变矩器与机械装置并连

A. 变矩器有什么用

现代汽车绝大多数装用一般活塞式内燃机，其外特性曲线如图2－33a所示。由于活内塞式内燃机容在低速工况下的后备功率很小，若不配备变速器，只能通过很小的坡度。为了能适应汽车在低速时具有较大的后备功率，发动机应外特性应为等功率曲线，见图2－33b。

B. 在离合与变速箱中间是否可以加入液力传动装置

液力传动装置是以液体为工作介质以液体的动能来实现能量传递的装置，常见的有液力耦合器、液力变矩器和液力机械元件。目前，液力传动元件主要有液力元件和液力机械两大类。液力机械装置是液力传动装置与机械传动装置组合而成的，因此，它既具有液力传动变矩性能好的特点，又具有机械传动效率高的特征。在离合与变速箱中间加入液力传动装置，从工程上说，可行。但是，市场角度上说，就未必了。

而目前MT的收缩趋势就是两极化，一方面是主攻低价车型，另一方面主攻玩具车。这两极之间的车型配置正在逐渐自动化。加上变矩器，想买低价MT车的可能就比较没办法了，想买玩具车的一边试驾一边抱怨的，两头都不讨好，自然也就没有厂商愿意这么干了。

C. 工程机械液力变矩器的工作原理

它有一个密闭工作腔，液体在腔内循环流动，其中泵轮、涡轮和导轮分别与输入轴、输出内轴和壳体相联。动力机容(内燃机、电动机等)带动输入轴旋转时，液体从离心式泵轮流出，顺次经过涡轮、导轮再返回泵轮，周而复始地循环流动。泵轮将输入轴的机械能传递给液体。高速液体推动涡轮旋转，将能量传给输出轴。液力变矩器靠液体与叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。

