液力-第5章液力机械传动

1、12 液力机械传动液力机械传动是由液力变矩器液力变矩器或液力偶合器液力偶合器和用以改变（或扩大）液力元件性能的机械元件（行星齿轮机构）结合起来的一种复合传动装置复合传动装置，如图如图5-1所示所示。它具有液力传动的无无级变速级变速、变矩变矩和自动适应性自动适应性的优点，由于装有机械元件，扩大了性能和应用范围，但结构复杂，抗振性能有所削弱。图图5-1 液力机械变矩器液力机械变矩器液力变矩器液力变矩器组成组成液力变矩器液力变矩器作用作用3 5.1 5.1 液力机械传动的类型与特点液力机械传动的类型与特点5.1.1 5.1.1 液力机械传动的类型液力机械传动的类型 液力机械传动在输入端有功率分流功率

2、分流，在输出端有功率合流功率合流。从功率的流向上看，液力机械传动有以下几种不同类型：液力机械液力机械传动传动功率外分流功率外分流功率内分流功率内分流复合分流复合分流分流行星排，在输入端分流分流行星排，在输入端分流合流行星排，在输出端合流合流行星排，在输出端合流导轮传递功率，导轮与涡轮分导轮传递功率，导轮与涡轮分流流多涡轮传递功率，两独立涡轮分流多涡轮传递功率，两独立涡轮分流功率分流内外兼有功率分流内外兼有4 第一类第一类传动装置，其传动功率的流向，在输入端输入端（R R）与输出端输出端（C C）之间存在液力元件和机械元件两条平行的支路，如如图图5-2a5-2a所示所示。图中“Y Y”、“J J

3、”、“YJYJ”分别表示液力元件液力元件、机械元件机械元件和液力机械传动元件液力机械传动元件，也称这种传动为外分流式液力外分流式液力机械传动机械传动。 图图5-2a 液力机械传动的功率分流示意液力机械传动的功率分流示意 5 第二类第二类传动装置是在液力元件内部存在功率分流，然后借助于机械元件实现汇流输出。此称之为内分流式液力机械内分流式液力机械传动传动。 第三类第三类传动装置，其功率呈串流式全部通过液力元件和机械元件，具体是在液力传动上串联一个机械变速器，如图如图5-2b5-2b所示所示。 此外，还有内、外分流兼而有之的液力机械传动系统。图图5-2b 液力机械传动的功率分流示意液力机械传动的功

4、率分流示意6 在液力机械传动中，机械元件有采用行星传动行星传动的，也有采用定轴式多轴变速器定轴式多轴变速器的。 如图如图5-35-3上海上海3232吨自卸汽车传动系统简图吨自卸汽车传动系统简图所示。 该系统有三个前进档和一个倒车档，所有传动齿轮都处于经常啮合的状态，每个前进档只经过一对齿轮传输动力。在每一档位的啮合齿轮中，都有一个齿轮是空套在转动轴上并通过摩擦离合器与传动轴联接。在需要换入该档时，操纵液压控制系统，可使相应的多片式离合器接合，齿轮与轴即可一体旋转。离合器离合器松脱，该档退出传动工作状态。在很多工程机械行走系统中广泛采用这类传动装置。7图图5-3 上海上海SH38032吨自卸汽车

5、液力机械传动系简图吨自卸汽车液力机械传动系简图85.1.2 5.1.2 液力机械传动的应用与特点液力机械传动的应用与特点 以液力机械传动装置在坦克上的应用说明其工作特点。以液力机械传动装置在坦克上的应用说明其工作特点。 坦克作为战斗车辆，既不同于火车行驶在轨道上，也不同于汽车行驶在公路上。它在十分复杂的路面行驶时，遇到沟壑土丘、残垣断壁、水渠田垄等都要跨越而过。因此，坦克遇到的阻力变化很大，必须在坦克的发动机之后，配上一套增力变增力变速机构速机构，以扩大发动机输出牵引力的变化范围和转速的变化范围。虽然机械传动装置传动效率高，且结构简单，但操作性能不如液力机械传动装置，例如像坦克行驶时，驾驶员要

