液壓動力傳動

1、 第九章第九章 液力傳動液力傳動一、液力傳動的定義一、液力傳動的定義以液體為工作介質(zhì)，利用以液體為工作介質(zhì)，利用液體的動能液體的動能來實現(xiàn)能來實現(xiàn)能量傳遞的裝置，量傳遞的裝置，即將液體的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械即將液體的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的過程。能的過程。在工程機械中，發(fā)動機的動力通過機械傳動或在工程機械中，發(fā)動機的動力通過機械傳動或液體傳動的方式傳到工作機械或行走機構(gòu)。液體傳動的方式傳到工作機械或行走機構(gòu)。 機械傳動一般由發(fā)動機機械傳動一般由發(fā)動機主離合器主離合器變速器變速器主傳動主傳動輪邊減速輪邊減速車輪的順序組成，是采車輪的順序組成，是采用最早的傳動方式。用最早的傳動方式。 由于工程機械工作負荷變化

2、劇烈，需要根據(jù)由于工程機械工作負荷變化劇烈，需要根據(jù)負荷大小，不斷改變工作機構(gòu)的速度（換負荷大小，不斷改變工作機構(gòu)的速度（換檔），以取得必要的作業(yè)能力和生產(chǎn)率，檔），以取得必要的作業(yè)能力和生產(chǎn)率，并防止發(fā)動機熄火、駕駛員勞動強度很大、并防止發(fā)動機熄火、駕駛員勞動強度很大、生產(chǎn)率低、作業(yè)能力小。生產(chǎn)率低、作業(yè)能力小。液力傳動主要用于發(fā)動機后底盤傳動前這段液力傳動主要用于發(fā)動機后底盤傳動前這段傳動，其組成形式如圖：傳動，其組成形式如圖：相當于把機械傳動中的機械式主離合器用液相當于把機械傳動中的機械式主離合器用液力偶合器或液力變矩器代替，力偶合器或液力變矩器代替， 液力傳動應用示意液力傳動應用示意-

3、 在發(fā)動機與工作機構(gòu)之間，裝上液力傳動元件在發(fā)動機與工作機構(gòu)之間，裝上液力傳動元件（液力偶合器或液力變矩器），其它基本不（液力偶合器或液力變矩器），其它基本不變：當改用液力傳動后，上述缺點即可大為變：當改用液力傳動后，上述缺點即可大為改善，機械作業(yè)能力顯著提高。生產(chǎn)率可提改善，機械作業(yè)能力顯著提高。生產(chǎn)率可提高高1530%,駕駛員勞動強度大為減輕，發(fā)駕駛員勞動強度大為減輕，發(fā)動機不會熄火，可以重載起動，簡化變速器動機不會熄火，可以重載起動，簡化變速器結(jié)構(gòu)，減少檔數(shù)，還可延長機械使用壽命等結(jié)構(gòu)，減少檔數(shù)，還可延長機械使用壽命等優(yōu)點優(yōu)點. 液力傳動在裝載機上的應用液力傳動在裝載機上的應用- 液力傳

4、動在裝載機上的應用液力傳動在裝載機上的應用組成組成:1-柴油發(fā)動機；柴油發(fā)動機；2-飛輪；飛輪；3-液力變矩器；液力變矩器；4-液力傳動操縱裝置；液力傳動操縱裝置；5-變速箱；變速箱；6-傳動齒輪；傳動齒輪；7-前差速器；前差速器；8-前輪；前輪；9-后輪；后輪；10-后差速器；后差速器；11-傳動軸與萬向節(jié)傳動軸與萬向節(jié). 二、液力傳動的工作原理二、液力傳動的工作原理1.液力傳動的組成液力傳動的組成動力部分動力部分-離心泵離心泵-將原動機輸入的機械能帶動將原動機輸入的機械能帶動離心泵工作，將機械能轉(zhuǎn)換成動能。離心泵工作，將機械能轉(zhuǎn)換成動能。輸出部分輸出部分-渦輪機渦輪機-將輸入的動能轉(zhuǎn)將輸入

