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1、雙導(dǎo)輪式液力變矩器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 液力變矩器是以液體為工作介質(zhì)的一種非剛性扭矩變換器，是液力傳動(dòng)的型式之一，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間，以液壓油為工作介質(zhì)，起到傳遞轉(zhuǎn)矩，變速，變矩的作用。過(guò)載保護(hù)性能和起動(dòng)性能好，輸出軸的轉(zhuǎn)速可大于輸入軸的轉(zhuǎn)速，兩軸的轉(zhuǎn)速差隨傳遞扭矩的大小而不同，有良好的自動(dòng)變速性能等等。 此設(shè)計(jì)的整個(gè)設(shè)計(jì)思想主要是在安全的基礎(chǔ)上展開(kāi)的，然后對(duì)液力變矩器的性能做一些更進(jìn)，對(duì)于導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)采用提高載荷和增加扭矩的思想，安裝超越離合器，使導(dǎo)輪能夠單向轉(zhuǎn)動(dòng)，提高變矩系數(shù)和工作范圍。 雙導(dǎo)輪液力變矩器相對(duì)于單導(dǎo)輪的變矩系數(shù)，工作范圍和高效區(qū)，都有很大的不同。在這我

2、們分析變矩器的結(jié)構(gòu)和各部件的作用，變矩器常見(jiàn)的故障分析以及維護(hù)維修方法。通過(guò)對(duì)軸和葉輪葉片的分析計(jì)算，校核產(chǎn)品的強(qiáng)度剛度，設(shè)計(jì)零部件的架構(gòu)尺寸。用三維實(shí)體圖片描述雙導(dǎo)輪液力變矩器的零件的相互關(guān)系以及裝配過(guò)程。 關(guān)鍵詞：液力變矩器，自動(dòng)變速器，雙導(dǎo)輪 I Abstract Torque converter is a non-rigid torque converter for the work of fluid medium. It is one of the types of hydraulic transmission, installed between the

3、 engine and transmission, and Worked by hydraulic oil， playing a important part in transmission of the torque. The characteristics of torque converter are: eliminating shock and vibration, overloading performance and good starting performance. The output shaft speed can be either higher than the inp

4、ut shaft speed--two-axle speed difference with the size of the torque transmission, and it have a good performance of the automatic transmission and so on. The concept of the design is the design security, and then do some more improvement of the hydraulic torque converter. The design of the guide

5、pulley used to raise the load and increase the torque, and erect the Clutch so that pulley rotation can be one-way rotational. Improve the torque variation coefficient and the scope of work. Compared to single guide pulley torque converter, two-guide pulley torque converter has greater torque varia

6、tion coefficient, broader scope of work and wider area of high-performance. In this passage, we will analyze the role of the various components, Torque converter failure analysis common repairs and maintenance methods, through the shaft and impeller blades analyze and checking the strength and the s

7、tiffness of products. All parts of double-guide pulley of the torque converter described by three-dimensional, it statements the relationship between parts and the assembly process. Key words: hydraulic torque converter, automatic transmission, double guide pulley 雙導(dǎo)輪式液力變矩器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 目 錄 第一

8、章 前言 1 1.1 液力變矩器的研究及背景 1 1.2 液力變矩器的工作原理 1 1.2.1 結(jié)構(gòu)與工作特性 1 1.2.2 變矩功能的說(shuō)明 3 1.2.3 超越離合器 4 1.3 液力變矩器的特點(diǎn) 4 1.4 液力變矩器液體的流動(dòng)分析以及葉片的設(shè)計(jì) 5 1.4.1 液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)研究 6 第二章 液力變矩器的使用和常見(jiàn)故障診斷以及對(duì)未來(lái)的展望 9 2.1 液力變矩器的正確使用 9 2.1.2 液力變矩器正常工作時(shí)需要解決的問(wèn)題 9 2.1.2 液力變矩器正常工作的壓力補(bǔ)償系統(tǒng) 9 2.1.3 正確使用液力傳動(dòng)油 9 2.1.4 液力元件的檢查 10 2.2

9、常見(jiàn)故障及診斷方法 11 2.3 液力變矩器的其他研究方向 13 2.4 液力變速器在工作中出現(xiàn)的主要故障和維護(hù)保養(yǎng) 14 2.4.1 溫度過(guò)高 14 2.4.2 液力變矩器的維護(hù)與保養(yǎng) 14 2.5 新型可變?nèi)萘侩p泵輪液力變矩器 15 2.6 液力變矩器研究展望 15 第三章 液力變矩器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 18 3.1 液力變矩器葉輪葉片的設(shè)計(jì) 18 3.2 變矩器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 20 3.3 軸的設(shè)計(jì)及校核 22 3.4 密封材料的設(shè)計(jì) 26 3.5 選擇材料 26 第四章 液力變矩器設(shè)計(jì)模型和零件之間的裝配關(guān)系 28 第五章 分析和總結(jié) 39 5.1 經(jīng)濟(jì)可行性

10、分析 39 5.2 設(shè)計(jì)分析總結(jié) 39 參考文獻(xiàn) 41 致 謝 43 聲 明 44 第一章 前言 1.1 液力變矩器的研究及背景 在國(guó)內(nèi)外中、高檔轎車(chē)、大客車(chē)、礦用車(chē)等車(chē)輛應(yīng)用液力變矩器越來(lái)越多。液力變矩器在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展開(kāi)始于五十年代，當(dāng)時(shí)是在大馬力內(nèi)燃機(jī)車(chē)和“紅旗” 牌小轎車(chē)上裝配了液力變矩器。此后液力變矩器在我國(guó)獲得了穩(wěn)定的發(fā)展。目前我國(guó)液力變矩器傳動(dòng)技術(shù)已經(jīng)由仿制試制向獨(dú)立設(shè)計(jì)產(chǎn)品系列化的方向發(fā)展。有些產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了較高的水平。為了適應(yīng)石油工業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)開(kāi)始研制液力變矩器應(yīng)用于石油鉆機(jī)上進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，并取得很好的效果，但是由于液力變矩器自身的復(fù)雜性，它

11、的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)還依賴(lài)于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。 液力變矩器是液力傳動(dòng)車(chē)輛的關(guān)鍵部件之一【1】，是一種包含了機(jī)械和液力機(jī)構(gòu)的復(fù)雜液固耦合系統(tǒng)。在總結(jié)了國(guó)內(nèi)外主要研究成果的基礎(chǔ)上，可以將液力變矩器研究劃分為兩個(gè)階段： 第一個(gè)階段是從20 世紀(jì)30 年代到20 世紀(jì)80 年代， 這一階段的主要特點(diǎn)是基于一元束流理論的液力變矩器設(shè)計(jì)和分析研究， 可以將這一階段稱(chēng)為傳統(tǒng)液力變矩器研究階段；第二個(gè)階段是從20 世紀(jì)90 年代至今，這一階段的主要特征是基于液力變矩器三維內(nèi)流場(chǎng)分析結(jié)果的優(yōu)化和設(shè)計(jì)方法的發(fā)展， 在這一階段，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了大量的利用商用軟件進(jìn)行液力變矩器分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化的文章， 可以將之稱(chēng)為液力變矩器現(xiàn)代設(shè)計(jì)分析

12、理論研究階段。 在美國(guó)，幾乎 100%的城市公共汽車(chē)、90%以上的轎車(chē)、70%以上的重型汽車(chē)和其它工程車(chē)輛都裝備了液力變矩器【2】。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各大汽車(chē)廠商推出了裝備自動(dòng)變速器的新車(chē)型，但這些液力變矩器大多依靠國(guó)外進(jìn)口或引進(jìn)國(guó)外技術(shù)后在國(guó)內(nèi)組裝生產(chǎn)。因此，開(kāi)發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液力變矩器產(chǎn)品具有極好的應(yīng)用前景。也是我國(guó)汽車(chē)技術(shù)現(xiàn)代化重點(diǎn)開(kāi)發(fā)方向之一，有著巨大的市場(chǎng)潛力。如果液力變矩器能廣泛應(yīng)用，必將帶來(lái)很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 1.2 液力變矩器的工作原理 1.2.1結(jié)構(gòu)與工作特性 液力變矩器是由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪等三個(gè)工作輪及其它零件組成。泵輪和渦輪都通過(guò)軸承裝在殼體上，

