液力传动基础

1、2021-6-131 第第9 9章章 液力传动基础液力传动基础 2021-6-1322021-6-132 2021-6-1332021-6-133 2021-6-134 图9-1 液力传动装置 1发动机；2离心泵叶轮；3导管；4水槽；5泵的螺壳；6吸水管； 7涡轮螺壳；8导轮；9涡轮叶轮；10排水管；11螺旋桨；12液力 变矩器模型。 2021-6-135 目前，液力传动元件主要有液力元件和液力机 械两大类。液力元件有液力耦合器和液力变矩器； 液力机械元件是液力元件与机械传动元件组合而 成的。 1 1液力耦合器 由图9-2(a)可知，它是由泵 轮b和涡轮t组成的。泵轮与主动轴相连，涡轮与 从动

2、轴相接。如果不计机械损失，则液力耦合器 的输入力矩与输出力矩相等，而输入与输出轴转 速不相等。因工作介质是液体，所以b、t之间属 非刚性连接。 2021-6-136 2 2液力变矩器 图9-2(b)是液力变矩器结构 简图。它是由泵轮b、涡轮t及导轮d主要件构成。 b、t分别与主动轴、从动轴连接，导轮则与壳体 固定在一起不能转动。当传动比小时，输出力矩 大，输出转速低；反之，输出力矩小而转速高。 它可以随着负载的变化自动增大或减小输出力矩 与转速。因此说，液力变矩器是一个无极力矩变 换器。 2021-6-137 图9-2 (a) 液力偶合器；(b) 液力变矩器。 1主动轴；2从动轴；t涡轮；b泵

3、轮；d导轮 2021-6-138 1 1轴面 液力元件过旋转轴线的剖切面，也叫轴 截面或子午面，如图9-3。 2 2循环圆 液力元件中液体循环流动工作腔的 轴面叫做循环圆，如图9-3所示。它有一定的几何 形状，能表示出各工作轮排列顺序、位置及液体 循环流动的方向。 3 3有效直径 循环圆（工作腔）的最大直径称为 液力元件的有效直径，用d表示。 2021-6-139 4 4平均流线 指在工作轮中的一条假想流线，该 流线上液流的动力学效果与整个叶轮中的所有液 流产生的动力学效果一样，该假想流线就是平均 流线。 5 5工作轮进、出口半径 工作轮叶片进出口边 与平均流线的交点到轴线的长度。 6 6外环

4、和内环 限定循环圆流道的工作轮外侧 壁面及内侧壁面分别为外环及内环。 2021-6-1310 图9-3 液力元件循环圆 2021-6-1311 液力传动用的工作液体应满足如下要求： （1）适宜的粘度 为减少摩擦损失，希望液体的 粘度小，但润滑性能、密封性能会降低。 （）粘温性好即要求液体粘度受温度的影响 要小。 （）不易产生泡沫、老化和沉淀。 （）酸值要低、抗氧化性高。 2021-6-1312 （）具有较高的闪点和较低的凝固点。液力元 件工作时，油温常在80100，甚至可达160， 因此要求闪点不低于180；凝固点要低于-20， 以利于在低温环境时液力元件的起动。 （）要有较大的重度重度大，液

5、力元件传动 的力矩也大。 （）润滑性能好。 2021-6-1313 （1）自动适应性 （2）防振、隔振性能 （3）透穿性能 另外，它还具有过载保护、自动协调、分配负载 的功能。 但是，液力传动效率较低，高效范围较窄，需要 增设冷却补偿系统，使结构复杂、成本高。 2021-6-1314 当连续的、不可压缩的液体沿着任何形状的静止 管道做稳定流动时，只要液体在管道中没有流量、 能量的输入或输出，若不计各种能量的损失，则 在管道的任意两个缓变流动的端面上（如1、2端 面），均遵守下列等式关系： g u g p z g u g p z 22 2 22 2 2 11 1 （9-1） 2021-6-131

6、5 式中: 、 在1、2处单位重量液体的位能； 、 在1、2处单位重量液体的压能 ； 、 在1、2处单位重量液体的动能； 液体在断面形心上的压力； 液体在断面形心上的平均流速； 分别为液体的密度和重力加速度。 1 z 2 z g p 1 g p 1 g u 2 2 1 g u 2 2 2 p u g、 2021-6-1316 从几何意义上来讲是断面1、2的形心到 基准平面的位置高度。式（9-1）就是实际液体在 静止流道中流动时的能量守恒定律的数学表达式， 也称作绝对运动的伯努利方程。 上述方程只适应于液体在静止不动的流道中流 动时的情况，但对于液力传动中流动在工作轮里的 液体就不适用了。因为液