D. 液力变矩器起什么作用

液力变扭器亦称“液力变矩器”、“涡轮变扭器”、“动液变扭器”。液力传动部件的一种。由泵轮、涡轮和导向轮组成。泵轮同主动轴相连，能把主动轴输入的机械能依靠离心力的作用转换成液体的动能和压头，供涡轮做功之用。涡轮和从动轴相连，能把液体的动能和压头所含的能量由从动轴输出。
液力变扭器由泵轮、涡轮、导轮三个基本元件以及变扭器壳体组成。
1．泵轮
它是液力变扭器的主动元件，与变扭器壳制成(或焊接)一体，变扭器壳体总成用螺栓固定于发动机曲轴后端凸缘上，随曲轴一起旋转。泵轮内部有一系列径向向后弯曲的叶片，以给工作液一个额外加速度和附加能量。叶片内沿装有让变速器油平滑流动的导环。
2．涡轮
涡轮是液力变扭器的从动元件，它通过花键与行星齿轮变速器输入轴连接，从运动的液体吸收动能并把动能转变为旋转动能。如同泵轮一样，涡轮也装有许多叶片。但是：
1)涡轮叶片多于泵轮叶片，以提高传动效率。
2)涡轮叶片的弯曲方向与泵轮叶片弯曲方向相反，既相对于顺时针转动的方向而言，所有的叶片都向前弯曲。
涡轮叶片与泵轮叶片相对放置，中间有一很小的间隙。在泵轮与涡轮间，油流方向突然改变，以减少振动损失。
3．导轮
它位于泵轮与涡轮之间，是液力变扭器的反应元件。它通过单向离合器安装在导轮套管(与变速器壳体相连)上。用以控制从涡轮中心回到泵轮中间的液体回流，即改变离开涡轮返回泵轮的液流方向。因为涡轮叶片是曲线型，当液流离开涡轮时改变方向，当液流重新进入泵轮中心时，其方向导致了放慢液体转动的趋势。而导轮改变了从涡轮返回泵轮的油流方向，使其冲击泵轮的叶片背部，给泵轮一个额外的“助推力”，这在变扭器扭矩放大阶段起了关键性的作用。
4．壳体
液力变扭器壳体有组装(可拆)式和焊接(不可拆)式两种。
组装式壳体，即壳体做成两半，用螺栓连接在一起，为可拆式。其维修方便，平衡精度不高，用在转速较低的场合。如重型载货汽车用的大尺寸液力变扭器，拆检后将会影响其平衡状况。
原理
液力变扭器有3个工作轮，即泵轮、涡轮和导轮。其中泵轮和涡轮的构造与液力耦合器基本相同；导轮则位于泵轮和涡轮之间，并与泵轮和涡轮保持一定的轴向间隙，通过导轮固定套固定于变速器壳体。发动机运转时带动液力变扭器的壳体和泵轮与之一同旋转，泵轮内的液压油在离心力的作用下，由泵轮叶片外缘冲向涡轮。并沿涡轮叶片流向导轮，再经导轮叶片流回泵轮叶片内缘，形成循环的液流。导轮的作用是改变涡轮上的输出扭矩。由于从涡轮叶片下缘流向导轮的液压油仍有相当大的冲击力，只要将泵轮、涡轮和导轮的叶片设计成一定的形状和角度，就可以利用上述冲击力来提高涡轮的输出扭矩。
作用
液力变扭器是一种借助于液体的高速运动来传递功率的元件。它的工作特点是输入端的转速和扭矩基本恒定；或虽有变化，但变化不大。而输出端的转速和扭矩可以大于、等于或小于输入端的转速和扭矩，并且输出转速与输出扭矩之间可以随着所驱动的工作机负荷大小，自动地连续调节变化。由于液力变扭器具有无级变速和变扭的功能，因此，它广泛用作各种动力机与工作机之间的传动装置。例如用作公路运输车辆(小汽车、公共汽车、载重卡车、坦克等)以及铁道运输车辆(干线内燃机车、高速动车、调车机车等)的传动装置。此外，还应用在工程机械(起重机、挖掘机、装卸机、推土机、拖拉机等)。矿山机械(石油钻机、钻探机、破碎机等)和大型船舶中。所以液力变扭器在现代工业上具有很大实用价值。特别是最近发展起来的液力换向调车机车，能做到不停车即可改变机车运行方向，这个优点更是电传动和机械传动内燃机车所无与伦比的。

E. 液力变矩器和机械传动的效率分别是多少

对于工程机械液力变矩器传动损失的研究
摘要：液力变矩器在现代工程机械传动中被广泛采用，它不仅可以传递力矩而且可以改变力矩的大小。对于现代大型工程机械，其能耗非常大，但其效率往往比较低。因此，我们总希望能够尽量地提高工程机械的效率。因此，对于液压传动能量损失的研究就显得尤为重要了。作者从流体力学的角度对现代工程机械中液力变矩器的损 失进行了研究。
关键词：工程机械 液力变矩器 液力损失 机械损失 容积损失

1 前言

在工程机械传动系中，一般采用液力机械式传动，它能够满足现代工程机械要求的牵引力大、速度低、牵引力和行驶速度变化范围大、进退自如等特点。而在液力机械式传动中加装了液力变矩器，则具有自动变矩、变速，防振隔振，良好的启动性能，和限矩保护的作用，更能适应现代工程机械的 需要。

流体在变矩器中沿泵轮、涡轮、导轮组成的循环圆流道流动一周，从泵轮获得能量、并将能量传给涡轮。当导轮不动的时候，流体经过导轮时没有能量交换。但流体在循环圆中流动具有黏性，必然有摩擦损失，且损失大小与其速度有直接关系。工作轮流道为非原型断面且有弯曲、扩散等，因此，其摩擦损失比圆管流道要大得多。另外在非设计工况，在涡轮及导轮进口处要产生冲击损失。因此，一般液力变矩器的效率最大为85%~92% [1]。而对于一般的工程机械，由于其负载大、作业条件恶劣、零件磨损严重，其效率普遍比较低。因此，对于液力变矩器能量损失的研究具有很强的现实意义。

