第五章液力机械传动系统Word下载.docx
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之后，阿尔斯?
卡尔马斯—斯普云非尔德（Allis.Chalmers-Springfiel）工厂和菲亚特—阿尔斯（Fiat-Allis）建筑机械公司在履带式拖拉机上也开始采用了液力变矩器（三级）。
自此以后，液力传动则以其特有的工作特性在各个工业部门得到越来越广的应用。
尤其是在第二次世界大战时期，珍珠港的打捞绞车、登陆艇的锚链铰车、坦克、自行火炮等都应用了液力变矩器。
军事工业的应用，引起了世界各国汽车、拖拉机、工程机械、起重运输、石油开采等各部门对液力传动的关注和应用。
美国在七十年代研制的B—1战略轰炸机上的燃汽轮机的启动装置上也采用了液力变矩器。
关于国外液力变矩器的发展简史可用表1来加以概括说明。
表1液力变矩器发展史
功率
零速变最高最高效率
名称年代类型范围说明
矩系数效率时转速比
（HP）
1920年应用在轮船上Fö
ttinger1908变矩器510083%2.0（16000HP）并由Voith公司
应用于机车和工业上
适用于在Fö
ttinger变矩器基础上去Bauer1920偶合器1不同功掉导轮而构成偶合器最后由
率Vulcon形成偶合器
二级变二级Fö
ttinger变矩器，用于Reiseler19253（44084%1（3
矩器汽车传动
2
Vulcan-Sinclair型偶合器，用
适于不于汽车，并在1930年形成“液Simclair1727偶合器1
同功率力自动轮”具有广泛的应用
领域
多相变利用三列可调式导轮叶片，Coats19293（43086%1（3
矩器形成Vickers-Coats型变矩器
多级变Lysholm-Smith型变矩器，已Lysholm193055086%2（0
矩器在英、美、德各国应用
变矩器
Voith1932和偶合3（48085%1（3用于机车车辆的各种传动上
器
综合式
Trilok19348080%3（71（4整体装置的综合式变矩器
变矩器
二级综
Salerni1937合式变3（78082%1（3二级综合式液力变矩器
矩器
综合式Schneide19403（72588%1（5改进综合式变矩器的效率r变矩器
二、液力传动的发展现状
据有关资料介绍，全世界液力变矩器的年产量已达几千万台以上。
如欧美等工业发达国家，轿车的液力变矩器装备率最高时可达80%以上，日本在九十年代的年产量约100万台。
第二节液力变矩器
2.1液力变矩器的结构和工作原理
液力变矩器由泵轮、涡轮和导轮作用于成，所有工作轮都在一个封闭的环形空腔内，其纵向断面通常称为变矩器的循环圆。
变矩器的循环圆内充满工作液体，工作液体由油泵经调节阀调节压力后从泵轮的入口处进入变矩器，又从涡轮的出口处通到变矩器的冷却器。
变矩器主要术语:
级——是指涡轮元件插在其它构件的元件之间的个数。
是指涡轮构件的元件
3
数目。
相——是指由单向离合器或其它装置如离合器或制动器等，当作用变化时而产生工作元件用装置的数目。
单向离合器——仅向一个方向输送转矩的装置。
转速比（i）——是指输出转速与输入转速之比
变矩系数（k）——是指输出转矩与输入转矩比
零速变矩系数（K0）——指当涡轮停止转动时的转矩比
能容（Mb（1000）——变矩器收功率的能力
2（2液力变矩器的分类与选型
液力变矩器的类型
液力变矩器的类型及分类方法较多，现就工程机械常用的变矩器介绍如下:
（1）单级和多级液力变矩器
液力变矩器按照布置在其它两个工作轮（泵轮与导轮或导轮与导轮）之间的涡轮数，可分为单级变矩器和多级变矩器。
