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9.1 液力传动概述
9.1.1液力传动概念
工程机械的动力装置大多为内燃机（柴油机或汽油机）。内燃机工作时，最大稳定工作转速与最小稳定工作转速之比约为1.5～2.8；内燃机曲轴上的最大转矩与最小转矩之比约为1.06～1.25。工程机械的行驶或工作速度的变化，以及行驶阻力或工作负载的变化远远超过内燃机的工作要求。因此，如果在传动系统中加入液力传动，将会大大改善工作机构的工作性能。所以，在很多机械尤其是建设机械中广泛地采用液力传动。
液力传动——（动液传动）基于工程流体力学的动量矩原理，利用液体动能而做功的传动（如离心泵、液力变矩器）。液力传动是以液体为工作介质的叶片式传动机械。它装置在动力机械（如蒸汽机、内燃机、电动机等）和工作机械（如水泵、风机、螺旋桨、机车和汽车的转轴等）之间，是动力机和工作机的联接传动装置，起着联接和改变扭矩的作用。
液力传动是液体传动的另一分支，它是由几个叶轮而组成的一种非刚性连接的传动装置。这种装置起着把机械能转换为液体的动能，再将液体的动能转换成机械能的能量传递作用。液力传动实际上就是一组离心泵—涡轮机系统，离心泵作为主动部件带动液体旋转，从泵流出的高速液体拖动涡轮机旋转，讲液体动能转换为机械能，实现能量传递。首台液力传动装置是十九世纪初由德国费丁格尔(Fottinger)教授研制出来并应用于大吨位船舶上。图9-1是液力传动原理图。

                     图9-1  液力传动装置

   1—发动机  2—离心泵叶轮 3—导管 4—水槽 5—泵的螺壳  6—吸水管  7—涡轮螺壳  8—导轮   9—涡轮叶轮  10—排水管  11—螺旋桨  12—液力变矩器模型
液力传动的输入轴与输出轴之间只靠液体为工作介质联系，构件间不直接接触，是一种非刚性传动。液力传动的优点是：能吸收冲击和振动，过载保护性好，甚至在输出轴卡住时动力机仍能运转而不受损伤，带载荷起动容易，能实现自动变速和无级调速等。因此它能提高整个传动装置的动力性能。
液力传动开始应用于船舶内燃机与螺旋桨间的传动。20世纪30年代后很快在车辆（各种汽车、履带车辆和机车）、工程机械、起重运输机械、钻探设备、大型鼓风机、泵和其他冲击大、惯性大的传动装置上广泛应用。
离心泵叶轮2在发动机1的驱动下，使工作液体的速度和压力增加，并借助于导管3经导轮8冲击涡轮9，此时液体释放能量给涡轮，涡轮带动螺旋桨转动，实现能量传递，这就是液力变矩器。它可使输入力矩和输出力矩不等；如果无导轮，就成为液力偶合器。图示方式的液力传动，由于导管较长等原因，能量损失大，一般效率只有70％。实际上所使用的液力变矩器是将各元件综合在一起而创制的完全新的结构形式（取消进出水管、集水槽，以具有新的几何形状的泵轮和涡轮代替离心机和水轮机，并使泵轮和涡轮尽可能接近，构成一个共同的工作液体的循环圆），如图中12。
叶轮将动力机（内燃机、电动机、涡轮机等）输入的转速、力矩加以转换，经输出轴带动机器的工作部分。液体与装在输入轴、输出轴、壳体上的各叶轮相互作用，产生动量矩的变化，从而达到传递能量的目的。液力传动与靠液体压力能来传递能量的液压传动在原理、结构和性能上都有很大差别。液力传动的输入轴与输出轴之间只靠液体为工作介质联系，构件间不直接接触，是一种非刚性传动。
目前，液力传动元件主要有液力元件和液力机械两大类。液力元件有液力偶合器和液力变矩器；液力机械元件是液力元件与机械传动元件组合而成的。
根据使用场合的要求，液力传动可以是单独使用的液力变矩器或液力耦合器;也可以与齿轮变速器联合使用,或与具有功率分流的行星齿轮差速器(见行星齿轮传动)联合使用。与行星齿轮差速器联合组成的常称为液力-机械传动。传动效率在额定工况附近较高：耦合器约为96～98.5％，变矩器约为85～92％。偏离额定工况时效率有较大的下降。
1、液力偶合器  由图9-2 a可知，它是由泵轮B（离心泵）和涡轮T（液动机）组成的。泵轮与主动轴相连，涡轮与从动轴相接。如果不计机械损失，则液力偶合器的输入力矩与输出力矩相等，而输入与输出轴转速不相等。因工作介质是液体，所以B、T之间属非刚性连接。

