新編汽車結(jié)構(gòu)第16章-液力機(jī)械傳動(dòng)和機(jī)械式無極變速器課件

1、汽車構(gòu)造電子教案第十六章 液力機(jī)械傳動(dòng)與機(jī)械無極變速8/7/20221第十六章 液力機(jī)械傳動(dòng)和機(jī)械式無級(jí)變速器 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，液力機(jī)械式變速器和機(jī)械式無級(jí)變速器在汽車上，特別是在轎車上的應(yīng)用越來越廣泛。因此，本章將主要介紹這兩種形式的變速器。 上述兩種變速器具有如下優(yōu)點(diǎn)： 操縱方便，消除了駕駛員換擋技術(shù)的差異性。 有良好的傳動(dòng)比轉(zhuǎn)換性能，速度變換不僅快而且連續(xù)平穩(wěn)，從而提高了乘坐舒適性；并對今后轎車進(jìn)入家庭和非職業(yè)駕駛員化有重要意義。 減輕駕駛員疲勞，提高行車安全性。 降低排氣污染。 其主要缺點(diǎn)是：機(jī)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，傳動(dòng)效率低。8/7/20222哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）第一節(jié) 液力機(jī)械傳動(dòng)

2、第二節(jié) 機(jī)械式無級(jí)變速器一、液力耦合器 二、液力變矩器 8/7/20223哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 液力耦合器8/7/20224哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 液力耦合器的傳動(dòng)過程是：泵輪接受發(fā)動(dòng)機(jī)傳來的機(jī)械能，傳給工作液，使其提高動(dòng)能，然后再由工作液將動(dòng)能傳給渦輪。 液力耦合器實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的必要條件是工作液在泵輪和渦輪之間有循環(huán)流動(dòng)。 由于液力耦合器是用液體作為傳動(dòng)介質(zhì)，泵輪與渦輪之間允許有很大的轉(zhuǎn)速差，因此裝用液力耦合器，可以保證汽車平穩(wěn)地起步和加速；能夠衰減傳動(dòng)系中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)并防止傳動(dòng)系過載，從而延長傳動(dòng)系和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件壽命；顯著減少了需要換擋的次數(shù)，甚至在暫時(shí)停車時(shí)不脫開傳動(dòng)系也能維持發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。

3、8/7/20225哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 由液力耦合器工作原理可知，液體在循環(huán)流動(dòng)過程中，沒有受到任何其他附加外力，故發(fā)動(dòng)機(jī)作用于泵輪上的轉(zhuǎn)矩與渦輪所接受并傳給從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩相等。亦即液力耦合器只起傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，而不起改變轉(zhuǎn)矩大小的作用，故必須由變速機(jī)構(gòu)與其配合使用。此外，由于液力耦合器不能使發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系徹底分離，故在采用移動(dòng)齒輪或接合套方法換擋的普通齒輪式變速器時(shí)，僅僅為了使換擋時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器徹底分離，以減小輪齒沖擊，在液力耦合器與變速器之間還必須裝一個(gè)離合器。在此情況下使用液力耦合器，雖然具有使汽車起步平穩(wěn)，減少傳動(dòng)系中沖擊載荷等優(yōu)點(diǎn)，但未能完全免除操縱離合器的動(dòng)作，還會(huì)使整個(gè)傳動(dòng)系

4、的重量增大，縱向尺寸增加；此外，由于液力耦合器中存在液流損失，傳動(dòng)系效率比單用離合器時(shí)為低。目前，液力耦合器在汽車上的應(yīng)用日益減少。8/7/20226哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）液力變矩器 （二）幾種典型的液力變矩器（三）液力機(jī)械變矩器（四）液力機(jī)械傳動(dòng)的液壓自動(dòng)操縱系統(tǒng)（一）液力變矩器的工作原理8/7/20227哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）液力變矩器的工作原理液力變矩器（圖16-4）主要由可旋轉(zhuǎn)的泵輪4和渦輪3以及固定不動(dòng)的導(dǎo)輪5三個(gè)元件組成。 和耦合器一樣，變矩器正常工作時(shí)，儲(chǔ)于環(huán)形內(nèi)腔中的工作液，除有繞變矩器軸的圓周運(yùn)動(dòng)以外，還有在循環(huán)圓中沿圖16-4中箭頭所示方向的循環(huán)流動(dòng)，故能將轉(zhuǎn)矩從泵輪傳到渦

