液力第3章液力耦合器

1液力偶合器是一种结构简单、应用广泛的液力元件，主要由泵轮、涡轮和泵轮壳三部分组成（图3-1）。a）外形图

b）剖视图

图3-1液力偶合器

泵轮轴承涡轮2c）偶合器的工作轮

图3-1液力偶合器偶合器能实现主动轴和从动轴间的柔性接合，并且当工作液体与叶轮相互作用时，理论上能将主动轴上的力矩大小不变地传递给从动轴。因此，液力偶合器又称液力联轴器。泵轮壳涡轮泵轮33.1

液力偶合器的结构组成液力偶合器按其结构型式不同，可分为有内环偶合器和无内环偶合器两类（图3-2所示）。a）有内环偶合器

b）无内环偶合器

图3-2偶合器的结构示意图

泵轮和涡轮的内、外侧两个环形曲面，分别称为内环和外环。通常将偶合器的泵轮和涡轮统称为工作轮或叶轮。内环外环外环43.2

液力偶合器的工作原理3.2.1

液力偶合器的基本工作过程工作过程中，发动机带动与泵轮刚性连接的主动轴1旋转，位于泵轮内的工作液体由于受到泵轮叶片的作用而获得能量，随泵轮一起旋转。离心力迫使液体沿图3-2中所示箭头方向向泵轮外缘流动，从而把发动机的机械能转变成泵轮内工作液体的动能。图3-2偶合器的结构示意图内环外环外环5图3-2偶合器的结构示意图

由泵轮流出的液流由泵轮外缘处进入涡轮入口，并冲击涡轮叶片，同时液流被迫沿涡轮叶片间流道流动。液流的速度减小，从而液体的能量传递给涡轮，并转变成偶合器从动轴2（与涡轮刚性连接）上的机械能，使从动轴2以转速旋转。当液体对涡轮作功降低能量以后，又重新回到泵轮，吸收能量，如此周而复始不断循环，就实现了能量传递。内环外环外环6一般情况下，偶合器的涡轮转速总是小于泵轮转速，所以泵轮出口处由速度产生的动压力总是大于涡轮进口处的动压力。由于这一压差的存在，使得工作液体在泵、涡轮叶片间通道内流动，并总是沿着图3-2中的箭头所示方向进行。内环外环外环图3-2偶合器的结构示意图

7如果，即转速比时，液体在两轮间的离心压差为零，循环圆内将不产生流动，液力偶合器不传递力矩。但是，当涡轮的转速大于泵轮的转速时，工作液体将发生与箭头相反方向的流动，涡轮将起到相当于泵轮的作用，进入反传工况。内环外环外环图3-2偶合器的结构示意图

8液力偶合器循环圆表示两个叶轮的形状和相互位置，形象地说明了偶合器的主要特征，因此，任何一种液力偶合器均可用其循环圆来表示。循环圆的最大直径D称为循环圆的有效直径，它是液力偶合器的代表尺寸。内环外环外环图3-2偶合器的结构示意图

93.2.2

速度三角形图3-3为液力偶合器的循环圆和泵轮（右）、涡轮（左）的速度三角形。图3-3液力偶合器和速度三角形

10以泵轮为例，设泵轮内充满工作液体，并以转速顺时针方向旋转，则在泵轮进口半径（即中间流线回转曲面与叶片进口处轮廓线交点处的半径）处产生牵连速度为，工作液体对叶片流道的相对速度为，则由牵连速度和相对速度矢量合成的绝对速度为。在泵轮出口半径处产生牵连速度，工作液体对叶片流道的相对速度为，由牵连速度和相对速度矢量合成的绝对速度为。泵轮进口处的绝对速度取决于涡轮出口处的绝对速度，泵轮进口处的相对速度

的大小和方向，由泵轮进口处的绝对速度和牵连速度的矢量差决定。当进口处相对速度的方向与进口处叶片方向一致时，即为偶合器的无冲击工况。对涡轮可进行同样的分析。11

泵轮的圆周速度涡轮的圆周速度

正常工况下转速比

，故，圆周速度和。12

泵轮和涡轮出口处绝对速度的圆周分速度分别为泵轮和涡轮出口处轴面分速度分别为

泵轮和涡轮进口处绝对速度等于前一叶轮的出口绝对速度，即13

泵轮和涡轮进出口速度三角形不是直角三角形，此时液流角和叶片角不相等，出现了冲击损失，如图3-4所示。为了使工作液体在工作腔内作循环流动时损失尽量小，一般将各叶轮的叶片通道上各过流截面积都做成相等的。不考虑内部漏损，即时，根据连续性方程，平均流线上各点与截面垂直轴面速度相等，即图3-4液力偶合器叶片进口液流冲击这种损失只有当时才会消失，但此时循环流量已为零。

143.2.3

力矩关系根据动量矩方程，可写出液力偶合器的泵轮叶片作用在液体上的力矩（3-1）

对直叶片偶合器，有或

式中Q——单位时间内通过泵轮的液体流量；

——工作液体的重度，；

——绝对速度与圆周速度的正向夹角15同理，可以写出液流作用在涡轮上的力矩为（3-2）

或

或

将式（3-1）和式（3-2）相加得

16在泵轮出口处和涡轮进口处及泵轮进口处和涡轮出口处之间的区域，由于没有叶片对液流的作用，、、和，根据环量定理，有代入式中，可得

（3-3）

式（3-3）表明在液力偶合器中，泵轮叶片作用于液体的力矩等于工作液体作用于涡轮叶片上的力矩，即液力偶合器不能改变所传递的力矩的大小。17以上所研究的液力偶合器的力矩平衡，是以有内环、径向直叶片、工作轮对称布置的偶合器为例进行的，并且假定工作轮内充满液体，涡轮无外力矩输入。而对无内环、斜叶片、工作轮非对称布置的偶合器来说，在工作腔内部分充液，且涡轮有外力矩输入时，式（3-3）也仍然成立。实际上，泵、涡轮轴上的力矩与上述的和之间，还存在着轴承阻力、油封阻力、圆盘摩擦阻力等所引起的阻力力矩。因此，涡轮轴上的力矩总是略小于泵轮轴上的力矩。183.2.4偶合器的流量液力偶合器的转速比是指涡轮转速与泵轮转速之比，用i表示，即由于在循环圆中某处液体流量Q的大小直接由在该处流动液体的绝对速度的轴面分速度与该处过流面积决定，因此，要了解Q随i而变化的规律，即了解的函数关系，仅需了解的函数关系即可。而的函数关系，又可以利用能量平衡方程来确定。偶合器中液流由泵轮所建立的能头值为

