變矩器與機械裝置並連

A. 變矩器有什麼用

現代汽車絕大多數裝用一般活塞式內燃機，其外特性曲線如圖2－33a所示。由於活內塞式內燃機容在低速工況下的後備功率很小，若不配備變速器，只能通過很小的坡度。為了能適應汽車在低速時具有較大的後備功率，發動機應外特性應為等功率曲線，見圖2－33b。

B. 在離合與變速箱中間是否可以加入液力傳動裝置

液力傳動裝置是以液體為工作介質以液體的動能來實現能量傳遞的裝置，常見的有液力耦合器、液力變矩器和液力機械元件。目前，液力傳動元件主要有液力元件和液力機械兩大類。液力機械裝置是液力傳動裝置與機械傳動裝置組合而成的，因此，它既具有液力傳動變矩性能好的特點，又具有機械傳動效率高的特徵。在離合與變速箱中間加入液力傳動裝置，從工程上說，可行。但是，市場角度上說，就未必了。

而目前MT的收縮趨勢就是兩極化，一方面是主攻低價車型，另一方面主攻玩具車。這兩極之間的車型配置正在逐漸自動化。加上變矩器，想買低價MT車的可能就比較沒辦法了，想買玩具車的一邊試駕一邊抱怨的，兩頭都不討好，自然也就沒有廠商願意這么幹了。

C. 工程機械液力變矩器的工作原理

它有一個密閉工作腔，液體在腔內循環流動，其中泵輪、渦輪和導輪分別與輸入軸、輸出內軸和殼體相聯。動力機容(內燃機、電動機等)帶動輸入軸旋轉時，液體從離心式泵輪流出，順次經過渦輪、導輪再返回泵輪，周而復始地循環流動。泵輪將輸入軸的機械能傳遞給液體。高速液體推動渦輪旋轉，將能量傳給輸出軸。液力變矩器靠液體與葉片相互作用產生動量矩的變化來傳遞扭矩。

D. 液力變矩器起什麼作用

液力變扭器亦稱「液力變矩器」、「渦輪變扭器」、「動液變扭器」。液力傳動部件的一種。由泵輪、渦輪和導向輪組成。泵輪同主動軸相連，能把主動軸輸入的機械能依靠離心力的作用轉換成液體的動能和壓頭，供渦輪做功之用。渦輪和從動軸相連，能把液體的動能和壓頭所含的能量由從動軸輸出。
液力變扭器由泵輪、渦輪、導輪三個基本元件以及變扭器殼體組成。
1．泵輪
它是液力變扭器的主動元件，與變扭器殼製成(或焊接)一體，變扭器殼體總成用螺栓固定於發動機曲軸後端凸緣上，隨曲軸一起旋轉。泵輪內部有一系列徑向向後彎曲的葉片，以給工作液一個額外加速度和附加能量。葉片內沿裝有讓變速器油平滑流動的導環。
2．渦輪
渦輪是液力變扭器的從動元件，它通過花鍵與行星齒輪變速器輸入軸連接，從運動的液體吸收動能並把動能轉變為旋轉動能。如同泵輪一樣，渦輪也裝有許多葉片。但是：
1)渦輪葉片多於泵輪葉片，以提高傳動效率。
2)渦輪葉片的彎曲方向與泵輪葉片彎曲方向相反，既相對於順時針轉動的方向而言，所有的葉片都向前彎曲。
渦輪葉片與泵輪葉片相對放置，中間有一很小的間隙。在泵輪與渦輪間，油流方向突然改變，以減少振動損失。
3．導輪
它位於泵輪與渦輪之間，是液力變扭器的反應元件。它通過單向離合器安裝在導輪套管(與變速器殼體相連)上。用以控制從渦輪中心回到泵輪中間的液體迴流，即改變離開渦輪返回泵輪的液流方向。因為渦輪葉片是曲線型，當液流離開渦輪時改變方向，當液流重新進入泵輪中心時，其方向導致了放慢液體轉動的趨勢。而導輪改變了從渦輪返回泵輪的油流方向，使其沖擊泵輪的葉片背部，給泵輪一個額外的「助推力」，這在變扭器扭矩放大階段起了關鍵性的作用。
4．殼體
液力變扭器殼體有組裝(可拆)式和焊接(不可拆)式兩種。
組裝式殼體，即殼體做成兩半，用螺栓連接在一起，為可拆式。其維修方便，平衡精度不高，用在轉速較低的場合。如重型載貨汽車用的大尺寸液力變扭器，拆檢後將會影響其平衡狀況。
原理
液力變扭器有3個工作輪，即泵輪、渦輪和導輪。其中泵輪和渦輪的構造與液力耦合器基本相同；導輪則位於泵輪和渦輪之間，並與泵輪和渦輪保持一定的軸向間隙，通過導輪固定套固定於變速器殼體。發動機運轉時帶動液力變扭器的殼體和泵輪與之一同旋轉，泵輪內的液壓油在離心力的作用下，由泵輪葉片外緣沖向渦輪。並沿渦輪葉片流向導輪，再經導輪葉片流回泵輪葉片內緣，形成循環的液流。導輪的作用是改變渦輪上的輸出扭矩。由於從渦輪葉片下緣流向導輪的液壓油仍有相當大的沖擊力，只要將泵輪、渦輪和導輪的葉片設計成一定的形狀和角度，就可以利用上述沖擊力來提高渦輪的輸出扭矩。
作用
液力變扭器是一種藉助於液體的高速運動來傳遞功率的元件。它的工作特點是輸入端的轉速和扭矩基本恆定；或雖有變化，但變化不大。而輸出端的轉速和扭矩可以大於、等於或小於輸入端的轉速和扭矩，並且輸出轉速與輸出扭矩之間可以隨著所驅動的工作機負荷大小，自動地連續調節變化。由於液力變扭器具有無級變速和變扭的功能，因此，它廣泛用作各種動力機與工作機之間的傳動裝置。例如用作公路運輸車輛(小汽車、公共汽車、載重卡車、坦克等)以及鐵道運輸車輛(干線內燃機車、高速動車、調車機車等)的傳動裝置。此外，還應用在工程機械(起重機、挖掘機、裝卸機、推土機、拖拉機等)。礦山機械(石油鑽機、鑽探機、破碎機等)和大型船舶中。所以液力變扭器在現代工業上具有很大實用價值。特別是最近發展起來的液力換向調車機車，能做到不停車即可改變機車運行方向，這個優點更是電傳動和機械傳動內燃機車所無與倫比的。