6、根据地面阻力的变化，不断地换档。为减少换档次数，减小驾驶员操作的疲劳强度，世界各国多数主战坦克采用液力机械传动装置，在发动机与变速器之间安装了一个液力变矩器液力变矩器，以增强适应地以增强适应地面阻力变化的能力面阻力变化的能力。9 然而，液力机械传动装置液力机械传动装置存在效率低的情况，如最初装在M46坦克上的CDCD850850传动装置传动装置的液力变矩器不是带闭锁离合器的，无论坦克在复杂地面上的低速行驶，还是在公路上的高速行驶，发动机动力都要经过液力变矩器，因此传动效率低传动效率低，燃燃油消耗量大油消耗量大。 车辆的牵引性能车辆的牵引性能代表其动力性能的好坏。液力机械传动中，由于液力变矩器能

7、实现连续地自动换档，因而加速性能可得到极大的提高，故牵引性能好牵引性能好。 车辆的机动性能车辆的机动性能主要是指随路面条件的变化而快速反应的主要是指随路面条件的变化而快速反应的能力能力。液力机械传动，由于其自动适应性好，即使车速再低，甚至停车，也不会出现发动机熄火现象。在换档时，由于液力机械传动采用液压控制来实现，没有齿轮的移动，也不必切断动力，这就扩大了车辆行驶的速度范围，提高了车辆的平均行驶速度和加速性能，故机动性能好机动性能好。 10 在液力机械传动中，由于在纯液力传动的基础上增加了一级机械传动，故液力机械传动既提高了纯液力传动的经济性，又具备了机械传动的优点，故综合经济性较好综合经济性

8、较好。 由于液力传动是非刚性连接非刚性连接，可起到保护发动机和传动装置的作用，避免由于振动引起的相互间的附加载荷，因而大大提高了零件的使用寿命。 液力机械传动中，不装主离合器，换档也不必切断动力，且采用液压动力换档，既简化了操作，又使操作轻便，使驾驶员在体力上、精神上都不致引起过度的疲劳，对提高车辆安全行驶十分有利，因而其操纵性能较好操纵性能较好。 综上所述综上所述，在提高车辆的安全行驶方面，液力机械传动有着其明显的优势，是一种较为先进的传动装置，已在世界各国广泛应用，也是我国车辆传动装置的发展方向。11 5.2 5.2 行星齿轮机构的传动常识行星齿轮机构的传动常识 行星齿轮机构行星齿轮机构结

9、构紧凑结构紧凑、动力运输能力强动力运输能力强、传动效率高传动效率高、便于行驶中换档便于行驶中换档，尤其是其工作主构件具有同一个旋转轴线，可以方便地与液力元件的泵轮和涡轮相连，因而常作为理想的机械元件与液力装置组合成液力机械传动系统。 液力机械传动中，常用行星齿轮传动机构有单行星排单行星排、双行星排双行星排和复合行星排复合行星排三种，如图如图5-4所示所示。 （1）简单行星排简单行星排：单排、单行星、内外啮合式行星齿轮机构（图图5-4a）。图图5-4 用于分流、用于分流、合流的行星排合流的行星排 a）简单行星排）简单行星排 行星齿轮的工作原理行星齿轮的工作原理演示演示1234512 （2）双行星

10、排双行星排：单排、双行星、内外啮合式行星齿轮机构（图图5-4b5-4b）。 b）双行星排）双行星排 图图5-4 用于分流、合流的行星排用于分流、合流的行星排13 （3）复合行星排复合行星排：单排、双联行星外啮合式行星齿轮机构（图图5-4c）。（c）复合行星排）复合行星排 图图5-4 用于分流、合流的行星排用于分流、合流的行星排14 表示行星齿轮传动机构的结构性能参数结构性能参数 称为行星机构行星机构的特性参数的特性参数。 对于简单行星排和双行星排： 等于齿圈齿圈和太阳轮的齿数齿数比比。gtZZ式中 -齿圈的齿数； -太阳轮的齿数。 gZtZ对于复合行星排2121tXXtZZZZ对圆柱齿轮，值可

