工程机械液力变速器_第1讲_工程机械液力变矩器

专 题 讲 座 专 题 讲 座 Special Seminar 机械 第37卷2006年12月 目前在工程机械和各种车辆上广泛采用液力机 械式传动系统。它由液力变矩器和液压动力换挡变 速器组成。 采用液力机械式传动系统具有以下优点: (1)液力传动具有良好的起步性能,能随着发动 机转速提高平稳起步,微动操纵性能较好,易调整位 置,接近目标(自卸汽车)。 (2)是自动变速装置,具有无级变速和变矩能 力,使车辆具有自动适应能力,可提高发动机功率利 用率,减少变速器的挡位。 (3)液压动力换挡可不切断动力,实现不停车换 挡,换挡操纵轻便,减轻司机劳动强度。 (4)变矩器液体柔性传动,可阻隔发动机的扭转 振动,降低冲击振动和传动系的动载荷,延长传动部 件的使用寿命。 (5)液力传动可防止发动机过载,具有良好稳定 的低速性能,能提高恶劣路面的通过性。 (6)对装载机来说,在铲掘装载过程可实现机械 前进插入力和工作装置铲取力同时作用,提高铲斗 的装载效果。 (7)变矩器结构简单,可靠,无机械磨损,使用寿 命长。 液力机械式动力换挡变速器的缺点: (1)液力传动(变矩器)效率低,对装载机来说, 经常在低速大驱动力下工作效率更低,因此油耗高, 同时排放也差。 (2)液力传动变矩器传动功率输出和发动机转 速成固定关系,不能调节,因此难调整行走输出功率 和工作装置输出功率之间匹配关系。对装载机来说 插入力和铲取力要配合得好较困难。 (3)变矩器输入和输出之间无刚性联系。不能 利用发动机惯性来克服外界阻力,且利用发动机来 进行制动的效果较差,不能实现拖启动。 1 工程机械对液力变矩器的要求及其发展趋 势 长时期人们认为:变矩器是液力传动元件,具有 无级变速功能,应该尽量发挥它的作用,用变矩器来 变速变矩,因此努力想法提高它的变矩比(启动变矩 比或称失速变矩比达到5~7),采用扩大其自动变速 范围的方法,来减少变速器挡位和简化变速器的结 构。为了提高变矩比,采用了多级涡轮;增加涡轮叶 片的弯曲程度,将导轮上作用力矩反向加到涡轮上 去等等方法,结果使得变矩器结构变得很复杂,效率 值提不高。人们在使用实践中逐渐明白,变矩器主要 问题是效率低,油耗大,必然排放也高,在当前人类 面临着能源危机和环境问题越来越严重的情况下, 首先要求工程机械使用的变矩器效率必须高,而实 践和研究证明要使变矩比高必然是效率低,结构复 杂,因此目前一些结构复杂变矩比大的变矩器正在 趋向淘汰,取代的基本上都是最简单的三元件单级 变矩器或综合式变矩器 (可闭锁),启动变矩比在 3.2~1.6之间,最高效率在90%以上。工程机械主要 变速变矩任务还得由变速器去完成。 另外,对装载机来说要求行走驱动功率和工作 装置输出功率相匹配,在铲装物料的过程中,要求行 走插入力和工作装置铲取力相配合,能控制行走驱 动力,使得轮胎不打滑,防止轮胎磨损和割破,希望 发动机能保持高转速,提高工作装置的运动速度,在 循环作业行走时,希望行走速度和工作装置举升速 度相匹配,即所谓装载机“脚”和“手”的配合。因此要 求能改变变矩器的容量,采用可变容量变矩器。 2 目前在工程机械上应用的变矩器类型 2.1单级单相变矩器(见图1) 这种变矩器结构最简单,工作极可靠,性能很稳 定,制造容易,维修方便,最高效率在 90%以上,起 动变矩比 k0在 3左右,在设计上要求高效率区域 宽,目前在装载机上主要采用这种变矩器。 2.2单级两相(综合式)变矩器(见图2) 工程机械液力变矩器 同济大学机械工程学院 黄宗益 李兴华 工程机械液力变速器(第一讲) 64— — 专 题 讲 座 专 题 讲 座 SpecialSeminar第37卷2006年12月 工程机械 图1 DANA公司变矩器 需高速行驶的工程机械,为了提高变矩器高传 动比时的效率,采用综合式变矩器。其结构特点是: 泵轮和涡轮对称布置;导轮支承在单向离合器(自由 轮)上。当涡轮负荷减小,涡轮转速提高到达 i>im, 即k<1时,液力变矩器效率低于液力偶合器效率。 此时涡轮流出的液流方向从冲向导轮的工作面转向 冲向导轮的背面,导轮支承在自由轮上,由于液流对 导轮的作用转矩方向改变,导轮脱开自由旋转,液力 变矩器失去变矩能力,转变为液力偶合器,使传动效 率提高,因此综合式变矩器综合了变矩器和偶合器 的优点。 启动变矩比 k0较大的单级两相液力变矩器在 由变矩器工况过渡到偶合器工况时,效率η 值已有 明显下降。为了解决此缺陷,把导轮分割成 2个 双导轮,分别安装在各自的单向离合器上,就变成 了单级三相(或称多相)液力变矩器。综合式变矩 器在设计时又可分为两种: 经常工作在变矩器状态:一般k0为2.4~3.6 经常工作在偶合器状态:一般k0为1.7~2.1 2.3 闭锁式液力变矩器(见图3) 在需进行长距离牵引运输的工程机械上,既 要利用变矩器的大驱动力和其克服阻力的韧性, 又要改善高速行走性能,提高燃油经济性,因此在 变矩器上设闭锁离合器,可将变矩器闭锁使动力 直接传动,来提高车速、作业量和生产率,降低油 耗。 