13、而導(dǎo)輪則與殼體固定不動(dòng)。三個(gè)工作輪都密 41 閉在有殼體形成的并充滿油液的空間中。 圖1-1液力變矩器 泵輪 導(dǎo)輪 渦輪 圖1-2液力變矩器中的主要部件 各工作輪中裝有彎曲成一定形狀的葉片以利油液的流動(dòng)，各工作輪中心部分成圓環(huán)形稱(chēng)之為循環(huán)圓內(nèi)環(huán)。泵輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪圓盤(pán)固定連接, 為液力變矩器的主動(dòng)件; 渦輪與液力變矩器的輸出軸( 即自動(dòng)變速器的輸入軸) 以花鍵連接, 為液力變矩器的從動(dòng)件; 導(dǎo)輪通過(guò)單向離合器安裝于導(dǎo)輪套管上, 只能單向旋轉(zhuǎn), 其旋轉(zhuǎn)方向由ATF 工作液對(duì)其的作用力方向來(lái)決定。液力變矩器的輸入軸與輸出軸間靠液體聯(lián)系，工作構(gòu)件

14、間沒(méi)有剛性聯(lián)接。 液力變矩器的工作特性曲線如圖1-3【3】 所示,圖中的n 、M 、M 、M 分 W W B A 別表示渦輪轉(zhuǎn)速、渦輪轉(zhuǎn)矩、泵輪轉(zhuǎn)矩、導(dǎo)輪給予渦輪的轉(zhuǎn)矩。液力變矩器工作時(shí), 充滿于泵輪葉片間的工作液在離心力的作用下以很高的速度和壓力從泵輪的外緣 流出, 進(jìn)入渦輪; 渦輪在高速液流的沖擊作用下旋轉(zhuǎn), 進(jìn)入渦輪的液流速度降低, 并沿著渦輪葉片通道流動(dòng), 同時(shí)又與渦輪一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);從渦輪流出的液體接著進(jìn)入導(dǎo)輪,在導(dǎo)輪葉片的作用下, 改變了速度方向的液體質(zhì)點(diǎn)重新返回泵輪, 完成在工作輪之間的不斷循環(huán)( 即液體從泵輪→渦輪→導(dǎo)輪→泵輪循環(huán)不息) 。在工作液

15、 循環(huán)流動(dòng)過(guò)程中, 渦輪承受泵輪給予的轉(zhuǎn)矩M B 和導(dǎo)輪給予的反作用轉(zhuǎn)矩。 圖1-3液力變矩器的工作特性 1.2.2 變矩功能的說(shuō)明 以汽車(chē)加速和勻速行駛狀況為例 W B A B （1） 在汽車(chē)起步和加速時(shí), 液力變矩器工作在變扭區(qū)( 圖1-3中的曲線A- B 段) , 此時(shí)渦輪輸出到變速器的扭矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)輸入給液力變矩器的扭矩, 即MW > MB 。在此階段, 泵輪通過(guò)油液對(duì)渦輪產(chǎn)生力矩MB , 同時(shí), 從渦輪流出的油液對(duì)導(dǎo)輪產(chǎn)生沖擊力,由于導(dǎo)輪不旋轉(zhuǎn), 相應(yīng)地導(dǎo)輪也給渦輪一個(gè)反作用力, 產(chǎn)生 力矩M A , 力矩的方向與泵輪對(duì)渦輪的力矩的

16、方向相同, M = M + M > M 【4】。 由于在起步時(shí)nW =0, 從渦輪流出的工作液沖擊到導(dǎo)輪葉片的正面,沖擊力最大, 相應(yīng)地導(dǎo)輪通過(guò)液體給渦輪的反作用力產(chǎn)生的力矩也最大,故起步時(shí)渦輪的輸出扭矩最大, 工作在圖1-3中曲線的A 點(diǎn), 這便于汽車(chē)克服較大的起步阻力。汽車(chē)起步后進(jìn)入加速狀態(tài), 由于nW >0, 進(jìn)入渦輪的液流同時(shí)又與渦輪一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 則從渦輪流出的液體進(jìn)入導(dǎo)輪的方向發(fā)生改變, 使對(duì)導(dǎo)輪的沖擊力減小, 相應(yīng)地 M A 也減小。隨著車(chē)速越來(lái)越高( nW 越來(lái)越大) , M A 繼續(xù)減小, MW 也繼續(xù)減 小, 直至等于MB 。在汽車(chē)起步

17、后的加速工作狀態(tài),液力變矩器工作在圖1-3中的曲線AB段。 （2） 在車(chē)速較高時(shí), 液力變矩器工作在耦合區(qū)( 圖1-3中的曲線B- C段) 。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速nW 達(dá)到一定值時(shí),從渦輪流出的液體沖擊進(jìn)入導(dǎo)輪的方向改變到能使導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn), 導(dǎo)輪便與渦輪同步旋轉(zhuǎn), 相應(yīng)地導(dǎo)輪通過(guò)液體給渦輪葉片的反作用力矩 M A 為0,則渦輪輸出的扭矩與泵輪輸出的扭矩大小相等, 液力變矩器相當(dāng)于耦合 器, 只變速不變矩。 由于液力變矩器是采用液體傳遞扭矩的, 發(fā)動(dòng)機(jī)輸入到變矩器的動(dòng)力并沒(méi)有100%地傳遞到變速器, 因此液力變矩器的傳動(dòng)效率沒(méi)有機(jī)械變速器高。為了提高變矩器在高速工況下的傳動(dòng)效率, 改善汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性

18、, 目前大多數(shù)轎車(chē)采用了帶鎖止離合器的液力變矩器。當(dāng)汽車(chē)低速行駛或速比較小時(shí), 液壓控制系統(tǒng)控制傳動(dòng)液在液力變矩器里的流動(dòng)方向,使離合器處于分離狀態(tài), 鎖止式變矩器仍具有增扭和耦合器的功能; 當(dāng)汽車(chē)高速行駛或速比增大到一定值后,液壓控制系統(tǒng)改變傳動(dòng)液在液力變矩器內(nèi)的流動(dòng)方向, 使鎖止離合器接合, 泵輪與渦輪連接成一體, 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力由飛輪和變矩器直接傳遞到變速器輸入軸, 從而實(shí)現(xiàn)100%的動(dòng)力傳遞。 1.2.3超越離合器 導(dǎo)輪中的超越離合器起到導(dǎo)流和變矩的作用，是一個(gè)利用滾柱的楔緊作用單向傳遞運(yùn)動(dòng)或扭矩的離合器。滾子式單超越離合器由外圍、滾子、彈簧和內(nèi)圈組成，滾子數(shù)目通常為6—8個(gè)

19、。工作過(guò)程中，若離合器的外圈相對(duì)于內(nèi)圈沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，那么，滾子便在具有凸輪型線的開(kāi)口槽中向大端移動(dòng)并壓縮彈簧。這時(shí)，離合器不會(huì)出現(xiàn)鎖止現(xiàn)象，而允許外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，而當(dāng)反向轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)輪則被鎖止。 它的功能有如下： （1）單向傳動(dòng)：將動(dòng)力從主動(dòng)件單方向傳給從動(dòng)件，并可根據(jù)主動(dòng)件和從動(dòng)件轉(zhuǎn)速的不同自動(dòng)的接合或分離。 （2）單向鎖定：能將某一元件單向鎖定，并可根據(jù)兩元件受力的不同自動(dòng)的鎖定或分離 1.3 液力變矩器的特點(diǎn) （1）自動(dòng)無(wú)級(jí)變矩、變速 （2）自動(dòng)離合 （3）減振隔振 （4）使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn) （5）過(guò)載保護(hù) （6）發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，使汽車(chē)加速平穩(wěn)，乘坐舒適，以及操縱方便，行

20、駛安全。輸出軸的轉(zhuǎn)速可大于或小于輸入軸的轉(zhuǎn)速，兩軸的轉(zhuǎn)速差隨傳遞扭矩的 大小而不同；保證動(dòng)力機(jī)有穩(wěn)定的工作區(qū)，載荷的瞬態(tài)變化基本不會(huì)反映到動(dòng)力機(jī)上。液力變矩器在額定工況附近效率較高，最高效率為85～92％。葉輪是液力變矩器的核心。它的型式和布置位置以及葉片的形狀，對(duì)變矩器的性能有決定作用。有的液力變矩器有兩個(gè)以上的渦輪、導(dǎo)輪或泵輪，借以獲得不同的性能。 1.4 液力變矩器液體的流動(dòng)分析以及葉片的設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的液力變矩器研究主要利用一元束流理論進(jìn)行性能計(jì)算和優(yōu)化改型， 并由經(jīng)驗(yàn)公式和試制相結(jié)合進(jìn)行液力變矩器的設(shè)計(jì)工作。 a．葉輪中的總液流由許多流束組成，流動(dòng)軸對(duì)稱(chēng)。

