液力变矩器课程设计

本科生课程设计说明书设计名称：装载机液力变矩器设计学生姓名：赵燕军学号：14100724班级：141007专业：机械工程及自动化指导教师：刘春宝目录第1章绪论1.1研究目的1.2研究背景1.3课题内容第2章液力机械变速器性能及其与发动机的匹配2.1装载机动力传动系统2.1.1 轮式装载机主机和传动系的基本参数2.2发动机特性分析及数学模型的建立2.3液力变矩器特性分析与数学模型的建立2.4发动机与液力变矩器共同工作特性第3章装载机整车牵引特性计算与分析3.1牵引特性及牵引特性曲线第4章叶片设计4.1叶片设计方法——环量分配法4.2叶片设计过程4.3 涡轮图第5章结论与展望5.1课题总结5.2课题展望参考文献附录第1章绪论1.1研究目的轮式装载机它主要用来装卸散状物料，清理场地和物料的短距离搬运，也可进行轻度的土方挖掘工作，更换作业装置还可用来吊装、叉装物体和装卸园木等。

在液力机械传动系统中，液力机械变速器是关键部件。

液力机械变速器由变矩器、换挡离合器、多组传动比不同的齿轮副、操纵机构、变速阀、变速泵、壳体等组成。

采用变矩器来完成动力的传递可实现输出的转速和转矩的自动变换，从而自动改变机械的作业速度与牵引力；采用换挡离合器的结合、脱离，使变速器内不同的齿轮副工作，实现变速功能。

装载机属于循环作业机械，作业过程中的挡位变换及前进倒退挡转换频繁。

为提高装载机对载荷剧烈变化的适应能力，其主传动系统一般采用液力机械传动。

动力传动系统是装载机的主要组成部分之一，为了改善装载机的动力性和燃油经济性，对动力传动系统进行优化匹配是一个重要途径。

装载机动力传动系统优化匹配，很大程度上决定了整车动力性与燃油经济性的好坏。

因为即使发动机具有良好的性能，如果没有一个与它合理匹配的传动系统，也不能充分发挥其性能，与发动机合理匹配的传动系统能使发动机通常在其理想工作区附近工作，不仅可以减少燃料消耗，减轻发动机磨损，提高发动机使用寿命，还能减少尾气排放。

当发动机和整车参数确定以后，应当正确的选择传动系统的参数，以达到动力性和燃油经济性的合理匹配。

液力机械变速器的性能对整车的性能有重要影响，当发动机与液力变矩器组合后，可视为一种新的动力装置，具有新的性能特性，并且直接影响到装载机的牵引性能和工作效率。

也就是说装载机的牵引性能和经济性，在很大程度上取决于发动机与变矩器的共同工作情况。

发动机与液力变矩器的合理匹配也是进行整车牵引特性计算的基础是液力传动车辆动力传动系匹配及其优化设计的前提。

因此对电液控制液力机械变速器性能、匹配及整个传动系统进行优化，具有很重要的现实意义。

液力变矩器在额定工况附近效率较高，最高效率为85%～92%。

叶轮是液力变矩器的核心。

它的型式和布置位置以及叶片的形状，对变矩器的性能有决定作用。

有的液力变矩器有两个以上的涡轮、导轮或泵轮，借以获得不同的性能。

最常见的是正转(输出轴和输入轴转向一致)、单级（只有一个涡轮）液力变矩器。

兼有变矩器和耦合器性能特点的称为综合式液力变矩器，例如导轮可以固定、也可以随泵轮一起转动的液力变矩器。

为使液力变矩器正常工作，避免产生气蚀和保证散热，需要有一定供油压力的辅助供油系统和冷却系统。

1.2研究背景装载机的传动系统是从拖拉机、汽车传动系演变而来。

二十世纪年代初，装载机的特征结构形式已基本定型，其传动系的型式格局也随之确定，小型机多采用机械式传动，中型和大型装载机采用动力换挡（液力机械或全液压传动），矿山用超大型装载机采用电拖动或电动轮方式。