多级变矩器的各级涡轮彼此刚性连接，以提高涡轮输出轴的输出力矩。
有时涡轮数为两个或两个以上，但每个涡轮并不安置在其它两个工作轮之间，则仍为单级液力变矩器，可按其涡轮数称为双涡轮变矩器或三涡轮变矩器。
单级变矩器结构简单，工作可靠，变矩系数K0也较大，一般可达3~4。
多级变矩器虽然K0较大，但结构复杂，价格较高，故应用不广而被单级液力变矩器所取代。
（2）液力变矩器的涡轮型式
单级变矩器按照涡轮在循环圆中的布置可分为向心式涡轮、轴流式涡轮和离心式涡轮三种。
（3）单级和多相式液力变矩器
液力变矩器根据工作轮相互配合作用的数目，可分为单相、两相、和三相等。
工作轮相互配合作用的变换是采用自由轮机构或其它方法来达到的。
单导轮综合式变矩器是单级两相式变矩器，双导轮综合式变矩器是单级三相式变矩器。
我国批量生产的ZL50轮式装载机是双涡轮液力变矩器，其结构特点是:
4
第一涡轮与第二涡轮分别由两根相互套装的输出轴通过汇流机构汇流后将动力传给变速箱。
第一涡轮经一对减速齿轮，通过自由轮机构将动力传给变速器输入轴与第二涡轮另一对减速齿轮动力,动力汇流后传给变速器输入轴。
高速轻载时，第一涡轮空转，动力由第二涡轮单独传递;
低速重载时，自由轮锁死，两个涡轮同时工作，变矩系数增大。
因此，此种型式的变矩器为单级两相式。
2.3液力变矩器与发动机的共同工作
1（变矩器的原始特性
包括Mb（1000）、k、η等
i=n2/n1
k=M2/M1
η=k、I
62Mb（1000）=Mb*10/nb
下图是一典型的单涡轮和双涡轮液力变矩器的原始特性曲线.
2（液力变矩器的输入特性
变矩器输入特性是研究M1=f（n1）的变化关系。
输入特性可根据原始特性用力矩计算方程求得。
3（液力变矩器的输出特性
变矩器的输出特性是研究M2、M1、n1、η=f（n2）的变化关系.
4.变矩器的评价指标
（1）变矩系数K:
制动工况K0表示变矩器克服短期超载的能力。
（2）传动效率η:
希望最高效率高，同时变矩器高效率范围区段要宽。
（3）透过性:
变矩器的透过性是研究M（b）=f（i）的变化关系，根据各种车
辆的工况来选择透过性。
（4）泵轮力矩系数:
M（b）
下表及图是某单涡轮液力变矩器结构图及变矩器的原始数据及特性曲线。
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典型单涡轮液力变矩器结构图
6
单涡轮液力变矩器性能参数
序号η备注iKMbg（Nm）
10.0003.0200.000116.300
20.1002.6820.268120.890
30.2002.3840.477122.530
40.3002.1270.638122.720
50.3971.8890.750120.870
60.4001.8790.752120.730
70.5001.6390.820116.530
80.6001.4150.849113.170
最高效率点90.6831.2550.857109.310
100.7001.2210.855108.420
110.7981.0000.79895.650
120.8000.9960.79795.250
130.8420.8910.75085.630
140.9000.7450.67166.970
151.0000.3350.33522.130
典型单涡轮变矩器原始特性曲线
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下图为我国ZL50轮式装载机用双涡轮液力变矩器结构图及原始特性曲线.