11、按下式选取： 3/4 4/515 简单行星排三构件简单行星排三构件在六种不同连接方案下传动比计算传动比计算公式见表公式见表5-15-1。表表5-1 行星排构件不同连接方案下的传动比计算公式行星排构件不同连接方案下的传动比计算公式16 5.3 5.3 外分流液力机械传动外分流液力机械传动 图图5-55-5为外分流式液力机械传动框图外分流式液力机械传动框图，输入总功率流一分为二，其中一路功率流通过液力变矩器，而另一路功率流则直接通过机械传动（行星齿轮机构）。输入功率在输入轴分流，然后双流功率在输出轴处汇合。图图5-5 外分流式液力机械传动框图外分流式液力机械传动框图17 图图5-65-6为功率外分

12、流式的液力机械复合传动方案，其中5-5-6a6a是行星排在输入端的一般原理；图图5-6b5-6b、c c是行星排在输入端的两个可实现的方案（行星排的行星架为主动件）；图图5-6 功率外分流式液力机械传动方案功率外分流式液力机械传动方案18 图图5-6d5-6d是行星排在输出端的一般原理；图图5-6e5-6e、f f是可实现的方案（行星架行星架j j为输出的被动件）。这种外分流式的液力机械传动用于动力机与工作机之间，如高级轿车、重型汽车及工程机械上。19 美国卡特皮勒（美国卡特皮勒（CaterpillarCaterpillar）公司）公司在184184331kW 331kW 轮式轮式牵引车传动系

13、统牵引车传动系统中采用了外分流式液力机械变矩器，其传动装置运动学简图如图如图5-75-7所示所示。该传动装置是由输入端的行星行星排闭锁离合器排闭锁离合器C C、制动器制动器B B、离心涡轮式单级三叶轮液力变矩离心涡轮式单级三叶轮液力变矩器器和单向离合器单向离合器M M所组成。单向离合器单向离合器可使输出轴输出轴2 2在转速高于涡轮轴时，二者松脱联接。图图5-7 轮式牵引车的传动装置轮式牵引车的传动装置离合器的工作原理离合器的工作原理演示演示123420 液力机械变矩器有如下三种工况液力机械变矩器有如下三种工况： （1）闭锁离合器闭锁离合器C C和制动器和制动器B B同时松脱同时松脱： 液力变矩

14、器正常工作，液力机械传动装置处于分流传动状态，用于轮式牵引车的低速作业工况。 （2）闭锁离合器闭锁离合器C C松脱，制动器松脱，制动器B B结合结合： 此时行星排成为一个传动比i i2121=(1+ =(1+ ）/ 4/3的机械增速器。液力变矩器停止转动，涡轮借助于单向离合器与输出轴松脱。这种纯机械增速传动适用于轮式车辆的运输作业工况。 （3）闭锁离合器闭锁离合器C C结合，制动器结合，制动器B B松脱松脱 ： 由于液力变矩器泵轮处于旋转状态，涡轮除了在启动的瞬间可能与输出轴不同步外，持续运转时也都与输出轴一起旋转。这种直接传动工况适合拖车启动工况或车辆高速下坡行驶时作动力制动使用。 21 液

15、力机械变矩器在分流传动工况时，其主要参数主要参数为i21、K21、21、1 、nB、MB和PB，根据这些主要参数，液力传动有如下特点特点： （1）液力变矩器在液力变矩器在 牵引工况下牵引工况下，液力机械变矩器也处于牵引工况 。0 1i 210 1i （2）在在 整个工况区整个工况区，液力机械变矩器均以功率分流方式工作，可获得较之纯液力传动更高的效率值，即 。2104 3i21 （3）启动工况时启动工况时泵轮传递全部功率 ，而当 时，泵轮传递功率减少为 。 B1PP1i 1B4PP （4）能容系数显著增大，启动力矩也显著增大能容系数显著增大，启动力矩也显著增大。 （5）正透穿性大大增加正透穿性大

16、大增加。 22 5.4 5.4 内分流液力机械传动内分流液力机械传动 功率内分流液力机械变矩器功率内分流液力机械变矩器的机械传动部分（行星齿轮机构）放在变矩器之外，如图如图5-85-8所示所示，其功率分流是在液力变矩器内部实现的。功率由泵轮输入，而由两个或两个以上独立旋转的叶轮分别传递一部分功率，最后通过机械传动机构将叶轮的输出功率汇流输出。a） b） 图图5-8 功率内分流的液力机械变矩器功率内分流的液力机械变矩器235.4.1 5.4.1 强制导轮旋转型的内分流液力机械变矩器强制导轮旋转型的内分流液力机械变矩器 强制导轮旋转的变矩器强制导轮旋转的变矩器是由涡轮和强制旋转的导轮共同传递泵轮输