2 液力变矩器的工作原理

液力变矩器的基本结构如图1所示。它主要由三个具有弯曲( 空间曲面)叶片的工作轮组成，即可旋转的泵轮4和涡轮3，以及固定不动的导轮5。各工作轮常用高强度的轻合金精密铸造而成。泵轮4一般与变矩器壳2连成一体，用螺栓固定在发动机曲轴1的连接盘上。涡轮3经从动轴7传出动力。导轮5固定在不动的套筒6上。所有的工作轮在变矩 器装配完成后，共同形成环行内腔。

液力变矩器工作时，储存于环行内腔的工作液除随变矩器作圆周运动( 即牵连运动)之外，还在循环圆沿箭头图1中所示方向作循环流动( 即相对运动)。液体离开泵轮时，以一定的绝对速度进入涡轮、冲击涡轮叶片，将力矩从泵轮传递给涡轮。

1.发动机曲轴 2.变矩器壳 3.涡轮
4.泵轮 5.导轮 6.固定套筒 7.从动轮
图1 液力变矩器结构原理

3 液力变矩器的能量损失

综上所述，液力传动的过程中，必然伴随着能量的损失。液力变矩器的能量损失一般分为三种： 液力损失、机械损失和容积损失。

3.1 液力损失

液力损失分为两类：一类为摩擦阻力损失，另一类为局部阻力损失。

1.摩擦阻力损失

工作液体在循环圆内流动的过程中，各流层间和液体与流道壁间有一定的相对速度，由于液体有粘性，就会出现摩擦阻力，流速慢的流层对流速快的流层起阻碍作用。单位质量的液体为了克服这种阻力而损失的能量叫做摩擦阻力损失。在文献[2]中，通常以液流的速度头v2/2g的百分数来表示摩擦阻力损失的大小。液力传动中，液体质点相对叶轮的运动是相对运动，故摩擦阻力损失以相对速度ω的速度头表示。

式中：L—流道的长度，m;λ—摩擦阻力系数;
Rn—流道的水力半径，其数值等于过流断面面 积与湿周之比，m。

由于泵轮、涡轮和导轮在传动过程中均存在摩擦现象，所以，摩擦损失的总和应该是三者的总和， 即：

∑hm=hmB+hmT+h mD (2)

2.局部阻力损失

(1)冲击损失

一般情况下，液流在叶轮进口处并不与叶片骨线进口方向一致。这样就会引起旋涡损失以及脱流区 使流道收缩而引起的附加摩擦损失。进口的相对速度ω 0与骨线间的夹角Δβc为冲角，见图2。 Δβc有正负之别。ω0流向叶片工作面时， Δβc正;ω0流向叶片背面时， Δβc负。叶片工作面压力高、背面的压力低。

a 泵轮进口冲角 b 涡轮进口冲角
图2 进口冲角

相对速度ω0与叶片骨线偏离时，往往会在叶 片的表面形成脱流区，使流道在脱流区收缩，冲击损失与冲击损失速度和冲击损失系数有关，冲击损失速度如图3所示。

图3 冲击损失速度

式中：hc—冲击损失能头，m;
φc—冲击损失系数;
ωc—冲击损失速度，m/s

同理，泵轮、涡轮和导轮同样有冲击损失，所以中的冲击损失为：

∑hc=hcB+hcT+h cD (3)

(2)突然扩大和突然收缩的损失

叶轮进口前无叶片区的过流断面大于进口后的过流断面。叶轮出口过流断面小于出口后无叶片区的过流断面。在叶轮进口处有突然收缩的损失， 而在出口处有突然扩大的损失。这是叶片排挤而引起的。这些损失根据文献 [3]的公式计算：

式中：htk—突然扩大的单位能量损失，m;
hts—突然缩小的单位能量损失，m;
ξts—突然缩小的损失系数，=0.4~0.5;
vm3—叶轮刚出口的轴面速度，m/s;
vm0—叶轮刚要进口的轴面速度，m/s。

