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液力耦合器的结构与工作原理

液力耦合器安装在汽车发动机和机械变速装置之间,它们是由两盒状结构的泵轮和涡轮组成,利用液体在主、从动元件之间循环流动过程中动能的变化来传递动力。由于液体ATF在液力耦合器中作循环流动时,有受到任何其它附加外力,故发动机作用于泵轮上的转矩与涡轮所接收并传给从动轴的转矩相等。

在介绍液力耦合器之前,必须首先了解液力耦合器的结构及其工作原理,这是学习变矩器工作原理的基础。液力耦合器是一种液力传动装置,又称液力联轴器。在不考虑机械损失的情况下,输出转矩与输入转矩相等。它的主要功能有两个方面,一是防止发动机过载,二是调节工作机构的转速。

液力耦合器的结构与工作原理

一、液力耦合器的结构
液力耦合器安装在汽车发动机和机械变速装置之间,它们是由两盒状结构的泵轮3和涡轮4组成,它们都称为工作轮,泵轮是主动元件,与外壳2成一体,通过传动板与发动机曲轴1的凸缘相连;涡轮是从动元件,通过在键与耦合器涡轮输出轴5连在一起旋转,如图3-3所示。泵轮和涡轮的壳体中沿半径放射状径向排列着许多平直叶片,泵轮和涡轮相对而置,中间留有一定间隙约3~4mm,泵轮与涡轮装合成一个整体后,其轴线断面一般为圆形,在其内腔中充满液压油。

液力耦合器的结构与工作原理
图3-3 液力耦合器结构示意图
1-发动机曲轴 2-耦合器外壳 3-泵轮 4-涡轮 5-输出轴

二、液力耦合器的工作原理
液力耦合器以工作液(ATF)作为传动介质,利用液体在主、从动元件之间循环流动过程中动能的变化来传递动力。

当发动机带动泵轮3旋转时,ATF在泵轮叶片的带动下一起旋转,绕输入轴和输出轴的轴线作圆周运动。圆周运动产生离心力,ATF从泵轮中心向四周沿叶片方面甩出;在叶片与叶片组成的空间里,ATF就是从叶片内缘向叶片外缘流动,因此,叶片外缘处压力较高,而内缘压力较低,其压力差取决于工作轮的半径和转速等参数。这样,由曲轴输入的机械能就转变为ATF的动能和压能。在ATF尚未进入涡轮4的时候,涡轮叶片外缘的液压低于泵轮叶片外缘处的液压,于是在此压力差的作用下,ATF从泵轮流入涡轮。与此同时,ATF冲击涡轮叶片,推动涡轮按泵轮同一方面旋转,从而带动液力耦合器的输出轴转动。这样,ATF的动能和压能又转变为输出轴的机械能。ATF推动涡轮旋转后,顺涡轮叶片从外缘流动内缘,再返回到泵轮的内缘,重复上述过程,如此不断地循环流动,传递动力。

液力耦合器的结构与工作原理

从上述液力耦合器工作过程可以看出,在液力耦合器内部ATF同时具有两种旋转运动。其一,是随同工作轮一起作绕工作轮轴线的圆周运动(牵速运动);其二,是经泵轮到涡轮,又从涡轮返回泵轮,重复循环,ATF沿工作腔循环圆作环流运动(相对运动),如图3-4所示,故ATF的绝对运动是两种旋转运动的合成,运动方向是斜对着涡轮冲击涡轮叶片的。这样ATF在液力耦合器内部的流线是一条首尾相接的环形螺旋线。所以能量的转换是ATF在耦合器内部空间螺旋运动中完成的。因此,液力耦合器实现传动的必要条件是ATF在泵轮和涡轮之间有循环流动,而循环流动的产生是由于两个工作轮转速不等,使两轮叶片的外缘处产生液压差所致。转递差越大,压力差也越大,则作用于涡轮叶片的力矩也越大;故液力耦合器在正常工作时,泵轮转速总是大于涡轮转速。如果二者转递相等,则液力耦合器不起传动作用。

液力耦合器的结构与工作原理
图3-4 液力耦合器工作示意图

三、液力耦合器的特性
由于液体ATF在液力耦合器中作循环流动时,没有受到任何其它附加外力,故发动机作用于泵轮上的转矩与涡轮所接收并传给从动轴的转矩相等。即液力耦合器只起传递转矩的作用,而不能改变转矩的大小。

设泵轮转速,涡轮转速为,为液力耦合器的转速比,则耦合器的传动效率为:

液力耦合器的结构与工作原理 (其中液力耦合器的结构与工作原理为耦合器的变矩比)

式中液力耦合器的结构与工作原理——传动效率;液力耦合器的结构与工作原理——泵轮输入功率;液力耦合器的结构与工作原理——涡轮输出功率;液力耦合器的结构与工作原理——泵轮输入转矩;液力耦合器的结构与工作原理——涡轮输出转矩。

液力耦合器的结构与工作原理
图3-5 液力耦合器特性曲线

因作用在耦合器上的泵轮和涡轮的转矩相同,即液力耦合器的结构与工作原理,则液力耦合器的结构与工作原理
耦合器的效率评价它的经济性能的指标,也就是说,液力耦合器的传动效率等于其转速比。涡轮与泵轮的转速差越大,转速比越小,传动效率就越低。反之,转速比越大,传动效率越高。当发动机进入运转并挂上了档,而汽车尚未起步时,泵轮虽转动而涡轮转速为零,此时耦合器的效率为零。汽车刚起步时,涡轮转速逐渐提高,涡轮对泵轮的转速比增大,耦合器的传动效率也随之增高。理论上说,当涡轮转速等于泵轮转速时,效率为100%。实际上,如涡轮转速等于泵轮转速,则涡轮与泵轮叶片外缘处的液压力将相等,从而使得耦合器内的循环流动停止,泵轮与涡轮间不再有能量传递,传动效率为0。一般而言汽车用耦合器的最高效率可达97%左右,其效率曲线如图3-5。

四、液力耦合器应用的不足
由于液力耦合器采用自动变速器油ATF作为传动介质,泵轮与涡轮之间允许存在转速差,因此液力耦合器能保证汽车起步和加速的稳定;能够缓冲和衰减传动系的扭转振动扭转振动

(转动惯量对应于平动质量,转动角度对应于平动位移,扭矩对应于平动载荷,转速对应于平动速度,抗扭刚度对应于平动时的拉压刚度;扭转振动其实就是把转角大小当作振动位移来建立振动方程。通常是当结构抵抗力的合力中心和外荷载的合力中心不重合的时候发生扭转振动。),防止传动系过载,延长发动机与传动系各零件的使用寿命。但因耦合器不能改变所传递的转矩大小,使得相应的变速机构需增加档位。此外,由于液力耦合器不能使发动机与传动系彻底分离,为解决换档问题,在液力耦合器与变速器之间还须装一个换档用离合器。从而使得整个传动系的重量增大,纵向尺寸增加。

二十世纪60年代英国生产的劳斯莱斯汽车,美国生产的奥兹莫尔汽车,苏联生产的吉姆汽车所用的自动变速器,都装用过液力耦合器。但由于其上述缺点,近年来生产的汽车基本上不采用液力耦合器,而使用液力变矩器。

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