21、 b．葉輪的葉片數(shù)無(wú)窮多，葉片無(wú)限薄。出口液流方向決定于葉片出口角，與 進(jìn)口流動(dòng)無(wú)關(guān)。 c. 同一過(guò)流斷面上各點(diǎn)軸面速度相等，故所有計(jì)算可按平均流線進(jìn)行。 在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上， 流動(dòng)參數(shù)便是僅沿著中間流線變化的一元函數(shù)了。一元束流理論的優(yōu)點(diǎn)是模型簡(jiǎn)單、物理概念簡(jiǎn)明、設(shè)計(jì)計(jì)算工作簡(jiǎn)化并且易于掌握， 因此基于一元束流理論的計(jì)算設(shè)計(jì)方法在這一階段得以迅速發(fā)展和成熟。 需要指出的是， 在這一時(shí)期也出現(xiàn)了二維和準(zhǔn)三維勢(shì)流模型理論，但是應(yīng)用并不廣泛，隨著采用有限元、有限體積法的大型商業(yè)軟件的成熟，以及微型計(jì)算機(jī)性能的提高， 真正的三維流場(chǎng)分析方法開(kāi)始出現(xiàn)并成為現(xiàn)代液力變矩器研究的

22、主流。 液力變矩器流道內(nèi)為復(fù)雜的三維粘性流動(dòng)。液力變矩器內(nèi)部流體的流動(dòng)是粘性近似不可壓的非穩(wěn)態(tài)三維湍流運(yùn)動(dòng)， 其運(yùn)動(dòng)由三維的Navier－Stokes 方程組（N －S 方程組）描述，現(xiàn)代液力變矩器的設(shè)計(jì)分析理論是在試圖求解真實(shí)的內(nèi)部三維 流場(chǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的， 可以從以下幾個(gè)主要方面來(lái)描述這一階段的成果。 通過(guò)流場(chǎng)分析，準(zhǔn)確獲取流場(chǎng)特性，能為液力變矩器的性能預(yù)測(cè)、合理設(shè)計(jì)提供科學(xué)的理論和實(shí)踐依據(jù)。 1.4.1液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)研究 a.試驗(yàn)研究 液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)分析結(jié)果可以用來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)性能，分析液力損失的原因，并為性能優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。但是液力變矩器流道封閉，葉

23、片為三維空間曲面， 工況變化范圍較大，無(wú)論是試驗(yàn)研究還是數(shù)值研究都存在一些困難和缺陷。所以， 液力變矩器流場(chǎng)分析通常是將試驗(yàn)結(jié)論和數(shù)值計(jì)算結(jié)果相互作為驗(yàn)證、對(duì)比的依 據(jù)。 試驗(yàn)測(cè)量液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)的研究始于20世紀(jì)80年代中后期，所采用的主要設(shè)備有：激光多普勒測(cè)速儀（LDV）、5孔探針、葉片與壁面靜壓測(cè)量?jī)x器等。其中5 孔探針是侵入式的臺(tái)架，LDV 是非侵入式的臺(tái)架。 這一時(shí)期的試驗(yàn)研究， 是利用各種試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量了液力變矩器各個(gè)葉輪內(nèi)部和交界面穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的速度和壓力分布情況。對(duì)于內(nèi)流場(chǎng)的測(cè)量，需要首先解決的主要問(wèn)題就是如何處理不同葉輪的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系問(wèn)題，比較常用的方法是先測(cè)量固定坐標(biāo)系下的

24、值，然后轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的值。特別是對(duì)于瞬態(tài)的流場(chǎng)，需要綜合用到時(shí)域平均算法和頻譜分析，試驗(yàn)研究的結(jié)果表明，一維的束流理論預(yù)測(cè)的流場(chǎng)情況與液力變矩器的實(shí)際流場(chǎng)有較大差距，而其最重要的意義在于揭示了流場(chǎng)內(nèi)的射流－尾流、二次流、脫流等現(xiàn)象的存在，從而得到了液力變矩器內(nèi)部的主要流場(chǎng)特征。學(xué)者們?cè)谠囼?yàn)結(jié)果的基，根據(jù)粘性流體力學(xué)的相關(guān)理論分析了造成這些流場(chǎng)損失的原因。 b.仿真研究 隨著CFD 商用軟件的發(fā)展，液力變矩器的計(jì)算模型也越來(lái)越逼近實(shí)際的物理模型，分析精度已經(jīng)可以較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際液力變矩器內(nèi)部的流場(chǎng)分布情況。在液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬發(fā)展成熟的過(guò)程中，有兩項(xiàng)技術(shù)具有重要的意義，即具有工程

25、應(yīng)用價(jià)值的湍流模型和混合面模型（mixing－plane）的出現(xiàn)。 液力變矩器內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)遵循三維的N－S 方程組。直接求解瞬態(tài)的三維粘性不可壓的N－S 方程組難度很大，因此沒(méi)有工程意義。所以，就需要通過(guò)一些假設(shè)， 結(jié)合簡(jiǎn)化的湍流模型來(lái)進(jìn)行模擬，從而降低難度，并能夠滿足一定的工程應(yīng)用精度。 在液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)模擬中用的最多的是標(biāo)準(zhǔn)k－ε 兩方程模型。標(biāo)準(zhǔn)k－ε兩方程模型是Launder 和Spalding 提出的，它是在雷諾時(shí)均方程的基礎(chǔ)上，通過(guò)補(bǔ)充k 和ε的輸運(yùn)方程使得方程組封閉，經(jīng)過(guò)后人的實(shí)踐和不斷的完善，找到了具有較廣適用性的標(biāo)準(zhǔn)k－ε兩方程模型常數(shù)，從而使得該模型在工程中得

26、到廣泛的應(yīng)用【5】。 利用上述的兩項(xiàng)技術(shù)， 液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)的分析得以簡(jiǎn)化， 使得數(shù)值仿真迅速成液力變矩器研究的主流之一。 液力變矩器的設(shè)計(jì)主要是指變矩器的循環(huán)圓設(shè)計(jì)、葉片設(shè)計(jì)以及一些關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)，由于葉片參數(shù)直接影響到變矩器的性能，因而是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.葉片的設(shè)計(jì)方法通常有統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法、相似設(shè)計(jì)法和理論設(shè)計(jì)法三種.基于建模和計(jì)算的復(fù)雜性和液力變矩器流場(chǎng)的特殊性，液力變矩器葉片設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)經(jīng)歷了由一維流動(dòng)理論、二維流動(dòng)理論到三維流動(dòng)理論的發(fā)展過(guò)程，如表1-1 所示. 表1-1 液力變矩器流場(chǎng)理論及特點(diǎn) 流動(dòng)理論 特 點(diǎn) 一維流動(dòng)理論 （束流理論） 將工作輪中的總液流假設(shè)成由

27、許多流束組 成，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行大量簡(jiǎn)化，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值.能反映流體作用的宏觀效果，但不能正確反映宏觀效果的微觀原因，與液力變 矩器實(shí)際內(nèi)流場(chǎng)差別較大. 二維流動(dòng)理論 將工作輪中的流動(dòng)簡(jiǎn)化為過(guò)旋轉(zhuǎn)軸心的一組平行軸面內(nèi)的平面流動(dòng)，該簡(jiǎn)化對(duì)純離心式或軸流式工作輪中的實(shí)際流動(dòng)情況，較為接近；對(duì)常用的向心式渦輪液力變矩器來(lái)說(shuō)， 與實(shí)際流動(dòng)的差別仍然很大. 三維流動(dòng)理論 采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)研究液力變矩器內(nèi)部的流動(dòng)形態(tài)，但能反映變矩器內(nèi)部真實(shí)流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型還不完善，有待進(jìn)一 步研究和發(fā)展. 流場(chǎng)分析可以充分認(rèn)識(shí)液力變矩器內(nèi)部流場(chǎng)特性以及導(dǎo)致流場(chǎng)特性的結(jié)構(gòu)因