17、入的功率（图图5-8a5-8a）。根据被强制旋转导轮的转向又可分为强制导轮正转和强制导轮反转的内分流液力机械变矩器。 强制导轮反转的内分流液力机械变矩器能提高低转速比范围内的变矩系数变矩系数；强制导轮正转的内分流液力机械变矩器则可提高高转速比范围的效率效率。 现以瑞典瑞典SRMSRM公司公司的DSDS型强制导轮反转的液力机械变矩型强制导轮反转的液力机械变矩器器为例，说明其结构与工作特点，图图5-95-9为该装置的运动学简运动学简图图和原始特性曲线原始特性曲线。它是这一类液力机械传动中较有代表性的一种装置，并得到了成功的应用。24图图5-9 DS型内分流液力机械变矩器运动学简图型内分流液力机械变

18、矩器运动学简图25 DS型液力机械变矩器型液力机械变矩器有下列三种工况： （1）导轮反转工况导轮反转工况。在工况 区，制动器制动器B B2 2制动，制动器制动器B B1 1和闭锁离合器闭锁离合器C C分离时 。 （2）导轮固定工况导轮固定工况。在工况 区，制动器制动器B B1 1制动，制动器制动器B B2 2和闭锁离合器闭锁离合器C C分离时 。 （3）直接传动工况直接传动工况。当 时，制动器制动器B B1 1、B B2 2分开，导轮成为自由轮而浮动，闭锁离合器闭锁离合器C C接合 。210 0.37i210.370.71i 210.71i265.4.2 5.4.2 多涡轮的内分流液力机械变矩

19、器多涡轮的内分流液力机械变矩器 多涡轮内分流液力机械变矩器多涡轮内分流液力机械变矩器的导轮固定不动，功率的分流和传递通过两个以上独立旋转的涡轮来实现（图图5-8b5-8b）。传递功率的涡轮有双涡轮双涡轮和多涡轮多涡轮两种。应用多涡轮液力机械变矩器的目的目的在于能够获得高的零速变矩系数，扩宽高效范围。 有时，多涡轮液力机械变矩器可能只有一个涡轮工作，其它涡轮则自由旋转。此时，多涡轮液力机械变矩器将按一般的单涡轮液力变矩器工作。27 现以ZL50ZL50型装载机型装载机用的双涡轮液力机械变矩器双涡轮液力机械变矩器为例，简要介绍这类变矩器的结构结构和工作特点工作特点（图图5-105-10）。图图5-

20、10 双涡轮型液力机械变矩器双涡轮型液力机械变矩器a）结构简图）结构简图 b）原始特性曲线）原始特性曲线ab28 ZL50ZL50装载机用双涡轮液力机械变矩器装载机用双涡轮液力机械变矩器有以下几种工作状态。 起步工况时，主要是第一涡轮起步工况时，主要是第一涡轮T TI I工作工作。第二涡轮第二涡轮T TIIII则根据结构不同可能有几种不同工况：液流对涡轮作用的力矩为负负力矩力矩、零力矩零力矩和正力矩正力矩。在负力矩时，结构上应保证第二涡轮退出工作，以提高启动时的变矩系数变矩系数。由于第二涡轮与输出轴刚性连接，不能退出工作。因此要求叶片应保证高转速比工作有较高效率，而低转速比时，不致产生负力矩。

21、 起步工况后，第一涡轮起步工况后，第一涡轮T TI I转速提高转速提高。由第一涡轮流出的液流冲向第二涡轮第二涡轮TIITII叶片的工作面，液流对第二涡轮产生正正力矩力矩。在i i2121=0=00.5250.525区段，是两个涡轮共同输出功率的工作范围。但第二涡轮的力矩是逐渐增大的，第一涡轮的力矩将逐渐减小，直至退出工作。 295.4.3 5.4.3 复合分流的液力机械变矩器复合分流的液力机械变矩器 这是一种兼有内外分流工作特点的液力机械变矩器，实际上是一种双涡轮内分流液力变矩器双涡轮内分流液力变矩器，第一涡轮第一涡轮TI（即循环涡轮）的部分功率通过行星排传动，以循环的方式返回液力变矩器的泵轮