19令，代入上式，得（3-4）

同理可写出偶合器中液流对涡轮作用的能头值为

（3-5）

①被涡轮所吸收的能头为负值；②工作轮中液体流动所产生的摩擦损失能头。

③泵轮和涡轮进口处叶片头部产生的液流冲击损失它包括液体的内摩擦，液体与工作轮壁面的摩擦，流道的扩散、收缩，流通弯曲形成脱流和旋涡等造成的损失；

液流由泵轮所建立的能头消耗在以下几方面：

20偶合器中的能量平衡关系，写成能头的表达式即为（3-6）

泵轮入口处的冲击损失为涡轮入口处的冲击损失为

，

分别表示泵轮与涡轮的冲击损失系数，若取

，则有21通常冲击损失系数值是小于1的，为了定性的分析，可以取。这样，上式可改写为（3-7）

摩擦损失为（3-8）

式中

f——弯曲旋转管道中总的摩擦阻力系数。将式（3-4）、式（3-5）、式（3-7）、式（3-8）代入式（3-6）中，并化简得（3-9）

22

由式（3-9）可见，每给出一个工况值，即可得出一个相应的值。当时，取到最大值，且最大值为当时，即时，取到最小值，且最小值为这样，就可以根据的函数关系，得到如图3-5所示的偶合器循环圆中工作液体的流量

随工况的变化关系。23a)当a为常数时

b）当a为变数时

图3-5偶合器循环圆中随i变化的曲线243.3

液力偶合器的特性3.3.1

偶合器的外特性液力偶合器的外特性是指当工作液体密度和泵轮转速一定时，泵轮轴上的力矩、涡轮轴上的力矩及液力偶合器效率与涡轮转速之间的关系，即25图3-6液力偶合器外特性

由于理论推导与实际存在很大误差，液力偶合器的外特性一般由试验测得，如图3-6所示。偶合器的涡轮力矩始终等于泵轮力矩，因此和是同一条特性曲线。偶合器的效率

是涡轮输出功率与泵轮输出功率之比26对偶合器，因此有

（3-10）

上式表示偶合器效率等于转速比，效率曲线是一条通过坐标原点的直线。但当接近与1.0时，偶合器传递的力矩很小，而机械摩擦力矩所占的比重急剧增大，因此在高转速比时的效率特性明显偏离直线，并在时急剧下降至。当0≤i≤1时，偶合器为牵引工况区。偶合器在牵引工况区有三个特殊工况点：（1）设计工况点，一般取，其特点是效率最高。（2）零速工况点，又称制动工况点，是车辆在起步或制动时的工况。

27

（3）零矩工况，此时，，循环圆中流量，故，。

除了用转速比表示液力偶合器工况外，也可用转差率表示，转差率是泵轮和涡轮的转速差与泵轮转速之比，即（3-11）

283.3.2

偶合器的原始特性什么是偶合器的原始特性呢？偶合器的力矩系数与转速比i以及效率

与转速比i之间的关系称为偶合器的原始特性，，。由动量矩方程，可得偶合器的力矩为因为29由，，其中、为系数，D为偶合器的有效直径。

将式（3-9）代入循环流量公式，得令，，其中A、B为系数

将流量Q、圆周速度

、以及进出口半径、代入偶合器的力矩公式并化简为（3-12）

30其中力矩系数为

由上式可知，力矩系数随转速比i而变化，其变化关系如图3-7所示。它与一起称为偶合器的原始特性曲线。图3-7液力偶合器原始特性31原始特性一般是通过试验方法求得的。试验所得的是偶合器的外特性，再根据公式换算出原始特性。（3-13）

在实际应用原始特性时，应注意所取得的原始特性是在什么样的泵轮转速下和用什么粘度的工作液体试验得到的，因为这两个参数对雷诺数影响很大，影响到动力相似。此外，在实际使用原始特性和力矩公式（3-5）时，还要注意所选用的偶合器循环圆有效直径D值不要与试验求得原始特性的偶合器的循环圆有效直径D值相差过大。否则，由于制造工艺上的一些因素，难于保证非常严格的几何相似，而带来性能上的差别。323.3.3

偶合器的全特性什么是偶合器的全特性？

液力偶合器的牵引特性与反转特性（第二象限）和反传特性（第四象限）组成了偶合器的全特性。如图3-8所示。图3-8偶合器的全特性

33什么是反转特性？它有什么特点？

反传特性是涡轮转速大于泵轮转速，即，或时的特性。其特点是工作腔中流体从涡轮最大外径处流向泵轮，与牵引工况的流动方向相反。

涡轮反转工况（第二象限）在工程实际中也常出现。此工况的特点是：，；且，。泵轮、涡轮都成为泵轮工作，能向工作液传递能量。34在工程中，有时泵轮停止转动，即，涡轮由工作机带动旋转，这时涡轮起泵轮作用，但由于泵轮不转，没有功率输出，偶合器只起到液力制动器的作用。只要液体的循环冷却得到保证，制动器就可以长时间连续运行。由相似理论可知力矩与涡轮转速的平方成正比，这一情况可以看成泵轮不转反转工况的极限情况，其特性如图3-9所示。图3-9液力制动器的特性

在重型车辆上装液力制动器，只可以在长距离下坡行驶时实现连续制动作用。液力制动器是以涡轮的旋转为前提的，因此，它不能代替机械刹车的停车制动功能。353.3.4

偶合器的通用特性什么是偶合器的通用特性？

偶合器的通用特性是指偶合器循环圆的有效直径D和工作液体一定时，在不同泵轮转速下，偶合器轴上的力矩M与涡轮转速之间的变化关系，即。

通用特性可以由原始特性和力矩公式求得。当偶合器的循环圆的有效直径D和工作液体重度一定时，先确定泵轮转速，然后由给出的不同的涡轮转速由公式得出相应的转速比i。这样，由得出的一系列转速比i，在原始特性曲线上找到各种转速比i时的力矩系数的值，再由公式36