因此，总的扩大和缩小的能量损失为：

∑ht=htK+htS (6)

(3)扩散损失

对液力传动来说，存在扩散管状的流道，如泵轮内的流道，涡轮内流道的前半段，综合式液力变 矩器导轮前半段流道等。扩散管的损失计算如下：

式中：vm1—扩散管道起始断面的轴面速度;
vm2—扩散管末端断面的轴面速度;
φk—扩散损失系数。

由上可知，对于总的液力损失为：

∑h=∑hm+∑hc+∑ht +∑hk (8)

3.2 机械损失

动力经液力传动传递时伴随着机械损失，这种机械损失包括泵轮轴的轴承和密封的损失，泵轮圆 盘摩擦损失——泵轮外表面与液体的摩擦损失，涡轮圆盘摩擦损失——涡轮外表面与液体的摩擦损 失。所有这些机械损失都要消耗动力机的能量，影响液力传动的效率。

对于轴承和密封的损失，通过提高配合精度、适当地选取润滑油和密封材料，可以把这种在额定 的工况下控制在1%以下[4]。而机械摩擦损失重要是泵轮、涡轮等旋转件的圆盘摩擦损失。当相对转数较高时，圆盘摩擦损失较大。另外，并非所有的 圆盘摩擦都消耗功率，必须对其进行具体分析。

3.3 容积损失

由于泵轮出口的绝大部分液体流进涡轮，这部分液体再由涡轮流进导轮，然后又回到泵轮，起传递力的作用。泵轮进口与导轮出口的内环间有比较小的环行间隙，同样的间隙存在与涡轮出口和导轮进口内环间。这种间隙使叶轮互相不接触，使叶轮之间相互没有机械摩擦。但是，这种环行间隙的两端压力不等，有一部分液体就要通过这些间隙由高腔流向低腔。泵轮出口的压力高于泵轮进口的压力也高于涡轮出口的压力，故液流由泵轮出口经环行密封再流到泵轮进口，绕泵轮内环流动。从水泵研究表明，当比转数在100~200时，容积损失所占比重不足1.5%[4]。与液力损失相比要小得多，故该项 在计算时也可忽略，即认为ηv≈1。

2.3.4 效率分析

当泵轮转速n1不变时，冲击损失主要取决于涡 轮转速n2。变矩器的效率ηPTD应为输出功率与输入 功率之比，即：

显然，当n2=0时，ηPTD=0;当 n2=n20时候，因M2=0，则 ηPTD=0。效率ηPTD随n2 变化的曲线见图4。

图4 液力变矩器效率曲线

变矩器使用过程中，如果工况变化较大，而对设计工况 转速比没什么特殊要求，由于变矩器最高效率只有85%~92%，当启动变矩系数K0要求较大，则最高效率对应的转速比一般 小于0.6，而当iTB>(iTB)K=1 后，其效率会很快下降。为了在高转速比工况下有较高的效率，我们可以采 用综合式液力变矩器或闭锁式液力变矩器。

(1)综合式液力变矩器

特点：导轮通过单向离合器装在固定不动的导轮座上，结构布置上泵轮与涡轮对称布置。

当 iTB<(iTB)K=1(即K>1)时，M D=-MT-MB>0，此时，单向离合器在楔紧力的作用下无转动，故导轮固定不动，这时是变矩器工况。而当iTB>(i TB)K=1时，MD<0，这时导轮能够转动，此时的变矩器变成了偶合器，有MB=-MT，K=1，η=i TB参见图5。在高转速比工况下，偶合器的效率要高于变矩器的效率 [5]，因此综合式液力变矩器有较大的高效区范围，它适 合于转速比变化较大而且长时间在高转速比工况运行的工作机传动。