28、素，預(yù)測(cè)變矩器性能，從而更好地指導(dǎo)液力變矩器的優(yōu)化設(shè)計(jì).在總結(jié)了液力變矩器流場(chǎng)分析技術(shù)的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，指出：液力變矩器瞬態(tài)性能的試驗(yàn)研究，建立切合實(shí)際、反映液力變矩器內(nèi)部真實(shí)流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行內(nèi)流場(chǎng)的瞬態(tài)分析是液力變矩器流場(chǎng)分析的研究方向.液力變矩器的全三維設(shè)計(jì)、CAD/CFD 集成設(shè)計(jì)與分析是液力變矩器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的主要方向。 第二章 液力變矩器的使用和常見(jiàn)故障診斷以及對(duì)未來(lái)的展望 2.1 液力變矩器的正確使用 液力變矩器能夠自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載變化、調(diào)整工作速度，并且緩和沖擊、延長(zhǎng)機(jī)械壽命，在工程車(chē)輛上得到了廣泛使用。工作中必須注意正確使用工作油和液力元件， 作好定期檢查和

29、維護(hù)，才能提高工作的可靠性、保障機(jī)械的正常使用壽命【8】。 2.1.2液力變矩器正常工作時(shí)需要解決的問(wèn)題 （1）正常工作的變矩器平均效率大約為0.7左右，故約有30%的能量消耗。損耗的能量使油液及有關(guān)零件的溫度升高，因此變矩器工作時(shí)應(yīng)考慮散熱和冷卻問(wèn)題。 （2）液力變矩器的泵輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)（1000~3600r/min）,循環(huán)圓內(nèi)液流質(zhì)點(diǎn)沿工作輪葉片流動(dòng)時(shí)受離心力的作用,葉片上各點(diǎn)處液流壓力均不相同,在泵輪葉片出 口處壓力最大,而在泵輪葉片進(jìn)口處的葉片背面壓力最低。在液流過(guò)程中,當(dāng)局部壓力低于空氣分離壓以下時(shí),溶解于油液中的空氣會(huì)大量從油中分離出來(lái)產(chǎn)生氣泡, 使液體成為不連續(xù)狀態(tài),這種現(xiàn)

30、象稱(chēng)為氣穴.由于受高溫下分離出來(lái)的氧氣侵蝕和 高速液流的沖擊,液力元件的內(nèi)壁表面會(huì)產(chǎn)生剝落,這種現(xiàn)象稱(chēng)為氣蝕。氣穴和氣蝕的產(chǎn)生,將影響變矩器正常工作,使其效率降低%壽命縮短,因此在變矩器的液流通 路中,各處的油液壓力都不應(yīng)低于油液的空氣分離壓。另外#液力變矩器一般都與傳動(dòng)系動(dòng)力換擋變速器的工作油路接通,而動(dòng)力換擋變速器的工作油路采用液壓傳動(dòng), 因而液壓傳動(dòng)管路中同樣也要防止氣穴和氣蝕的產(chǎn)生。 (3)液力變矩器在工作中油液是有漏損的,需要考慮及時(shí)補(bǔ)充。 2.1.2液力變矩器正常工作的壓力補(bǔ)償系統(tǒng) 為了解決上述3個(gè)問(wèn)題,工程機(jī)械的液力變矩器都設(shè)置有油的補(bǔ)償系統(tǒng),工作時(shí)一部分油在一定油

31、壓下不停地通過(guò)變矩器外循環(huán)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻,以使變矩器中保持一定油量、油壓和油溫，并且多采用水冷式的油冷卻器。 2.1.3正確使用液力傳動(dòng)油 工程機(jī)械液力變矩器用油既要滿足液力傳動(dòng)也要滿足液壓傳動(dòng)的工作要求，既要冷卻變矩器也要冷卻變速器，同時(shí)要潤(rùn)滑各種傳動(dòng)零件，還要抗氧化、抗氣泡等 等，所以對(duì)油料提出了諸多性能要求。概括起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面： （1）相對(duì)密度：相對(duì)密度對(duì)液力元件傳遞轉(zhuǎn)矩起著重要的作用，變矩器傳遞的轉(zhuǎn)矩與油液相對(duì)密度成正比，增大相對(duì)密度便能增大傳遞轉(zhuǎn)矩的能力。 （2）熱容：熱容越大，油液傳遞熱能的能力越強(qiáng)，對(duì)變矩器和變速器的冷卻效率越高。 （3）粘溫特性：無(wú)

32、論液力傳動(dòng)還是液壓傳動(dòng)對(duì)粘溫特性都有較高的要求，否則冬季易使變矩器、油泵的攪拌損失增大，效率下降，同時(shí)流動(dòng)阻力增大、起動(dòng)困難；夏季易使液壓泵的容積效率下降，油壓不足，離合器片接合不緊；同時(shí)潤(rùn)滑性能變壞、密封不良。 （4）熱氧化穩(wěn)定性：是指長(zhǎng)期高溫下油液能保持清潔而無(wú)膠質(zhì)和沉積物的能力，顯然，這是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。 需要強(qiáng)調(diào)指出，盲目地將液壓油代替液力傳動(dòng)油是錯(cuò)誤的，因?yàn)橐簤簜鲃?dòng)與液力傳動(dòng)的工作條件不一樣。液壓油的最大流速一般限制在5~7m/s,工作溫度一般控制在50 C 左右,不得超過(guò)60 C ;而液力油的最大流速一般可達(dá)20 m/s,工作溫度一般控制在90 C 左右,最高不得超過(guò)120

33、 C 。液壓油不能保證液力傳動(dòng)設(shè)備的抗高溫氧化、高旋轉(zhuǎn)速度（1000~3600r/min）和油流速（可達(dá)20 m/s）、高油溫（可達(dá)120 C ） 等工作要求，因此應(yīng)按照液力傳動(dòng)油的說(shuō)明正確選用傳動(dòng)油。 2.1.4液力元件的檢查 （1）變矩器零速工況的檢查 在變矩器輸出軸零速工況下（制動(dòng)），使發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)全開(kāi)（不要超過(guò)30s）， 記錄發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與說(shuō)明書(shū)推薦的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作對(duì)比。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速低于推薦的轉(zhuǎn)速，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)功率不足或者變矩器導(dǎo)輪的單向離合器打滑（不能閉鎖），此時(shí)應(yīng)進(jìn)一步檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，以便在兩者當(dāng)中作出判斷$如果發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于推薦的轉(zhuǎn)速，說(shuō)明此時(shí)變速器所

34、掛擋位的離合器打滑或者變速器離合器的油路壓力不夠，可通過(guò)檢查壓力進(jìn)一步確定。 （2） 帶單向離合器的導(dǎo)輪工作的檢查導(dǎo)輪是否正常工作#可通過(guò)觀察油溫下降速度來(lái)進(jìn)行。在變矩器輸出軸零速工況下使發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)全開(kāi)，使變矩器出口油溫升高到100 C ，然后松開(kāi)變矩器的輸出軸#使輸出轉(zhuǎn)速到最大值，這時(shí)立即檢查油溫下降速度。溫度應(yīng)該在15s之后開(kāi)始下降，溫度下降速度慢，表示導(dǎo)輪可能閉鎖，單向離合器自由輪卡死；如果溫度迅速下降，則導(dǎo)輪工作正常。 （3）進(jìn)口壓力的檢查 有些工程機(jī)械的變矩器裝有變矩器進(jìn)口壓力的測(cè)試螺塞，在此裝上油壓表可以檢查變矩器進(jìn)口壓力。檢查辦法是：在發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)全開(kāi)，變矩器輸出軸零

35、速工況下。變矩器進(jìn)口壓力最低為0.35MPa，最高為0.54 MPa；在發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)全開(kāi)，變矩器空載工況下所允許的最高工作壓力為0.85 MPa。一般不能超過(guò)所規(guī)定的極限值，否則會(huì)發(fā)生故障【9】。 2.2 常見(jiàn)故障及診斷方法 （1）漏油 液力變矩器漏油的故障通常發(fā)生在液力變矩器與變速器連接部位的油封 處。。造成漏油的原因有液力變矩器軸套油封損壞; 液力變矩器軸套外表面拉傷; 液力變矩器內(nèi)軸油道堵塞, 造成壓力油壓壞軸套油封; 液力變矩器驅(qū)動(dòng)盤(pán)或飛輪變形, 造成安裝時(shí)液力變矩器軸套與變速器輸入軸不同心, 導(dǎo)致軸套油封變形或損壞【16】。 診斷方法: 根據(jù)以上原因依次進(jìn)行檢查, 對(duì)癥進(jìn)