5、輪上。與耦合器不同的是：變矩器不僅能傳遞轉(zhuǎn)矩，且能在泵輪轉(zhuǎn)矩不變的情況下，隨著渦輪的轉(zhuǎn)速（反映著汽車行駛速度）不同而改變渦輪輸出的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值。變矩器之所以能起變矩作用，是由于結(jié)構(gòu)上比耦合器多了導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)。 8/7/20228哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）下面用變矩器工作輪的展開圖來說明變矩器的工作原理。 將循環(huán)圓上的中間流線（此流線將流通道斷面分割成面積相等的內(nèi)外兩部分）展開成一直線，各循環(huán)圓中間流線均在同平面上展開。 于是在展開圖上，泵輪B,渦輪W和導(dǎo)輪D便形成三個(gè)環(huán)形平面，且工作輪的葉片角度也清楚地顯示出來。8/7/20229哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 由圖可見，沖向?qū)л喨~片的液流的絕對速度將隨著牽連速度

6、的增加（即渦輪轉(zhuǎn)速的增加）而逐漸向左傾斜，使導(dǎo)輪上所受轉(zhuǎn)矩值逐漸減小。 8/7/202210哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 于是，變矩系數(shù)相應(yīng)增大，使驅(qū)動(dòng)輪獲得較大的轉(zhuǎn)矩，保證汽車能克服增大的阻力而繼續(xù)行駛。所以，液力變矩器是一種能隨汽車行駛阻力的不同而自動(dòng)改變變矩系數(shù)的無機(jī)變速器。 此外，液力耦合器的保證汽車平穩(wěn)起步，衰減傳動(dòng)系中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，防止傳動(dòng)系超載等功能，液力變矩器也同樣具備。 從變矩器特性中可以看出，變矩系數(shù)K是隨渦輪轉(zhuǎn)速的改變而連續(xù)變化的。當(dāng)汽車起步，上坡或遇到較大阻力時(shí)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷不變，車速將降低，即渦輪轉(zhuǎn)速降低。8/7/202211哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）幾種典型的液力變矩

7、器三元件液力變矩器四元件綜合式液力變矩器帶鎖止離合器的液力變矩器8/7/202212哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）三元件液力變矩器三元件液力變矩器的典型結(jié)構(gòu) 如圖。它由泵輪8，渦輪5和導(dǎo)輪9組成。最大變矩系數(shù)（即渦輪轉(zhuǎn)速為零時(shí)的變矩系數(shù)）為1.92.5。8/7/202213哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 變矩器自由輪機(jī)構(gòu)的構(gòu)造可用圖16-10來說明。它由外座圈2，內(nèi)座圈1，滾柱5及不銹鋼疊片彈簧6組成。 當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速較低，與泵輪轉(zhuǎn)速差較大時(shí)，從渦輪流出的液流沖擊導(dǎo)輪葉片，力圖使導(dǎo)輪3順時(shí)針方向（虛線箭頭所示）旋轉(zhuǎn)。變矩器就轉(zhuǎn)入耦合器的工作狀況。這種可以轉(zhuǎn)入耦合器工況的變矩器稱綜合示液力變矩器。 采用綜合式液力變