5、的動能轉(zhuǎn) 換為旋轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能。的機械能。2.工作原理工作原理 (參見圖參見圖)液力傳動的工作原理圖液力傳動的工作原理圖-組成組成-1-發(fā)動機；發(fā)動機；2-離心泵；離心泵；3-連接管路；連接管路；4-導向裝置；導向裝置；5-渦輪機；渦輪機；6-出水管；出水管；7-貯水池；貯水池；8-進水管；進水管；9-輸出軸。輸出軸。這樣的結(jié)構(gòu)，離心泵與渦輪機的機械效率較低，這樣的結(jié)構(gòu)，離心泵與渦輪機的機械效率較低，管道中的能量損失大，結(jié)構(gòu)復雜，體積較大。管道中的能量損失大，結(jié)構(gòu)復雜，體積較大。為合理發(fā)揮其工效，進行改進，形成了液力傳為合理發(fā)揮其工效，進行改進，形成了液力傳動的基本形式。下圖動的基本形式。

6、下圖-常用的器件有：常用的器件有：液力偶合器液力偶合器-由泵輪和渦輪組成。由泵輪和渦輪組成。液力變矩器液力變矩器-由泵輪、渦輪和導輪組成。由泵輪、渦輪和導輪組成。四、液力傳動的優(yōu)點與缺點四、液力傳動的優(yōu)點與缺點優(yōu)點：優(yōu)點：1.機械具有良好的自動適應性。機械具有良好的自動適應性。2.提高機械的使用壽命。提高機械的使用壽命。3.提高機械的加速性與通過性。提高機械的加速性與通過性。4.操作簡化，提高機械的舒適性。操作簡化，提高機械的舒適性。5.可實現(xiàn)無級變速，動力范圍增大。可實現(xiàn)無級變速，動力范圍增大。缺點：缺點：效率較低，成本高，結(jié)構(gòu)復雜，經(jīng)濟效率較低，成本高，結(jié)構(gòu)復雜，經(jīng)濟性相對差些。性相對差些

7、。五、液體在工作中的幾點假設五、液體在工作中的幾點假設六、液體在工作輪中的運動六、液體在工作輪中的運動（一）液體在工作輪中的運動（一）液體在工作輪中的運動-速度速度液體在工作輪中的運動（即液體在工作中的液體在工作輪中的運動（即液體在工作中的運動狀態(tài)運動狀態(tài)-速度）是一種復合運動，各速度速度）是一種復合運動，各速度之間用速度三角形來表示之間用速度三角形來表示.任意工作輪的速度關(guān)系：任意工作輪的速度關(guān)系：工作輪中充滿液體，工作輪以角速度作順時針工作輪中充滿液體，工作輪以角速度作順時針方向旋轉(zhuǎn)，工作液體質(zhì)點運動有兩種運動組方向旋轉(zhuǎn)，工作液體質(zhì)點運動有兩種運動組成：成：一種是圓周運動一種是圓周運動-又

8、稱牽連運動，速度用又稱牽連運動，速度用U表示。表示。 液體質(zhì)點隨工作輪旋轉(zhuǎn)的圓周運動，其速度表液體質(zhì)點隨工作輪旋轉(zhuǎn)的圓周運動，其速度表示為圓周運動速度，方向為圓周的切線方向。示為圓周運動速度，方向為圓周的切線方向。另一種是相對運動另一種是相對運動- 速度用速度用W表示。表示。 液體質(zhì)點沿工作輪葉片流動，其速度表示為相液體質(zhì)點沿工作輪葉片流動，其速度表示為相對運動速度，方向為葉片的切線方向。對運動速度，方向為葉片的切線方向。液體質(zhì)點在工作輪中的流動液體質(zhì)點在工作輪中的流動 W-相對運動速度；相對運動速度； （相對運動）（相對運動）U-圓周運動速度；圓周運動速度； （圓周運動）（圓周運動）V-絕對

9、運動速度；絕對運動速度；（W與與U的合成速度）的合成速度）兩種運動速度的合成，即為液體質(zhì)點在工作輪兩種運動速度的合成，即為液體質(zhì)點在工作輪中的流動的絕對運動速度。中的流動的絕對運動速度。絕對速度：絕對速度： - 絕對速度。絕對速度。 - 相對速度。相對速度。 - 圓周速度。圓周速度。 利用速度三角形來計算：利用速度三角形來計算：UWVVWU（二）力矩方程式（二）力矩方程式以一定動能運動的液體，沖擊工作輪中的葉片，以一定動能運動的液體，沖擊工作輪中的葉片，此時產(chǎn)生的作用力的大小由動量方程式計算：此時產(chǎn)生的作用力的大小由動量方程式計算：當液流射向平面葉片后，液體的運動方向發(fā)生當液流射向平面葉片后，

