液力-第5章 液力机械传动

5.2
行星齿轮机构的传动常识
行星齿轮机构结构紧凑、动力运输能力强、传动效率高、 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、 双行星排和复合行星排三种，如图5-4所示。 （1）简单行星排：单排、单行星、内外啮合式行星齿轮 机构（图5-4a）。
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 传动。 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 5-2b所示。 此外，还有内、外分流兼而有之的液力机械传动系统。
图5-2b 液力机械传动的功率分流示意
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液力机械传动是由液力变矩器或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，如图5-1所示。它具有液力传动的无 级变速、变矩和自动适应性的优点，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。
液力变矩器 组成
图5-1 液力机械变矩器
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图5-3 上海SH380－32吨自卸汽车液力机械传动系简图
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5.1.2
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。 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 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，以增强适应地 面阻力变化的能力。 8
5
在液力机械传动中，机械元件有采用行星传动的， 也有采用定轴式多轴变速器的。
如图5-3上海32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。
行星齿轮的工作原理 演示 1 2
3 5 4
图5-4 用于分流、 合流的行星排 a）简单行星排
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（2）双行星排：单排、双行星、内外啮合式行星齿轮机 构（图5-4b）。
b）双行星排 图5-4 用于分流、合流的行星排
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（3）复合行星排：单排、双联行星外啮合式行星齿轮机 构（图5-4c）。
（c）复合行星排
离合器的工作原理 演示 2
1 3 4
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图5-7 轮式牵引车的传动装置
液力机械变矩器有如下三种工况： （1）闭锁离合器C和制动器B同时松脱：
液力变矩器正常工作，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C松脱，制动器B结合：
此时行星排成为一个传动比i21=(1+ α ）/ α＝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C结合，制动器B松脱 ：

Z t 2 Z X1 Z X2 Z t1
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简单行星排三构件在六种不同连接方案下传动比计算 公式见表5-1。
表5-1 行星排构件不同连接方案下的传动比计算公式
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5.3
外分流液力机械传动
图5-5为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。
起步工况后，第一涡轮TI转速提高。由第一涡轮流出的 液流冲向第二涡轮TII叶片的工作面，液流对第二涡轮产生正 力矩。在i21=0～0.525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 28 渐减小，直至退出工作。
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。
由于液力传动是非刚性连接，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。 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。 10
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5.4 内分流液力机械传动
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5-8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）
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图5-8 功率内分流的液力机械变矩器
分功率流 P1 P0
总功率 P
差速器
执行机构
分功率流 P2
图5-5 外分流式液力机械传动框图
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图5-6为功率外分流式的液力机械复合传动方案，其中56a是行星排在输入端的一般原理；图5-6b、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5-6 功率外分流式液力机械传动方案
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液力变矩器 作用
2
5.1
液力机械传动的类型与特点
5.1.1 液力机械传动的类型
液力机械传动在输入端有功率分流，在输出端有功率合 流。从功率的流向上看，液力机械传动有以下几种不同类型：
分流行星排，在输入端分流 功率外分流 合流行星排，在输出端合流 导轮传递功率，导轮与涡轮分 流 多涡轮传递功率，两独立涡轮分流 复合分流 功率分流内外兼有
然而，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CD－850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，燃 油消耗量大。 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。 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 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 9 驶速度和加速性能，故机动性能好。
27ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ZL50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TI工作。第二涡轮TII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 力矩、零力矩和正力矩。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。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。
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。
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现以ZL50型装载机用的双涡轮液力机械变矩器为例，简要 介绍这类变矩器的结构和工作特点（图5-10）。
a
b 图5-10 双涡轮型液力机械变矩器 a）结构简图 b）原始特性曲线
图5-6d是行星排在输出端的一般原理；图5-6e、f是可实 现的方案（行星架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。
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美国卡特皮勒（Caterpillar）公司在184～331kW 轮式 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5-7所示。该传动装置是由输入端的行星 排闭锁离合器C、制动器B、离心涡轮式单级三叶轮液力变矩 器和单向离合器M所组成。单向离合器可使输出轴2在转速高 于涡轮轴时，二者松脱联接。
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。 20
液力机械变矩器在分流传动工况时，其主要参数为i21、 K21、η21、λ1 、nB、MB和PB，根据这些主要参数，液力 传动有如下特点： （1）液力变矩器在 i 0 ~ 1 牵引工况下，液力机械变矩 器也处于牵引工况 i21 0 ~ 1 。 （2）在 0 i21 4 3 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 21 。 （3）启动工况时泵轮传递全部功率PB P ，而当i 1时， 1 P 泵轮传递功率减少为 PB 1 。 4 （4）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。
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KY J 8 K YJ
YJ 1.0
6 4 2 i 21 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
YJ
0.8 0.6 0.4 0.2 0
图5-9 DS型内分流液力机械变矩器运动学简图
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DS型液力机械变矩器有下列三种工况：
（1）导轮反转工况。在工况 i21 0 ~ 0.37 区，制动器B2制动， 制动器B1和闭锁离合器C分离时 。 （2）导轮固定工况。在工况 i21 0.37 ~ 0.71区，制动器B1制动， 制动器B2和闭锁离合器C分离时 。
3
液力机械 传动
功率内分流
第一类传动装置，其传动功率的流向，在输入端（R）与 输出端（C）之间存在液力元件和机械元件两条平行的支路， 如图5-2a所示。图中“Y”、“J”、“YJ”分别表示液力元件、 机械元件和液力机械传动元件，也称这种传动为外分流式液力 机械传动。
YJ
B
Y
T
R
C
4
图5-2a 液力机械传动的功率分流示意
5.4.1 强制导轮旋转型的内分流液力机械变矩器
强制导轮旋转的变矩器是由涡轮和强制旋转的导轮共同 传递泵轮输入的功率（图5-8a）。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；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。 现以瑞典SRM公司的DS型强制导轮反转的液力机械变矩 器为例，说明其结构与工作特点，图5-9为该装置的运动学简 图和原始特性曲线。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。
（3）直接传动工况。当 i21 0.71 时，制动器B1、B2分开， 导轮成为自由轮而浮动，闭锁离合器C接合 。
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5.4.2
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5-8b）。 传递功率的涡轮有双涡轮和多涡轮两种。应用多涡轮液力机械 变矩器的目的在于能够获得高的零速变矩系数，扩宽高效范围。
图5-4 用于分流、合流的行星排
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表示行星齿轮传动机构的结构性能参数 称为行星机构 的特性参数。 等于齿圈和太阳轮的齿数 对于简单行星排和双行星排： 比。

式中
Zg Zt
Z g ------齿圈的齿数；
Z t ------太阳轮的齿数。
对于复合行星排
对圆柱齿轮，值可按下 式选取： 3/4≤ ≤4/5