22、；泵轮泵轮B、循环涡轮循环涡轮TI及行星排之间构成一个外分流液力机械变矩器（图图5-11）。图图5-11 复合分流液力机械变矩器一般形式复合分流液力机械变矩器一般形式30 现以VKDVKD复合分流液力机械变矩器复合分流液力机械变矩器为例，介绍其结构与工作特点。 VKD液力机械变矩器是由液力变矩器液力变矩器、单排单行星齿轮机单排单行星齿轮机构构、差速器差速器及两个单向联轴器单向联轴器组成，如图如图5-125-12所示所示。液力变矩器有四个工作轮，除泵轮泵轮B B和导轮导轮D D外，还有两个独立工作两个独立工作的涡轮的涡轮T TI I和和T TIIII。第一涡轮TI的叶片是可旋转的，它的转动角度由

23、液力变矩器内循环液流的作用力矩与安装在叶片下部的重锤的离心力矩离心力矩共同来调节。ab图图5-12 复合分流液力机械变矩器复合分流液力机械变矩器 a）结构简图）结构简图 b）原始特性曲线）原始特性曲线31 VKDVKD液力变矩器液力变矩器有三种工况： 液力机械变矩器工况液力机械变矩器工况： 第一种工况是第一涡轮TI输出功率的工况。只要第一涡轮输出功率，液力机械变矩器就一定是复合分流。这种工况在低转速范围内。 普通液力变矩器工况普通液力变矩器工况： 第二种工况是第一涡轮TI输出功率为零的工况。此工况在中、高转速比范围内。 液力偶合器工况液力偶合器工况： 当转速比进一步提高时，导轮导轮D的力矩变向

24、，楔紧导轮D的单向联轴器单向联轴器M2松脱，呈液力偶合器工况 。32 5.5 5.5 自动变速器自动变速器 自动变速器自动变速器是自动判断行驶状况行驶状况、自动选择传动比自动选择传动比、自动自动换档换档的变速器。相比纯机械变速器，由于采用了液力变矩器，在车起步换档时具有平稳平稳、无振动无振动、操作简单操作简单、省时省时、省力省力等优点，大大减轻了劳动强度，可使发动机和传动系的磨损减少，延长了使用寿命。 图图5-13 自动变速器结构示意图自动变速器结构示意图自动变速器自动变速器335.5.1 5.5.1 自动变速器的结构与工作原理自动变速器的结构与工作原理 自动变速器与普通齿轮式变速器在结构和原

25、理上差别非常大。不同的自动变速器结构也不尽相同，但其总体结构是一样的。自动变速器自动变速器包括液力变矩器液力变矩器、行星齿轮机构行星齿轮机构、换档换档执行机构执行机构、换档控制换档控制、操纵机构操纵机构和冷却系统冷却系统等，图图5-135-13是一典型的自动变速器结构示意图。图图5-13 自动变速器结构示意图自动变速器结构示意图自动变速器自动变速器的组成的组成34 1.液力变矩器液力变矩器 液力变矩器是液力自动变速器的重要部件，它的前端与发动机飞轮相连接，输出端与行星轮变速器输入轴相连，发动机的动力经液力变矩器传入行星齿轮变速器，实现发动机与变速器“软”连接，从而大大减少传动机构的动载荷，延长

26、发动机的变速器的使用寿命，同时也可以在一定范围内实现无级变速。 2.行星齿轮机构行星齿轮机构 行星齿轮变速器是液力自动变速器的变速机构，它由行星齿轮排及其必要的操纵元件组成 。 3.换档执行机构换档执行机构 换档执行机构是通过分配行星齿轮组各个元件的承担角色（输入、输出、固定）而实现换档操作。 4.换档控制机构换档控制机构 自动变速器的控制系统主要是液压系统。35 5.冷却系统冷却系统 冷却系统是液力自动变速器必不可少的部分，由于液力变矩器在传递动力过程中存在滑差损失使油温升高，为避免因油温过高而影响变速器的寿命和引起油液老化变质，必须使用冷却系统。 6.档位图档位图 自动变速器的选档杆，也称