10、液體的運動方向發(fā)生改變。改變。)(12VVQF1. .作用在平面上的力為：作用在平面上的力為：在力在力 F 的作用下，該平面企圖繞的作用下，該平面企圖繞O點轉(zhuǎn)動，點轉(zhuǎn)動，此時產(chǎn)生的力矩為：此時產(chǎn)生的力矩為：式中式中 -稱為液流對稱為液流對 O 點的動量矩。點的動量矩。VQFQVrFrMQVr2.當液流作用在曲面上時，其作用力和力矩的當液流作用在曲面上時，其作用力和力矩的計算一樣計算一樣 。 七、液力偶合器七、液力偶合器1.組成組成2.工作原理工作原理工作原理示意圖工作原理示意圖 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖3.液力偶合器工作條件液力偶合器工作條件液力偶合器之所以能實現(xiàn)傳動，其條件是兩個液力偶合器之所以

11、能實現(xiàn)傳動，其條件是兩個工作輪的轉(zhuǎn)速不相等和離心力不相等，致使工作輪的轉(zhuǎn)速不相等和離心力不相等，致使兩工作輪葉片的外緣處產(chǎn)生的壓力差，促使兩工作輪葉片的外緣處產(chǎn)生的壓力差，促使工作液體在泵輪與渦輪之間形成了循環(huán)流動。工作液體在泵輪與渦輪之間形成了循環(huán)流動。故液力偶合器正常工作的條件是：故液力偶合器正常工作的條件是：離心泵的轉(zhuǎn)速總是大于渦輪機的轉(zhuǎn)速。離心泵的轉(zhuǎn)速總是大于渦輪機的轉(zhuǎn)速。從液力偶合器的工作過程得知：從液力偶合器的工作過程得知：發(fā)動機通過泵輪（離心泵）把機械能轉(zhuǎn)換液體發(fā)動機通過泵輪（離心泵）把機械能轉(zhuǎn)換液體為液體的動能和壓力能；而后又通過渦輪為液體的動能和壓力能；而后又通過渦輪（渦輪機

12、）把液體的動能和壓力能轉(zhuǎn)換成旋（渦輪機）把液體的動能和壓力能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機械能，通過輸出軸向外輸出扭矩。轉(zhuǎn)的機械能，通過輸出軸向外輸出扭矩。液力偶合器的工作介質(zhì)是液體。泵輪和渦輪之液力偶合器的工作介質(zhì)是液體。泵輪和渦輪之間沒有剛性聯(lián)系，兩者之間可以有很大的轉(zhuǎn)間沒有剛性聯(lián)系，兩者之間可以有很大的轉(zhuǎn)速差，甚至可以打滑。速差，甚至可以打滑。利用這一性能是為了緩沖、防止過載和調(diào)節(jié)速利用這一性能是為了緩沖、防止過載和調(diào)節(jié)速度。度。4.液力偶合器的結(jié)構(gòu)特點液力偶合器的結(jié)構(gòu)特點為了避免液體流動時的脈動，對工作輪產(chǎn)生周為了避免液體流動時的脈動，對工作輪產(chǎn)生周期性地沖擊而引起的振動，泵輪和渦輪的葉期性地沖擊而引

13、起的振動，泵輪和渦輪的葉片數(shù)目不相等，這樣工作起來更平穩(wěn)。片數(shù)目不相等，這樣工作起來更平穩(wěn)。為降低成本、制造方便，液力偶合器的葉片制為降低成本、制造方便，液力偶合器的葉片制成平面。成平面。5.液力偶合器輸出的扭矩液力偶合器輸出的扭矩在其結(jié)構(gòu)中只有泵輪和渦輪兩個工作輪，根據(jù)在其結(jié)構(gòu)中只有泵輪和渦輪兩個工作輪，根據(jù)工作原理與特點，發(fā)動機輸入給泵輪的扭矩工作原理與特點，發(fā)動機輸入給泵輪的扭矩是是M泵泵，泵輪作用于工作液體的扭矩是，泵輪作用于工作液體的扭矩是M液液， M泵泵=M液液，大小相等，方向相反。，大小相等，方向相反。獲得了扭矩的這部分液體，再沖擊渦輪，工作獲得了扭矩的這部分液體，再沖擊渦輪，工