1-工作泵2-变速泵3一级涡轮输出齿轮4-二级涡轮输出齿轮5-变速泵驱齿轮6-导轮座7-二级涡轮8-一级涡轮-导轮10-泵轮11-齿轮12-变速器输入轴9
13-离合器滚柱14-离合器内圈
双涡轮液力变矩器结构图
双涡轮液力变矩器原始特性曲线
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第三节动力换档变速器
3.1概述
动力换档变速器与液力变矩器相配合使用。
根据车辆性能要求动力换档变速器具有一定的档位数，与工程机械配合使用的变速器一般前进与后退档位数相同。
动力换档变速器和人力换档变速器的主要区别是用液压离合器作为操纵元件。
动力换档变速箱按结构原理分为定轴式和行星式两种。
3.2动力换档变速器基本型式和方案选择
3（2（1动力换档变速器的基本型式:
主要是从齿轮传动方上来分一般有两种型式:
定轴式和行星式3（2（2方案选择
对于大部分工程机械，目前般采用前进四档、后退四档的变速器，这是由工程机械的工作工部优而决定的。
从换档方式上来说有如下两种方式式
（1）摩擦离合器各啮合套结合换档
实现方式是用四个摩擦离合得到前进一、二档和倒退一二档，再结合啮合套得到高低档，从而实现前进四档后退四档。
这种方式的变速器在我国目前应用较多，例如我国大部分ZL30轮式装载机、我公司的PY160平地机、部分厂家生产的ZL50装载机等都采这种方式。
优点是结构简单、成本低，缺点是换档不方便，国外已经很少采用。
（2）全部摩擦离合器换档
所有档位都采用摩擦离合器换档，对定轴式前四后四变速器，需要六个摩擦离合器，对前三后三变速器需要五个摩擦离合器。
对于行星式变速器，是摩擦离合器与制动器结合工作的。
该种结构方式换档方便，目前采用的电液换档可以完全实现自动控制，该种方式是目前大量采用的方式。
缺点是结构复杂，成本高。
3.3定轴式动力换档变速器
这种变速器的每一个档由液压操纵的湿式离合器控制，齿轮均属外啮合齿
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轮。
动力换档定轴式变速器因为有摩擦离合器换档，所需轴向尺寸大，这样就不可能在两轴间实现多档变速，所以这种变速器一般都采用多轴串联式，以适应工程机械的前进及倒退档数相同的要求。
对于工程机械用变速器该结构制造工艺性好、传动效率高，从传统的观点来说，同等功率一般情况下其尺寸重量均比行星齿式变速器大。
但是现代工艺水平的发展，该种变速器的结构重量也不比行星式差。
对于小汽车及小型汽车变速器，目前基本没有采用定轴式动力换档变速器的。
（1）方案选择
目前工程机械动务换档变速箱一般采用前四后四、前三后三、前四后三
的档位数，换档都采用液压换档，很少再加机械换档。
（2）结构设计
一、传动简图的设计，在设计一变速器之前，绘制传动简图是必不可
少的,它可为传动比的分配及齿轮的计算提供依据.。
绘制传动简图一般是参
考现有的国内外已有的传动方式，再根据设计的具体在求来进行的。
变速
器的发展已有多年的历史，从现论上来说，可以有全新的传动方式，但从
实际结构等出发，很难脱离已有的技术，绘制全新的传动简图。
下图示例
为某一变速器传动简图实例。
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定轴式变速器的特点是采用多片摩擦离合器，一般离合器受两轴中心距的限制，尺寸不能太大。
为使多个离合器传递力矩小，以减小离合器的尺寸，同时各个离合器尽量统一规格，减少制造成本。
另外，在空转的离合器中，被动片间产生的相对转速也不能太高，以减小液力摩擦损失，使传动效率降低，同时相对转速过大，当空转的离合器重新结合时，离合器片滑磨增加，使离合器发热。
二、配齿和变速器主要参数的确定
确定变速器传动简图后，配齿是比较容易的。
变速器主要参数的确定:
齿轮模数m及中心距A，齿轮模数是决定齿轮大小和几何参数的重要参数，直接影响到齿轮的弯曲及疲劳强度。