液力机械变速器研究与发展现状国外装载机变速器研究与发展现状装载机传动系的发展历程与主机的发展是同步的。

目前，绝大多数的装载机都采用了液力机械式传动系统。

液力机械传动有两种流派：一是以克拉克为代表的定轴式；另一类是以卡特比勒为代表的行星式。

定轴式液力机械变速器既有机械变速器结构简单、便于制造等优点，又有液力机械传动的启动性能好、换挡平稳等优点，适用于工程机械及工作状况与工程机械相类似的中小型机械。

美国艾里逊公司生产出第一台液力机械变速器，主要由液力变矩器与行星齿轮变速器串联组成，控制方式有全液压控制、手动电控及微电脑逻辑控制。

自年以来，德国公司已成功设计生产了系列液力变矩器可根据发动机特性、车辆总质量及典型道路情况等匹配选择。

世纪年代，美国、德国开始在工程机械上使用电控机械式自动变速器。

目前，工程车辆变速器已经向半自动或自动换挡的方向发展，其中卡特彼勒轮式装载机采用的动力换挡变速器如图所示，变矩器为单级单相三元件，可实现前进四挡后退四挡的行走方式。

对于工程机械液力机械变速器的性能研究主要集中在与发动机、传动系统的匹配问题上。

液力机械变速器与传动系的匹配研究在国外起步较早，从上世纪年代中期到年代，有关动力传动系统的模拟计算一直处于建模和模拟软件开发的水平上。

年，美国通用汽车公司首先开发了汽车动力性与燃料经济性的通用预测程序，该程序可以模拟车辆任何行使工况下的瞬时油耗、累计油耗、行使时间和距离，预测车辆设计参数如重量、传动系速比、空气阻力系数等的变化对性能的影响。

年代中后期，欧美各国主要通过减小变速器和驱动桥的传动比来改善燃油经济性，但同时降低了车辆的动力性。

随着电子技术的发展，微电子技术应用于这一领域，主要体现在发动机最佳运行工况的选择和电子控制，以及车辆无极变速系统的设计与机械变速器的自动控制等。

年代初，随着电子计算机的广泛应用和测试手段的不断提高，使得通过模拟计算和试验相结合的方法来研究车辆动力传动系统匹配问题成为可能。

国产装载机主要采用以下三种液力机械变速器：（1）双涡轮元件变矩器进退行星式变速器此类变速器由双涡轮液力变矩器和行星式动力换挡变速器组成，变矩器能实现重载和轻载两种工况的自动变换，有个前进、个后退、个行星排、个直接挡，结构简单、挡位少，完全实现了单杆操纵。

但双涡轮变矩器比单元件变矩器传动效率低，功率损失大，超越离合器易失效，造成变矩器不能输出重载。

图1.1(a)为杭州前进齿轮厂变速箱，变矩器为单级、二相、四元件，动力换挡和电液控制可实现前后的行走方式。

（2）单涡轮元件变矩器进退定轴式变速器高挡装载机中主要是采用德国公司进口或与柳州合资生产的变速器，此类变速器的特点是除输入和输出轴外，其它中间轴都是固定不转的，变速泵采用效率较高的内啮合齿轮泵，换挡控制采取电子—液压操纵系统。

图1.1(b)为杭齿型液力机械变速器，由元件变矩器进退定轴式变速器组成。

（3）单涡轮元件变矩器进退、进退或进退定轴式变速器此类变速器主变速部分一般采用三自由度机构液压离合器换挡，副变速则采用机械换挡机构每个挡位需结合两个离合器。

图为杭齿ZL20/BS428型变速器。

80年代以后，国内工程机械行业和高校开展了这方面的研究。

研究的主要内容有：动力传动系数学模型的研究；动力传动系统最优匹配的评价指标；动力传动系参数的优化；模拟程序的应用研究。

过去对传动系的匹配，由于受客观条件如测试手段和计算工具的制约，一直采用定性分析和简单的定量计算，靠大量的试验资料和反复测试的结果进行设计。

在传统的设计中，为确定传动系参数，首先要根据设计者的经验和车辆在某些极限行驶状况下的动力性要求来选择集中方案进行设计试验，然后通过试验结果对比，修改设计方案，然后再试制、再试验的方法。

这种手段投入成本大，设计周期长，因此设计者受时间和经费的限制，往往采用参照法或者凭经验决定动力传动系的匹配，其结果往往是虽能满足基本性能的要求，但是发动机和传动系的匹配却不合理，没有充分发挥其性能指标反而增加了燃料消耗，加速了发动机的磨损，降低了发动机的使用寿命。

