間隙中流失，因此，渦輪中的流量，將不等于泵輪中的流量，而。兩者之差叫作漏損的流量。液力變矩器的容積損失以容積效率來評價 由于容積效率

33、一般很難由實驗和計算方法確定，同時也由于漏損的流量與液力變矩器循環(huán)圓中的流量相比很小，因此，液力變矩器的能量平衡計算中，可以忽略不計，或取。3.液力損失液力損失是液力變矩器內損失的主要部分。工作輪中的液力損失主要是由四種形式的損失組成的：葉片形狀損失（葉形損失）；液流摩擦損失；液流擴散和收縮損失；液流回轉損失。1）葉形損失：當工作液體流過液力變矩器工作輪的葉片時，由于葉片的阻力將消耗一部分液體的能量。這種能量損失主要決定于葉片的形狀及幾何參數，故稱為葉形損失。主要包括兩部分：一部分是葉片表面與液流的摩擦損失；一部分是由于液流進入工作輪時，其方向與葉片方向不一致所引起的沖擊損失。葉形損失中的沖擊

34、損失主要決定于液流角與葉片角是否一致。當兩者一致時，沖擊損失最??；不一致時，不管液流角大于或小于葉片角都導致沖擊損失增大。2）摩擦損失：在液力變矩器部分，當液流沿工作腔作循環(huán)運動時，液流與通道壁產生摩擦，同時，運動速度不同的各液層間液體質點也相互摩擦，這些摩擦均對液流造成阻力，因而有一部分液流的能量要消耗在克服這些阻力上，造成所謂摩擦損失。摩擦損失的大小主要影響因素有：液流的速度、液體的粘性和通道壁的粗糙度等。3）擴散與收縮損失：在液流的流動方向上，若有橫截面面積的增大和縮小時，則這些區(qū)段就稱為擴散區(qū)段和收縮區(qū)段。液流在流過這些區(qū)段時，由于流動速度的變化，使液流與通道壁分離，形成一個不穩(wěn)定的渦

35、輪區(qū)，因而損失一部分液體能量，這部分能量損失叫作擴散或收縮損失。影響擴散或收縮損失大小的主要因素有：擴散角與收縮角的大小；出口和入口橫截面積之比；液體的流速和粘度；通道壁的粗糙度等。4）回轉損失：當液流在彎曲通道中流動時，由于慣性造成了一定的離心力，這個離心力使液流與通道壁脫離而造成渦漩區(qū)，從而減小了液流的有效通過截面，同時造成使能量產生損失的收縮與擴張現象，這種損失叫作回轉損失?；剞D損失的大小，與流動速度、通道形狀（通道的曲率半徑，兩通道截面之比等）、壁的粗糙度和液體的粘度等有關。在液力變矩器的每一工作輪中，事實上都存在著機械損失、容積損失和液力損失（其中包括葉形損失；摩擦損失；擴散損失和回

36、轉損失）。而總損失為各工作輪損失之和。§3-5 液力變矩器的外特性、通用特性和原始特性一、液力變矩器的外特性液力變矩器的性能一般是由泵輪和渦輪軸上的轉矩和轉速間的關系來確定的。 通常應用在泵輪轉速不變、工作油一定和工作油溫一定下所得到的泵輪轉矩，渦輪輸出轉矩以及液力變矩器的效率與渦輪轉速的關系曲線，即和及來表示液力變矩器的性能，這三條曲線關系所表示的液力變矩器性能，叫做液力變矩器的外特性。對于已有的液力變矩器，外特性曲線可以通過試驗來決定。對于設計中的液力變矩器，則可以通過計算方法獲得。 在已知渦泵輪和渦輪轉矩的情況下，可求得液力變矩器的效率根據泵輪和渦輪的轉矩公式，對已有和已設計出