7、体在这些工作轮中的运动， 除了有沿着工作轮流道做相对运动外，同时还做与 工作轮一起旋转的牵连运动。 21zz、 2021-6-1317 假定把所研究的正在旋转的工作轮（如泵轮）置 于和工作轮同轴线、同转速但转向相反的旋转平 台上（如图9-4）, 此时工作轮中液体的相对速度 就可看作绝对速度（因牵连速度为零）。这样， 就可以利用绝对运动的伯努利方程，但应考虑因 平台旋转而使工作轮中液体失去的能量 。 g u 2 2 2021-6-1318 图 9-4工作轮中液体的相对运动 2021-6-1319 相对运动的伯努利方 程如下： 21uu、 g u g w g p z g u g w g p z 2

8、222 2 2 2 22 2 2 1 2 11 1 (9-2) 式中: 分别为液体在工作轮进出口处牵连运动的速度； 分别为液体在工作轮进出口处相对运动的速度； 、 分别为工作轮进出口处单位重量液体作牵连运动 21ww、 g u 2 2 1 g u 2 2 2 的动能 2021-6-1320 上式还可以改写成为： g uu g w g p z g w g p z 2 ) 2 () 2 ( 2 1 2 2 2 11 1 2 22 2 （9-3） 式中（ 就是相对运动液流在工作轮进口处单位重 量液体的总机械能； ）是在出口处单位重量液体 的总机械能。对于泵轮 ，说明泵轮出口处总机械能 要比入口处的总

9、机械能大 ，大出的这部分能量正是 ) 2 2 11 1 g w g p z g w g p z 2 ( 2 22 2 12 uu g uu 2 2 1 2 2 2021-6-1321 由于动力机使液体产生了牵连运动，有了离心力 而使液体动能增加的。如果是涡轮，则与泵轮相 反。因涡轮的 ，所以它的出口处要比入口处 总机械能少 ，而这部分能量被涡轮吸收 后对外输出机械能。 12 uu g uu 2 2 1 2 2 2021-6-1322 液体在工作轮中的流动是一种复合空间运动。液 体既要随工作轮一起作旋转运动，又要在旋转的 工作轮叶片流道内流动。所以，液体在工作轮中 的合成运动是呈螺管形态的运动（

10、图9-5）。 2021-6-1323 图9-5 液体的螺管运动 2021-6-1324 为了便于研究分析，将复杂的空间运动进行 简化，然后再用实验的方法加以修正。 假定如下： （1）工作轮叶片无限多、无限薄。 （2）工作轮出口处的流动情况与进口处流动的情 况无关； （3）以平均流线代表整个工作轮叶片流道内液体 运动的物理现象； （4）液体不可压缩、稳定流动、无能量损失。 2021-6-1325 在工作轮中的平均流线上，任意点a处流体流动的 速度可用速度三角形表示，如图（9-6） 图9-6 工作轮的液流速度三角形 2021-6-1326 式中: u 液流随工作轮一起转动的速度，即牵连速度； w

11、液流沿着叶片方向运动的速度，即相对速度； v 液流的绝对速度。 由u、w、v 组成的三角形叫做速度三角形。需指出 的是此三角形并不位于纸面上所绘的速度三角形平 面内，而是在过a点与平均流线相切的平面上。 wvu（9-4） 2021-6-1327 另外, 又可把绝对速度分解为两个互相垂 直的速度分量 、 ， 是绝对速度 的圆周分速度， 是计算速度环量的参数； 是绝对速度的轴面分速度，它关系到循环 流量的大小。 u v m v u v m v 2021-6-1328 在液力传动中，需要计算工作轮的力矩，而求工 作轮的力矩则要用到动量矩定理。 质量为的质点与其运动的绝对速度的乘积就是该 质点的动量，

12、动量是个向量。动量矩则是动量与 该质点到旋转轴o的垂直距离的乘积，以l表示， 如图9-7,那么 rmvmvrrmvl u cos 式中 r质点到o轴的半径。 ， cosrr cosvvu 2021-6-1329 图9-7 工作轮中的液体在叶片进出口处的动量矩 2021-6-1330 根据动量矩定理，工作轮作用于质点的力矩等于 单位时间内液体质点动量矩的变化量，即 1122 rvrv dt dm dt rmvd dt dl m uu u （9-5） 若单位时间内流经工作轮的液体流量为q，则 q q dt dt q dt dm 所以 1122 rvrvqm uu （9-6） 2021-6-1331

13、 式中： m 工作轮对液体的作用力矩（nm），液体 对工作轮的力矩则与大小相等，方向相反； q 工作轮流量，即循环圆流量（ ）； 工作液体的密度（ ）； 、 工作轮叶片进出口处的半径（m）； 、 工作轮进出口处液流绝对速度v的圆周 分速度（ ）。 sm3 3 mkg 1 r 2 r u v1 u v2 sm 2021-6-1332 式中 工作轮进口处液流的速度环量， ; 工作轮出口处液流的速度环量， 。 速度环量 ，即速度环量等于半径r的 圆周长与在半径上液流绝对速度的圆周分速度 的乘积。它表明了液体旋转的程度，工作轮的 力矩取决于速度环量在出口和进口的差值。 1 2 u vr 111 2 u