近年来，在动力性、燃油经济性模拟程序研究的基础上，对发动机、传动系的最优匹配问题进行研究；同时，也对液力传动车辆动力传动系的优化和匹配进行研究。

通过对发动机与传动系的匹配计算，使车辆产品在开发前，就能做到预测车辆的性能、指导产品的设计和生产。

与传统设计方法相比，不仅可以节约大量的人力、物力，缩短设计周期，还可以明显提高设计质量，保证所设计的车辆具有优良的性能。

2.液力变矩器的工作原理机械能→动能过程：泵轮由发动机驱动旋转，推动液体随泵轮一起绕其轴线旋转，使其获得一定的速度（动能）和压力。

其速度决定于泵轮的半径和转速。

（2）动能→机械能过程：液体靠动能冲向涡轮，作用于叶片一个推力，推动涡轮一起旋转，涡轮获得一定转矩（机械能）。

少部分液体动能在高速流动中与流道摩擦生热被消耗。

（3）动量矩变化过程：导轮固定，液体流经时无机械能转化，由于导轮叶片形态变化（进出口叶片面积不等），液流速度和方向发生变化，其动量矩改变。

动量矩变化取决于叶片面积的变化。

涡轮转速随外界负荷的不同而变化，液流冲击叶片的方向和速度亦随之变化。

[2][2]增扭：涡轮速度低时，涡流速度大，环流速度小，合成液流的方向冲击导轮正面，经导向顺着泵轮叶片槽冲击涡轮，涡轮的输出转矩增大。

1.3研究内容本课题把发动机、液力变矩器和机械传动系统视为一个有机联系的整体进行研究，重点对液力机械变速器性能及其与发动机、传动系合理匹配问题进行研究，并对传动系统参数进行优化。

本文结合企业委托项目主要研究内容如下：（1）对装载机电液控制液力机械变速器性能进行分析，并进行发动机和液力变矩器共同工作的匹配计算.（2）在分析装载机牵引力平衡和牵引功率平衡的基础上，进行整车的牵引力和牵引功率的计算。

第2章液力机械变速器性能及其与发动机的匹配2.1 装载机动力传动系统2.1.1装载机动力传动系统的组成动力装置和驱动轮之间所有传动部件总称为传动系，通常包括液力变矩器、变速箱、驱动桥、轮边减速器等主要部件。

图2.1为轮式装载机液力机械传动系简图。

ZL50采用液力机械传动方式，变速系统为动力换挡变速器。

主要部件包括康明斯6CT8.3-C215型发动机、YJH340型三元件液力变矩器、4WG200型前四后三的动力换挡变速箱、工作油泵、以及传动轴、驱动桥等。

发动机输出的原始动力经传动轴传给液力变矩器，液力变矩器的动力一部分传给变速箱用来驱动车辆行走，另一部分传给工作油泵用来进行作业；变速箱的动力经传动轴传到驱动桥，驱动桥中的主传动器和差速器实现降低转速、增大转矩并将动力分别传到左、右轮边减速和车轮。

变矩器和耦合器比较，有相同之处也有不同之处。

相同的是变矩器和耦合器一样，都是利用液体来传递动力，都油泵轮和涡轮。

不懂的地方是，变矩器在传递动力时，能把动力机的扭矩经过改变以后传给工作机。

变矩器能变矩的特点是由于在工作腔内比耦合器多了导轮所形成的。

2.1.2 轮式装载机主机和传动系的基本参数（1）整机参数空载车重：10200kg载重量：3000kg滚阻系数:0.03附着系数:0.761.发动机2.液力变矩器3.工作泵4.动力换挡变速器5.后驱动桥6.车轮7.传动轴8.前驱动桥图2.1 装载机动力传动系统简图滚动半径(mm)635传动效率:0.83轮边减速比:1主减速比:19.216前进1档速比：4.585前进2档速比：2.148前进3档速比：0.827（2）发动机原始参数发动机型号：玉柴YC6J125Z-T20（J8000）结构：直列六缸二气门排量：6.5 L标定功率/转速：92 kW@ 2200r/min最大扭矩/转速：525N.m @1400～1600( r/min)进气方式：增压燃油系统：国产机械泵2.2 发动机的特性分析及数学模型的建立发动机是装载机的动力源，它的基本性能在很大程度上决定了装载机的整机性能。