得出不同涡轮转速时偶合器轴的力矩M。于是得出在一个泵轮转速时的一条的曲线。然后，确定第二个泵轮转速，按照上述方法可以得到第二条曲线。同理可以得出在不同泵轮转速下的一组曲线，如图3-10所示。图3-10偶合器的通用特性

37

如前所述，偶合器的效率等于其转速比i。因此，不论泵轮转速为何值，只要转速比i相同，偶合器的效率也相等。所以，在图3-10中所示的不同泵轮转速下，每条曲线上，都能找到转速比i相同的点，即等效率点。把在不同泵轮转速时每一条曲线上的等效率点相连，就得到了等效率曲线。图3-10偶合器的通用特性

383.3.5

偶合器的透穿性能

透穿性是指涡轮力矩变化对泵轮力矩的影响程度。如果负载变化对原动机力矩不产生影响，称其为不透穿的，反之为可透穿的。由于偶合器的，显然是可透穿的。3.3.6

特性换算——相似设计原则

同一台偶合器与不同转速的原动机相连或如何根据现有的偶合器及其特性，通过对其有效直径D作相似放大或缩小，得出一新的性能符合要求的偶合器，这是工程中经常遇到的问题。欲解决上述问题必须根据相似原理，即从式（3-12）入手进行计算。

设以角标“S”和“M”分别表示“实型”和“模型”偶合器，此处“实型”和“模型”有泛指的含义，并非只代表几何形状。39若仅当泵轮转速变化时，可得

（3-14）

若需改变有效直径D，则有

（3-15）

需要说明的是，偶合器中充液量对性能影响很大，以上计算都是在其相对充液量相等的情况下得出的，有关充液量问题将在下一节中进行讨论。403.3.7

部分充液特性实际使用中的液力偶合器一般都取消了阻碍液流的内环，而且都不是完全充满工作液体的，而是部分充液。

随着充入的工作液体体积占工作腔容积的比例不同，偶合器传递能量的能力也不相同。以液力偶合器的充液率来表示，即（3-16）

式中

——充入偶合器工作腔中工作液体的体积；

——工作腔的总容积。41

液力偶合器部分充液时，环流具有自由表面，环流形状和分布情况如图3-11所示。a）

b）

c）

d）

e）

图3-11液力偶合器部分充液时的液流循环情况

（1）如图3-11a，、时，两叶轮工作腔中内液体的离心压力互相平衡而无相对流动，工作液体呈环状，对称地分布于两叶轮的外缘。在靠近旋转轴线内环是一个空气环，液体与空气分界的自由表面是一个以旋转轴线为中心的圆柱面。42

（2）如图3-11b，转速比

降低，转差率

增大，两叶轮中液体在工作腔内产生相对运动，但运动较弱。在涡轮中作向心运动的液体，因涡轮旋转而产生的离心力作用，末到达循环圆的内缘，就从b点开始作离心流动，并在c点重新进入泵轮。如此进行着泵轮与涡轮之间液体的循环流动。这时液体体积较大的一部分是在涡轮内，而在液体中向心与离心两种流动之间有一个分界面。

a）

b）

c）

d）

e）

图3-11液力偶合器部分充液时的液流循环情况43

（3）如图3-11c，转速比继续降低，转差率继续增大。涡轮中液体的向心流动趋势不断增加，离心流动趋势不断减弱，轴面液流形成一个环状流动，且液流环随转速比i的降低而继续向轴心线接近。不过此时液体流动还有一个清晰的自由表面。在这个过程中，由于流量增加，使力矩系数增加，力矩M也增加，但泵轮中间流线进口出半径几乎未变。a）

b）

c）

d）

e）

图3-11液力偶合器部分充液时的液流循环情况

44

图3-12中在≤i≤0区段就是上述三种情况。

图3-12充液率时偶合器的相对特性

转速比在<<1时的环流是涡轮内的向心液流未到内缘即进入泵轮的小循环流动。45

（4）如图3-11d，转速比

下降至临界转速比时，液流开始破坏原来的循环状态，在涡轮中向心液流到达循环圆最内侧，然后进入泵轮。a）

b）

c）

d）

e）

图3-11液力偶合器部分充液时的液流循环情况

由于液流的动能不足以使液流贴紧泵轮外环运动，而是作散乱的离心流动。这时已经没有清晰的自由表面，一直到达转速比为时，液流才完成由小循环到大循环的过渡，见图3-12中的转速比在<<

临界区段。46

（5）如图3-11e，转速比再继续下降，转差率继续增加，涡轮转速较低，液流的向心流动大于离心运动，液流在涡轮内缘直接进入泵轮，并紧贴泵轮外环内壁面流动，液流将保持大循环流动。a）

b）

c）

d）

e）

图3-11液力偶合器部分充液时的液流循环情况

由于从小循环到大循环（临界区）的过渡中，在工作轮进、出口液流中间流线的半径有一个突变，即泵轮入口处半径减小了，而在一定转速比i下的工作腔内的液体流量不变，47

则传递力矩M增大了（由a点跳到b点），所以反映在图3-12上力矩有一个跳跃。当偶合器的转速比由小变大时，液流流动的变化过程正好与上述相反，但是过渡开始和完成不再是图3-12中的b点和a点，而是更低的点和点，这是因为具有液体粘性，使液流的运动状态具有惯性的缘故。图3-13不同充液率对偶合器特性的影响

图3-13表示不同充液率时液力偶合器的特性曲线，图中阴影部分是临界不稳定区。可见，大充液量时，环流突变发生在较高转速处，小充液量时则发生在较低转速处。

483.3.8

偶合器的特性评价评价液力偶合器的性能一般包括三个方面：

（1）高转速比区

＝0.9～1.0的力矩系数值

液力偶合器正常工作时的转速比是选在设计工况*，此时较大的*值可以传递较大的力矩（），而有效直径D也可适当取小些。

（2）过载系数液力偶合器最大力矩与标定力矩之比称为过载系数，即

（3-17）

看成是瞬间过载系数49（3-18）

启动过载系数又可看成持续过载系数

（3）动态特性

液力偶合器的外特性是在稳定工况下得到的，是静态特性。当液力偶合器在设计工况下运转，突然加载时，涡轮的转速和力矩都将发生变化，其变化规律称为动态特性。动态特性也是评价液力偶合器性能的一项重要指标。