2、液力变矩器  图9-2 b是液力变矩器结构简图。它是由泵轮B、涡轮T及导轮D主要件构成。B与主动轴连接，T与从动轴相连接，导轮（可装在泵轮的出口或入口处）则与壳体固定在一起不能转动。当液力变矩器工作时，因导轮D对液体的作用，而使液力变矩器输入力矩与输出力矩不相等。当传动比小时，输出力矩大，输出转速低；反之，输出力矩小而转速高。它可以随着负载的变化自动增大或减小输出力矩与转速。因此说，液力变矩器是一个无极力矩变换器。液力变矩器主要用于工程机械、石油机械和内燃机车，主要与内燃机匹配应用。
泵轮、涡轮、导轮常用B、T、D分别表示，而且有关参数角标也用这些符号标注。

9.1.2液力传动术语
1、轴面  液力元件过旋转轴线的剖切面，也叫轴截面或子午面，如图9-3。
2、循环圆   液力元件中液体循环流动工作腔的轴面叫做循环圆，如图9-3所示。它有一定的几何形状，能表示出各工作轮排列顺序、位置及液体循环流动的方向。
3、有效直径  循环圆（工作腔）的最大直径称为液力元件的有效直径，用D表示。
4、平均流线  指在工作论中的一条假想流线，该流线上液流的动力学效果与整个叶轮中的所有液流产生的动力学效果一样，该假想流线就是平均流线。

5、工作轮进、出口半径   工作轮叶片进出口边与平均流线的交点到轴线的长度。                                                        
6、外环和内环。限定循环圆流道的工作轮外侧壁面及内侧壁面分别为外环及内环。

9.1.3液力传动的工作液体
液力传动用的工作液体应满足如下要求：
1、适宜的粘度：为减少摩擦损失，希望液体的粘度小，但润滑性能、密封性能会降低。所以粘度要适当，一般用油在100时，绝对粘度5～８ｍ2／ｓ为宜。
2、粘温性好：即要求液体粘度受温度的影响要小。
3、不易产生泡沫、老化和沉淀。
4、酸值要低、抗氧化性高。
5、具有较高的闪点和较低的凝固点。液力元件工作时，油温常在80～100℃，甚至可达160℃，因此要求闪点不低于180℃；凝固点要低于-20℃，以利于在低温环境时液力元件的起动。
6、要有较大的重度　重度大，液力元件传动的力矩也大。
7、润滑性能好。
国内外液力传动所用液体品种繁多，国内多采用6号、8号液力传动油，也常用22号油代替。液力传动油是以22号油为基础油，再加入抗磨、抗氧化、增粘、防锈、抗泡沫、降凝等添加剂而成的。目前，国内外液力传动应用的工作液体种类较多，除各种石油基产品外，也有采用清水或其它难燃液体的(煤矿井下为防引燃爆炸而应用)。

几种常用油的性能参数指标见表9-1。
表9-1  液力传动用油的性能参数指标
性能
22号
透平油
8号
液力传动油
6号
液力传动油
20号
液力传动油
重度／20 ℃KN/m３
8.836
8.434
8.551
8.581
粘度／ｍ２／ｓ
(20~23)×10-6
(50℃)
(7.5~9) ×10-6
(100℃)
(22~26) ×10-6
(50℃)

运动粘度比
/ (V50) / ( V100)不大于②

3.6
4.2
4
粘度指数
>90

闪点(开口 、不低于)/ ℃
180
150
180
>190
凝点(不高于)/ ℃
－15
－50①
－25
－25
－23
氧化后酸值 /mgKOH/g
0.02

铜片腐蚀 /100℃×3h

合格
合格

抗泡沫性/mL

50 / 0 (93℃)
55 / 0 (120℃)
180 / 0 (120℃)
抗泡沫性/mL

25 / 0 (24℃)
10 / 0 (80℃)
20 / 0 (80℃)
抗乳化度时间
(不大于,min)
8

临界载荷
(不大于,kN)

784.5
823.8
784.5
颜色
无色透明
红色透明
浅黄色透明
淡黄色透明
①－50℃适用于长城以北地区，－25℃适用于长城以南地区．
②(V 50) / (V 100)为50℃时运动粘度与100℃时运动粘度之比．

9.1.4液力传动的特点
液力传动主要有以下特点：
1、自动适应性。液力变矩器的输出力矩能够随着外负载的增大或减小而自动地增大或减小，转速能自动地相应降低或增高，在较大范围内能实现无级调速，这就是它的自动适应性。自动适应性可使车辆的变速器减少档位数，简化操作，防止内燃机熄火，改善车辆的通用性能。
液力偶合器具有自动变速的特点，但不能自动变矩。