8、矩器的目的，在于利用耦合器在高傳動(dòng)比時(shí)相對變矩器有較高效率的特點(diǎn)。 8/7/202214哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 三元件綜合式液力變矩器結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，性能穩(wěn)定，最高效率達(dá)92%。在轉(zhuǎn)為耦合器工作時(shí)，高傳動(dòng)比區(qū)的效率可達(dá)96%。因此，它在高級(jí)轎車上應(yīng)用極廣，在大型客車，自卸車及工程車輛上的應(yīng)用也逐漸增多。 8/7/202215哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）四元件綜合式液力變矩器 某些起動(dòng)變矩系數(shù)大的變矩器，若采用上述三元件綜合式液力變矩器，則在最高效率工況到耦合器工況始點(diǎn)之間區(qū)段上效率顯著降低。為避免這個(gè)缺點(diǎn)，可將導(dǎo)輪分割成兩個(gè)，分別裝在各自的自由輪上，從而形成四元件綜合式液力變矩器。四元件綜合式液

9、力變矩器的示意圖。 8/7/202216哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）四元件綜合式液力變矩器的特性是兩個(gè)變矩器的特性和一個(gè)耦合器特性的綜合。 8/7/202217哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）帶鎖止離合器的液力變矩器因變矩器的渦輪與泵輪之間存在轉(zhuǎn)速差和液力損失，變矩器的效率不如機(jī)械變速器高，故采用變矩器的汽車在正常行駛時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性較差。為提高變矩器在高傳動(dòng)比工況下的效率，可采用帶鎖止離合器的液力變矩器。 8/7/202218哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）液力機(jī)械變速器行星齒輪變速器的工作原理液力變矩器與行星齒輪變速器組成的液力機(jī)械變速器液力變矩器與固定軸線式齒輪變速器組成的液力機(jī)械變速器帶鎖止離合器的液力變矩器，換

10、擋離合器和全同步變速器組成的液力機(jī)械變速器雙流液力機(jī)械傳動(dòng)8/7/202219哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）行星齒輪變速器的工作原理 為了了解行星齒輪變速器工作原理，下面先分析單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 8/7/202220哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）液力變矩器與行星齒輪變速器組成的液力機(jī)械變速器紅旗牌7560型高級(jí)轎車即采用這種類型的液力機(jī)械變速器，它由一個(gè)四元件綜合式液力變矩器和可自動(dòng)換擋的兩擋行星齒輪變速器組成 8/7/202221哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）8/7/202222哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 圖16-17為其變速傳動(dòng)部分示意圖。其中，行星齒輪變速器由前后兩排行星齒輪機(jī)構(gòu)組成。用離合器和制動(dòng)器可改

11、變行星齒輪機(jī)構(gòu)中各元件的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)不同擋位的傳動(dòng)。 8/7/202223哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 紅旗CA7560型轎車的雙排行星齒輪變速器，共有一個(gè)倒擋和兩個(gè)前進(jìn)擋，低速擋和高速擋直接擋。各擋傳動(dòng)路線如圖 紅旗牌轎車變矩器的變矩系數(shù)為1-2.45。當(dāng)行星齒輪變速器在低速擋工作時(shí)，總傳動(dòng)比可在1.72-4.2范圍內(nèi)連續(xù)變化；在直接擋工作時(shí)，總傳動(dòng)比的連續(xù)變化范圍為1-2.45；倒擋工作時(shí)，總傳動(dòng)比變化范圍為2.39-5.85。8/7/202224哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 行星齒輪變速器可以由駕駛員強(qiáng)制操縱，也可以做成自動(dòng)操縱的。自動(dòng)操縱系統(tǒng)通常采用液壓式。 為了使變矩器內(nèi)的油液在最有利的