液力偶合器起动工况时（）的输出力矩与标定力矩之比称为起动过载系数

，即503.4

液力偶合器的分类、结构和特点液力偶合器的分类：

（1）按其内外环结构可分为有内环偶合器和无内环偶合器。

（2）按充液量可分为定充液量偶合器和变充液量偶合器，变充液量偶合器又称之为调速型偶合器。

（3）按性能不同又可将偶合器分为普通型、牵引型、限矩型（又称安全型）和调速型四种，另外，定充液量偶合器还可作为制动器使用。

（4）按叶片安放角可分为径向直叶片及前倾或后倾叶片偶合器。513.4.1

普通型液力偶合器普通型（又称标准型）液力偶合器（图3-14）结构最简单，其结构特点是只有泵轮、涡轮，旋转壳体组成，没有特别设计的辅助室，叶轮和循环圆基本对称。图3-14普通型偶合器循环圆小孔泵轮壳体

固定外壳

523.4.2

牵引型液力偶合器牵引型偶合器主要用于执行机动车辆、载重汽车、轻便汽车、提升机和输送机等，作为原动机和工作机之间的主离合器，以达到重载牵引的目的，见图3-15。a）原始特性

b）与柴油机匹配特性

图3-15对牵引型偶合器的特性要求牵引型偶合器

普通偶合器

53牵引型偶合器的结构特点是循环圆内定量部分充液，泵轮与涡轮对称分布，涡轮外侧有辅助油室，并在涡轮出口处设有挡板。为了保证辅助油室能在运转中起贮油和排油的作用，此偶合器内不能完全充满，只能限制在某个充液量。当偶合器静止不转时，偶合器中的油因重力积存在下半部，此时辅助油室中贮有相当部分的油液。偶合器在正常工况（高转速比工况）时，环流总是小循环。因此，在正常工况下环流不能触及挡板，挡板也就不会影响偶合器的正常工作。54转速比i降低时，如前所述，循环圆内的环流将会沿涡轮内壁延伸，转速比i下降到一定数值时，环流将改道，由小循环改为大循环，产生力矩反馈现象。为了避免这种现象的出现，在涡轮出口处设置挡板。液流通过挡板时，将产生涡流造成力矩损失，使油温升高。因此，挡板直径的大小会影响偶合器在高转速比（高速工况）时的工作效率。工作液体的温度越高，效率越低。辅助油室的作用是在转速比i降低时，亦即转差率S增大时，使传动力矩降低，从而获得良好的牵引性能。

图3-16是牵引型偶合器辅助油室的作用原理及其特性曲线。55动态特性静态特性辅助油室挡板a）循环圆

b）特性曲线

图3-16牵引型偶合器的特性

在图3-16a中，工作液体在循环圆中的点M主要受到圆周速度(牵连速度)产生的离心力的作用。若泵轮的转速为，涡轮转速为，则辅助油室中液体的圆周速度近似地为。在转速比时，工作腔与辅助油室中液体的56

圆周速度相等，由离心力产生的静压力亦相等，故循环圆中的液体绕O点流动。随着转速比i的下降（转差率S增大）辅助油室液体的圆周速度也随之减小，使辅助油室中由离心力产生的静压力低于工作腔中M点的静压力。在压差的作用下，工作液体进入辅助油室，从而降低传动力矩。所以在转a）循环圆

b）特性曲线

图3-16牵引型偶合器的特性辅助油室挡板动态特性静态特性57

速比i下降时，由于辅助油室和挡板的共同作用，使力矩系数显著降低，导致过载系数要比普通偶合器小。这类牵引型偶合器也称为静压泄液式液力偶合器，其倾注过程反应较慢，在过载瞬间测得的力矩要比特性曲线给出的大得多（图3-16b），因而防止过载的性能不够理想。a）循环圆

b）特性曲线

图3-16牵引型偶合器的特性辅助油室挡板动态特性静态特性58图3-17YL－50牵引型液力偶合器图3-17是国产YL－50牵引型液力偶合器的结构图和原始特性。它的主要结构特点是具有侧辅室a和挡板6。1－半联轴节2－止推轴承3、8－轴承4－泵轮5－涡轮6－挡板7－外壳9－输出轴

593.4.3

安全型液力偶合器安全型偶合器又称限矩型偶合器，是各种型式偶合器中生产数量最多的一种类型，主要要应用于采煤、运输、破碎和起重等设备中。采用限矩型偶合器对从动部分突然卡住现象做出快速反应，防护过载，使原动机和工作机免受破坏。

图3-18a、b为650限矩型液力偶合器简图及特性曲线，这种偶合器具有如下特点：偶合器为定量部分充液、且最大充液量约为偶合器内部容积的85％～90％。结构上涡轮循环圆最小直径远较泵轮循环圆最小直径小，并设有前（内）辅助油室和后（侧）辅助油室（简称前辅室和后辅室），在涡轮出口处可以装有挡板，也可不装。可以看出，安全型偶合器限矩性能的获得主要依靠前后辅室。60图3-18a650限矩型液力偶合器简图

1－输入联轴节2－后辅室壳体3－泵轮4－转动外壳5－涡轮6－挡板7－输出轴8－端轴密封9－弹性连轴器10－过热保护装置11－前辅室12－后辅室

61图3-18b650限矩型液力偶合器特性曲线

62

（1）前辅室的作用。图3-19为前辅室的作用示意图。图中所示的一簇特性曲线是无辅助油室的偶合器流道在不同充液率下的力矩特性，而粗线（1abc）则是有前辅室时的特性。图3-19前辅室对偶合器特性的影响

设为偶合器的充液量，为前辅室的容积。当转速比时，流通内的液体作小循环运动，前辅室不起作用。当时，由于涡轮转速降低，涡轮中液体因离心力减小，已向轴线延伸到前辅室处，液体运动已处于向大循环过渡的临界状态。63图3-19前辅室对偶合器特性的影响

