1 前言
在液力機(jī)械式傳動(dòng)中加裝了液力變矩器， 則具有自動(dòng)變矩、變速，防振隔振，良好的啟動(dòng)性能，和限矩保護(hù)的作用，更能適應(yīng)現(xiàn)代工程機(jī)械的 需要。在工程機(jī)械傳動(dòng)系中，一般采用液力機(jī)械式傳動(dòng)，它能夠滿足現(xiàn)代工程機(jī)械要求的牽引力大、速 度低、牽引力和行駛速度變化范圍大、進(jìn)退自如等特點(diǎn)。
流體在變矩器中沿泵輪、渦輪、導(dǎo)輪組成的循環(huán)圓流道流動(dòng)一周，從泵輪獲得能量、并將能量傳 給渦輪。當(dāng)導(dǎo)輪不動(dòng)的時(shí)候，流體經(jīng)過導(dǎo)輪時(shí)沒有能量交換。但流體在循環(huán)圓中流動(dòng)具有黏性，必然 有摩擦損失，且損失大小與其速度有直接關(guān)系。工作輪流道為非原型斷面且有彎曲、擴(kuò)散等，因此， 其摩擦損失比圓管流道要大得多。另外在非設(shè)計(jì)工況，在渦輪及導(dǎo)輪進(jìn)口處要產(chǎn)生沖擊損失。因此，一般液力變矩器的效率最大為85%~92% [1]。而對(duì)于一般的工程機(jī)械，由于其負(fù)載大、作業(yè)條件惡劣、 零件磨損嚴(yán)重，其效率普遍比較低。因此，對(duì)于液力變矩器能量損失的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
2 液力變矩器的工作原理
液力變矩器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由三個(gè)具有彎曲( 空間曲面)葉片的工作輪組成，即可旋轉(zhuǎn)的泵輪4和渦輪3，以及固定不動(dòng)的導(dǎo)輪5。各 工作輪常用高強(qiáng)度的輕合金精密鑄造而成。泵輪4一般與變矩器殼2連成一體，用螺栓固定在發(fā)動(dòng)機(jī) 曲軸1的連接盤上。渦輪3經(jīng)從動(dòng)軸7傳出動(dòng)力。導(dǎo)輪5固定在不動(dòng)的套筒6上。所有的工作輪在變矩 器裝配完成后，共同形成環(huán)行內(nèi)腔。
液力變矩器工作時(shí)，儲(chǔ)存于環(huán)行內(nèi)腔的工作液除隨變矩器作圓周運(yùn)動(dòng)( 即牽連運(yùn)動(dòng))之外，還在循環(huán)圓沿箭頭圖1中所示方向作循環(huán)流動(dòng)( 即相對(duì)運(yùn)動(dòng))。液體離開泵輪時(shí)，以一定的絕對(duì)速度進(jìn)入渦輪、沖擊渦輪葉片，將力矩從泵輪傳遞給渦輪。
1.發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸 2.變矩器殼 3.渦輪
4.泵輪 5.導(dǎo)輪 6.固定套筒 7.從動(dòng)輪
圖1 液力變矩器結(jié)構(gòu)原理
3 液力變矩器的能量損失
綜上所述，液力傳動(dòng)的過程中，必然伴隨著能量的損失。液力變矩器的能量損失一般分為三種： 液力損失、機(jī)械損失和容積損失。
3.1 液力損失
液力損失分為兩類：一類為摩擦阻力損失，另一類為局部阻力損失。
1.摩擦阻力損失
工作液體在循環(huán)圓內(nèi)流動(dòng)的過程中，各流層間和液體與流道壁間有一定的相對(duì)速度，由于液體有 粘性，就會(huì)出現(xiàn)摩擦阻力，流速慢的流層對(duì)流速快的流層起阻礙作用。單位質(zhì)量的液體為了克服這種 阻力而損失的能量叫做摩擦阻力損失。在文獻(xiàn)[2]中，通常以液流的速度頭v2/2g的百分?jǐn)?shù)來表示摩擦阻 力損失的大小。液力傳動(dòng)中，液體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)葉輪的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故摩擦阻力損失以相對(duì)速度ω的速度頭表示。
式中：L—流道的長度，m;λ—摩擦阻力系數(shù);
Rn—流道的水力半徑，其數(shù)值等于過流斷面面 積與濕周之比，m。
由于泵輪、渦輪和導(dǎo)輪在傳動(dòng)過程中均存在摩擦現(xiàn)象，所以，摩擦損失的總和應(yīng)該是三者的總和， 即：
Σhm=hmB+hmT+h mD (2)
2.局部阻力損失
(1)沖擊損失