37、的液力變矩器，在一定，工作油一定和油溫一定的情況下，可以獲得一組曲線。這就是在某一時的液力變矩器的外特性曲線。渦輪力矩隨增加而減少，當等于零時，達到它的最大值，即渦輪空轉的最大轉速。液力變矩器的效率曲線，在時，由于輸出功率，所以。隨著的增大，效率逐漸上升，在達到最大值后，效率又隨著的增大，而逐漸下降。在時，由于，此時輸出功率，所以效率又等于零。液力變矩器的泵輪力矩的變化趨勢，主要決定于液力變矩器中循環(huán)流量Q隨而變化的特性。而Q隨變化的特性，主要決定于液力變矩器的結構型式和結構參數。因此，液力變矩器的變化趨勢將隨液力變矩器的不同而有較大差別，不像和那樣對任何形式的液力變矩器都具有共同的趨勢。因此

38、，隨變化的特點將表征著液力變矩器各自的特點。二液力變矩器的通用特性在液力變矩器的使用過程中，泵輪轉速可能是變化的，為了獲得在不同泵輪轉速時液力變矩器的外特性，需要繪制液力變矩器的通用特性曲線。液力變矩器的通用特性是指在不同泵輪轉速下所獲得無數組液力變矩器外特性曲線的綜合圖。三、液力變矩器的原始特性必須指出，液力變矩器的外特性和通用特性都是對一定形式和尺寸的液力變矩器獲得的。因此，即便對同一類型的液力變矩器，當尺寸和泵輪轉速變化后，其外特性曲線和通過用特性曲線都完全不同，因此，為了表示液力變矩器的性能目前廣泛應用原始特性曲線。液力變矩器的原始特性曲線能夠確切表示一系列不同轉速、不同尺寸而幾何相似

39、的液力變矩器的基本性能，而且根據原始特性，可以通過計算方法獲得在此系列中任一液力變矩器的外特性或通用特性。根據液力變矩器的相似原理，對于幾何相似（有關尺寸成比例），運動相似（液力變矩器的工況相同），動力相似（液流的雷諾數相等）的一系列變矩器存在如下關系： 將上式變換可得式中稱作流量系數；稱作能頭系數；稱作轉矩系數；稱作功率系數。M，S代表兩個相似的變矩器。上式分別標明，對幾何相似的液力變矩器，只要在相同的液力變矩器轉速比i和相同的雷諾數下，上述各參數的比值、是不變的常量。對于幾何相似的液力變矩器，當轉速比i不同，或雷諾數不同時，上述各無因次系數將是不同的。因此，上述各系數乃是轉速比i和的函數。

40、即根據水力學中有關粘性液體在原管中流動的分析表明，當雷諾數達到某一值后，圓管中的損失將成為不變的常數，液體進入這種雷諾數的區(qū)域后，比較兩種液流狀態(tài)時，不一定要嚴格遵循雷諾數相等的原則，就可以保證兩液體流動力學相似。此時，對上述參數的影響即可不予考慮，上述系數僅是轉速比i的系數。 上述函數關系從不同的方面說明了一系列幾何相似液力變矩器的基本性能。在上述各系數的特性中，最廣泛應用的是液力變矩器轉矩系數的特性。根據相似原理，對于幾何相似的液力變矩器的泵輪和渦輪，分別可得轉矩系數為 式中稱作泵輪的轉矩系數，稱作渦輪的轉矩系數。由于這些符號經常用到，以后簡寫為和。D為液力變矩器有效直徑。由于同一類型而且

41、幾何相似的液力變矩器，在尺寸不同的情況下有相同的和曲線。這些曲線能夠本質地反映某系列液力變矩器的性能，因此，被稱作液力變矩器的原始特性。根據液力變矩器的原始特性，可以派生出兩個表示液力變矩器性能的重要無因次特性，即變矩比和效率。液力變矩器的變矩比K等于渦輪輸出轉矩與泵輪輸入轉矩之比，即 在某一i時，可得到相應的和，因而可求得一個K值。在不同的i時，可求得不同的K值。因此變矩比K是i的函數。是表示幾何相似液力變矩器的一個重要無因次曲線。把曲線關系叫做液力變矩器的變矩特性。液力變矩器效率等于渦輪輸出效率與泵輪輸入效率之比，即 液力變矩器的效率也是i的函數。也是表示幾何相似液力變矩器性能的一個重要無