随着i的继续下降，如果没有前辅室存在，液体将作大循环运动。其力矩特性曲线将沿着相当于充液量为的曲线上升。由于前辅室的存在，随着大循环运动开始，部分液体即倾泄到前辅室中，偶合器所传递的力矩下降。

随着i继续下降，前辅室中油环的厚度不断增加，流道内的充液量进一步减小，偶合器所传递的力矩沿ab线下降。当时，前辅室内油已充满。64图3-19前辅室对偶合器特性的影响

在力矩特性曲线上，a点称为临界点，为临界转速比，b点为跌落点，为跌落转速比。为了将限矩型偶合器的力矩特性接近理想，希望b点和c点的力矩都能接近于a点的力矩。但是，只改变前辅室的容积不能达到特性曲线的理想化。

为了解决上述矛盾，把前辅室的容积和流道容积的比值扩大，

在涡轮出口处安装带孔的挡板，以减弱向前辅室倾泄液体的作用；或适当扩大涡轮外侧与转动外壳之间的辅助容积，以达到如图中虚线3那样的特性。65

（2）后辅室的作用。与牵引型偶合器在涡轮外壁和转动外壳之间所构成的辅助油室不同，限矩型偶合器的后辅室置于泵轮的背后，与泵轮一起旋转，有流孔e和f分别与前辅室和流道相通。图3-20后辅室对偶合器特性的影响

当偶合器静止不动时，偶合器中的油因重力作用积储在下半部。由于有流道e和f，前后辅室中都储有一定数量的油，当转速比为时，见图3-20，流道内液体作小循环运动。此时前辅室和后辅室内部没有油，流道内充液量最大，力矩特性以曲线1-2表示。66

当时，油由流道倾泄到前辅室，当时，前辅室基本充满了油。如果没有后辅室，则流道内的充液量不再减少，当转速比i继续下降时，力矩特性将沿曲线3-4变化，而流道内的充液量为。图3-20后辅室对偶合器特性的影响

但由于有后辅室，在这一转速比区段内，流通内的充液量将小于，其特性可用曲线3-5表示，其值低于曲线3-4。后辅室的外缘有数个流通孔f，室内的油可经此孔流回流道。因此，通过改变e和f流通孔的数量和直径，再加上其它结构措施，例如合理选择挡板的尺寸，就可以获得较为满意的偶合器特性。67图3-21表示650限矩型偶合器前后辅室通孔直径对偶合器性能的影响。后辅室还具有延充作用。它指在偶合器启动时，辅助室中的油延迟向流道内充液，达到逐步地、平稳地启动工作机的目的。图3-21前后辅室流通孔对偶合器特性的影响

设偶合器在静止时后辅室内的充液量为，在涡轮制动工况下，后辅室具有（稳定）充液量为，则在偶合器启动时延迟充入流道的油量（延充量）为。68

当

，

为正值，说明在启动时后辅室有延充作用。如为负值，则偶合器在启动时所传递力矩将大于涡轮制动工况时的稳定值，此时后辅室将具有过充作用。而当时，后辅室既不起延充，也不起过充作用。图3-21前后辅室流通孔对偶合器特性的影响

十分明显，如果后辅室起延充作用，对动力机和工作机的启动都是有利的。69图3-22为YOX限矩型液力偶合器系列型谱。图3-22YOX限矩型液力偶合器系列型谱图

图中转速和功率坐标均采用对数，从图中可以看出，同一规格偶合器功率上下限相差近一倍，功率和转速都没有漏空，应用范围宽。703.4.4

调速型液力偶合器什么是调速型偶合器？

调速型液力偶合器是人为地改变偶合器工作腔中的充液量q，从而改变偶合器的特性，在动力机转速和负载特性都不变的条件下，改变偶合器的充液量也就改变了偶合器的输入、输出特性，从而达到调节工作机转速的目的，这就是容积调速法。调速型偶合器一般均设有补偿系统，液体不断地由油箱（或旋转油室）经冷却器进入循环圆，并不断地从循环圆排回油箱，形成循环油路。这种偶合器广泛应用于工作机需要无级调速的场合，如和异步电动机带动的离心式水泵和风机相配合。在调速过程中可以大量节约电能。71图3-23表明，偶合器工作腔中充液量不同，偶合器的特性也不一样。图3-23偶合器容积调速原理图

对于同一台偶合器，在泵轮转速、工作腔的充液量时，外特性曲线为a1b；；当充液量时，外特性曲线为a2c；当充液量时，外特性曲线为a3d，其中。工作机的负载力矩，在工作过程中不变。

曲线与曲线的交点1、2、3为工作点，这三点的对应转速

、、即是不同充液量下工作机的转速。72

由于偶合器工作腔中的充液量是连续可调的，因此对工作机转速的调节是无级的。其调速范围可达

调速型偶合器的结构各不相同，工作时，存在两个循环流动：一是工作腔内的循环流动，其流量为q；二是工作腔与外部油室之间的循环流动，其循环流量为。

设循环流量

中流入工作腔的流量为

，流出的流量为

，其差值，则在平衡工作点运行时，。而当时，相对充液量增加，使得工作腔中的流量q也随之增加。反之，当时，工作腔中的流量q则减少。

调速型偶合器可分为出口调节式、进口调节式、进出口调节式和固定勺管式。73目前，国内外应用较为成功的调速型偶合器，有以下几种：图3-24GST出口调节式调速型液力偶合器

（1）出口调节式（GST）。如图3-24所示。1－串联转子泵2－输入轴3－旋转背壳4－泵轮5－涡轮6－连杆机构7－进油腔体8－输出轴9－旋转外壳10－勺管11－排液管12－水平插管13－齿轮74

（2）进口调节式。图3-25和图3-26所示为英国Fluidrive公司出产的SCR6和SCR24调速型偶合器，是进口调节式的典型结构。

图3-25SCR6进口调节式调速型偶合器图3-26SCR24进口调节式调速型偶合器这种偶合器自带旋转油壳，无需专门的油箱和供油泵，功率较小时还可不用冷却器，结构简单紧凑，轴向尺寸小，造价较低。