E. 液力變矩器和機械傳動的效率分別是多少

對於工程機械液力變矩器傳動損失的研究
摘要：液力變矩器在現代工程機械傳動中被廣泛採用，它不僅可以傳遞力矩而且可以改變力矩的大小。對於現代大型工程機械，其能耗非常大，但其效率往往比較低。因此，我們總希望能夠盡量地提高工程機械的效率。因此，對於液壓傳動能量損失的研究就顯得尤為重要了。作者從流體力學的角度對現代工程機械中液力變矩器的損 失進行了研究。
關鍵詞：工程機械 液力變矩器 液力損失 機械損失 容積損失

1 前言

在工程機械傳動系中，一般採用液力機械式傳動，它能夠滿足現代工程機械要求的牽引力大、速度低、牽引力和行駛速度變化范圍大、進退自如等特點。而在液力機械式傳動中加裝了液力變矩器，則具有自動變矩、變速，防振隔振，良好的啟動性能，和限矩保護的作用，更能適應現代工程機械的 需要。

流體在變矩器中沿泵輪、渦輪、導輪組成的循環圓流道流動一周，從泵輪獲得能量、並將能量傳給渦輪。當導輪不動的時候，流體經過導輪時沒有能量交換。但流體在循環圓中流動具有黏性，必然有摩擦損失，且損失大小與其速度有直接關系。工作輪流道為非原型斷面且有彎曲、擴散等，因此，其摩擦損失比圓管流道要大得多。另外在非設計工況，在渦輪及導輪進口處要產生沖擊損失。因此，一般液力變矩器的效率最大為85%~92% [1]。而對於一般的工程機械，由於其負載大、作業條件惡劣、零件磨損嚴重，其效率普遍比較低。因此，對於液力變矩器能量損失的研究具有很強的現實意義。

2 液力變矩器的工作原理

液力變矩器的基本結構如圖1所示。它主要由三個具有彎曲( 空間曲面)葉片的工作輪組成，即可旋轉的泵輪4和渦輪3，以及固定不動的導輪5。各工作輪常用高強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，用螺栓固定在發動機曲軸1的連接盤上。渦輪3經從動軸7傳出動力。導輪5固定在不動的套筒6上。所有的工作輪在變矩 器裝配完成後，共同形成環行內腔。

液力變矩器工作時，儲存於環行內腔的工作液除隨變矩器作圓周運動( 即牽連運動)之外，還在循環圓沿箭頭圖1中所示方向作循環流動( 即相對運動)。液體離開泵輪時，以一定的絕對速度進入渦輪、沖擊渦輪葉片，將力矩從泵輪傳遞給渦輪。