12、溫度范圍內(nèi)（80C左右）工作，變矩器內(nèi)一部分高溫油流到置于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器下儲(chǔ)水箱內(nèi)的專用管式冷卻器中進(jìn)行冷卻。冷卻后的油液又經(jīng)過細(xì)濾器并由后蓋流入變速器，作為潤滑油，然后回到變速器的油底殼。由于冷卻器位于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器下儲(chǔ)水箱之中，所以油液不僅得到必要的冷卻，而且在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后的預(yù)熱過程中也能得到預(yù)熱，使其粘度減小，以提高變矩器的效率。 目前，國外高級(jí)轎車上普遍應(yīng)用的式三元件液力變矩器與固定軸線式齒輪變速器組成的液力機(jī)械變速器，以使汽車具有較高的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。8/7/202225哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）液力變矩器與固定軸線式齒輪變速器組成的液力機(jī)械變速器原上海SH380型自卸車所采用的即為液力變矩

13、器與固定軸線式齒輪變速器組成的液力機(jī)械變速器，其傳動(dòng)部分示意圖見圖16-19。該變速器由增速器，液力變矩器和固定軸線式齒輪變速器組成。 8/7/202226哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）帶鎖止離合器的液力變矩器，換擋離合器和全同步變速器組成的液力機(jī)械變速器。近年來，國外重型貨車和工程車輛開始采用WSK系統(tǒng)與全同步多擋變速器（4-6擋）組成的液力機(jī)械變速器。所謂WSK(德文縮寫)系統(tǒng)，是由鎖止離合器，變矩器，滑行自由輪機(jī)構(gòu)和換擋離合器組成的“變矩器-換擋離合器系統(tǒng)”。 8/7/202227哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）雙流液力機(jī)械傳動(dòng)前已述及，液力變矩器單獨(dú)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配，不能滿足汽車使用要求，還需要與機(jī)械變速器

14、串聯(lián)組成液力機(jī)械變速器。此外，還可以將液力變矩器與二自由度行星齒輪機(jī)構(gòu)并聯(lián)，而后再與機(jī)械變速器串聯(lián)。在并聯(lián)部分中，發(fā)動(dòng)機(jī)功率的一部分經(jīng)變矩器傳遞，其余部分經(jīng)行星齒輪機(jī)構(gòu)傳遞，因而兼有兩種傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。這種有并聯(lián)部分的液力機(jī)械傳動(dòng)即稱為雙流液力機(jī)械傳動(dòng)或液力機(jī)械分流傳動(dòng)。其中，并聯(lián)部分可稱為液力機(jī)械變矩器。汽車上采用的雙流液力機(jī)械傳動(dòng)可分為外分流式，內(nèi)分流式和復(fù)合分流式。8/7/202228哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）外分流式液力機(jī)械傳動(dòng)的一種形式。 內(nèi)分流式液力機(jī)械傳動(dòng)與外分流式的區(qū)別在于，功率分流是在液力傳動(dòng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的。 復(fù)合分流式是外分流式與內(nèi)分流式的綜合。 8/7/202229哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威

15、海）液力機(jī)械傳動(dòng)的液壓自動(dòng)操縱系統(tǒng)液力機(jī)械傳動(dòng)中的變速器的操縱方式可分為強(qiáng)制操縱，半自動(dòng)操縱和自動(dòng)操縱。所謂自動(dòng)操縱是指汽車前進(jìn)行駛過程中，駕駛員按行駛需要控制加速踏板，變速器即可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和汽車速度的變化，自動(dòng)地?fù)Q入不同擋位工作。自動(dòng)操縱可使駕駛操作大為簡化輕便，有利于安全行駛，并使換擋過程中的速度變化平順，從而提高了汽車的加速性和舒適性。因此，雖然自動(dòng)操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求高，但在高級(jí)轎車上仍得到普遍應(yīng)用。 8/7/202230哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）自動(dòng)操縱系統(tǒng)包括動(dòng)力源，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分 8/7/202231哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）動(dòng)力源是裝在變矩器1與前閥體之間（參看圖1