75

（3）进出口调节式。图3-27所示的电站给水泵调速型偶合器。图3-27进出口调节式偶合器的结构原理

进出口调节式偶合器的优点是机动性好、反应灵敏、效率高、供液量可合理利用。但制造工艺要求较高，造价高。1－主动轴2－增速齿轮3－泵轮4－涡轮5－输出轴6－供油腔体7－勺管8－排油腔体9－供油泵10－润滑油泵11－滤器12－润滑油冷却器13－启动润滑油14－进油控制阀15－冷油循环门16－热敏元件17－工作油冷却器18－油箱回油19－输入轴76

（4）固定勺管式。图3-28所示的调速型偶合器的勺管是固定不动的，通过进排油腔体固定在偶合器支座6上。图3-28固定勺管式调速型偶合器1－输入轴2－喷油孔3－旋转内壳4－旋转外壳5－勺管6－支座7－油管8－冷却器9－调整齿轮泵10－阀箱11－输出轴

这种偶合器的输入和输出侧设有轴承支座，没有上下箱体，尺寸、质量较小。支座内有容积不大的储油池，供冷却循环系统的调节和补偿之用，偶合器没有专用的供油泵，调速泵的功率小，又是间歇工作，辅助功率消耗小。773.4.5

液力制动器图3-29DFH型液力制动结构

液力制动器是由一个转子（相当于偶合器的泵轮）和一个定子（相当于偶合器时的涡轮）组成的。图3-29所示为DFH型液力制动结构。1－制动轴2－进油体3－闸板机构4－外定子5－转子6－中间体7－内定子78液力制动器的转子和定子均为叶轮，工作时两轮形成的工作腔内充满工作液体。转子旋转后，导致工作液体在循环圆内循环，产生能量交换。转子的能量由于液体摩擦和冲击损失转变为液体的热能。随着各式行走机械重量的增加和速度的提高，对制动的要求也越来越高。如坦克仅依靠机械制动器已不能满足使用要求，必须采用性能适合坦克使用要求的新型液力制动器。速度越高，制动力矩越大；车速越低，制动力矩越小。液力制动器和机械制动器联合使用，可以显著提高坦克的制动性能。目前，“豹”2坦克已采用了液力和机械的综合制动器，具有制动力矩大、反应灵敏和无磨损的持续制动等特点。793.5

液力偶合器与动力机的共同工作

液力偶合器作为传动装置，一般与汽油机、柴油机及电动机相连，为合理选用偶合器，必须了解动力机的特性。3.5.1

常用的动力机特性

1.汽油机

汽油机主要靠节气阀（气门）来调节进入气缸中混和气体的数量。当节气阀放在一定的开度位置时，动力机的功率、力矩、有效比燃料消耗与发动机转速的关系曲线就一定。这些曲线称为发动机的速度特性。开度最大的速度特性称之为外特性；开度不大时，叫做部分特性，如图3-30所示。80

图3-30汽油机速度特性

汽油机的外特性随力矩的变化较大，且具有一个明显的最大力矩工况点。当油门全开时，外特性与负载力矩交于点，这时发动机与负载的转速最高；当油门开度减小时，的特性曲线为部分特性2、3、4，工作点变为、、，工作转速将降低。81

2.柴油机

柴油机按所采用调速器的不同，分为两制调节和全制调节。两制调节（又称两程调节）柴油机仅对最大和最小速度起限制作用，中间区间由节气门开度与负载平衡来决定，类似于汽油机的特性，见图3-31。图3-31两制调节柴油机特性

负载为时，对不同的油门开度、、、，柴油机转速分别为、、、。82

全制调节（又称全程调节）柴油机亦有最高、最低两个转速限制，但调节节气门开度的手柄不论放在何种位置，柴油机就会在与该手柄位置对应的某一固定转速下运行。且转速基本不随外负载而改变。该点的力矩特性近乎为直线。当负载变化时，工作点沿该转速下的直线上下移动，即柴油机的外特性较“硬”。各节气门开度下最大力矩点的连线，就是柴油机的外特性，如图3-32所示。图3-32全制调节柴油机特性

83

3.三相交流异步电动机

三相交流异步电动机是工程中应用最广泛的动力机，尤其以鼠笼式电机应用更普遍，其特性如图3-33所示。图3-33三相交流异步电机的特性

为起动电流

为额定电流

为起动力矩

为最大力矩为临界转速为额定力矩为额定转速特点一：启动力矩低于最大力矩特点二：启动电流很大843.5.2

负载的分类通常工作机的负载可分以下三种类型。

1.恒力矩负载

即，如起重机、带式输送机、斗式提升机等都属此类负载。

2.抛物线负载

与转速平方成正比的负载，即。如无背压的风机、水泵等叶片式流体机械，均为此类型负载。偶合器的泵轮也是原动机的抛物线负载。

3.与转速一次方成正比的负载

与转速一次方成正比的负载，即。如压力不变的活塞式航空发动机的增压器等。853.5.3

偶合器与内燃机的共同工作

1.共同工作的稳定性

内燃机与机械传动共同工作时，其特性见图3-34。图3-34内燃机与机械传动共同工作

内燃机与机械传动在a点共同工作时，内燃机力矩等于阻力力矩，若因某种原因内燃机转速变化至或点，在点时，内燃机要增速，直至时为止；86

在点时，内燃机要减速，由于，继续减速，直至低于最小稳定转速而熄火，故a点是非稳定工作点。若内燃机与机械传动在b点共同工作，当内燃机转速变化至或点，在点时，内燃机减速回至b点；

在点时，内燃机增速回至b点，故b点是稳定工作点。因此。内燃机与机械传动在～区间共同工作是稳定的，而在～区间共同工作是不稳定的。图3-34内燃机与机械传动共同工作

87

图3-35上绘出内燃机与某偶合器共同工作曲线。图3-35偶合器与内燃机共同工作的稳定性的检验

设内燃机与偶合器负载的共同工作点两点a及b，在此两点。当在a点共同工作时，若由于某种原因使内燃机工作情况改变，转速增加到点，或减小到点，此时与不相等。88图3-35偶合器与内燃机共同工作的稳定性的检验

