液压动力传动

1、 第九章第九章 液力传动液力传动 一、液力传动的定义一、液力传动的定义 以液体为工作介质，利用以液体为工作介质，利用液体的动能液体的动能来实现能来实现能 量传递的装置，量传递的装置，即将液体的动能转变为机械即将液体的动能转变为机械 能的过程。能的过程。 在工程机械中，发动机的动力通过机械传动或在工程机械中，发动机的动力通过机械传动或 液体传动的方式传到工作机械或行走机构。液体传动的方式传到工作机械或行走机构。 机械传动一般由发动机机械传动一般由发动机主离合器主离合器变速器变速器 主传动主传动轮边减速轮边减速车轮的顺序组成，是采车轮的顺序组成，是采 用最早的传动方式。用最早的传动方式。 由于工程

2、机械工作负荷变化剧烈，需要根据由于工程机械工作负荷变化剧烈，需要根据 负荷大小，不断改变工作机构的速度（换负荷大小，不断改变工作机构的速度（换 档），以取得必要的作业能力和生产率，档），以取得必要的作业能力和生产率， 并防止发动机熄火、驾驶员劳动强度很大、并防止发动机熄火、驾驶员劳动强度很大、 生产率低、作业能力小。生产率低、作业能力小。 液力传动主要用于发动机后底盘传动前这段液力传动主要用于发动机后底盘传动前这段 传动，其组成形式如图：传动，其组成形式如图： 相当于把机械传动中的机械式主离合器用液相当于把机械传动中的机械式主离合器用液 力偶合器或液力变矩器代替，力偶合器或液力变矩器代替， 液

3、力传动应用示意液力传动应用示意- 在发动机与工作机构之间，装上液力传动元件在发动机与工作机构之间，装上液力传动元件 （液力偶合器或液力变矩器），其它基本不（液力偶合器或液力变矩器），其它基本不 变：当改用液力传动后，上述缺点即可大为变：当改用液力传动后，上述缺点即可大为 改善，机械作业能力显著提高。生产率可提改善，机械作业能力显著提高。生产率可提 高高1530%,驾驶员劳动强度大为减轻，发驾驶员劳动强度大为减轻，发 动机不会熄火，可以重载起动，简化变速器动机不会熄火，可以重载起动，简化变速器 结构，减少档数，还可延长机械使用寿命等结构，减少档数，还可延长机械使用寿命等 优点优点. 液力传动在装

4、载机上的应用液力传动在装载机上的应用- 液力传动在装载机上的应用液力传动在装载机上的应用 组成组成: 1-柴油发动机；柴油发动机； 2-飞轮；飞轮； 3-液力变矩器；液力变矩器； 4-液力传动操纵装置；液力传动操纵装置； 5-变速箱；变速箱； 6-传动齿轮；传动齿轮； 7-前差速器；前差速器； 8-前轮；前轮； 9-后轮；后轮； 10-后差速器；后差速器； 11-传动轴与万向节传动轴与万向节. 二、液力传动的工作原理二、液力传动的工作原理 1.液力传动的组成液力传动的组成 动力部分动力部分-离心泵离心泵-将原动机输入的机械能带动将原动机输入的机械能带动 离心泵工作，将机械能转换成动能。离心泵工

5、作，将机械能转换成动能。 输出部分输出部分-涡轮机涡轮机-将输入的动能转将输入的动能转 换为旋转换为旋转 的机械能。的机械能。 2.工作原理工作原理 (参见图参见图) 液力传动的工作原理图液力传动的工作原理图- 组成组成- 1-发动机；发动机； 2-离心泵；离心泵； 3-连接管路；连接管路； 4-导向装置；导向装置； 5-涡轮机；涡轮机； 6-出水管；出水管； 7-贮水池；贮水池； 8-进水管；进水管； 9-输出轴。输出轴。 这样的结构，离心泵与涡轮机的机械效率较低，这样的结构，离心泵与涡轮机的机械效率较低， 管道中的能量损失大，结构复杂，体积较大。管道中的能量损失大，结构复杂，体积较大。 为