1.發動機曲軸 2.變矩器殼 3.渦輪
4.泵輪 5.導輪 6.固定套筒 7.從動輪
圖1 液力變矩器結構原理

3 液力變矩器的能量損失

綜上所述，液力傳動的過程中，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

工作液體在循環圓內流動的過程中，各流層間和液體與流道壁間有一定的相對速度，由於液體有粘性，就會出現摩擦阻力，流速慢的流層對流速快的流層起阻礙作用。單位質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[2]中，通常以液流的速度頭v2/2g的百分數來表示摩擦阻力損失的大小。液力傳動中，液體質點相對葉輪的運動是相對運動，故摩擦阻力損失以相對速度ω的速度頭表示。

式中：L—流道的長度，m;λ—摩擦阻力系數;
Rn—流道的水力半徑，其數值等於過流斷面面 積與濕周之比，m。

由於泵輪、渦輪和導輪在傳動過程中均存在摩擦現象，所以，摩擦損失的總和應該是三者的總和， 即：

∑hm=hmB+hmT+h mD (2)

2.局部阻力損失

(1)沖擊損失

一般情況下，液流在葉輪進口處並不與葉片骨線進口方向一致。這樣就會引起旋渦損失以及脫流區 使流道收縮而引起的附加摩擦損失。進口的相對速度ω 0與骨線間的夾角Δβc為沖角，見圖2。 Δβc有正負之別。ω0流向葉片工作面時， Δβc正;ω0流向葉片背面時， Δβc負。葉片工作面壓力高、背面的壓力低。

a 泵輪進口沖角 b 渦輪進口沖角
圖2 進口沖角

相對速度ω0與葉片骨線偏離時，往往會在葉 片的表面形成脫流區，使流道在脫流區收縮，沖擊損失與沖擊損失速度和沖擊損失系數有關，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;
ωc—沖擊損失速度，m/s

同理，泵輪、渦輪和導輪同樣有沖擊損失，所以中的沖擊損失為：

∑hc=hcB+hcT+h cD (3)

(2)突然擴大和突然收縮的損失

葉輪進口前無葉片區的過流斷面大於進口後的過流斷面。葉輪出口過流斷面小於出口後無葉片區的過流斷面。在葉輪進口處有突然收縮的損失， 而在出口處有突然擴大的損失。這是葉片排擠而引起的。這些損失根據文獻 [3]的公式計算：

式中：htk—突然擴大的單位能量損失，m;
hts—突然縮小的單位能量損失，m;
ξts—突然縮小的損失系數，=0.4~0.5;
vm3—葉輪剛出口的軸面速度，m/s;
vm0—葉輪剛要進口的軸面速度，m/s。

因此，總的擴大和縮小的能量損失為：

∑ht=htK+htS (6)

(3)擴散損失

對液力傳動來說，存在擴散管狀的流道，如泵輪內的流道，渦輪內流道的前半段，綜合式液力變 矩器導輪前半段流道等。擴散管的損失計算如下：

式中：vm1—擴散管道起始斷面的軸面速度;
vm2—擴散管末端斷面的軸面速度;
φk—擴散損失系數。

由上可知，對於總的液力損失為：

∑h=∑hm+∑hc+∑ht +∑hk (8)

3.2 機械損失

動力經液力傳動傳遞時伴隨著機械損失，這種機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。所有這些機械損失都要消耗動力機的能量，影響液力傳動的效率。

對於軸承和密封的損失，通過提高配合精度、適當地選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]。而機械摩擦損失重要是泵輪、渦輪等旋轉件的圓盤摩擦損失。當相對轉數較高時，圓盤摩擦損失較大。另外，並非所有的 圓盤摩擦都消耗功率，必須對其進行具體分析。

3.3 容積損失

由於泵輪出口的絕大部分液體流進渦輪，這部分液體再由渦輪流進導輪，然後又回到泵輪，起傳遞力的作用。泵輪進口與導輪出口的內環間有比較小的環行間隙，同樣的間隙存在與渦輪出口和導輪進口內環間。這種間隙使葉輪互相不接觸，使葉輪之間相互沒有機械摩擦。但是，這種環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。泵輪出口的壓力高於泵輪進口的壓力也高於渦輪出口的壓力，故液流由泵輪出口經環行密封再流到泵輪進口，繞泵輪內環流動。從水泵研究表明，當比轉數在100~200時，容積損失所佔比重不足1.5%[4]。與液力損失相比要小得多，故該項 在計算時也可忽略，即認為ηv≈1。

