第二章液力偶合器1第一節(jié)液力偶合器的工作原理偶合器由泵輪和渦輪組成，同時有一旋轉外殼以防止工作液體在傳動過程中散掉。1.

有內(nèi)環(huán)的偶合器（結構簡圖）（教材圖2-1－2-3）泵輪B，渦輪2TD葉輪由外環(huán)、內(nèi)環(huán)和葉片組成。通常葉片為直葉片。葉片流道空間和外環(huán)、內(nèi)環(huán)的導流內(nèi)表面組成工作腔。工作腔軸面投影對軸心線上下對稱，則常以軸心線的上半部表示?！h(huán)圓的最大直徑，稱有效直徑。其他尺寸以此按比例進行計算。在半徑小的地方，由于葉片設計成等厚度的，因此排擠較大，為了減少排擠，常采取每隔一個葉片在半徑小處切去一部分。泵輪和渦輪的幾何形狀通常是相同而且是對稱的。1－輸入軸，2－輸出軸，3－旋轉外殼，4－內(nèi)環(huán)，5－外環(huán)32.

無內(nèi)環(huán)的偶合器（結構簡圖）現(xiàn)代工程應用的偶合器大多為無內(nèi)環(huán)的，因為在工作過程中，內(nèi)環(huán)并非必要，而且取消內(nèi)環(huán)后，偶合器的特性曲線可以進行調(diào)整，同時結構簡單。無內(nèi)環(huán)偶合器的液流循環(huán)與有內(nèi)環(huán)時是相同的（相當于內(nèi)環(huán)縮小為一點）。在直徑小的地方，將葉輪葉片也間隔切去部分，以減小排擠。B4TFDFK1D葉片切割部分輸入軸輸出軸二、偶合器的工作原理rT1rT2B

2rrB11.速度三角形液體質(zhì)點在液力偶合器中既作相對運動又作牽連運動。對于有內(nèi)環(huán)的液力偶合器，取將過流斷面均分的流線為平均流線，分析流線上各點的速度變化。平均流線“—

-

—

-

”rB1rB

2rT

1泵輪：進口出口渦輪：進口出口rT

2rB1

?

rT

2rB

2?

rT

1r5VW=VmU=VuZ

=￥，泵輪和渦輪的進假定：（1）葉輪的葉片都是徑向的直葉片，出口角均為90°，=

bT

1

=

bT

2

=

90bB1

=

bB

2則有（由速度三角形可知）：W

=

VmVu

=

U（2）葉輪的過流斷面為常數(shù)，葉片無限薄（)Y

=

1F

=

2prbQB?QT（容積損失不計）同時視為在同一過流斷面上各點速度相等Vm

=

Q

F

=

const6VmB1

=

VmB

2

=

VmT

1

=

VmT

2（3）在泵輪和渦輪的無葉片區(qū)內(nèi)，沒有外力矩對液流的作用，則各點的速度矩相等，即Vu

r

=

constVuB3

rB3

=

VuT

0

rT

0

=

VuB

2

rB

2

=

UB

2

rB

2（出口角為90°）VuT

3

rT

3

=

VuB

0

rB0

=

VuT

2

rT

2

=

UT

2

rT

2（出口角為90°）因為：rB1

=

rT

2rB

2=

rT

1同時可以視為：rT

0rB0

rB3?

rB1

?

rB

2rT

2?

rT

1

?

rT

3則有：=

UB

2VuB3

=

VuT

0

=

VuB

2=

UT

27VuB0

=

VuT

3

=

VuT

2由此，可以畫出泵輪進出口和渦輪進出口的速度三角形。0,

1,

2,

3分別表示剛進口、進口、出口和剛出口。T0WT1WT

0VUT1aT1VB2B2WUB2bB2T2WT

2T2

VT2UaT2bUB1VB0B0WWB1速度三角形習慣規(guī)定：以泵輪和渦輪的交界處為中心線，將泵輪速).T度三角形畫右邊（

B

），渦輪速度三角形畫左邊（8泵輪：出口速度三角形BCE

bB

2

=

90=

VmB

2\

WB

2進口速度三角形APN,

由于液流剛進口的WB0與葉片方向不一致，則產(chǎn)生沖擊損失：)22ghCB(

AP

-

AL)22NT

=

12g

2g(W

-W=

B1

B0

=12gB12

22

(1

-

i)22g(U

B1

-UT

2)

=

UB

2

r=即由向量關系：PT

=

PN

+

NT\

NT

=

PT

-

PNNT

=

WB1

-WB0B

2B1rr=

rB1

(—泵輪進口相對半徑）B

2B1rB1B

2

r又U

=

UB

29

rB1

iB

2

rT

2U

=

U渦輪：出口速度三角形ALM

bT

2

=

90=

VmT

2\

WT

2進口速度三角形BFG，由于液流進口前WT

0與葉片方向不一致，產(chǎn)生沖擊損失：)22ghCT(BF

-

BC)2GK

=

12g

2g(W

-W=

T

1

T

0

=12g2B

22(i

-1)22g(UT

1

-UB

2

)