36、行維修或更換油封即可消除漏油故障。 （2）低速時(shí)加速無(wú)力 從液力變矩器的扭矩特性曲線可以看出, 汽車(chē)在低速時(shí), 導(dǎo)輪不轉(zhuǎn)動(dòng), 液力變矩器將增大傳遞扭矩, 以提高加速能力。如果在低速時(shí)導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動(dòng), 液力變矩器相當(dāng)于耦合器, 不能增大扭矩, 則加速無(wú)力。因此, 對(duì)于液力變矩器來(lái)說(shuō), 低速時(shí)加速無(wú)力是因?yàn)閷?dǎo)輪的單向離合器打滑所致。 診斷方法: 在發(fā)動(dòng)機(jī)性能良好的情況下, 按正常規(guī)范操作, 進(jìn)行低速加速試驗(yàn), 便可確定故障原因。 維修方法: 剖開(kāi)液力變矩器, 更換單向離合器, 焊接好后進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn), 或者更換液力變矩器。 （3） 高速時(shí)( 鎖止離合器鎖止前)加速無(wú)力 從液力變矩器的扭矩特性

37、曲線可以看出, 汽車(chē)在高速時(shí), 由于導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動(dòng), 液力變矩器相當(dāng)于耦合器。如果導(dǎo)輪不轉(zhuǎn)動(dòng), 液力變矩器將按圖1中的曲線B- D 段工作, 其輸出扭矩小于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩, 所以出現(xiàn)高速時(shí)加速無(wú)力的現(xiàn)象。因此, 對(duì)于液力變矩器來(lái)說(shuō), 高速時(shí)( 鎖止離合器鎖止前) 加速無(wú)力是由于導(dǎo)輪的單向離 合器發(fā)卡不能轉(zhuǎn)動(dòng)所致, 發(fā)卡的原因通常是ATF 油液太臟。 診斷方法: 在發(fā)動(dòng)機(jī)性能良好的情況下, 按正常規(guī)范操作, 進(jìn)行高速加速試驗(yàn), 便可確定故障原因。 維修方法: 用專(zhuān)用清洗機(jī)清洗液力變矩器, 排除里面的臟物, 即可消除故障。如果故障仍不能排除, 則應(yīng)對(duì)液力變矩器進(jìn)行解體維修或者更換。 （4

38、）緊急制動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火 自動(dòng)變速器汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)液力變矩器中的鎖止離合器將分離, 發(fā)動(dòng)機(jī)在液力變矩器處通過(guò)油液與傳動(dòng)裝置軟連接, 制動(dòng)時(shí)不會(huì)熄火。緊急制動(dòng)時(shí), 如果鎖止離合器未分離, 則使發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置連成一整體了, 就會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。因此, 緊急制動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火, 就是由于液力變矩器的鎖止離合器未解除鎖止。 檢修方法: 檢查自動(dòng)變速器電控系統(tǒng)是否有故障; 檢查鎖止離合器的液壓控制系統(tǒng)是否有故障, 如鎖止繼動(dòng)閥、鎖止信號(hào)閥發(fā)卡等。檢測(cè)維修或更換液力變矩器。 （5） 液力變矩器異響 ①非金屬響聲: 液力變矩器在工作時(shí)發(fā)出的非金屬響聲主要是變矩器中的泵輪攪油的聲音, 此響聲隨發(fā)

39、動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是液力變矩器中的油量不足, 可能是油泵故障、調(diào)節(jié)液力變矩器油壓的調(diào)壓閥故障或是液壓控制系統(tǒng)漏油造成的。 檢查方法: 檢查油面, 可以判斷ATF 油量是否合適; 檢查油壓, 可以判斷油泵或調(diào)壓閥等是否有故障; 拆開(kāi)閥體, 檢查控制液力變矩器油壓的次調(diào)壓閥是否有故障。 ②金屬響聲: 液力變矩器在工作時(shí)發(fā)出金屬響聲, 主要是泵輪與渦輪葉片碰撞、軸承發(fā)響或鎖止離合器的主、從動(dòng)件摩擦發(fā)響。 泵輪與渦輪葉片碰撞和軸承發(fā)響很容易判別。鎖止離合器摩擦響的判別方法是: 當(dāng)車(chē)速較低時(shí), 鎖止離合器未結(jié)合, 沒(méi)有響聲; 當(dāng)車(chē)速較高時(shí), 鎖止離合器開(kāi)始結(jié)合, 從液力變矩器

40、處發(fā)出摩擦聲, 即為鎖止離合器的主、從動(dòng)件摩擦發(fā)響, 其原因是鎖止離合器摩擦片嚴(yán)重磨損。 （6）液力變矩器高溫 液力變矩器高溫主要是由于ATF 油冷卻不良或負(fù)荷過(guò)重, 可能的原因有: 油 冷卻器堵塞或散熱不良;控制流經(jīng)冷卻器油量的控制閥故障;鎖止離合器在汽車(chē)高速時(shí)不能鎖止,造成ATF 油負(fù)荷過(guò)重, 導(dǎo)致液力變矩器高溫. 2.3 液力變矩器的其他研究方向 a.空化現(xiàn)象 空化現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致液力變矩器的效率下降，并且產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，使得舒適性下降。且由于其發(fā)生、發(fā)展、消失機(jī)理復(fù)雜，對(duì)學(xué)者們的研究是一件有挑戰(zhàn)性的事情；另外，由于大多數(shù)的內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬在失速工況下得到的性能數(shù)據(jù)

41、與試驗(yàn)值偏差較大， 因此對(duì)于空化機(jī)理的研究對(duì)于提高液力變矩器數(shù)值仿真的精度有積極的意義。但是，由于空化現(xiàn)象涉及非穩(wěn)態(tài)的氣液兩相流問(wèn)題， 數(shù)值模擬的難度較大，因此試驗(yàn)方面的研究較多。 b.液力變矩器鎖止離合器的滑差控制 Kazutaka Adachi對(duì)無(wú)級(jí)變速器里應(yīng)用的液力變矩器的鎖止離合器進(jìn)行滑差控制的研究， 作者將復(fù)雜的非線性系統(tǒng)通過(guò)線性參數(shù)變化轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的 一階線性系統(tǒng)， 在考慮參數(shù)大幅度變化和各種擾動(dòng)的該系統(tǒng)上應(yīng)用了魯棒控制。Hibino，Ryoichi等在液力變矩器鎖止離合器滑差控制系統(tǒng)里應(yīng)用了H－∞ 控制， 作者引入了“特征變量補(bǔ)償濾波器”，結(jié)果表明這一濾波器的使用可以較好地提

42、高系統(tǒng)的性能。Jin－Oh Hahn等設(shè)計(jì)了一個(gè)基于轉(zhuǎn)矩評(píng)估的魯棒控制器， 這個(gè)控制器應(yīng)用于液力變矩器鎖止離合器的滑差控制系統(tǒng)。 c.液力變矩器鎖止離合器的滑摩特性研究 Chengwu Duan等人研究了液力變矩器鎖止時(shí)的非線性特性， 首先采用線性系統(tǒng)研究從粘到粘滑運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，可高效而精確地識(shí)別頻率特性，從而指出發(fā)動(dòng)機(jī)力矩波動(dòng)和摩擦的非線性特性是粘滑發(fā)生的主要原因。隨后分析了摩擦盤(pán)慣量對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的影響， 并將預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。Hideki Ogawa等人認(rèn)為自從鎖止離合器使用滑差控制時(shí)就伴隨有各種振動(dòng)問(wèn)題的發(fā)生， 例如shudder 現(xiàn)象，要想降低振動(dòng)問(wèn)題的負(fù)面影響，需