一般情況下，液流在葉輪進(jìn)口處并不與葉片骨線進(jìn)口方向一致。這樣就會(huì)引起旋渦損失以及脫流區(qū) 使流道收縮而引起的附加摩擦損失。進(jìn)口的相對(duì)速度ω 0與骨線間的夾角Δβc為沖角，見圖2。 Δβc有正負(fù)之別。ω0流向葉片工作面時(shí)， Δβc正;ω0流向葉片背面時(shí)， Δβc負(fù)。葉片工作面壓力高、背面的壓力低。
a 泵輪進(jìn)口沖角 b 渦輪進(jìn)口沖角
圖2 進(jìn)口沖角
相對(duì)速度ω0與葉片骨線偏離時(shí)，往往會(huì)在葉 片的表面形成脫流區(qū)，使流道在脫流區(qū)收縮，沖擊損失與沖擊損失速度和沖擊損失系數(shù)有關(guān)，沖擊損失速度如圖3所示。
圖3 沖擊損失速度
式中：hc—沖擊損失能頭，m;
φc—沖擊損失系數(shù);
ωc—沖擊損失速度，m/s
同理，泵輪、渦輪和導(dǎo)輪同樣有沖擊損失，所以中的沖擊損失為：
Σhc=hcB+hcT+h cD (3)
(2)突然擴(kuò)大和突然收縮的損失
葉輪進(jìn)口前無葉片區(qū)的過流斷面大于進(jìn)口后的過流斷面。葉輪出口過流斷面小于出口后無葉片區(qū)的過流斷面。在葉輪進(jìn)口處有突然收縮的損失， 而在出口處有突然擴(kuò)大的損失。這是葉片排擠而引起的。這些損失根據(jù)文獻(xiàn) [3]的公式計(jì)算：
式中：htk—突然擴(kuò)大的單位能量損失，m;
hts—突然縮小的單位能量損失，m;
ξts—突然縮小的損失系數(shù)，=0.4~0.5;
vm3—葉輪剛出口的軸面速度，m/s;
vm0—葉輪剛要進(jìn)口的軸面速度，m/s。
因此，總的擴(kuò)大和縮小的能量損失為：
Σht=htK+htS (6)
(3)擴(kuò)散損失
對(duì)液力傳動(dòng)來說，存在擴(kuò)散管狀的流道，如泵輪內(nèi)的流道，渦輪內(nèi)流道的前半段，綜合式液力變 矩器導(dǎo)輪前半段流道等。擴(kuò)散管的損失計(jì)算如下：
式中：vm1—擴(kuò)散管道起始斷面的軸面速度;
vm2—擴(kuò)散管末端斷面的軸面速度;
φk—擴(kuò)散損失系數(shù)。
由上可知，對(duì)于總的液力損失為：
Σh=Σhm+Σhc+Σht +Σhk (8)
3.2 機(jī)械損失
動(dòng)力經(jīng)液力傳動(dòng)傳遞時(shí)伴隨著機(jī)械損失，這種機(jī)械損失包括泵輪軸的軸承和密封的損失，泵輪圓 盤摩擦損失——泵輪外表面與液體的摩擦損失，渦輪圓盤摩擦損失——渦輪外表面與液體的摩擦損 失。所有這些機(jī)械損失都要消耗動(dòng)力機(jī)的能量，影響液力傳動(dòng)的效率。
對(duì)于軸承和密封的損失，通過提高配合精度、適當(dāng)?shù)剡x取潤滑油和密封材料，可以把這種在額定 的工況下控制在1%以下[4]。而機(jī)械摩擦損失重要 是泵輪、渦輪等旋轉(zhuǎn)件的圓盤摩擦損失。當(dāng)相對(duì)轉(zhuǎn)數(shù)較高時(shí)，圓盤摩擦損失較大。另外，并非所有的 圓盤摩擦都消耗功率，必須對(duì)其進(jìn)行具體分析。
3.3 容積損失
由于泵輪出口的絕大部分液體流進(jìn)渦輪，這部分液體再由渦輪流進(jìn)導(dǎo)輪，然后又回到泵輪，起傳 遞力的作用。泵輪進(jìn)口與導(dǎo)輪出口的內(nèi)環(huán)間有比較小的環(huán)行間隙，同樣的間隙存在與渦輪出口和導(dǎo)輪進(jìn)口內(nèi)環(huán)間。這種間隙使葉輪互相不接觸，使葉輪 之間相互沒有機(jī)械摩擦。但是，這種環(huán)行間隙的兩端壓力不等，有一部分液體就要通過這些間隙由高 腔流向低腔。泵輪出口的壓力高于泵輪進(jìn)口的壓力也高于渦輪出口的壓力，故液流由泵輪出口經(jīng)環(huán)行 密封再流到泵輪進(jìn)口，繞泵輪內(nèi)環(huán)流動(dòng)。從水泵研究表明，當(dāng)比轉(zhuǎn)數(shù)在100~200時(shí)，容積損失所占比 重不足1.5%[4]。與液力損失相比要小得多，故該項(xiàng) 在計(jì)算時(shí)也可忽略，即認(rèn)為ηv≈1。
2.3.4 效率分析
當(dāng)泵輪轉(zhuǎn)速n1不變時(shí)，沖擊損失主要取決于渦 輪轉(zhuǎn)速n2。變矩器的效率ηPTD應(yīng)為輸出功率與輸入 功率之比，即：
顯然，當(dāng)n2=0時(shí)，ηPTD=0;當(dāng) n2=n20時(shí)候，因M2=0，則 ηPTD=0。效率ηPTD隨n2 變化的曲線見圖4。
圖4 液力變矩器效率曲線
