液力变矩器效率

液力变矩器效率

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对于工程机械液力变矩器传动损失的研究

《液气压世界》2007年第3期孟亚/刘长生/戴奇明/李胜健阅读次数：816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。

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：

Σhm=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：

Σhc=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，=~;

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：

Σht=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：

Σh=Σhm+Σhc+Σht +Σhk (8)

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