43、要在設(shè)計(jì)階段就加以改進(jìn)， 并通過(guò)仿真研究各種因素的干涉現(xiàn)象。滑差控制鎖止離合器可以提高動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性， 與此同時(shí)也對(duì)鎖止離合器的摩擦材料提出了更高的要求， 作者描述了高能高速滑差時(shí)應(yīng)用的新型摩擦材料的發(fā)展?fàn)顩r【14】。 2.4 液力變速器在工作中出現(xiàn)的主要故障和維護(hù)保養(yǎng) 2.4.1溫度過(guò)高 液力變矩器最常見(jiàn)的故障是溫度過(guò)高。由液力變矩器的特性曲線圖可知, 當(dāng)變矩器的輸出轉(zhuǎn)矩即渦輪轉(zhuǎn)矩隨著外界阻力變化而變化, 外界阻力增大時(shí), 變矩器的輸出轉(zhuǎn)矩也增大, 渦輪轉(zhuǎn)速降低。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩增大到一定值時(shí), 渦輪轉(zhuǎn)速降為零, 而此時(shí)變矩器的輸入轉(zhuǎn)矩仍然不變, 也就是說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷并未

44、改變。因此, 當(dāng)外界阻力大到一定值后, 變矩器的輸出轉(zhuǎn)矩渦輪轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值, 而渦輪轉(zhuǎn)速為零, 機(jī)器行駛速度也為零, 而發(fā)動(dòng)機(jī)卻既不冒黑煙又不降速,也不熄火, 仍然以泵輪轉(zhuǎn)矩輸給變矩器,這種現(xiàn)象稱(chēng)為“ 失速” 。在“ 失速”狀態(tài)下, 變矩器傳動(dòng)效率為零, 發(fā)動(dòng)機(jī)供給變矩器的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為攪油損失, 即熱能, 從而使變矩器油溫升高。 因此, 使用中必須避免發(fā)生這種狀況。在渦輪轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi), 變矩器最高傳動(dòng)效率點(diǎn)只有一個(gè), 液力傳動(dòng)達(dá)到無(wú)級(jí)變速, 但不是絕對(duì)的, 且必須在一定的渦輪轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)使用, 否則, 傳動(dòng)效率相當(dāng)?shù)?。因此在駕駛有液力傳動(dòng)的機(jī)器時(shí), 僻要根據(jù)載荷的不同變化變換擋位, 最好將

45、發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)于額定轉(zhuǎn)速附近。長(zhǎng)期工作于低效率區(qū), 不僅造成油料、時(shí)間的浪費(fèi), 而且會(huì)造成油溫升高。因此, 正常的操作是大油門(mén)、勤換擋, 隨時(shí)注意變矩器的工作油溫及油壓。 2.4.2液力變矩器的維護(hù)與保養(yǎng) 液力變矩器最常見(jiàn)的故障, 一是功率不足, 二是溫度過(guò)高。由液力變矩器的特性曲線圖可知, 當(dāng)變矩器的輸出轉(zhuǎn)矩即渦輪轉(zhuǎn)矩隨著外界阻力變化而變化, 外界阻力增大時(shí), 變矩器的輸出轉(zhuǎn)矩也增大, 渦輪轉(zhuǎn)速降低。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩增大到一定值時(shí), 渦輪轉(zhuǎn)速降為零, 而此時(shí)變矩器的輸入轉(zhuǎn)矩仍然不變, 也就是說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷并未改變。因此, 當(dāng)外界阻力大到一定值后, 變矩器的輸出轉(zhuǎn)矩渦輪轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值, 而渦輪轉(zhuǎn)

46、速為零, 機(jī)器行駛速度也為零, 而發(fā)動(dòng)機(jī)卻既不冒黑煙又不降速, 也不熄火, 仍然以泵輪轉(zhuǎn)矩輸給變矩器,這種現(xiàn)象稱(chēng)為失速。 在“失速”狀態(tài)下, 變矩器傳動(dòng)效率為零, 發(fā)動(dòng)機(jī)供給變矩器的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為攪油損失, 即熱能, 從而使變矩器油溫升高。因此, 使用中必須避免發(fā)生這種狀況。在渦輪轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi), 變矩器最高傳動(dòng)效率點(diǎn)只有一個(gè), 液力傳動(dòng)達(dá)到無(wú)級(jí)變速, 但不是絕對(duì)的, 且必須在一定的渦輪轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)使用, 否則, 傳動(dòng)效率相 當(dāng)?shù)汀Ｒ虼嗽隈{駛有液力傳動(dòng)的機(jī)器時(shí), 僻要根據(jù)載荷的不同變化變換擋位, 最好將發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)于額定轉(zhuǎn)速附近。長(zhǎng)期工作于低效率區(qū), 不僅造成油料、時(shí)間的浪費(fèi), 而且會(huì)

47、造成油溫升高。因此, 正常的操作是大油門(mén)、勤換擋, 隨時(shí)注意變矩器的工作油溫及油壓。 平時(shí)維修中的安裝精度也會(huì)影響變矩器的傳動(dòng)效率。變矩器的泵輪、策殼和渦輪都是高速旋轉(zhuǎn)的零件, 制造時(shí)均做過(guò)平衡試驗(yàn), 其靜不平衡度不得超過(guò)巧’ 。所以在使用中, 切不可隨意用長(zhǎng)短不一的螺桿去連接泵輪和渦輪, 以免破壞其平衡, 造成功率損失。另外, 泵輪、渦輪在工作時(shí), 端面的擺動(dòng)對(duì)傳動(dòng)效率也有影響, 制造中罩輪與泵輪連接端的擺差不得大于卜, 泵輪軸承座端面、渦輪接盤(pán)端面、變矩器殼體與軸承座連接端面的擺差不大于林。因此安裝時(shí)應(yīng)仔細(xì)檢查, 必須將這些端面清洗干凈, 以免影響擺差。 此外, 工作油液必須采用鉆度適

48、合的變矩油。若油的貼度太大, 將使泵輪甩向渦輪的油液速度降低, 造成油溫升高, 而且會(huì)增大變矩器工作輪攪油損失, 使油溫升高。 2.5 新型可變?nèi)萘侩p泵輪液力變矩器 新型可變?nèi)萘侩p泵輪液力變矩器為避免上述情況下的輪胎打滑現(xiàn)象, 而又不至使發(fā)動(dòng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速,可采用可變?nèi)萘恳毫ψ兙仄鳌ｋp泵輪液力變矩器就是為此目的而研制的一種新型液力變矩器, 它通過(guò)司機(jī)控制兩個(gè)泵輪的相對(duì)轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)行合理的分流。如當(dāng)裝載機(jī)進(jìn)行鏟掘作業(yè)時(shí),載荷大于驅(qū)動(dòng)力矩時(shí), 輪胎打滑,這時(shí)司機(jī)可以控制使變矩器僅一個(gè)泵輪(內(nèi)泵輪)工作,渦輪輸出力矩減少,裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)輪力矩下降,而使發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分功率傳給液壓系統(tǒng)。這

49、樣,既可以避免輪胎打滑, 又可提高工作機(jī)構(gòu)效率和工程機(jī)械的生產(chǎn)能力,并使發(fā)動(dòng)機(jī)功率得到充分利用,大大改善了工程機(jī)械的性能。 2.6 液力變矩器研究展望 對(duì)液力變矩器的研究經(jīng)歷了20 世紀(jì)90 年代初開(kāi)始的活躍期之后，進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)不活躍的階段，這是由于在原來(lái)的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)上很難使得計(jì)算精度得以繼續(xù)提高， 由于液力變矩器葉型的復(fù)雜性， 很難準(zhǔn)確地描述控制葉型的關(guān)鍵參數(shù)與性能之間的定性關(guān)系。這些都制約了液力變矩器開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步。因此， 可以預(yù)見(jiàn)液力變矩器的研究將從以下幾個(gè)方向有所突破。 （1）真實(shí)的液力變矩器內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)是瞬態(tài)的，由于以前計(jì)算機(jī)性能的限制，計(jì)算瞬態(tài)

50、的液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)耗費(fèi)計(jì)算資源太多， 因此缺少工程應(yīng)用價(jià)值。隨著企業(yè)對(duì)液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)模擬要求的提高，數(shù)值仿真瞬態(tài)時(shí)的流場(chǎng)分布情況， 并為精確的液力變矩器優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)，這可能成為未來(lái)的一個(gè)研究方向。 （2）當(dāng)前的液力變矩器內(nèi)流場(chǎng)分析大多是基于N－S 方程組的，同時(shí)，認(rèn)為在各種操作工況下是穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，所以就有了周期性假設(shè)，每個(gè)葉輪只取一個(gè)流道作為CFD 計(jì)算模型，在每個(gè)流道的交互面上采用了一個(gè)混合平面對(duì)來(lái)耦合在一起， 這樣就解決了不同葉輪轉(zhuǎn)速不同引起的多旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系的問(wèn)題。但是，實(shí)際上每個(gè)葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)狀況皆不同，每個(gè)葉輪交界面處的流動(dòng)狀況與混合面平均后的流動(dòng)狀況也有較大差距，