6、合理发挥其工效，进行改进，形成了液力传为合理发挥其工效，进行改进，形成了液力传 动的基本形式。下图动的基本形式。下图- 常用的器件有：常用的器件有： 液力偶合器液力偶合器-由泵轮和涡轮组成。由泵轮和涡轮组成。 液力变矩器液力变矩器-由泵轮、涡轮和导轮组成。由泵轮、涡轮和导轮组成。 四、液力传动的优点与缺点四、液力传动的优点与缺点 优点：优点： 1.机械具有良好的自动适应性。机械具有良好的自动适应性。 2.提高机械的使用寿命。提高机械的使用寿命。 3.提高机械的加速性与通过性。提高机械的加速性与通过性。 4.操作简化，提高机械的舒适性。操作简化，提高机械的舒适性。 5.可实现无级变速，动力范围增

7、大。可实现无级变速，动力范围增大。 缺点：缺点：效率较低，成本高，结构复杂，经济效率较低，成本高，结构复杂，经济 性相对差些。性相对差些。 五、液体在工作中的几点假设五、液体在工作中的几点假设 六、液体在工作轮中的运动六、液体在工作轮中的运动 （一）液体在工作轮中的运动（一）液体在工作轮中的运动-速度速度 液体在工作轮中的运动（即液体在工作中的液体在工作轮中的运动（即液体在工作中的 运动状态运动状态-速度）是一种复合运动，各速度速度）是一种复合运动，各速度 之间用速度三角形来表示之间用速度三角形来表示. 任意工作轮的速度关系：任意工作轮的速度关系： 工作轮中充满液体，工作轮以角速度作顺时针工作

8、轮中充满液体，工作轮以角速度作顺时针 方向旋转，工作液体质点运动有两种运动组方向旋转，工作液体质点运动有两种运动组 成：成： 一种是圆周运动一种是圆周运动-又称牵连运动，速度用又称牵连运动，速度用U表示。表示。 液体质点随工作轮旋转的圆周运动，其速度表液体质点随工作轮旋转的圆周运动，其速度表 示为圆周运动速度，方向为圆周的切线方向。示为圆周运动速度，方向为圆周的切线方向。 另一种是相对运动另一种是相对运动- 速度用速度用W表示。表示。 液体质点沿工作轮叶片流动，其速度表示为相液体质点沿工作轮叶片流动，其速度表示为相 对运动速度，方向为叶片的切线方向。对运动速度，方向为叶片的切线方向。 液体质点

9、在工作轮中的流动液体质点在工作轮中的流动 W-相对运动速度；相对运动速度； （相对运动）（相对运动） U-圆周运动速度；圆周运动速度； （圆周运动）（圆周运动） V-绝对运动速度；绝对运动速度； （W与与U的合成速度）的合成速度） 两种运动速度的合成，即为液体质点在工作轮两种运动速度的合成，即为液体质点在工作轮 中的流动的绝对运动速度。中的流动的绝对运动速度。 绝对速度：绝对速度： - 绝对速度。绝对速度。 - 相对速度。相对速度。 - 圆周速度。圆周速度。 利用速度三角形来计算：利用速度三角形来计算： UWV V W U （二）力矩方程式（二）力矩方程式 以一定动能运动的液体，冲击工作轮中的

10、叶片，以一定动能运动的液体，冲击工作轮中的叶片， 此时产生的作用力的大小由动量方程式计算：此时产生的作用力的大小由动量方程式计算： 当液流射向平面叶片后，液体的运动方向发生当液流射向平面叶片后，液体的运动方向发生 改变。改变。 )(12 VVQF 1. .作用在平面上的力为：作用在平面上的力为： 在力在力 F 的作用下，该平面企图绕的作用下，该平面企图绕O点转动，点转动， 此时产生的力矩为：此时产生的力矩为： 式中式中 -称为液流对称为液流对 O 点的动量矩。点的动量矩。 VQF QVrFrM QVr 2.当液流作用在曲面上时，其作用力和力矩的当液流作用在曲面上时，其作用力和力矩的 计算一样计

11、算一样 。 七、液力偶合器七、液力偶合器 1.组成组成 2.工作原理工作原理 工作原理示意图工作原理示意图 结构示意图结构示意图 3.液力偶合器工作条件液力偶合器工作条件 液力偶合器之所以能实现传动，其条件是两个液力偶合器之所以能实现传动，其条件是两个 工作轮的转速不相等和离心力不相等，致使工作轮的转速不相等和离心力不相等，致使 两工作轮叶片的外缘处产生的压力差，促使两工作轮叶片的外缘处产生的压力差，促使 工作液体在泵轮与涡轮之间形成了循环流动。工作液体在泵轮与涡轮之间形成了循环流动。 故液力偶合器正常工作的条件是：故液力偶合器正常工作的条件是： 离心泵的转速总是大于涡轮机的转速。离心泵的转速