14、作液體作用于渦輪的扭矩是液體作用于渦輪的扭矩是M渦渦，同樣，同樣M液液=M渦渦大小相等，方向相同。大小相等，方向相同。故故 M泵泵=M渦渦 。因為：因為： M泵泵=M液液，M液液=M渦渦，所以：所以： M泵泵=M渦渦，這表明：不僅輸入軸與輸出軸上的扭矩相等，這表明：不僅輸入軸與輸出軸上的扭矩相等，且兩根軸的旋轉(zhuǎn)方向相同。且兩根軸的旋轉(zhuǎn)方向相同。則則液力偶合器不能改變輸入的扭矩，只能將液力偶合器不能改變輸入的扭矩，只能將輸入軸上的扭矩等量傳遞給輸出軸，故液輸入軸上的扭矩等量傳遞給輸出軸，故液力偶合器又稱為力偶合器又稱為“液力聯(lián)軸器液力聯(lián)軸器”。八、液力變矩器八、液力變矩器1.液力變矩器的組成液力

15、變矩器的組成液力變矩器的工作循環(huán)圓中，除了有液力變矩器的工作循環(huán)圓中，除了有泵輪泵輪、渦輪渦輪外，還有一個外，還有一個導輪導輪-工作液體導向裝置工作液體導向裝置。液力變矩器的結(jié)構(gòu)示意圖液力變矩器的結(jié)構(gòu)示意圖1-泵輪；泵輪；2-渦輪；渦輪；3-導輪。導輪。變矩器中液流變矩器中液流流動狀態(tài)圖流動狀態(tài)圖 2.工作原理工作原理它的前部分的工作過程與液力偶合器一樣，但它的前部分的工作過程與液力偶合器一樣，但是從渦輪出來的液體并未回到泵輪的中心，是從渦輪出來的液體并未回到泵輪的中心，而是沖向?qū)л?，液體流經(jīng)固定導輪的葉片后，而是沖向?qū)л?，液體流經(jīng)固定導輪的葉片后，流入泵輪。流入泵輪。關(guān)鍵關(guān)鍵是當液體流經(jīng)導輪

16、的葉片時，受到了葉片是當液體流經(jīng)導輪的葉片時，受到了葉片的作用力的作用，液體的運動方向發(fā)生了變的作用力的作用，液體的運動方向發(fā)生了變化，就是由于導輪的作用?；褪怯捎趯л喌淖饔?。液力變矩器之所以能變矩，主要是不動的導輪液力變矩器之所以能變矩，主要是不動的導輪給渦輪施加一個反作用力矩。給渦輪施加一個反作用力矩。離心泵出來的液體（具有動能、壓力能）沖擊離心泵出來的液體（具有動能、壓力能）沖擊渦輪，之后進入導輪，液體一部分的壓力能渦輪，之后進入導輪，液體一部分的壓力能轉(zhuǎn)換為動能，液體的旋轉(zhuǎn)程度加大，從外力轉(zhuǎn)換為動能，液體的旋轉(zhuǎn)程度加大，從外力觀點出發(fā)，當液體進入導輪后，由于液體對觀點出發(fā)，當液體進

17、入導輪后，由于液體對不動的導輪葉片的饒流作用給導輪施加一個不動的導輪葉片的饒流作用給導輪施加一個力矩。力矩。導輪作用原理圖導輪作用原理圖- 組成組成-1泵輪；泵輪；2-渦輪；渦輪；3-導輪；導輪；4-原動機；原動機；5-泵輪；泵輪；6-渦輪渦輪;7-導輪葉。導輪葉。為什么有了導輪便能達到變矩的目的？為什么有了導輪便能達到變矩的目的？前部工作與液力偶合器一樣：前部工作與液力偶合器一樣：發(fā)動機輸出的機械能帶動離心泵工作（發(fā)動機輸出的機械能帶動離心泵工作（n 發(fā)發(fā) = n 泵泵 ），工作液體自泵輪中心沿其葉片流向外），工作液體自泵輪中心沿其葉片流向外緣，并沖擊渦輪機的葉片，使渦輪轉(zhuǎn)動。此緣，并沖擊渦