51、因此數(shù)值仿真計(jì)算的精度自然有一定限度。下一步的研究可能會(huì)在算法和計(jì)算模型上尋求突破，一些新興的算法，例如LBM 算法可能會(huì)被引入到液力變矩器的研究中。LBM 算法是以流體的分子運(yùn)動(dòng)論描述為基礎(chǔ)， 根據(jù)微觀運(yùn)動(dòng)過(guò)程的某些基本特征建立簡(jiǎn)化的時(shí)間和空間完全離散的動(dòng)力學(xué)模型， 其具有規(guī)則簡(jiǎn)單、易處理邊界復(fù)雜問(wèn)題、并行計(jì)算效率高等優(yōu)勢(shì)。結(jié)合液力變矩器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算的特點(diǎn)， 可以看出液力變矩器瞬態(tài)計(jì)算能夠發(fā)揮LBM 算法的優(yōu)勢(shì)。 （3）液力變矩器作為一款工業(yè)產(chǎn)品，縮短設(shè)計(jì)研發(fā)周期是一個(gè)不可回避的問(wèn) 題。一些學(xué)者在這方面已經(jīng)做了一些探索工作。真正的CAD/CFD/CAM一體化的計(jì)算、分析、設(shè)計(jì)平

52、臺(tái)的建立是研究者們不懈追求的目標(biāo)。這種一體化平臺(tái)將是以CFD 流場(chǎng)分析的結(jié)果為依據(jù)， 建立關(guān)鍵參數(shù)與整體性能之間的定性關(guān)系， 并利用CAD 進(jìn)行快速生成新的計(jì)算模型，從而利用CFD 軟件進(jìn)行驗(yàn)證，在找到滿足性能要求的優(yōu)化方案之后實(shí)現(xiàn)快速的成型， 從而大大縮短設(shè)計(jì)研發(fā)的周期，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。 （4）在液力變矩器的設(shè)計(jì)方面，由于節(jié)省車(chē)內(nèi)空間的需要，扁平化是一個(gè)主要的趨勢(shì)；另外，隨著采用滑差控制的鎖止離合器的廣泛應(yīng)用， 液力變矩器低速比下的性能顯得尤其重要，因此，如何在以后的設(shè)計(jì)中進(jìn)一步縮小軸向和徑向尺寸， 但同時(shí)能提高失速變矩比和K 因子將是一份很有挑戰(zhàn)性的工作。 （5）現(xiàn)有的液力變矩器評(píng)價(jià)體

53、系主要有穩(wěn)態(tài)下的原始特性和動(dòng)態(tài)性能。這種評(píng)價(jià)體系有明顯的缺陷，因?yàn)橐毫ψ兙仄鞯牟僮鞴r非常復(fù)雜，各種速比下的使用 情況不同，原有的評(píng)價(jià)指標(biāo)只關(guān)注某些點(diǎn)的值；另外， 現(xiàn)有的評(píng)價(jià)體系中動(dòng)力性指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)剝離， 使得現(xiàn)有的液力變矩器評(píng)價(jià)體系遠(yuǎn)不能滿足整車(chē)廠家的要求。綜合考慮以上各種情況，性能評(píng)價(jià)體系將是一個(gè)不錯(cuò)的研究方向。 第三章 液力變矩器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 對(duì)于一個(gè)非專(zhuān)業(yè)的人來(lái)說(shuō)，對(duì)液力變矩器并不是十分了解，因此，我首先在第一章緒論中對(duì)液力變矩器在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行介紹。通過(guò)這一章的學(xué)習(xí)，能夠讓我們對(duì)液力變矩器實(shí)際應(yīng)用有個(gè)認(rèn)識(shí)，進(jìn)而值得我們花時(shí)間去研

54、究它。進(jìn)入第二章很顯然要系統(tǒng)的說(shuō)明其構(gòu)成及工作原理，如液力變矩器是如何工作的，雙導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)的工作原理等。通過(guò)這一章的學(xué)習(xí)，我們就更深入的認(rèn)識(shí)了液力變矩器，同時(shí)為我們下一步設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 對(duì)雙導(dǎo)輪式液力變矩器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 1）對(duì)液變矩器的結(jié)構(gòu)型式與特性參數(shù)進(jìn)行選擇。選擇的原則是：根據(jù)汽車(chē)與 發(fā)動(dòng)機(jī)的類(lèi)型及使用要求進(jìn)行，同時(shí)也應(yīng)考慮在保證性能的條件下力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本低等因素。 2）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)確定液力變矩器的最關(guān)鍵的尺寸：循環(huán)圓的直徑，其中泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)λB 的確定是根據(jù)現(xiàn)有液力變矩器，以YJ323 型為例，來(lái)選擇其參數(shù)。

55、3）設(shè)計(jì)三元件的葉片，液力變矩器中三元件是指：渦輪、導(dǎo)輪，泵輪。設(shè)計(jì) 遵循的原則，一是應(yīng)使流道過(guò)流斷面不變或平緩變化；二是滿足加工的工藝性、制模的可行性。在設(shè)計(jì)葉片時(shí)，有個(gè)葉片角度的確定，在這里我是參照前人在設(shè)計(jì)同一類(lèi)型所選的葉片角度，及考慮到課題本身的設(shè)計(jì)要求來(lái)選擇的。 設(shè)計(jì)雙導(dǎo)輪液力變矩器的基本結(jié)構(gòu)材料選用45號(hào)鋼質(zhì)，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，葉輪材質(zhì)的選擇由計(jì)算選擇所得。選擇發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞功率為100KW，最大轉(zhuǎn)速2000r/min。最大變矩系數(shù)為3。軸的截面為花鍵齒數(shù)，大徑D=43mm、d=38mm、鍵寬b=8mm、 長(zhǎng)度為360mm。 設(shè)計(jì)此液力變矩器主要是在變矩器可應(yīng)用于叉車(chē)、裝載機(jī)、鏟運(yùn)車(chē)

56、、軌道車(chē)等等，而且能獲得更高的效率的功能。工作環(huán)境為零下30攝氏度到250攝氏度之間。 3.1 液力變矩器葉輪葉片的設(shè)計(jì) 液力變矩器的結(jié)構(gòu)型式及其特性參數(shù)是根據(jù)汽車(chē)與發(fā)動(dòng)機(jī)的類(lèi)型及使用要求進(jìn)行選擇的，同時(shí)也應(yīng)考慮在保證性能的條件下力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本 低等因素。 影響特性參數(shù)的關(guān)鍵是葉片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。要?jiǎng)?chuàng)建具有理想特性的葉片系統(tǒng)需要進(jìn)行大量而復(fù)雜的設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)工作。因此，在液力變矩器的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，工作輪液流通道部分的參數(shù)值，通常是通過(guò)測(cè)繪并驗(yàn)算相似的已有產(chǎn)品(樣機(jī))的相應(yīng)參數(shù)來(lái)確定的。作為樣機(jī)，應(yīng)選擇具有類(lèi)似使用要求且性能優(yōu)異并在生產(chǎn)中和使用中經(jīng)過(guò)嚴(yán)格考驗(yàn)的產(chǎn)品。

57、 （1）葉片角度的確定 表3-1液力變矩器參數(shù)選擇范圍 參數(shù) 參數(shù)范圍 a b c 20~40 148~154 80~135 根據(jù)表3-1有： 導(dǎo)輪a 渦輪b 泵輪c 圖3-1液力變矩器角度軌跡圖 設(shè)計(jì)選用導(dǎo)輪a=30，渦輪b=150，泵輪c=125 工作輪的葉片數(shù)量。變矩器葉片數(shù)量過(guò)少，則液流在葉輪出口處的偏離增大， 循環(huán)流量轉(zhuǎn)變不充分，沖擊損失增大，傳遞力矩能力降低。葉片過(guò)多又會(huì)使循環(huán)液 體的有效過(guò)流面積減少，流道流動(dòng)阻力增加，擴(kuò)散（收縮）損失增加，從而使液體的循環(huán)流量減少，傳遞力矩的能力降低。葉片數(shù)目的多少還對(duì)過(guò)載系數(shù)有一定