42、因次曲線。把的關系曲線叫做液力變矩器的效率特性或經濟特性。目前，表示某種幾何相似的液力變矩器（或系列化產品的液力變矩器）基本性能的最常用方法，是給出該種液力變矩器的原始特性； 有了原始特性曲線，可以很方便地獲得液力變矩器的外特性。當泵輪轉速和工作油的品種選定時，、和可由如下公式計算。 在原始特性上任意給定一個i，就可以求得一個對應的，同時并相應地求得此時的、和。因此，尺寸為D的液力變矩器的外特性就可以完全確定。在實際應用原始特性時，應該注意得到原始特性是在什么轉速和用什么粘性的工作液體試驗得到的，因為這兩個因素（和）都是影響雷諾數的。§3-6 液力變矩器評價指標反映液力變矩器主要特征

43、的性能有如下一些：變矩性能，自動適應性能，經濟性能（效率特性），負荷特性，透穿特性和容能特性。一、變矩性能變矩性能是指液力變矩器在一定范圍內，按一定規(guī)律無級地改變由泵輪軸傳至渦輪軸的轉矩值的能力。變矩性能主要用無因次的變矩比特性曲線來表示。作為評價液力變矩器變矩性能好壞的指標是如下兩種工況的K值：一是i=0時的變矩比值，通常稱之為起動變矩比（或失速變矩比）；二是變矩比K=1時的轉速比i值，以表示，通常稱作偶合器工況點的轉速比，它表示液力變矩器增矩的工況范圍。一般認為值和值大者，液力變矩器的變矩性能好。但實際上不可能兩個參數同時都高，一般值高的液力變矩器，值小。因此，在比較兩個液力變矩器的變矩性

44、能時，應該在值大至相同的情況下，來比較值；或者在近似相等的情況下，來比較值。二、自動適應性自動適應性是指液力變矩器在發(fā)動機工況不變或變化很小情況下，隨著外部阻力的變化，在一定范圍內自動地改變渦輪軸上的輸出力矩和轉速，并處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的能力。液力變矩器由于變矩性能均可獲得單值下降的的曲線，而具有自動適應性。自動適應性是液力變矩器最重要的性能之一，因為利用液力變矩器的這一性能，就可以制造自動的液力機械變速箱。三、經濟性能（或效率特性）經濟性能是指液力變矩器在傳遞能量過程中的效率。它可以用無因次效率特性來表示。一般評價液力變矩器經濟性能有兩個指標：最高效率值和高效率區(qū)范圍的寬度。后者一般用液力變矩

45、器效率不低于某一數值（對工程機械取，對汽車?。r所對應的轉速比i的比值來表示。、分別為不小于某一值的最低和最高轉速比。通常認為，高效率范圍越寬，最高效率值的值越高，則液力變矩器的經濟性能越好。但實際上，對各種液力變矩器來說，這兩個要求往往是矛盾的。四、負荷特性液力變矩器的負荷特性是指它以一定的規(guī)律對發(fā)動機施加負荷的性能。由于發(fā)動機與液力變矩器的泵輪相連，并驅動泵輪旋轉，因此，液力變矩器施加于發(fā)動機的負荷性能完全可由泵輪的轉矩變化特性決定。在工作油一定，有效直徑一定時，液力變矩器在任一工況時為常數，因此，泵輪的轉矩與其轉速的平方成正比。即 這是一條通過原點的拋物線，通常稱之為液力變矩器泵輪的負荷