对于中小功率的车辆，齿轮模数一般为3.5~5之间。
齿轮模数确定后即可计算出中心距A。
齿轮轮齿宽度B，齿轮宽度B的大小直接影响齿轮的强度。
一般以中心距或模数的比例系数来确定齿宽B。
轴径d，轴径一般是根根据齿轮及离合器等结构来设计时确定，相关资料上都有多种公式，一般只可作为参考。
三、主要零件结构设计
变速器中的零件成百上千计，每个零件都是至关重要的，如果每个零件都进行理论计算，是不可能的，也是不实际的，大部分是参考设计。
对齿轮及花键的计算可参考相关资料，下面只对动力换档变速器的换档离合器的设计作以说明。
（一）旋转密封
多片摩擦离合器的旋转密封，一直是我国动力换档变速器的主要故障源之一。
大部分变速器的旋转密封是布置在两端的，也有的变速器是将旋转密封设计在离合器内。
/秒，所以密封由于旋转密封面的相对转速较高，一般线速度最高可达30米环磨损严重，密封环磨损后，漏油严重，换档离合器的操纵油压建立不起来，使车辆无法正常行走。
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以前，旋转密封环一般为金属铸铁密封环，近几年，大部分厂家都将其改为聚四氟乙烯。
主要优点是容易装配，寿合也可以。
但是还没有达到与变速器其它零件同等寿命的要求，此技术仍有待研究。
下图是某一变速器中换档离合器的详细结构。
（二）换档离合器的结构及设计
换档离合器是变速器是的主要和关键部分。
不管各厂家生产的变速器结构千差万别，但其离合器的内部结构是基本相
同的，均由摩擦片、钢片、活塞、密封圈及轴承等组成。
摩擦片是离合器中的关键零件，摩擦片的摩擦材料一般为铜基粉沫冶金，
目前国外开始用纸基摩擦材料，其优点是动静摩擦系数接近，对要求较高的
自动换档变速器来说比较适合，再就是造价较低。
国外的摩擦片大都是纸基
摩擦材料，目前我国对纸基摩擦材料还是处于试制研究阶段，没有形成产品。
换档离合器的设计及计算主要包括如下内容。
1.离合器回位弹簧计算
1）弹簧钢度K
4GdK,38Dn2
G——剪切弹性模量
d——弹簧钢丝直径
D——弹簧中径2
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n——工作圈数
2）弹簧安装力P1
3）弹簧工作力P2
4）弹簧在最大工作负荷所产生的最大剪切力
8cp2,,Kmax2,d
c——弹簧指数c=D/d2
k曲度系数k=（4c-1）/（4c-4）=——
2取[τ]=550N/mm满足τ<
[τ]max
2.离合器转矩容量计算
（1）摩擦片的压力
活塞面积:
22S,（D,d）实4
D——活塞大径
d——活塞小径
活塞压力:
P=pS-P活操。
活2
p——离合器操纵油压操
对动力换档变速箱离合器的操纵油压一般为1.2~2.5Mpa，压力太小，离合器
的结构就大，压力过高摩擦片的比压太大，容易损坏，同时旋转密封的泄漏也较
大。
（2）摩擦片的实际比压:
摩擦片的总面积:
22S=π/4（D-d）片
油槽面积:
2S=n.L.B-n/2.Z.B槽
n——油槽条数
L——油槽长度
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B——油槽宽度
Z——每条油槽与其它油槽相交点数
摩擦片实际面积:
S=S-S实片槽
摩擦片实际比压:
p=P/S实片实
（3）离合器转矩容量
M=n.P.R.μ.η摩活cp
n——摩擦副数
R——摩擦片平均有效半径cp
R=（D+d）/4cp
μ——摩擦系数，对铜基粉末冶金一般取0.08-0.12。
η——多片效率
3（离合器储备系数
对于一般车辆按附着力决定离合器最大转矩计算。
一般情况下，推荐离合器储备系数β为1.1~1.2即可。
离合器设计时的计算还包括有热容量、滑磨功等的计算，计算公式复杂并且还不是很成熟,涉及的参数太多，一般设计不计算。
另外离合器的设计还包括排油阀的设计。
3.4行星式动力换档变速器
它由几排行星齿轮机构组合而成。