=

U=在速，

度三角形中，根據(jù)假定有：VT

0

VB010=

VB

2

=

VT

2VuB

2

=

VuT

0VuT

2

=

VuB0泵輪和渦輪的進出口速度三角形高度相等,即各處為常數(shù)。Vm(

)2.基本方程將液力傳動基本方程中（,gHU

V

-U

V=

3

u

3

0

u

0L￥M

L-Y=rQ(Vu

3

r3

-Vu

0

r0

)）的Vu

3

r3

=

VuB

2

rB

2

=

UB

2

rB

2Vu

0

r0

=

VuT

2

rT

2

=

UT

2

rT

2w

=

w

B代入，則得泵輪的能量方程：U

=

rwB

2B1rrB1BnTi

=

r

=n)

>

0B

2

B

2BL-UT

2

rT

2gH

=

w

B

(U

r即

2B1BLgU

2H

=

B

2

(1

-

ir

)

>

0泵輪的動量（扭矩）方程：M

B-Y11=

rQ(U

B

2

rB

2

-UT

2

rT

2

)

>

0同樣將Vu

3

r3

=

VuT

2

rT

2

=

UT

2

rT

2Vu

0

r0

=

VuB

2

rB

2

=

UB

2

rB

2w

=

w

T代入，得渦輪的能量方程：TL(UT

2

rT

2

-UB

2

rB

2

)

<

0gH=

w

T即-1)

<

0TL

B1gU

2

2H

=

B

2

i(ir渦輪的動量（扭矩）方程：MT

-Y12=

rQ(UT

2

rT

2

-UB

2

rB

2

)<

0由基本方程可知，泵輪使液流的能量增加。由剛進口前的動量矩VuB

0

rB0（13VuB0

rB0

=

UT

2

rT

2）增加到泵輪出口動量矩VuB

2

rB

2（VuB

2

rB

2

=

UB

2

rB

2同時可知，渦輪軸上工作機的力矩為阻力矩，與泵輪的力矩相反，通過渦輪葉片對液流作用了一個反力矩，即渦輪剛進口的速度矩（），減少到渦輪出口動量矩VuT

0

rT

0VuT

0

rT

0

=

UB

2

rB

2VuT

2

rT

2（）VuT

2

rT

2

=

UT

2

rT

2說明渦輪傳給了工作機功率（動力）。），動力機對泵輪作功。由偶合器的循環(huán)流動中知，當14nB

>

nT時，液流由nB

=

nT時，流動停止，當nT

=

0時，泵輪轉動，此時流量達最大，因此，當nB

=

const時，扭矩方程中的rQ將隨nT的增大而減小，即rQ

=

f

(i)當i

?fi

rQ

fl，而當i

=

1時。rQ

=

0泵輪流向渦輪。當rQrQ215T

2B

B

2r

2(1

-

ir

)w(=

H

BL

g

)i

=

1n

B

=

nT渦輪軸上的輸出力矩是克服工作機的阻力矩的，而渦輪由液流獲得的力矩還需克服軸承、密封等摩擦力矩后由軸輸16出，因此渦輪的液流力矩與摩擦阻力矩和工作機阻力矩保持平衡，。MY

-TnT

=

const當阻力矩（重要為工作機阻力矩）發(fā)生變化時，力矩的平衡將被破壞。（1）若工作機的阻力矩突然減小，而液流對渦輪的力矩還未改變，>

MTMY

-T，則nT

?由nT

?fi

UT

2

rT

2

?和nT

?fi

Q

fl，此時nB

=

const則UB

2

rB

2不變。因此造成：MY

-TnT

?fi

fl而=

rQ(UT

2

rT

2

-UB

2

rB

2

)

MT

-Y\

MY

-T=rQ(U

B

2

rB

2

-UT

2

rT

2

）)

，所以nT

?時，MY

-T減小了，重新達到平衡，穩(wěn)定運行。M

B-Y?fi

UT

2

rT

2

?fi

fl動力機對偶合器作用力矩也減小。這個過程是自動進行的（自適應性）。同時由泵輪扭矩方程知，nTMY

-T17=

-MT

-Y

（（2）若工作機的阻力矩突然增加，過程與上面相反。將泵輪扭矩方程中2B

2

B

2(U

r

-Ur

)

=

wr

2

(1

-

ir

)T

2

T

2

B

B

2

T

2可知（B

2T

2rrr=

T

2），在nB

=

const時，2)

=

f

(i)w

r

2

(1

-

irB

B

2

T

2為直線關系，當i

?是減小的（如前頁圖中直線，圖2－6）。i的關系為曲線（

rQ

=

f

(i))182B-YM

=

rQw

r

2

(1

-

irB

B

2

T

2時，因此，泵輪的扭矩與為曲線），3.偶合器效率=

Kih

=

-

MT

nTM

B

nB當軸承、密封損失和容積損失不計時（只計入液流效率）M

B

MT?