12、总是大于涡轮机的转速。 从液力偶合器的工作过程得知：从液力偶合器的工作过程得知： 发动机通过泵轮（离心泵）把机械能转换液体发动机通过泵轮（离心泵）把机械能转换液体 为液体的动能和压力能；而后又通过涡轮为液体的动能和压力能；而后又通过涡轮 （涡轮机）把液体的动能和压力能转换成旋（涡轮机）把液体的动能和压力能转换成旋 转的机械能，通过输出轴向外输出扭矩。转的机械能，通过输出轴向外输出扭矩。 液力偶合器的工作介质是液体。泵轮和涡轮之液力偶合器的工作介质是液体。泵轮和涡轮之 间没有刚性联系，两者之间可以有很大的转间没有刚性联系，两者之间可以有很大的转 速差，甚至可以打滑。速差，甚至可以打滑。 利用这一

13、性能是为了缓冲、防止过载和调节速利用这一性能是为了缓冲、防止过载和调节速 度。度。 4.液力偶合器的结构特点液力偶合器的结构特点 为了避免液体流动时的脉动，对工作轮产生周为了避免液体流动时的脉动，对工作轮产生周 期性地冲击而引起的振动，泵轮和涡轮的叶期性地冲击而引起的振动，泵轮和涡轮的叶 片数目不相等，这样工作起来更平稳。片数目不相等，这样工作起来更平稳。 为降低成本、制造方便，液力偶合器的叶片制为降低成本、制造方便，液力偶合器的叶片制 成平面。成平面。 5.液力偶合器输出的扭矩液力偶合器输出的扭矩 在其结构中只有泵轮和涡轮两个工作轮，根据在其结构中只有泵轮和涡轮两个工作轮，根据 工作原理与特

14、点，发动机输入给泵轮的扭矩工作原理与特点，发动机输入给泵轮的扭矩 是是M泵 泵，泵轮作用于工作液体的扭矩是 ，泵轮作用于工作液体的扭矩是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。 获得了扭矩的这部分液体，再冲击涡轮，工作获得了扭矩的这部分液体，再冲击涡轮，工作 液体作用于涡轮的扭矩是液体作用于涡轮的扭矩是M涡 涡，同样 ，同样M液 液=M涡涡 大小相等，方向相同。大小相等，方向相同。 故故 M泵 泵=M涡涡 。 因为：因为： M泵 泵=M液液， ，M液 液=M涡涡， ， 所以：所以： M泵 泵=M涡涡， ， 这表明：不仅输入轴与输出轴上的扭矩相等，这表明：不

15、仅输入轴与输出轴上的扭矩相等， 且两根轴的旋且两根轴的旋转方向相同。转方向相同。 则则液力偶合器不能改变输入的扭矩，只能将液力偶合器不能改变输入的扭矩，只能将 输入轴上的扭矩等量传递给输出轴，故液输入轴上的扭矩等量传递给输出轴，故液 力偶合器又称为力偶合器又称为“液力联轴器液力联轴器”。 八、液力变矩器八、液力变矩器 1.液力变矩器的组成液力变矩器的组成 液力变矩器的工作循环圆中，除了有液力变矩器的工作循环圆中，除了有泵轮泵轮、 涡轮涡轮外，还有一个外，还有一个导轮导轮-工作液体导向装置工作液体导向装置。 液力变矩器的结构示意图液力变矩器的结构示意图 1-泵轮；泵轮； 2-涡轮；涡轮； 3-导

16、轮。导轮。 变矩器中液流变矩器中液流 流动状态图流动状态图 2.工作原理工作原理 它的前部分的工作过程与液力偶合器一样，但它的前部分的工作过程与液力偶合器一样，但 是从涡轮出来的液体并未回到泵轮的中心，是从涡轮出来的液体并未回到泵轮的中心， 而是冲向导轮，液体流经固定导轮的叶片后，而是冲向导轮，液体流经固定导轮的叶片后， 流入泵轮。流入泵轮。 关键关键是当液体流经导轮的叶片时，受到了叶片是当液体流经导轮的叶片时，受到了叶片 的作用力的作用，液体的运动方向发生了变的作用力的作用，液体的运动方向发生了变 化，就是由于导轮的作用。化，就是由于导轮的作用。 液力变矩器之所以能变矩，主要是不动的导轮液力