2.3.4 效率分析

當泵輪轉速n1不變時，沖擊損失主要取決於渦 輪轉速n2。變矩器的效率ηPTD應為輸出功率與輸入 功率之比，即：

顯然，當n2=0時，ηPTD=0;當 n2=n20時候，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，而對設計工況 轉速比沒什麼特殊要求，由於變矩器最高效率只有85%~92%，當啟動變矩系數K0要求較大，則最高效率對應的轉速比一般 小於0.6，而當iTB>(iTB)K=1 後，其效率會很快下降。為了在高轉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：導輪通過單向離合器裝在固定不動的導輪座上，結構布置上泵輪與渦輪對稱布置。

當 iTB<(iTB)K=1(即K>1)時，M D=-MT-MB>0，此時，單向離合器在楔緊力的作用下無轉動，故導輪固定不動，這時是變矩器工況。而當iTB>(i TB)K=1時，MD<0，這時導輪能夠轉動，此時的變矩器變成了偶合器，有MB=-MT，K=1，η=i TB參見圖5。在高轉速比工況下，偶合器的效率要高於變矩器的效率 [5]，因此綜合式液力變矩器有較大的高效區范圍，它適 合於轉速比變化較大而且長時間在高轉速比工況運行的工作機傳動。

圖5 綜合式液力變矩器結構簡圖及其特性

(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，比綜合式液力變矩器效率高，但由於有鼓風損失，雖然泵輪與渦輪剛性連接，其效率也不可能達到100%。而且當泵輪與渦輪不對稱布置時，循環圓中會有流體流動，這也要消耗一些能量。

圖6 單級閉鎖變矩器結構簡圖及原始特性

另外，為了保證液力傳動車輛能可靠地利用發動機只動或拖車啟動發動機，除了可以利用閉鎖式 的液力變矩器外，還可採用：①在內環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 制動裝置。

4 工程機械液力損失特性

液力變矩器摩擦阻力損失的機理雖然簡單，但數學模型不易得到，定量分析難以實現 [6]。通常工程機械轉速較低，摩擦阻力損失相對較小，對工作效率影響不大，且對不可透變矩器，由於相對流量為常數，所以摩擦阻力損失也是相對常量，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械效率的 主要因素。

對於某一個具體的葉輪，其沖擊損失由式(12)決定。其數學模型為：

式中：i』——為最高效率時傳動比。

可見，液力變矩器總的沖擊損失在i≤iDH時， 是以縱坐標i=i』為對稱的拋物線，在i>iDH時，近似為常量，如圖7所示。當i=i』時，∑hc=0，說明在泵輪的轉速與渦輪轉速接近時，無沖擊損失;當i=0時，沖擊損失最大，這與工程機械的工作情況 相符。

圖7 液力損失曲線

5 結論

通過以上對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，對其特性進行了分析。並指出，當啟動變矩系數K 0要求較大時，其效率一般較小，為了在高轉速比工況下有較高的效率，可以採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，對於從事 工程機械液力傳動設計、製造人員有指導意義。

F. 裝載機變速箱和變矩器的區分，他們是怎麼工作的

1、性質不同：裝載機變速器是用來改變來自發動機的轉速和轉矩的機構，它能固定或分檔改變輸出軸和輸入軸傳動比。裝載機變矩器由液力變矩器和二自由度的機械元件組成的雙流或多流液力傳動元件。

2、特點不同：裝載機變速器由變速傳動機構和操縱機構組成，有些汽車還有動力輸出機構。傳動機構大多用普通齒輪傳動，也有的用行星齒輪傳動。裝載機變矩器為內分流液力機械變矩器，動力流在液力變矩器內部的葉輪中分流，在機械元件中匯流。

3、原理不同：裝載機變矩器由四個工作輪組成，其中一個泵輪B，兩個渦輪T1及T2和一個導輪D。裝載機變速器主動齒輪、從動齒輪，輸入軸可理解為是與離合器連接的，並在發動機驅動下轉動，固定在輸入軸上的齒輪隨之同步轉動。

(6)變矩器與機械裝置並連擴展閱讀：

注意事項：

1、駕駛員及有關人員在使用裝載機之前，必須認真仔細地閱讀製造企業隨機提供的使用維護說明書或操作維護保養手冊，按資料規定的事項去做。否則會帶來嚴重重果和不必要的損失。

2、駕駛員穿戴應符合安全要求，並穿載必要的防護設施。

3、在作業區域范圍較小或危險區域，則必須在其范圍內或危險點顯示出警告標志。

4、絕對嚴禁駕駛員酒後或過度疲勞駕駛作業。

5、在中心鉸接區內進行維修或檢查作業時，要裝上防轉動桿以防止前、後車架相對轉動。

6、要在裝載機停穩之後，在有蹬梯扶手的地方上下裝載機。切勿在裝載機作業或行走時跳上跳下。