M

B-Y

?

MT

-Y而M

B-Y=

-MT

-Y\

K

=

-

MT

?

1M

B19h

?

i由此可知，偶合器的變矩系數(shù)K

=

1偶合器的效率近似等于轉速比

，ii

?fi

h

?，偶合器不改變扭矩。0.97(i*

)h—為直線，i

?fi

h

?偶合器的最高效率?

0.97hmax，因此在i

=

0.97時h

最高。i

=

1當 時，由Q

=

f

(i)知，Q

=，0

則此時20h

=

0。則希望偶合器在高轉速下工作有利。H21BLY=

i=

-

HTLh（將偶合器的HTLHBL方程代入）第二節(jié)液力偶合器循環(huán)流量與轉速比關系一、液流能量與速比的關系偶合器中泵輪對單位重量液體做功等于單位重量液體對渦輪的做

功和液體在循環(huán)圓中的各種液力損失。其損失由液力效率確定：由

液力傳動的液力效率，則可得偶合器的液力效率hY（液流能量關系）全部液力損失h

包括沿程摩擦阻力，泵輪和渦輪的進口沖擊損失，即：

h

=

hm

+

hCB

+

hCT)

2B1BLYgU

2=

(1

-

i)

B

2

(1

-

irh

=

(1

-h

)H而Y2g2gV

2W

2=

hm

=

z

mB

2

z

B

2

=2l

1

W4R

2g（

z—總損失系數(shù)，泵輪出口=

90bB

2WB

2

=

VmB

2）2g2U

2B

2

B1r

(1

-

i)2hCB

=（速度三角形中知）2g22U

2B

2(i

-1)2hCT

=二、循環(huán)流量與速比的關系偶合器中的循環(huán)流量為軸面速度和有效過流斷面面積的乘積，即QB

=

VmB

FB由本節(jié)速度三角形中的假定，有效過流面積為一常數(shù)，它與速比（

）i無關系。因此，循環(huán)流量與速比的關系就是軸面速度與速比的關系。根據(jù)

h

=

hm

+

hCB

+

hCT關系代入相關表達式，即+23=2g

hm2ghCT+2ghCB(1

-

i)(1

-

ir

)V

2

mB

2

(i

-1)2U

2r

(1

-

i)22

B

2

B1

B

2

2U

2

U

2

B

2

B1

gz經(jīng)過整理為：22+1)

=2mB2B1B

2

B1(i

2

r

-

i

2

-

rU

2zV整理時：2U

2

B

2

B1

g(1

-

i)(1

-

ir

)2g22U

2

(1

-

i)(1

-

ir

)=

B

2

B1

即)

z2B1B

2

mB

2

=

(1

-

i

2)(1

-

rU

2V

2z242

B1

mB

2(1

-

i

2

)(1

-

r

)\

V

=式中：B

2mB

2UVV=

mB

2—泵輪出口相對軸面速度（速度系數(shù)）B

2B1rrr=

B1—泵輪進口相對半徑（對于有內(nèi)環(huán)的液力偶合器，B1r為常數(shù)）z—總的摩擦阻力系數(shù)。對于紊流光滑區(qū)（自模區(qū)）可以視為是常數(shù)。nB

=

const使，則VmB

2=f

(i，)而且VmB

2的方程是一個橢圓方程（相當于

m

+25i

2=

AA1

A2V

2的形式）。當QBVmB2VmB2QBrB1

=const

nB

=const26以上的討論是偶合器有內(nèi)環(huán)時的情況較合適。對于無內(nèi)環(huán)的偶合器，當全充滿液流時，可以把內(nèi)環(huán)看作是縮小到零的一個有內(nèi)環(huán)偶合器。這時如果偶合器的軸面速度仍假定為常數(shù)（Vm

=

const），則在平均rm）處，速度會發(fā)生突變，與實際流動不符合。半徑（rB227rB1rmVmB1BTVmB

2（此種情況，在rm處，VmB

2VmB1和

發(fā)生突變）對于無內(nèi)環(huán)偶合器的流動模型，經(jīng)過分析，提出以下的假定：（1）偶合器內(nèi)流動由無數(shù)多流面組成，每個流面內(nèi)有無限多的微小流束組成。對流束可以視為過流面積很小，流速為常數(shù)（流速相等）。由于各相鄰流面過流面積相等，即122822oam(r+

r

)r

=ra—循環(huán)圓有效半徑；ro—循環(huán)圓最小半徑；（2）對每一個微小流束，rB1為一變量。對于不同流面，泵輪的出口圓周速度UB

2

（w

B

rB

2VmB

2）不是一個常數(shù)，即

=

f

(rB

2

,

rB1

)由