14、 vr 222 2 u vr2 u v 式(9-6)可改写成如下形式: uu vrvr q m 1122 22 2 12 2 q (9-7) 2021-6-1333 式（9-6）、（9-7）就是工作轮的力矩方程。 如果工作轮是泵轮，则 )( 1122bubbubb rvrvqm)( 2 12bb q （9-8） 若是涡轮，则 )( 1122tuttutt rvrvqm)( 2 12tt q （9-9） 若是导轮，则 )( 1122duddudd rvrvqm)( 2 12dd q （9-10） 2021-6-1334 式中参数加角标b、t、d分别表示泵轮、涡轮、 导轮的相关参数，而各参数的含义

15、与式(9-6)、 式(9-7)的参数意义相同。 在式（9-9）中，因 ，所以 是个负值，它表示涡轮吸收了液体给与的能量而 对外输出力矩。 参见图9-8，当液体流进两个工作轮之间时，如b 与t之间，t与d之间和d与b之间，因液体不受叶片 作用，故有 1122tuttut rvrv t m 2021-6-1335 将式（9-11）代入式（9-8）、式（9-9）、式 （9-10）中，得 21 21 21 td bt db t （9-11） )( 2 )( 2 )( 2 22 22 22 tdd btt dbb q m q m q m （9-12） 2021-6-1336 式（9-12）就是单级三工作

16、轮液力变矩器的力矩 方程。可知，液力变矩器各工作轮的力矩主要取 决于相衔接的两个工作轮出口速度环量之差。 图9-8 工作轮的衔接次序 2021-6-1337 根据式（9-6），工作轮作用于液体的功率应为 )( 1122 rvrvqmp uu )coscos( 111222 vuvuq（9-13） 式中 工作轮旋转角速度； u液体质点的圆周速度（牵连速度）。 根据能量不灭定律，当不计液力损失时，工作轮作用于 液体的能量应等于能量的增量，因此 t gqhp（9-14） 2021-6-1338 将式（9-13）代入（9-14），得 g vuvu h t 111222 coscos （9-15） 或为

17、 g vuvu h uu t 1122 （9-16） 式中， 是在工作轮叶片无限多且无限薄的情况下， 不计液力损失时单位重量液体所获得的能量（即能头）。 式（9-15）或（9-16）就叫液体流经叶片式工作轮时 的欧拉方程。 t h 2021-6-1339 根据工作轮进出口的速度三角形之间的关系，欧拉方程可 改写成如下表达式： g ww g uu g vv ht 222 2 2 2 1 2 1 2 2 2 1 2 2 （9-17） 由式（9-17）可看出，液体在工作轮叶片流道中时， 因叶片与液体的相互作用而产生的能量变化是由于绝对 速度、牵连速度、相对速度的变化而引起的。 如果是泵轮，其欧拉方程

18、为 ubbubbbt vuvu g h 1122 1 或 g ww g uu g vv h bbbbbb bt 222 2 2 2 1 2 1 2 2 2 1 2 2 （9-18） （9-19） 2021-6-1340 同理，对于涡轮也可列出它的欧拉方程。 液体流经泵轮时吸收了能量， ；而液体流经 涡轮时，又将能量释放给涡轮，故 ；在导 轮内无能量的传递，只有能量形式的变换，一般 是把压能转变成动能。 由于实际的工作轮叶片不可能无限多、无限薄， 液体受惯性、粘性的影响，所以实际的能头 要 比理论能头 小，即 ， 是小于1的能量 （能头）修正系数。 0 bt h 0 tt h t h t h t

19、t hh 2021-6-1341 在液力传动中，由于液体在工作轮流道里流动极 为复杂，至今还不能采用纯理论方法确切地把液 力变矩器的特性计算出来。因此进行液力传动装 置系列化设计，或者根据样机进行放大、缩小的 仿型设计时，都采用相似原理的设计方法，而无 需对每个液力传动元件进行逐一试验，既能减少 设计工作量，又能保证液力传动的良好性能。因 此，相似原理是液力传动装置系列化设计或仿型 设计的理论基础。 2021-6-1342 一、液力变矩器的相似条件一、液力变矩器的相似条件 对不可压缩、稳定流动的液体，能满足如 下条件，则该系列液力变矩器相似。 （1）几何相似 如果各个液力变矩器工作 轮流道形状相同，对应的线性成比例，对 应角度相等，则这些液力变矩器为几何相 似。 2021-6-1343 （2）运动相似 如果各个液力变矩器中液 体流态相似，即对应点液流的运动速度方 向相同，大小成比例，或者说对应点上的 速度三角形相似，这称为运动相似。运动 相似时的工况称为相似工况，此时液力变 矩器的传动比相等。 （3）动力相似 各个液力变矩器对应点的 液体质点所受力的性质相同，即力的方向 相同，大小成比例，这称为动力相似。 2021-6-1344 实际上，要使两个液力变矩器完全符合动力