18、輪機的葉片，使渦輪轉(zhuǎn)動。此后，液體經(jīng)渦輪出來后，進入導輪，從導輪后，液體經(jīng)渦輪出來后，進入導輪，從導輪出來后，液體才重新進入泵輪。出來后，液體才重新進入泵輪。導輪在液力變矩器中是不能轉(zhuǎn)動的，因此沒有導輪在液力變矩器中是不能轉(zhuǎn)動的，因此沒有能量輸出。能量輸出。液力變矩器自動變矩的過程液力變矩器自動變矩的過程-首先要明確以下的假設：首先要明確以下的假設：1）泵輪的轉(zhuǎn)速）泵輪的轉(zhuǎn)速n泵常數(shù)。泵常數(shù)。2）循環(huán)圓內(nèi)的流量）循環(huán)圓內(nèi)的流量Q常數(shù)。常數(shù)。實際上流量實際上流量Q是隨著不同工況（轉(zhuǎn)速比是隨著不同工況（轉(zhuǎn)速比i），），而變化的（是隨著轉(zhuǎn)速比的增加而減小）。而變化的（是隨著轉(zhuǎn)速比的增加而減小）。但是

19、流量但是流量Q的變化比起圓周速度的變化來少的變化比起圓周速度的變化來少得多了，它不致影響對問題的討論，故可得多了，它不致影響對問題的討論，故可視為不變的。視為不變的。 當流量當流量Q和轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速n.均為常數(shù)時，則泵輪出口速均為常數(shù)時，則泵輪出口速度三角形是不會改變的。度三角形是不會改變的。汽車起步前，渦輪是不動的，轉(zhuǎn)速等于零汽車起步前，渦輪是不動的，轉(zhuǎn)速等于零（渦渦= 0 ）。）。 工作液體在泵輪葉片的帶動下，以一定數(shù)值工作液體在泵輪葉片的帶動下，以一定數(shù)值的絕對速度方向沖向渦輪葉片。的絕對速度方向沖向渦輪葉片。但因渦輪是靜止不動的，工作液流將沿著渦但因渦輪是靜止不動的，工作液流將沿著渦輪葉片

20、流出去，并沖向?qū)л啠ぷ饕毫髁鬏喨~片流出去，并沖向?qū)л啠ぷ饕毫髁鹘?jīng)固定不動的導輪葉片沿著流入泵輪中去。經(jīng)固定不動的導輪葉片沿著流入泵輪中去。當液流流過葉片時，受到了葉片的作用力，當液流流過葉片時，受到了葉片的作用力，其運動方向就發(fā)生了變化。其運動方向就發(fā)生了變化。 現(xiàn)設泵輪、渦輪和導輪對工作液流的作用扭矩現(xiàn)設泵輪、渦輪和導輪對工作液流的作用扭矩分別為分別為M泵泵、 M渦渦 、M導導。根據(jù)液流受力平衡條件，根據(jù)液流受力平衡條件， M泵泵、= =M渦渦 =M導導。但因液流對渦輪的沖擊扭矩但因液流對渦輪的沖擊扭矩M渦渦（即液力變矩（即液力變矩器輸出扭矩）與渦輪對液流的反作用扭矩的器輸出扭矩）與渦輪

21、對液流的反作用扭矩的M渦渦大小相等，方向則相反，因而渦輪扭矩大小相等，方向則相反，因而渦輪扭矩M渦渦在數(shù)值上等于泵輪扭矩在數(shù)值上等于泵輪扭矩M泵泵和導輪扭矩和導輪扭矩M導導之和。之和。 此時渦輪扭矩此時渦輪扭矩M渦渦大于泵輪扭矩大于泵輪扭矩M泵泵，液力變矩，液力變矩器起到了增大扭矩的作用。器起到了增大扭矩的作用。當液力變矩器輸出的扭矩，經(jīng)過傳動系傳遞到當液力變矩器輸出的扭矩，經(jīng)過傳動系傳遞到驅(qū)動軸上，由此而產(chǎn)生的牽引力足以克服汽驅(qū)動軸上，由此而產(chǎn)生的牽引力足以克服汽車起步時的阻力，汽車隨即起步，并且開始車起步時的阻力，汽車隨即起步，并且開始加速，與之相連的渦輪轉(zhuǎn)速加速，與之相連的渦輪轉(zhuǎn)速n渦渦