2、防振、隔振性能。因为各叶轮间的工作介质是液体，它们之间的连接是非刚性的，所以可吸收来自发动机和外界负载的冲击和振动，过载保护性好，甚至在输出轴卡住时动力机仍能运转而不受损伤，使机器启动平稳，加速均匀，延长零件寿命。试验表明:采用液力传动后,发动机使用寿命可提高85%,变速器使用寿命可提高1～2倍,传动轴,驱动半轴寿命可提高85%.
3、透穿性能。透穿性能是指泵轮转速不变的情况下，当负载变化时引起输入轴（即泵轮或发动机轴）力矩变化的程度。由于液力元件类型的不同而具有不同的透穿性，可根据工作机械的不同要求与发动机合理匹配，借以提高机械的动力和经济性能。
4、工作状况变化时，液力变矩器最高效率约85～92%，液力偶合器效率约为96～98%。
另外，还具有过载保护、自动协调、分配负载的功能。
但是，液力传动也有一些缺点。
1、与齿轮传动型式相比，效率偏低。液力传动系统的传动效率一般只有82-87%左右,而机械传动的效率可达95-97%.；
2、机械布置上，基本是：动力机—传动装置—工作机在一轴线方向上，不如液压传动、电力传动的布置位置和方向上的方便；
3、另外尚需配置辅助装置——润滑油装置、冷却装置等，使设备复杂。
4、液力传动装置的整体性能跟它与动力机的匹配情况有关。若匹配不当便不能获得良好的传动性能。因此，应对总体动力性能和经济性能进行分析计算，在此基础上设计整个液力传动装置。
9.1.5液力传动的应用
由于液力传动具有传动的很多优点（如大功率、自适应等），在工业和技术的各部门得到广泛应用。由最早应用在轮船上（1907年，法国人应用）开始，现在广泛应用于各部门。
1、在汽车（重型卡车、高级轿车）、拖拉机、工程机械、建筑机械、铁路运输等各种车辆上作为主传动装置。如内燃机在大功率起动，高级轿车传动的无级变速等，工程机械的传动。
2、在军事工业中的坦克、自动火炮等作传动应用。

3、在一般的工业生产中（化工厂的泵、炼钢厂的风机等等）用液力偶合器作调节速度用，节省能源。
4、在船舶、重载设备（大型皮带机等）等启动时应用，可减少起动的电力冲击和并车的协调。
9.1.6内燃机车的液力传动
能用作驱动机车车轮的机械,电动机不是唯一无二的。水力机械中的涡轮机也有和电动机相类似的驱动特性。只要用柴油机带动一个泵，向涡轮提供具有某些压力的液流，而且能够把在涡轮中工作完毕后的液流引回到泵的进口处，使液流循环工作，这套系统就可用作内燃机车的动力驱动系统。根据这一原理，德国工程师费廷格创造了液力变扭器和液力偶合器，把涡轮和泵轮组合在一起，二者之间没有机械连结而只是通过液流循环来相互作用。内燃机车采用这种“软”连结方式而设计的传动系统称作液力传动。
与电力传动相比，液力传动不过是后起之秀。但它在与电传动的竞争中，异军突起，很快赢得了重要位置。液力传动装置的优点是不用电机，可以节省大量昂贵的铜，同时它的重量也轻些。这使得机车降低了造价也减轻了重量，即在同样的机车重量下，它的机车功率一般都比电传动机车大。另外，液力传动装置的可靠性高，维护工作简单，修理费也少。还有一个优点是，它的部件是密闭式的，无论风砂雨雪对它的工作都不产生什么坏的影响。
液力传动装置的主要组成部分是液力传动箱、车轴齿轮箱、换向机构和相互联结的万向轴等。它的核心元件是液力传动箱中的液力变扭器，主要由泵轮、涡轮和导向轮组成。泵轮通过轴和齿轮与柴油机的曲轴相连，涡轮通过轴和齿轮与机车的动轮相连，导向轮固定在变扭器的外壳上，并不转动。当柴油机启动时，泵轮被带动高速旋转，泵轮叶片则带动工作油以很高的压力和流速冲击涡轮叶片，使涡轮与泵轮以相同的方向转动，再通过齿轮把柴油机的输出功率传递到机车的动轮上，从而使机车运行。
变扭器关键在“变”。当机车起动和低速运行时，变扭器中的涡轮转速很低，工作油对涡轮叶片的压力就很大，从而满足机车起动时牵引力大的需求；当涡轮的转速随着机车运行速度的提高而加快时，工作油对涡轮叶片的压力也逐渐减小，正好满足机车高速运行时对牵引力要小的需求。由此可见，柴油机发出的大小不变的扭矩，经过变扭器就能变成满足列车牵引要求的机车牵引力。当机车需要惰力运行或进行制动时，只要将变扭器中的工作油排出到油箱，使泵轮和涡轮之间失去联系，柴油机的功率就不会传给机车的动轮了。

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