17、变矩器之所以能变矩，主要是不动的导轮 给涡轮施加一个反作用力矩。给涡轮施加一个反作用力矩。 离心泵出来的液体（具有动能、压力能）冲击离心泵出来的液体（具有动能、压力能）冲击 涡轮，之后进入导轮，液体一部分的压力能涡轮，之后进入导轮，液体一部分的压力能 转换为动能，液体的旋转程度加大，从外力转换为动能，液体的旋转程度加大，从外力 观点出发，当液体进入导轮后，由于液体对观点出发，当液体进入导轮后，由于液体对 不动的导轮叶片的饶流作用给导轮施加一个不动的导轮叶片的饶流作用给导轮施加一个 力矩。力矩。 导轮作用原理图导轮作用原理图- 组成组成- 1泵轮；泵轮；2-涡轮；涡轮； 3-导轮；导轮；4-原动

18、机；原动机； 5-泵轮；泵轮；6-涡轮涡轮; 7-导轮叶。导轮叶。 为什么有了导轮便能达到变矩的目的？为什么有了导轮便能达到变矩的目的？ 前部工作与液力偶合器一样：前部工作与液力偶合器一样： 发动机输出的机械能带动离心泵工作（发动机输出的机械能带动离心泵工作（n 发 发 = n 泵泵 ） ），工作液体自泵轮中心沿其叶片流向外，工作液体自泵轮中心沿其叶片流向外 缘，并冲击涡轮机的叶片，使涡轮转动。此缘，并冲击涡轮机的叶片，使涡轮转动。此 后，液体经涡轮出来后，进入导轮，从导轮后，液体经涡轮出来后，进入导轮，从导轮 出来后，液体才重新进入泵轮。出来后，液体才重新进入泵轮。 导轮在液力变矩器中是不能

19、转动的，因此没有导轮在液力变矩器中是不能转动的，因此没有 能量输出。能量输出。 液力变矩器自动变矩的过程液力变矩器自动变矩的过程- 首先要明确以下的假设：首先要明确以下的假设： 1）泵轮的转速）泵轮的转速n泵常数。泵常数。 2）循环圆内的流量）循环圆内的流量Q常数。常数。 实际上流量实际上流量Q是随着不同工况（转速比是随着不同工况（转速比i），）， 而变化的（是随着转速比的增加而减小）。而变化的（是随着转速比的增加而减小）。 但是流量但是流量Q的变化比起圆周速度的变化来少的变化比起圆周速度的变化来少 得多了，它不致影响对问题的讨论，故可得多了，它不致影响对问题的讨论，故可 视为不变的。视为不变

20、的。 当流量当流量Q和转速和转速n.均为常数时，则泵轮出口速均为常数时，则泵轮出口速 度三角形是不会改变的。度三角形是不会改变的。 汽车起步前，涡轮是不动的，转速等于零汽车起步前，涡轮是不动的，转速等于零 （涡 涡= 0 ）。 ）。 工作液体在泵轮叶片的带动下，以一定数值工作液体在泵轮叶片的带动下，以一定数值 的绝对速度方向冲向涡轮叶片。的绝对速度方向冲向涡轮叶片。 但因涡轮是静止不动的，工作液流将沿着涡但因涡轮是静止不动的，工作液流将沿着涡 轮叶片流出去，并冲向导轮，工作液流流轮叶片流出去，并冲向导轮，工作液流流 经固定不动的导轮叶片沿着流入泵轮中去。经固定不动的导轮叶片沿着流入泵轮中去。