图5 综合式液力变矩器结构简图及其特性

(2)闭锁式液力变矩器

涡轮通过闭锁离合器M与泵轮相连，从特性曲线(如图6)可知，闭锁式液力变矩器在 iTB>(iTB)K=1时，比综合式液力变矩器效率高，但由于有鼓风损失，虽然泵轮与涡轮刚性连接，其效率也不可能达到100%。而且当泵轮与涡轮不对称布置时，循环圆中会有流体流动，这也要消耗一些能量。

图6 单级闭锁变矩器结构简图及原始特性

另外，为了保证液力传动车辆能可靠地利用发动机只动或拖车启动发动机，除了可以利用闭锁式 的液力变矩器外，还可采用：①在内环中带有辅助径向叶片的液力变矩器;②安装液力减速器作辅助 制动装置。

4 工程机械液力损失特性

液力变矩器摩擦阻力损失的机理虽然简单，但数学模型不易得到，定量分析难以实现 [6]。通常工程机械转速较低，摩擦阻力损失相对较小，对工作效率影响不大，且对不可透变矩器，由于相对流量为常数，所以摩擦阻力损失也是相对常量，即随工况变化不大。如上所述，一般容积损失也可忽略。因而，液力变矩器冲击损失是影响工程机械效率的 主要因素。

对于某一个具体的叶轮，其冲击损失由式(12)决定。其数学模型为：

式中：i’——为最高效率时传动比。

可见，液力变矩器总的冲击损失在i≤iDH时， 是以纵坐标i=i’为对称的抛物线，在i>iDH时，近似为常量，如图7所示。当i=i’时，∑hc=0，说明在泵轮的转速与涡轮转速接近时，无冲击损失;当i=0时，冲击损失最大，这与工程机械的工作情况 相符。

图7 液力损失曲线

5 结论

通过以上对造成液力变矩器能量损失的分析可以得出，造成液力变矩器能量损失的主要因素是液力损失中的冲击损失，对其特性进行了分析。并指出，当启动变矩系数K 0要求较大时，其效率一般较小，为了在高转速比工况下有较高的效率，可以采用综合式液力变矩器或闭锁式液力变矩器来提高其功率。通过液力变矩器能量损失的研究，对于从事 工程机械液力传动设计、制造人员有指导意义。

F. 装载机变速箱和变矩器的区分，他们是怎么工作的

1、性质不同：装载机变速器是用来改变来自发动机的转速和转矩的机构，它能固定或分档改变输出轴和输入轴传动比。装载机变矩器由液力变矩器和二自由度的机械元件组成的双流或多流液力传动元件。

2、特点不同：装载机变速器由变速传动机构和操纵机构组成，有些汽车还有动力输出机构。传动机构大多用普通齿轮传动，也有的用行星齿轮传动。装载机变矩器为内分流液力机械变矩器，动力流在液力变矩器内部的叶轮中分流，在机械元件中汇流。

3、原理不同：装载机变矩器由四个工作轮组成，其中一个泵轮B，两个涡轮T1及T2和一个导轮D。装载机变速器主动齿轮、从动齿轮，输入轴可理解为是与离合器连接的，并在发动机驱动下转动，固定在输入轴上的齿轮随之同步转动。

(6)变矩器与机械装置并连扩展阅读：

注意事项：

1、驾驶员及有关人员在使用装载机之前，必须认真仔细地阅读制造企业随机提供的使用维护说明书或操作维护保养手册，按资料规定的事项去做。否则会带来严重重果和不必要的损失。

2、驾驶员穿戴应符合安全要求，并穿载必要的防护设施。

3、在作业区域范围较小或危险区域，则必须在其范围内或危险点显示出警告标志。

4、绝对严禁驾驶员酒后或过度疲劳驾驶作业。

5、在中心铰接区内进行维修或检查作业时，要装上防转动杆以防止前、后车架相对转动。

6、要在装载机停稳之后，在有蹬梯扶手的地方上下装载机。切勿在装载机作业或行走时跳上跳下。