27、变速杆或选档手柄。一般布置在司机座椅右侧，或转向盘下方的转向柱上。 关于自动变速器的档位，应特别注意以下两点关于自动变速器的档位，应特别注意以下两点： （1）自动变速器的一个档位不是一个固定的传动比，而是一个传动比范围。 （2）选档杆在较高档位置时，变速器可以在该档及以下低的档位之间自动换档，但不能自动换到比它高的档位，以及倒档、空档、驻车等特殊档位。36 7.自动变速器的工作原理自动变速器的工作原理 图图5-145-14为一简单自动变速器的结构示意图。 图图5-14 自动变速器结构示意图自动变速器结构示意图 1发动机曲轴发动机曲轴 2涡轮涡轮 3泵轮泵轮 4导轮导轮 5导轮支承导轮支承 6离

28、合器离合器 7前前制动器制动器 8前行星架前行星架 9后制动器后制动器 10前齿圈前齿圈 11后齿圈后齿圈 12后行星齿轮后行星齿轮 13后太阳轮后太阳轮 14输出轴输出轴 15后行星架后行星架 16前行星齿轮前行星齿轮 17前太阳轮前太阳轮 18输入轴输入轴 19飞轮飞轮37 行星齿轮组行星齿轮组是由太阳轮太阳轮、内齿圈内齿圈、行星架行星架和安装在行星架上的数个（一般34个）行星齿轮行星齿轮组成，如图如图5-155-15所示所示，是二自由度的机构。 图图5-15 行星齿轮组行星齿轮组38 如果不对某一个元件进行限制，不管将哪一个元件作为输入，另两个元件都不会有输出。利用这一特点，可作为空档。

29、如图如图5-16a5-16a所示所示，离合器离合器和前、后制动器前、后制动器都不起作用时，便是空档。 如果三个元件中有任意两个任意两个固连在一起，也就等于两个元件都同连在一起。此时，行星齿轮组只是传力通道，不起变速作用。这一特点可作为直接档。如图如图5-16b5-16b所示所示 。 图图5-16c5-16c是低速档低速档。前行星齿轮组的太阳轮刹住固定，齿圈输入，行星架输出，可获得约约1.51.5左右左右的传动比。 如果把行星架固定，太阳轮作输入，齿圈作输出，则齿圈的转向与太阳轮相反，可获得倒档。如图如图5-16d5-16d所示所示。 自动变速器中的离合器自动变速器中的离合器39a）空档：离合器

30、分离；前、后制动器松脱）空档：离合器分离；前、后制动器松脱图图5-16 自动变速器各档位控制示意图自动变速器各档位控制示意图40b）直接档：离合器结合；前、后制动器松脱）直接档：离合器结合；前、后制动器松脱图图5-16 自动变速器各档位控制示意图自动变速器各档位控制示意图41c）低速档：离合器分离；前制动器刹死，后制动器松脱）低速档：离合器分离；前制动器刹死，后制动器松脱图图5-16 自动变速器各档位控制示意图自动变速器各档位控制示意图42d）倒档：离合器分离；前制动器松脱、后制动器刹死）倒档：离合器分离；前制动器松脱、后制动器刹死图图5-16 自动变速器各档位控制示意图自动变速器各档位控制示

31、意图43 图图5-175-17是驻车制动时的控制。当两制动器都刹死时，前行星齿轮组的太阳轮太阳轮、行星架行星架都固定，等于三个元件都被固定。后行星齿轮组的太阳轮、行星架也都被固定了。因此，整个变速器被锁死，即驻车制动驻车制动。图图5-17 驻车制动的控制驻车制动的控制离合器分离；前离合器分离；前后制动器刹死后制动器刹死片式制动器与离片式制动器与离合器区别合器区别445.5.2 5.5.2 自动变速器使用的注意事项自动变速器使用的注意事项1.1.用油问题用油问题 必须使用规定油品、油质的液力传动油，不得用其它油代替。 2.2.发动机起动与节气门踏板的控制发动机起动与节气门踏板的控制 汽车起动必须把选档手柄放在空档启动位置 。3.3.怠速爬行问题怠速爬行问题 换档手柄置于前进档时，不管在“D D”位，还是在“Z Z”位或“L L”位