目前,在不少装载机上都采用闭锁离合器,例 如:小松、川崎装载机等。世界上著名动力换挡变 速器专业生产厂家ZF和DANA公司都有带闭锁 的综合式变矩器可供选用。 图 4为小松装载机 WA470-5GALEO上采 用闭锁离合器后所进行的油耗试验。由此可见节能 效果是很明显的。 图3 单级双相闭锁式 65— — 专 题 讲 座 专 题 讲 座 SpecialSeminar 工程机械 第37卷2006年12月 闭锁离合器的接合和分离,可以通过人工用开 关来操纵,也可采用微机自动控制。 2.4 双涡轮变矩器(见图5) 这是国内装载机上广泛采用的二前一后行星变 速器上的变矩器,是一种单级双涡轮两相变矩器。它 是20世纪60年代阿里森公司开发的产品,已经使 用了半个世纪。 变矩器2个涡轮分别通过不同传动比的两对齿 轮与输出轴相连。 第二涡轮通过增速齿轮对 5与 6与变矩器输 出轴相连,第一涡轮通过减速齿轮对 9与 8又通过 单向离合器与变矩器输出轴相连。 单向离合器接合与否是根据车辆运行的阻力决 定的。在启步和低速重载下,两个涡轮同时工作,变 矩比大;在高速轻载时,第一涡轮自动脱开,第二涡 轮单独工作,变矩比小。 其设计思想是使变矩器有两种工作状态,相当 于2挡变速器,增大了变矩比变化范围,扩大了高效 率区域,这样,可使后面动力变速器挡位数减半,使 变速器结构简化,零件数减少,制造简单,成本降低, 挡位数少,操纵简单。 但是此变矩器缺点是最高效率低,变矩器结构 复杂,增加制造成本,目前正在被淘汰中。 2.5 可变容量变矩器(VariableCapacityTorque ConverterVCTC)(图6) 装载机工作需要改变通过变矩器传给行走系统 图4 WA470-5型装载机变矩器闭锁油耗试验 1.泵轮 2.第一涡轮 3.第二涡轮 4.导轮 5、6.与第二涡轮相连 的齿轮对 7.单向离合器 8、9.与第一涡轮相连的齿轮对 图5 双涡轮变矩器 图6 可变容量变矩器 66— — 专 题 讲 座 专 题 讲 座 SpecialSeminar第37卷2006年12月 工程机械 图8 多级液力变矩器 1.泵轮 2.一级涡轮 3.二级涡轮 4.导轮 5.齿圈 6.行星架带 制动器 7、11.摩擦制动器 8.行星轮 9.太阳轮 10.输出轴 图9 导轮可反转液力变矩器 的功率,在CAT生产的装载机上使用了可变能 容的双泵轮变矩器。 泵轮分内外两个泵轮,内泵轮与发动机连接 在一起,外泵轮经滑差离合器与内泵轮相连。通 过操纵滑差离合器的接合程度,可改变外泵轮的 转速。 当离合器完全接合时,内外泵轮成为一体, 变矩器吸收功率最大。 当离合器完全脱开时,外泵轮空转,变矩器 吸收功率最小。 当离合器处于打滑状态时,外泵轮部分工 作,变矩器吸收功率随着离合器打滑率增加而减小。 随着滑差离合器的接合程度变化,传至轮胎的牵引 力可在20%至100%范围内改变。 在司机室,有 VCTC操纵杆,可改变变矩器的 吸收功率,也可对司机室内左侧制动踏板的踏板行 程进行操纵,可分5级调整其能达到的牵引力(此功 能仅在Ⅰ挡时有效)。 另外在工作装置动臂举升操纵杆上设置 MAX 按钮,操纵此按钮,可选择两种变矩器工作模式: 动力模式:可获得发动机最大功率,提高发动机 转速和工作泵流量,提高工作装置运动速度; 最大牵引力模式:可获得最大行走牵引力。 在有些装载机上还采用滑差离合器来改变变矩 器的传递功率。在变矩器输入轴上(小松WA1200) 或在输入轴和泵轮之间(TCM860,见图 7)设置滑 差离合器,通过改变滑差离合器的接合程度来改变 变矩器的输入转速,从而改变变矩器的输入功率和 输出功率及转矩,但控制效果、传动效率不如 CAT 双泵轮变矩器。 2.6 工程机械上曾使用过的变矩器 (1)多级液力变矩器:图8为其结构简图,该类变 矩器由于多个涡轮,多次液流冲击,可得很高的启动 变矩比k0=5~7,但结构复杂,效率低,目前已不采用。 (2)导轮可反转液力变矩器(见图 9) 图 9为 其结构简图,设变矩器在起步时,制动器 11松开, 对制动器 7进行制动,行星架 6固定不动,与变矩 器输出轴相连的齿圈5通过行星轮8,驱动与导轮 4相连的太阳轮9反向旋转。实现导轮反转工况。在 此工况下,变矩器输出轴除了有涡轮 2和 3传来的 转矩外,还将导轮上的反力改变方向并经行星排放 大后将转矩传到变矩器输出轴上,因此大大提高变 矩器输出轴上的输出转矩,能实现高达8~10的启 动变矩比,但由于结构太复杂,效率低,实际使用中 已被淘汰。 (待续) 通信地址:上海四平路同济新村150号402室(200092) (收稿日期:2006-07-23) 图7 TCM860液力变矩器 67— —