液力变矩器效率

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。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：Σhm=hmB+hmT+hmD(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ω0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+hcD(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：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)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。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K1)时，MD=-MT-MB0，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(iTB)K=1时，MD0，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=iTB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iiDH时，近似为常量，如图7所示。当i=i’时，Σhc=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K0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。◆