在

点

，引起内燃机减速；在点，引起内燃机加速；均变化到a点时而稳定工作。因此，a点是稳定工作点。同样，也可证明b点也是稳定工作点。以上是在内燃机工况改变的情况下讨论的，若偶合器负荷变化，同样可以得到证明。89

用数学表达式来说明稳定性的条件，即在平衡的工作点处必须满足

而

和

分别是负荷抛物线和发动机外特性曲线在平衡点的斜率。因此，偶合器与内燃机共同工作稳定平衡的条件又可写为>

（3-19）

在图3-35上，a与b点均满足上述条件，故是稳定工作点。

式（3-19）也可用来检查任何原动机（如电动机等）与负载部分的稳定工作情况。90

2.共同工作的输入特性

在偶合器与内燃机共同工作时，泵轮的力矩可以看作是内燃机的负载。所以，共同工作的输入特性也称为内燃机的负载特性。

输入特性与内燃机外特性曲线的交点分别为a、b、c和d，如图3-36所示。图3-36共同工作的输入特性

对每一个转速比取不同的泵轮转速、、、…，再计算出每一个转速比时的工况常数（）和泵轮轴上的力矩。若把同一转速比时的泵轮轴上力矩值相连，就得到该转速比时的共同工作输入特性。91

偶合器与内燃机共同工作时输入特性应满足如下要求。

（1）起步力矩越大越好。起步工况即为，的工况。

（2）机械或车辆高速行驶时应具有良好的经济性。

内燃机在外特性曲线上工作时，负载抛物线应通过内燃机外特性上最大净功率对应的力矩值。

（3）内燃机在最小稳定转速运转时附加力矩值要小。附加力矩的大小决定了内燃机启动容易与否。附加力矩值越小，内燃机的启动越容易。

（4）转差率

的曲线越向下越好。曲线越向下，说明S越小，效率值就越大。

（5）有些增压柴油机有喘振区，在经常共同工作的区域应避开喘振区。92

3.共同工作的输出特性

偶合器与内燃机共同工作时，输出轴（即涡轮轴）上的力矩与其转速之间的关系，称为共同工作的输出特性。

下面介绍通过通用特性绘制共同工作的输出特性。

首先以内燃机力矩为纵坐标，内燃机转速为横坐标，绘出内燃机的净外特性曲线。然后在内燃机的最小稳定转速和最大转速之间，确定一组内燃机转速，，，…，如图3-37中的，，，和等点。内燃机转速与偶合器泵轮转速是相等的，因此图3-37中横坐标也表示泵轮的转速。

将和一系列转速比i时的力矩系数值代入力矩方程93

得到涡轮力矩。然后，再由确定的泵轮转速和给出的从1到0的转速比i，由公式算出不同转速比时的涡轮转速。于是得到在一个确定的泵轮转速（即内燃机转速）时，转速比i从l到0情况下的一系列和的数值。若在图3-37横坐标轴上标上涡轮转速，纵坐标轴上标上涡轮力矩，根据上面得到的在一个确定泵轮转速时的一系列和值，就可以作出在该转速时的一条的曲线。对一组泵轮转速点，，，…，就可以得出一组的曲线，这组曲线就是通用特性曲线。

从偶合器与内燃机共同工作的输出特性曲线（图3-37）可以看出，装有偶合器的车辆其工作范围要比内燃机的净外特性宽。这种工作范围拓宽是以偶合器泵轮与涡轮之间的转速差换取的，也就是说是以功率损失换取的。因此，采用偶合器改善输出特性，必然会使传动效率降低。94图3-37偶合器与内燃机共同工作时的输出特性曲线

95

通过对偶合器与内燃机共同工作的输入特性与输出特性的分析，可以得出以下结论：

（1）在工程机械中，偶合器能防止内燃机的振动传给传动系，也能防止传动系的振动传给内燃机，即偶合器对振动起隔离作用。

（2）由共同工作的输入特性可知，装有偶合器的工程机械，可以在重载下起动内燃机，并能使车辆以任意小的速度平稳起步。

（3）可以利用共同工作的输入特性和内燃机净外特性曲线的相对位置，分析偶合器与内燃机配合的好坏。

（4）由共同工作输出特性可以看出，车辆安装了偶合器之后，拓宽了工作范围。963.5.4

偶合器与异步电动机的共同工作

图3-38为偶合器与异步电机共同工作的输入和输出特性。a）输入特性

b）输出特性

图3-38偶合器与异步电动机共同工作

由图3-38可见，如果电机与机械传动负载连接，用异步电机直接启动时，启动力矩较小，当转速增加时、力矩开始上升，然后下降到零。

97比较偶合器的输出特性（见图3-38b）与电机特性（见图3-38a中曲线）可以看出，异步电机与偶合器共同工作后，有以下特点。

（1）启动力矩增大。启动力矩可以由原先电动机的启动力矩提高到电机的最大力矩。

（2）启动时间缩短。电机启动时间与工作机的启动时间都缩短。

（3）保护电机。当工作机负载力矩超过电机的最大力矩时，电机不会停止运转，这时涡轮与工作机虽然已停止运转，但电机仍然可以在电机最大力矩对应的转速下旋转，此时电机的电流大大小于电机的启动电流，电机不致烧坏。983.6

液力偶合器的应用、选择与设计3.6.1

液力偶合器的主要优点

1.提高了电动机的启动能力，能实现带载启动

这不仅减少了设备投资和节省电能，而且还可在较低电压下顺利启动。液力偶合器还可减少电动机启动电流和作用时间，从而保护了电动机。

2.降低成本和节省电能

3.在多机驱动系统中，能自动均衡载荷

在长距离多机驱动传动系统中，如皮带运输机和船舶，采用液力偶合器可以大大改善承载情况。

此外，液力偶合器还有防止过载、吸振、隔振、提高传动元件寿命和易于实现自动控制等优点。993.6.2

液力偶合器的应用

液力偶合器在矿山、工程、建筑和起重运输等机械中均有广泛的应用。连续式运输机（板式或带式）、斗轮挖掘机、破碎机、压路机、起重机、卷扬机和单斗挖掘机等机械中大量采用普通型和限矩型液力偶合器；搅拌机、风机、水泵等离心机械上多采用调速型液力偶合器。