16、6-16），由變矩器泵輪驅(qū)動(dòng)的內(nèi)嚙合齒輪式液壓泵7。它除了向控制機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)供應(yīng)壓力油以實(shí)現(xiàn)換擋外，還向液力變矩器供應(yīng)工作油液，向行星齒輪變速器供應(yīng)潤滑油。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括直接擋離合器18，低擋制動(dòng)器19和倒擋制動(dòng)器20。 控制機(jī)構(gòu)由主油路系統(tǒng)，換擋信號(hào)系統(tǒng)，換擋閥系統(tǒng)，緩沖安全系統(tǒng)和濾清冷卻系統(tǒng)組成。其作用是按照來自駕駛員和各傳感器發(fā)出的控制信號(hào)，將液壓泵輸出壓力加以精確調(diào)節(jié)，并輸入執(zhí)行機(jī)構(gòu)。此外，還能保證換擋過程的正常進(jìn)行和改善換擋過程的平順性。8/7/202232哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）第二節(jié) 機(jī)械式無級(jí)變速器一、機(jī)械式無級(jí)變速器的工作原理二、CVT的關(guān)鍵部件三、典型運(yùn)用實(shí)例8/7/202

17、233哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）機(jī)械式無級(jí)變速器的工作原理 當(dāng)主、從動(dòng)工作輪的可動(dòng)部分做軸向移動(dòng)時(shí)，即可改變傳動(dòng)帶與工作輪的嚙合半徑，從而改變了傳動(dòng)比。 工作輪可動(dòng)部分的軸向移動(dòng)是根據(jù)汽車的行駛工況，通過控制系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)的無級(jí)變速傳動(dòng)。 8/7/202234哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）8/7/202235哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）CVT的關(guān)鍵部件金屬帶工作輪液壓泵控制系統(tǒng)8/7/202236哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）金屬帶8/7/202237哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）工作輪主、從動(dòng)工作輪由可動(dòng)部分和固定部分組成（參見圖16-23）。其工作面為直線錐面體。在控制系統(tǒng)的作用下，可動(dòng)部分依靠鋼球滑道結(jié)構(gòu)做軸向

18、移動(dòng)，可連續(xù)的改變帶傳動(dòng)工作半徑，從而實(shí)現(xiàn)無級(jí)自動(dòng)變速傳動(dòng)。液壓泵液壓泵為系統(tǒng)控制的液壓源，其類型由齒輪泵和葉片泵兩種。8/7/202238哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）控制系統(tǒng)8/7/202239哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）典型運(yùn)用實(shí)例CVT與液力耦合器組成無級(jí)變速傳動(dòng)CVT與電磁離合器組成的無級(jí)變速雙狀態(tài)無級(jí)傳動(dòng)8/7/202240哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）CVT與液力耦合器組成無級(jí)變速傳動(dòng)圖16-29所示的CVT與液力耦合器組成的無級(jí)傳動(dòng)示意圖，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)傳給液力耦合器泵輪和渦輪，然后傳給無級(jí)傳動(dòng)CVT，這樣可改善起步性能。 8/7/202241哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）CVT與電磁離合器組成的無級(jí)變速圖16-30所示為用電磁離合器代替了上述液力耦合器的結(jié)構(gòu)形式。 8/7/202242哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）雙狀態(tài)無級(jí)傳動(dòng) 液力耦合器、電磁離合器等僅解決起步平穩(wěn)問題，因其均不變更轉(zhuǎn)矩，所一并未擴(kuò)大CVT總傳動(dòng)比范圍。但如用液力變矩器組合，就不僅提供最佳起步性能，而且它的變矩作用擴(kuò)大了總傳動(dòng)比的變化范圍，降低了CVT自身的變化范圍，從而使CVT傳動(dòng)易于調(diào)節(jié)到使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳燃油經(jīng)濟(jì)性線上工作。所謂雙狀態(tài)即是當(dāng)起步和低速時(shí)液力變矩器工作,當(dāng)速度增加至變矩器耦合點(diǎn)工況時(shí),轉(zhuǎn)換到CVT傳動(dòng),此時(shí)變矩器轉(zhuǎn)