變矩器使用過程中，如果工況變化較大，而對(duì)設(shè)計(jì)工況 轉(zhuǎn)速比沒什么特殊要求，由于變矩器最高效率只有85%~92%， 當(dāng)啟動(dòng)變矩系數(shù)K0要求較大，則最高效率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速比一般 小于0.6，而當(dāng)iTB>(iTB)K=1 后，其效率會(huì)很快下降。為了在高轉(zhuǎn)速比工況下有較高的效率，我們可以采 用綜合式液力變矩器或閉鎖式液力變矩器。
(1)綜合式液力變矩器
特點(diǎn)：導(dǎo)輪通過單向離合器裝在固定不動(dòng)的導(dǎo)輪座上，結(jié)構(gòu)布置上泵輪與渦輪對(duì)稱布置。
當(dāng)iTB<(iTB)K=1(即K>1)時(shí)，M D=-MT-MB>0，此時(shí)，單向離合器在楔緊力的作用下無轉(zhuǎn)動(dòng)，故導(dǎo)輪 固定不動(dòng)，這時(shí)是變矩器工況。而當(dāng)iTB>(i TB)K=1時(shí)，MD<0，這時(shí)導(dǎo)輪能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的變矩器變成了偶 合器，有MB=-MT，K=1，η=i TB參見圖5。在高轉(zhuǎn)速比工況下，偶合器的效率要高于變矩器的效率 [5]，因此綜合式液力變矩器有較大的高效區(qū)范圍，它適 合于轉(zhuǎn)速比變化較大而且長時(shí)間在高轉(zhuǎn)速比工況運(yùn)行的工作機(jī)傳動(dòng)。
圖5 綜合式液力變矩器結(jié)構(gòu)簡圖及其特性
(2)閉鎖式液力變矩器
渦輪通過閉鎖離合器M與泵輪相連，從特性曲線(如圖6)可知，閉鎖式液力變矩器在 iTB>(iTB)K=1時(shí)，比綜合式液力變矩器效率高，但由于有鼓風(fēng)損失， 雖然泵輪與渦輪剛性連接，其效率也不可能達(dá)到100%。而且當(dāng)泵輪與渦輪不對(duì)稱布置時(shí)，循環(huán)圓中會(huì)有流體流動(dòng)，這也要消耗一些能量。
圖6 單級(jí)閉鎖變矩器結(jié)構(gòu)簡圖及原始特性
另外，為了保證液力傳動(dòng)車輛能可靠地利用發(fā)動(dòng)機(jī)只動(dòng)或拖車啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，除了可以利用閉鎖式 的液力變矩器外，還可采用：①在內(nèi)環(huán)中帶有輔助徑向葉片的液力變矩器;②安裝液力減速器作輔助 制動(dòng)裝置。
4 工程機(jī)械液力損失特性
液力變矩器摩擦阻力損失的機(jī)理雖然簡單，但數(shù)學(xué)模型不易得到，定量分析難以實(shí)現(xiàn) [6]。通常工程機(jī)械轉(zhuǎn)速較低，摩擦阻力損失相對(duì)較小，對(duì)工作 效率影響不大，且對(duì)不可透變矩器，由于相對(duì)流量為常數(shù)，所以摩擦阻力損失也是相對(duì)常量，即隨工 況變化不大。如上所述，一般容積損失也可忽略。因而，液力變矩器沖擊損失是影響工程機(jī)械效率的 主要因素。
對(duì)于某一個(gè)具體的葉輪，其沖擊損失由式(12)決定。其數(shù)學(xué)模型為：
式中：i’——為最高效率時(shí)傳動(dòng)比。
可見，液力變矩器總的沖擊損失在i≤iDH時(shí)， 是以縱坐標(biāo)i=i’為對(duì)稱的拋物線，在i>iDH時(shí)，近 似為常量，如圖7所示。當(dāng)i=i’時(shí)，Σhc=0，說明 在泵輪的轉(zhuǎn)速與渦輪轉(zhuǎn)速接近時(shí)，無沖擊損失;當(dāng)i=0時(shí)，沖擊損失最大，這與工程機(jī)械的工作情況 相符。
圖7 液力損失曲線
5 結(jié)論
通過以上對(duì)造成液力變矩器能量損失的分析可以得出，造成液力變矩器能量損失的主要因素是液 力損失中的沖擊損失，對(duì)其特性進(jìn)行了分析。并指出，當(dāng)啟動(dòng)變矩系數(shù)K 0要求較大時(shí)，其效率一般較小，為了在高轉(zhuǎn)速比工況下有較高的效率，可以采 用綜合式液力變矩器或閉鎖式液力變矩器來提高其功率。通過液力變矩器能量損失的研究，對(duì)于從事 工程機(jī)械液力傳動(dòng)設(shè)計(jì)、制造人員有指導(dǎo)意義。
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