58、影響。有資料表明，葉片數(shù)目相對(duì)較多的變矩器，過(guò)載系數(shù)較低，為了既保證變矩器有較高的力矩系數(shù)，又保證有較低的過(guò)載系數(shù)，就要選擇一個(gè)最佳的葉片數(shù)。這里選取葉片數(shù)為26個(gè)。 葉片厚度。從理論上講，葉片越薄越好，但受強(qiáng)度和加工工藝的制約，葉片 不可能制造得很薄，但是過(guò)厚的葉片又會(huì)降低變矩器工作腔的有效容積，使參與傳動(dòng)力矩的工作液體量降低，轉(zhuǎn)速差加大。所以在保證葉片強(qiáng)度的前提下，葉片的厚度應(yīng)盡量減小。設(shè)計(jì)厚度為4mm。 3.2 變矩器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 常見(jiàn)的循環(huán)圓形狀有圓形、蛋形、半蛋形，長(zhǎng)方形，而工程機(jī)械上使用的液力變矩器的工作輪則多用鑄造成形或銑削加工【12】。我們?cè)谶@里研究的是圓形的液力變矩

59、器。 （1）變矩器有效直徑的計(jì)算 在設(shè)計(jì)新型變矩器時(shí)，應(yīng)參考現(xiàn)有的各種變矩器，或根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)性的比例參考值來(lái)確定變矩器循環(huán)圓的具體尺寸。 首先要確定變矩器的有效直徑D： 5 MB l r gn 2 MB B D =?公式（3-1） 式中：D—循環(huán)圓有效直徑； MB —泵輪轉(zhuǎn)矩； lMB —導(dǎo)輪的力矩系數(shù)； nB —泵輪轉(zhuǎn)速； r —工作液密度。 我國(guó)生產(chǎn)的液力傳動(dòng)油是按t=100℃時(shí)的黏度分為6號(hào)和8號(hào)兩種： 8號(hào)液力傳動(dòng)油是以低黏度精制分餾油作基礎(chǔ)，添加油性劑、抗磨劑、降凝劑、 抗泡劑、抗氧劑、防銹劑黏度指數(shù)改進(jìn)劑等制成

60、。主要用于小轎車(chē)液力傳動(dòng)。 6號(hào)液力傳動(dòng)油是以22號(hào)汽輪機(jī)油為基礎(chǔ)油，經(jīng)深度精制并加入黏度指數(shù)改進(jìn)劑、降凝劑、抗氧劑、抗磨劑、防銹劑、防光劑等而制成。主要用于履帶車(chē)輛、工程車(chē)輛、載重車(chē)輛、內(nèi)燃機(jī)車(chē)等液力傳動(dòng)。 液力傳動(dòng)油的性能指標(biāo)參見(jiàn)表 3.2 表 3-2 液力傳動(dòng)用油的性能參數(shù)指標(biāo) 性能 22 號(hào)汽輪機(jī)油 8號(hào)液力傳動(dòng)油 6 號(hào)液力傳動(dòng)油 內(nèi)燃機(jī)專(zhuān)用油 相對(duì)密度（20℃） 0.901 0.860 0.872 0.872 黏度 20～23 7.5～9 22～26 23.6 運(yùn)動(dòng)黏度比 3.6 4.2 3.9 有上述圖表可選擇

61、8號(hào)液力傳動(dòng)油 相對(duì)密度為0.860kg/L=860 kg / m3 本課題設(shè)計(jì)的變矩器為向心液力變矩器， lMB 的取值范圍為lMB =（1.5～4） 10-6 因此，變矩器循環(huán)遠(yuǎn)的有效直徑為： 5 MB l r gn 2 MB B D =?公式（3-2） = 5 47.75 1.510-6 860 9.8 20002 =0.248m 表 3-3液力變矩器循環(huán)圓有效直徑參考表/mm 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 450 487 500 560 650

62、750 800 875 1000 1150 1320 1550 1800 2060 所以取循環(huán)圓的有效直徑為250mm。 （2）變矩器渦輪尺寸的確定【13】 在上面的計(jì)算中，變矩器循環(huán)圓的尺寸已經(jīng)確定。對(duì)于渦輪，內(nèi)外環(huán)都浸在工作油中，并非只受外壓或內(nèi)壓，因而渦輪的內(nèi)外環(huán)厚度不必太厚，取與葉片厚度相 同即可，即渦輪內(nèi)外環(huán)均一厚度5mm。 變矩器的輸出軸與渦輪以花鍵連接來(lái)傳遞扭矩，故渦輪輪轂內(nèi)直徑與下面介紹的第一段軸的直徑相等，為35mm，長(zhǎng)度為花鍵槽的長(zhǎng)度，即花鍵的工作長(zhǎng)度，為43mm。 （3）變矩器導(dǎo)輪尺寸的確定 變矩器的導(dǎo)輪同渦輪一樣，都是全

63、浸在油液里，內(nèi)外環(huán)的厚度為4mm，導(dǎo)輪與導(dǎo)輪套管用雙鍵連接，鍵槽深為2mm。導(dǎo)輪與軸之間裝有套管，該部分軸的直徑是41mm。與外軸相連的是超越離合器，離合器外徑為85mm。 （4）變矩器泵輪尺寸的確定 變矩器泵輪同渦輪和導(dǎo)輪不同，泵輪的外環(huán)同殼體的作用相同，故變矩器的泵輪除受到轉(zhuǎn)矩作用外還受到工作液的內(nèi)壓，所以泵輪外環(huán)的厚度應(yīng)增加，初步取泵輪外環(huán)的厚度為6m。 （5）變矩器殼體尺寸的確定 液力變矩器的外殼與泵輪焊接在一起，同泵輪一樣，它受到的液體壓力為內(nèi)壓， 但是內(nèi)壓不大，所以選取厚度也為5mm。 3.3 軸的設(shè)計(jì)及校核 1. 輸入軸的計(jì)算 按照所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)變矩器，它有內(nèi)外兩軸

64、，內(nèi)軸為一實(shí)心軸，外軸是一空心軸， 按照軸所受扭矩來(lái)計(jì)算內(nèi)軸的強(qiáng)度，通過(guò)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算初步估計(jì)軸徑。 軸的扭轉(zhuǎn)條件為： T 9550000 p W tT = = T  0.2d 3 n [t ]T ………………………………………公式（3-3） T = 9550000 p = 9550000 100  =4775N.mm n 2000 式中： tT ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa； T——軸所受的扭矩，Nmm； T W ——軸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)， mm3 ； n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min； P——軸傳遞的功率,kW； d——計(jì)

65、算截面處軸的直徑，mm； 表 3-4 軸常用幾種材料的[t ]t 及 A0 值 軸的材料 Q235-A、20 Q275、35 （1Cr18Ni9Ti) 45 40Cr、35SiMn 38SiMnMo、3Cr13 (MPa) 15~25 20~35 25~45 35~55 A0 149~126 135~112 126~103 112~97 通過(guò)上表 3-4 查得 A0 =110 9550000 p 3 0.2[t ]T .n 9550000 p 3 0.2[t ]T n 3 由上述公式可的軸的直徑： d =

66、= A0 3  p 公式（3-4） n =110 0.3684=40.5mm 設(shè)計(jì)輸入軸的內(nèi)徑為 50mm 40.5mm 所以輸入軸的設(shè)計(jì)符合要求 2.轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度校核 因?yàn)橐毫ψ兙仄鞯淖畲筠D(zhuǎn)矩系數(shù)為3，所以渦輪輸出軸的傳遞轉(zhuǎn)矩為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的3倍。所以轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩T=3 4775=14325N.mm 表 3-5 抗彎、抗扭截面系數(shù)計(jì)算公式 截 面 W WT p d 3 ?3 0.1d 32 p d 3 ?3 0.2d 16 表3-5抗彎、抗扭截面系數(shù)計(jì)算公式 截 面 W WT p d 3 4 32 0.1d 3 (1- b 4 ) b = d1 p d 3 4 (1- b ) 16 0.2d 3 (1- b 4 ) b = d1 d p d 3 - bt(d - t)2 p d 3 - bt(d - t)2 16 2d p d 3 3