46、拋物線。負荷拋物線比較清楚地表明隨著泵輪的不同所能施加于發(fā)動機的負荷。五、透穿性能液力變矩器的透穿性能是指液力變矩器渦輪軸上的轉矩和轉速變化時泵輪軸上的扭轉和轉速相應變化的能力。當渦輪軸上轉矩變化時，泵輪負荷拋物線不變，泵輪的轉矩和轉速均不變，稱這種變矩器具有不透穿的性能。當發(fā)動機與這種變矩器共同工作時，不管外界負荷如何變化，當油門一定時，發(fā)動機將始終在同一工況下工作。當渦輪軸上的轉矩變化時，泵輪負荷拋物線也變化，引起泵輪的轉矩和轉速變化，稱這種變矩器具有透穿性。發(fā)動機與這種變矩器共同工作時，油門不變，而外界負荷變化時，發(fā)動機工況也變化。透穿的液力變矩器根據透穿的情況不同，可分為具有正透穿性的

47、、負透穿性（或反透穿性）的和混合透穿性的。液力變矩器是否透穿，什么性質的透穿，可以由的曲線形狀來判斷。當曲線隨增大而單值下，負荷拋物線由到，按順時針作扇形散布。當渦輪負荷增大，減小時，泵輪上的負荷也增大，液力變矩器具有正透穿性。當曲線隨增大，而單值增大時，負荷拋物線由到，按反時針作扇形散布。當渦輪負荷增大，減小時，泵輪上的負荷減小，液力變矩器具有負（反）透穿性。當曲線隨增大，先增大后減小時，負荷拋物線由到，先逆時針后順時針展開。這種液力變矩器具有混合透穿性。當曲線隨增大是一條平直線時，負荷拋物線在不同工況時均為一條線。在實際上，可能是一發(fā)布很窄的一組拋物線。這種變矩器為不透穿的。車輛上所應用的

48、液力變矩器具有正透穿、不透穿和混合透穿的特性。由于負（反）透穿特性的液力變矩器，使車輛的經濟性和動力性變壞，因此在車輛上不用?？赏复┮毫ψ兙仄鞯耐复┏潭龋酝复┬韵禂祦碓u價。常用的透穿性系數的計算公式如下：式中起動工況下泵輪軸上的轉矩系數；偶合器工況點泵輪軸上的轉矩系數。當液力變矩器具有正透穿特性。當液力變矩器具有不透穿特性。當液力變矩器具有負（反）透穿特性。當時，液力變矩器是完全不可透穿的。但實際上這種液力變矩器是不存在的。一般就可認為是不透穿的液力變矩器。當時，液力變矩器可認為是具有正透穿性的。在液力變矩器的設計時，為了方便，有時透穿系數應用如下公式： 式中 最大效率工況時泵輪的轉矩系數。

49、六、液力變矩器的容能性能液力變矩器的容能性能是指在不同工況下，液力變矩器由泵輪軸所能吸收功率的能力。對于兩個尺寸D相同的液力變矩器，容能量大的液力變矩器傳遞的功率大。液力變矩器的容能性能可以用功率系數來評價。由于功率系數 而，所以功率系數與轉矩系數具有一定的比例關系。因此，液力變矩器的容能量也可以用轉矩系數的數值來評價。轉矩系數越大，則液力變矩器的容能量也越大，在相同的尺寸，工作液體和泵輪轉速下，能夠傳遞更大的功率。幾種典型工況是：起動工況，最高效率工況，高效區(qū)工況和偶合器的工況。在這些工況下獲得的具體評價參數是：1起動工況：；。在此工況下能夠作為評價的參數是起動變矩比和轉矩系數。2最高效率工

50、況：，可作為評價指標的參數。此外，尚包括轉速比值，以及此工況下的轉矩系數。3高效區(qū)工況：限定在此區(qū)域內工作的效率值高于，相應此效率時，可以得到兩個最大和最小的變矩比值和兩個對應的轉速比值。取作評價指標的參數是高效區(qū)的最大變矩比，以及高效區(qū)最大和最小轉速比和的比值。4偶合器工況：，一般取此時的轉速比作為評價參數。另外，轉矩系數值也是一個評價參數。因此，全面評價一個液力變矩器的參數共有十個，即、和T。這些參數雖然都可作為獨立評價液力變矩器一種性能的指標，但有些參數是彼此相互有關的。例如：；等。第四章 液力變矩器與發(fā)動機共同工作的傳動特性§4-1 共同工作的輸入特性（一）教學內容發(fā)動機與液