电动挖掘机采用限矩型液力偶合器，可使加速平稳，调节充液量即可改变速度，并可根据需要控制传递力矩并防止过载，从而使电气和机械传动部分寿命长、维护方便。

以内燃机为动力的压路机采用限矩型液力偶合器后，能从静止状态获得最大的启动力矩。1003.6.3

液力偶合器的选择

1.型式的选择

选择液力偶合器的主要依据是机器的力矩特性。

对于带式输送机这类恒力矩载荷的机器，应选用特性平坦的限矩型或启动调速型液力偶合器，以保证满载启动和加速平稳。

对于叶片式机器，可选用峰谷比较大的液力偶合器。

对于自行式建筑机械和建筑卷扬机等，则应选用过载系数较大的普通型偶合器。

对于要求调速的机器，应选用调速型液力偶合器；转速在1500r/min以下的中小型机器，可选用入口调节式液力偶合器；转速在1500r/min以上的大型机器，应该选用出口调节式液力偶合器。101

2.有效直径的选择

一般情况下，根据选定的液力偶合器型式，按前述匹配原则来确定有效直径；比较成熟的系列产品，则可按选择图确定有效直径。图3-39TV（限矩）型液力偶合器选择图

图3-39为大连液力机械厂引进的TV（限矩）型液力偶合器选择图。在图中，两条相邻斜线的纵坐标截矩为该规格液力偶合器的功率范围。这种限矩型液力偶合器功率的上下限分别为其最大与最小充液率的额定功率。相邻规格的偶合器功率相互衔接。102

图3-40为张家口煤矿机械厂生产的YL安全型液力偶合器选择图。所提供的有效直径范围为360～750mm

，转速为960～1500r/min，传递功率为5.5～250kW。图3-40YL（安全）型液力偶合器选择图

103

图3-41为大连液力机械厂由英国引进的GST和GWT调速型偶合器选择图。图3-41GST、GWT型液力偶合器选择图调速型偶合器的功率上下限分别为最大与最小力矩系数时的额定功率。104

3.充液量的选择。

（1）限矩型液力偶合器。充液量的选择原则是：

①如果未给出工作机的特性曲线，则应根据工作机的额定功率和额定转速求出额定力矩

。

②由工作机特性曲线查出启动时的静阻力矩。

③根据启动力矩，即可以在特性曲线上查出相应的充液率。

如果特性曲线是根据工作转速作出的，则可直接在该曲线上选取；否则应根据相似定律，把非工作转速的特性曲线换算成工作转速的特性曲线后再选取；若启动力矩不在特性曲线上，则应当用内插法求出相应的充液率。105

（2）调速型液力偶合器。要把调速型液力偶合器的输出转速调到某一给定值，必须知道与之对应的勺管位置。为此，应对勺管位置进行计算。

计算程序是：

①根据给定的工作机转速（涡轮转速）计算出偶合器的转差率；

②根据工作机特性计算力矩系数；

③根据已求得的转差率和力矩系数，在偶合器特性曲线图上找到相应的充液率。

④计算与此充液率相对应的勺管位置（线位移或角位移）。106

4.转差率的确定

根据充液率（或勺管位置）和工作机的额定力矩，在特性曲线图上查出额定转差率并圆整为稍大一些的优先数值；也可将额定力矩换算成力矩系数，由原始特性来确定转差率。

5.工作温度的确定

限矩型偶合器完全靠自然散热，故必须计算其工作温度。已知液力偶合器的散热曲线，温升可根据下式计算（℃）

（3-20）

式中，为工作机的额定功率；为液力偶合器额定转差率；为液力偶合器的散热功率。

求出后，按照环境温度就可以计算出工作温度T（3-21）

107

6.易熔塞熔化温度的选择

根据启动温升选择易熔塞的熔化温度，启动温升为（℃）

（3-22）

式中，为泵轮转速，单位为r/min；为偶合器工作液体热熔量总和，单位为kJ/K；J为工作机、偶合器和工作液体转动惯量的总和，单位为。

实际工作时，允许在工作温度下重新启动电动机，故启动温度应为启动温升和工作温度之和（3-23）

考虑到密封件的耐热情况，一般易熔塞的熔化温度可在110～160℃之间选择，并应使其比启动温度高20～30℃。108

7.启动时间的确定

启动过程中，旋转运动的力矩平衡方程式为（3-24）

式中，J为转动惯量，单位为kg∙m2；为泵轮轴上的静阻力矩；R为惯性半径，单位为m；G为转动体的重量，单位为N；g为重力加速度，单位为m/s2。

将式（3-24）中的、用和n代替，则得由此可得启动时间为

（3-25）

109

8.循环流量的确定

为保证调速型液力偶合器在各种工况下正常运转，必须提供足够的循环流量。

以叶片式机械为例，介绍循环流量计算方法。当工作液体温差为某一需求值时，所需的循环液量（m3/h）为（3-26）

当冷却水温差为某一需求值时，所需冷却水量（m3/h）为（3-27）

式中，为工作机的额定功率；、为当温差为某一需求值时，1m3工作液体或冷却水在一小时内所能带走的热量（以功率的千瓦数表示）。110

9.选型算例

（1）选限矩型液力偶合器（胶带输送机用）

已知：胶带输送机的额定功率Pn=160kW，拟选电动机功率Pe=180kW，电动机的额定转速ne=1485r/min，胶带传动系统的飞轮矩

GD2＝8000N﹒m2，启动力矩与额定力矩之比为2。

选择设计胶带输送机的额定力矩为kgf∙m

启动力矩

为kgf∙m

可选TV限矩型YOX－560型液力偶合器。111图3-42YOX－560型液力偶合器的特性曲线

由图3-42查得，当充液率

时，M0=2320N∙m；当充液率

时，M0=1960N∙m。用内插法可确定，当

M0=2100N∙m时，，YOX－560型偶合器的总容积为33L，故充液量q为L

根据L和Mn=1050N∙m，可由图3-42查得转差率为3.7％，圆整后为4％。YOX－560型液力偶合器的特性曲线是在输入转速745r/min的条件下测得的。为便于计算，需将该曲线换算成工作转速下的特性曲线（可将745r/min条件下的力矩