根据机构的组合形式用离合器或制动器控制行星机构的构件以达到变速的目的。
采用行星齿轮机构可以用较少的行星排以得到适当多的档位数;
能以较少的空间传递较大的功率;
由于行星机构上受力较小，其齿轮模数仅是定轴式的一半。
（1）行星传动原理
复杂的行星齿轮变速器，是由基本的行星机构组合而成，行星齿轮变速器中的用的基本行星机构大多数是单排内、外啮合行星机构，简称行星排。
行星排有三个基本元件，太阳轮、齿圈和行星架组成。
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（2）前二后一行星变速器
我国目前ZL40、50轮式装载机上应用的均为行星传动变速箱。
它由两个行星排和一个制动器组成。
发动机的动力传递给双涡轮液力变矩器，变矩器的两个涡轮分别用两根相互套装在一起的输出轴将动力通过常啮齿轮副传递给变速器。
双涡轮变矩器由于自由轮机构的作用，可根据装载机的运行阻力，自动达到液力变矩器第二涡轮单独工作和两个涡轮同时工作的目的，且由于常啮齿轮副的传动比不同，所以相当于一个两档自动变速器，使变速器的档位数减少，简化了使用者的操作，因此变速器只有两个前进档一个倒退档，行星变速器由两个行星排组成。
两行星排的太阳轮、行星轮、齿圈的齿数都相同，两行星排的太阳轮设计为一体，通过花键与变速器的输入、输出轴联接，前行星排齿圈、后行星排行星架和制动器从动毂通过花键连成一体，前行星架和后行星排齿圈分别设有摩擦片式制动器。
两个制动器分别工作可实现前进一档和倒档，一个离合器工作可实现前进二档。
该变速器因为与双涡轮变矩器相配，只有三个档，结构简单。
3.5动力换档变速器的液压操纵系统
换档操作的分类和要求:
液力变速器的操纵分为手动和自动操纵两大类，目前在我国工程机械上以手动操纵为主。
由于我国小汽车上液力传动起步较晚，现在配置的基本都是电液自动换档。
液压换档操纵是液力传动的一个重要组成部分，对工程机械液力传动目前得到了广泛的应用。
现在又出现了电控液压换档系统，此种系统在欧美等国家已经广泛应用，替代了原来的液压换档。
该系统最大的优点是可以实现自动换档及与发动机等实现车辆的自动控制，从而大大简化操作，提高燃油经济性。
目前国外各大公司的研究也都集中在该领域。
（1）换档液压系统的组成
一般变速箱的液压操纵油路与变矩器的补偿冷却油路、变速器的注润滑油路是一起设计的。
换档油路包括方向操纵阀、速度操纵阀、调压阀、变矩器进口压力阀、变矩器出口压力阀，对装载机还有动力切断阀，叉车等还有微动阀。
有的变速箱由于
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各档离合器的操作压力不同，还设有减压阀。
还有变速箱的操纵油路上设计有液压安全阀，以防止挂档起动发动机后车辆行走。
有的根据变速箱的结构要求，还设有顺序阀。
总之一般液压系统的各种阀，在动力换档变速箱中都有应用。
（2）电液操纵系统
电液操纵系统是上世纪七十年代后期，由各工业发达国家开发并应用的一种系统。
目前在欧美等主要发达国家，手动液压换档的变速箱基本上已经没有，取而代之的是电液自动换档系统。
采用电液换档可实现的扩展功能:
1.可以实现自动或半自动换档。
2.对于装载机等车辆可以减轻换档操作力，也可实现换档手柄与工作装置
手柄合在一起，简化司机操作，提高工作效率。
电液换档系统主要由换档电磁阀、换档阀及各种电气传感器等组成。
它的主要液压部分与传统的液压换档一样。
下图是一典型的液力机械传动电液换档液压系统图。
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ZL50装载机用前二后一行星式动力换档变速器
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前四后三动力换档变速器结构图
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