51、力變矩器共同工作的輸入特性（二）教學目標1能解釋發(fā)動機和變矩器共同工作的含義2能夠表述發(fā)動機和變矩器共同工作輸入特性的概念和作用3能夠繪制發(fā)動機和變矩器共同工作輸入特性曲線4能夠從共同工作輸入特性曲線指出發(fā)動機和變矩器工作范圍5運用發(fā)動機和變矩器匹配的評價原則，評價發(fā)動機匹配是否合理6分析影響發(fā)動機和變矩器匹配的因素7能夠運用前述知識分析出改善發(fā)動機和變矩器匹配的途徑（三）教學重點1發(fā)動機和變矩器共同工作輸入特性的概念和作用2發(fā)動機和變矩器共同工作輸入特性曲線的繪制方法3影響發(fā)動機和變矩器匹配的因素（四）教學難點1發(fā)動機和液力變矩器匹配的評價2改善發(fā)動機和變矩器匹配的途徑（五）教學方法以課堂講

52、授為主，穿插提問和啟發(fā)等互動教學方式；（六）教學媒體1課件2板書（七）教學安排一、發(fā)動機與液力變矩器共同工作的輸入特性定義發(fā)動機與液力變矩器共同工作的輸入特性是指液力變矩器不同傳動比時，變矩器與發(fā)動機共同工作的轉矩和轉速的變化特性。它是研究發(fā)動機與液力變矩器匹配的基礎，也是研究發(fā)動機與液力變矩器共同工作輸出特性的基礎。二、共同工作輸入特性的確定1.需要下列已知條件：（1）液力變矩器的原始特性及發(fā)動機的凈轉矩外特性。（2）工作液體的密度和液力變矩器的有效直徑。2.確定步驟：（1） 在液力變矩器的原始特性曲線圖上，給定若干液力變矩器的工況(即轉速比)。對于普通的單級液力變矩器，可選擇起動工況；高效

53、區(qū)的轉速比(等于7580) 和；最高效率工況和最大轉速比工況(空載工況) 等。對綜合式液力變矩器應增加液力變矩器轉入偶合器工作時的轉速比。（2） 根據給定的轉速比，由液力變矩器原始特性曲線的轉矩系數曲線分別定出轉矩系數值、和等。為了作圖精確，可以根據需要增加轉速比的數目，并確定相應的的數值。（3） 根據所確定的不同時的轉矩系數值及液力變矩器的有效直徑D，應用液力變矩器泵輪的轉矩計算公式，計算并繪制液力變矩器泵輪的負荷拋物線。當工作液體選定后，為已知的數值。因此，在某個時，、均為常數，于是可寫為 式中，是一個隨不同而變化的系數。當隨的變化規(guī)律不同時，即液力變矩器的透穿性不同時，將得到一條或一組負荷拋物線。（4） 將發(fā)動機的凈轉矩外特性與液力變矩器的負荷拋物線，以相同的坐標比例繪制在一起，即得發(fā)動機與液力變矩器共同工作的輸入特性。三、發(fā)動機與變矩器共同工作輸入特性匹配分析1共同工作的穩(wěn)定點負荷拋物線與發(fā)動機轉矩外特性的一系列交點就是最大油門開度時，發(fā)動機與液力變矩器共同工作的穩(wěn)定點。其對應的轉速和轉矩為共同工作時發(fā)動機與泵輪軸的轉速和傳遞的轉矩。2共同工作的范圍由最小轉矩系數和最大轉矩系數所確定的兩條負荷拋物線所截取的轉矩外特性的曲線部分，即為處于發(fā)動機外特性下工作，兩者共同工作的范圍。由最小轉矩系