22、也逐漸從零也逐漸從零增加。增加。此時工作液流在渦輪出口處不僅具有沿葉片方此時工作液流在渦輪出口處不僅具有沿葉片方向的相對速度向的相對速度W渦渦2，同時具有沿著圓周方向，同時具有沿著圓周方向的牽連速度的牽連速度U渦渦2，故沖向?qū)л喨~片的工作液，故沖向?qū)л喨~片的工作液流的絕對速度流的絕對速度V渦渦2應是兩者的合成速度，當應是兩者的合成速度，當泵輪轉(zhuǎn)速泵輪轉(zhuǎn)速n泵泵等于常數(shù)（等于常數(shù)（n泵泵=常數(shù)），常數(shù)），n渦渦逐逐漸增加漸增加 。 同時從渦輪流出沖向?qū)л喨~片的工作液流的絕同時從渦輪流出沖向?qū)л喨~片的工作液流的絕對速度對速度V渦渦2將隨著牽連速度將隨著牽連速度u渦渦2的增加（即渦的增加（即渦輪轉(zhuǎn)速

23、輪轉(zhuǎn)速n渦渦的增加），而逐漸向左傾斜，使導的增加），而逐漸向左傾斜，使導輪上所承受的扭矩值逐漸減小。輪上所承受的扭矩值逐漸減小。當渦輪轉(zhuǎn)速增大到某一數(shù)值時，從渦輪流出的當渦輪轉(zhuǎn)速增大到某一數(shù)值時，從渦輪流出的工作液流正好沿著導輪出口方向沖向?qū)л?，工作液流正好沿著導輪出口方向沖向?qū)л?，由于工作液流流?jīng)導輪的方向是不改變的。由于工作液流流經(jīng)導輪的方向是不改變的。故導輪扭矩故導輪扭矩M導導為零（為零（M導導= 0），于是渦輪扭），于是渦輪扭矩與泵輪扭矩相等，即矩與泵輪扭矩相等，即M渦渦M泵泵。如果渦輪轉(zhuǎn)速如果渦輪轉(zhuǎn)速n渦渦繼續(xù)增大，工作液流絕對速度繼續(xù)增大，工作液流絕對速度V渦渦2的方向繼續(xù)向左傾，

24、這時，導輪扭矩方向的方向繼續(xù)向左傾，這時，導輪扭矩方向與泵輪扭矩方向相反，與泵輪扭矩方向相反，則渦輪扭矩為泵輪與導輪扭矩之差（則渦輪扭矩為泵輪與導輪扭矩之差（M渦渦M泵泵-M導導），就是說液力變矩器輸出扭矩反而比），就是說液力變矩器輸出扭矩反而比輸入扭矩小。輸入扭矩小。當渦輪轉(zhuǎn)速當渦輪轉(zhuǎn)速n渦渦增大到與泵輪轉(zhuǎn)速增大到與泵輪轉(zhuǎn)速n泵泵相等（相等（n渦渦=n泵泵）時，工作液體在循環(huán)圓中的循環(huán)流動）時，工作液體在循環(huán)圓中的循環(huán)流動即將停止，液力變矩器就不再進行傳遞扭矩。即將停止，液力變矩器就不再進行傳遞扭矩。也就是說液力變矩器工作過程也就是說液力變矩器工作過程汽車起步后逐漸加速，渦輪轉(zhuǎn)速汽車起步后逐漸加速，渦輪轉(zhuǎn)速n渦渦也隨之逐也隨之逐漸增加。這時工作液流沖擊導輪的角度漸增加。這時工作液流沖擊導輪的角度也也逐漸減小，導輪扭矩逐漸減小，導輪扭矩M導導也隨之減小，故渦也隨之減小，故渦輪扭矩也是減小的。輪扭矩也是減小的。當渦輪轉(zhuǎn)速當渦