21、当液流流过叶片时，受到了叶片的作用力，当液流流过叶片时，受到了叶片的作用力， 其运动方向就发生了变化。其运动方向就发生了变化。 现设泵轮、涡轮和导轮对工作液流的作用扭矩现设泵轮、涡轮和导轮对工作液流的作用扭矩 分别为分别为M泵 泵、 、 M涡 涡 、M 导 导。 。 根据液流受力平衡条件，根据液流受力平衡条件， M泵 泵、 、= =M涡 涡 =M 导 导。 。 但因液流对涡轮的冲击扭矩但因液流对涡轮的冲击扭矩M涡 涡（即液力变矩 （即液力变矩 器输出扭矩）与涡轮对液流的反作用扭矩的器输出扭矩）与涡轮对液流的反作用扭矩的 M涡 涡大小相等，方向则相反，因而涡轮扭矩 大小相等，方向则相反，因而涡轮

22、扭矩 M涡 涡在数值上等于泵轮扭矩 在数值上等于泵轮扭矩M泵 泵和导轮扭矩 和导轮扭矩M导 导 之和。之和。 此时涡轮扭矩此时涡轮扭矩M涡 涡大于泵轮扭矩 大于泵轮扭矩M泵 泵，液力变矩 ，液力变矩 器起到了增大扭矩的作用。器起到了增大扭矩的作用。 当液力变矩器输出的扭矩，经过传动系传递到当液力变矩器输出的扭矩，经过传动系传递到 驱动轴上，由此而产生的牵引力足以克服汽驱动轴上，由此而产生的牵引力足以克服汽 车起步时的阻力，汽车随即起步，并且开始车起步时的阻力，汽车随即起步，并且开始 加速，与之相连的涡轮转速加速，与之相连的涡轮转速n涡 涡也逐渐从零 也逐渐从零 增加。增加。 此时工作液流在涡轮

23、出口处不仅具有沿叶片方此时工作液流在涡轮出口处不仅具有沿叶片方 向的相对速度向的相对速度W涡 涡2，同时具有沿着圆周方向 ，同时具有沿着圆周方向 的牵连速度的牵连速度U涡 涡2，故冲向导轮叶片的工作液 ，故冲向导轮叶片的工作液 流的绝对速度流的绝对速度V涡 涡2应是两者的合成速度，当 应是两者的合成速度，当 泵轮转速泵轮转速n泵 泵等于常数（ 等于常数（n泵 泵=常数）， 常数），n涡 涡逐 逐 渐增加渐增加 。 同时从涡轮流出冲向导轮叶片的工作液流的绝同时从涡轮流出冲向导轮叶片的工作液流的绝 对速度对速度V涡 涡2将随着牵连速度 将随着牵连速度u涡 涡2的增加（即涡 的增加（即涡 轮转速轮转

24、速n涡 涡的增加），而逐渐向左倾斜，使导 的增加），而逐渐向左倾斜，使导 轮上所承受的扭矩值逐渐减小。轮上所承受的扭矩值逐渐减小。 当涡轮转速增大到某一数值时，从涡轮流出的当涡轮转速增大到某一数值时，从涡轮流出的 工作液流正好沿着导轮出口方向冲向导轮，工作液流正好沿着导轮出口方向冲向导轮， 由于工作液流流经导轮的方向是不改变的。由于工作液流流经导轮的方向是不改变的。 故导轮扭矩故导轮扭矩M导 导为零（ 为零（M导 导= 0），于是涡轮扭 ），于是涡轮扭 矩与泵轮扭矩相等，即矩与泵轮扭矩相等，即M涡 涡 M泵 泵。 。 如果涡轮转速如果涡轮转速n涡 涡继续增大，工作液流绝对速度 继续增大，工作液

25、流绝对速度 V涡 涡2的方向继续向左倾，这时，导轮扭矩方向 的方向继续向左倾，这时，导轮扭矩方向 与泵轮扭矩方向相反，与泵轮扭矩方向相反， 则涡轮扭矩为泵轮与导轮扭矩之差（则涡轮扭矩为泵轮与导轮扭矩之差（M涡 涡 M泵 泵 -M导 导），就是说液力变矩器输出扭矩反而比 ），就是说液力变矩器输出扭矩反而比 输入扭矩小。输入扭矩小。 当涡轮转速当涡轮转速n涡 涡增大到与泵轮转速 增大到与泵轮转速n泵 泵相等（ 相等（n涡 涡 =n泵 泵）时，工作液体在循环圆中的循环流动 ）时，工作液体在循环圆中的循环流动 即将停止，液力变矩器就不再进行传递扭矩。即将停止，液力变矩器就不再进行传递扭矩。 也就是说液力变矩器工作过程也就是说液力变矩器工作过程