双导轮式液力变矩器的结构设计

双导轮式液力变矩器的结构设计摘要液力变矩器是以液体为工作介质的一种非刚性扭矩变换器，是液力传动的型式之一，安装在发动机和变速器之间，以液压油为工作介质，起到传递转矩，变速，变矩的作用。过载保护性能和起动性能好，输出轴的转速可大于输入轴的转速，两轴的转速差随传递扭矩的大小而不同，有良好的自动变速性能等等。此设计的整个设计思想主要是在安全的基础上展开的，然后对液力变矩器的性能做一些更进，对于导轮的设计采用提高载荷和增加扭矩的思想，安装超越离合器，使导轮能够单向转动，提高变矩系数和工作范围。双导轮液力变矩器相对于单导轮的变矩系数，工作范围和高效区，都有很大的不同。在这我们分析变矩器的结构和各部件的作用，变矩器常见的故障分析以及维护维修方法。通过对轴和叶轮叶片的分析计算，校核产品的强度刚度，设计零部件的架构尺寸。用三维实体图片描述双导轮液力变矩器的零件的相互关系以及装配过程。关键词：液力变矩器，自动变速器，双导轮IAbstractTorque converter is a non-rigid torque converter for the work of fluid medium. It is one of the types of hydraulic transmission, installed between the engine and transmission, and Worked by hydraulic oil， playing a important part in transmission of the torque. The characteristics of torque converter are: eliminating shock and vibration, overloading performance and good starting performance. The output shaft speed can be either higher than the input shaft speed-two-axle speed difference with the size of the torque transmission, and it have a good performance of the automatic transmission and so on.The concept of the design is the design security, and then do some more improvement of the hydraulic torque converter. The design of the guide pulley used to raise the load and increase the torque, and erect the Clutch so that pulley rotation can be one-way rotational. Improve the torque variation coefficient and the scope of work.Compared to single guide pulley torque converter, two-guide pulley torque converter has greater torque variation coefficient, broader scope of work and wider area of high-performance. In this passage, we will analyze the role of the various components, Torque converter failure analysis common repairs and maintenance methods, through the shaft and impeller blades analyze and checking the strength and the stiffness of products. All parts of double-guide pulley of the torque converter described by three-dimensional, it statements the relationship between parts and the assembly process.Key words: hydraulic torque converter, automatic transmission, double guide pulley双导轮式液力变矩器的结构设计目录第一章前言11.1 液力变矩器的研究及背景11.2 液力变矩器的工作原理11.2.1 结构与工作特性11.2.2 变矩功能的说明31.2.3 超越离合器41.3 液力变矩器的特点41.4 液力变矩器液体的流动分析以及叶片的设计51.4.1 液力变矩器内流场研究6第二章液力变矩器的使用和常见故障诊断以及对未来的展望92.1 液力变矩器的正确使用92.1.2 液力变矩器正常工作时需要解决的问题92.1.2 液力变矩器正常工作的压力补偿系统92.1.3 正确使用液力传动油92.1.4 液力元件的检查102.2 常见故障及诊断方法112.3 液力变矩器的其他研究方向132.4 液力变速器在工作中出现的主要故障和维护保养142.4.1 温度过高142.4.2 液力变矩器的维护与保养142.5 新型可变容量双泵轮液力变矩器152.6 液力变矩器研究展望15第三章液力变矩器的结构设计与计算183.1 液力变矩器叶轮叶片的设计183.2 变矩器的设计与计算203.3 轴的设计及校核223.4 密封材料的设计263.5 选择材料26第四章液力变矩器设计模型和零件之间的装配关系28第五章分析和总结395.1 经济可行性分析395.2 设计分析总结39参考文献41致谢43声明44第一章前言1.1 液力变矩器的研究及背景在国内外中、高档轿车、大客车、矿用车等车辆应用液力变矩器越来越多。液力变矩器在我国的应用和发展开始于五十年代，当时是在大马力内燃机车和“红旗” 牌小轿车上装配了液力变矩器。此后液力变矩器在我国获得了稳定的发展。目前我国液力变矩器传动技术已经由仿制试制向独立设计产品系列化的方向发展。有些产品已经达到了较高的水平。为了适应石油工业的迅速发展，我国开始研制液力变矩器应用于石油钻机上进行工业试验，并取得很好的效果，但是由于液力变矩器自身的复杂性，它的开发设计还依赖于设计经验。液力变矩器是液力传动车辆的关键部件之一【1】，是一种包含了机械和液力机构的复杂液固耦合系统。在总结了国内外主要研究成果的基础上，可以将液力变矩器研究划分为两个阶段： 第一个阶段是从20 世纪30 年代到20 世纪80 年代， 这一阶段的主要特点是基于一元束流理论的液力变矩器设计和分析研究， 可以将这一阶段称为传统液力变矩器研究阶段；第二个阶段是从20 世纪90 年代至今，这一阶段的主要特征是基于液力变矩器三维内流场分析结果的优化和设计方法的发展， 在这一阶段，国内外出现了大量的利用商用软件进行液力变矩器分析、设计和优化的文章， 可以将之称为液力变矩器现代设计分析理论研究阶段。在美国，几乎 100%的城市公共汽车、90%以上的轿车、70%以上的重型汽车和其它工程车辆都装备了液力变矩器【2】。近年来，国内各大汽车厂商推出了装备自动变速器的新车型，但这些液力变矩器大多依靠国外进口或引进国外技术后在国内组装生产。因此，开发具有我国自主知识产权的液力变矩器产品具有极好的应用前景。也是我国汽车技术现代化重点开发方向之一，有着巨大的市场潜力。如果液力变矩器能广泛应用，必将带来很大的社会效益和经济效益。1.2 液力变矩器的工作原理1.2.1结构与工作特性液力变矩器是由泵轮、涡轮和导轮等三个工作轮及其它零件组成。泵轮和涡轮都通过轴承装在壳体上，而导轮则与壳体固定不动。三个工作轮都密41闭在有壳体形成的并充满油液的空间中。图1-1液力变矩器泵轮导轮涡轮图1-2液力变矩器中的主要部件各工作轮中装有弯曲成一定形状的叶片以利油液的流动，各工作轮中心部分成圆环形称之为循环圆内环。泵轮与发动机飞轮圆盘固定连接, 为液力变矩器的主动件; 涡轮与液力变矩器的输出轴( 即自动变速器的输入轴) 以花键连接, 为液力变矩器的从动件; 导轮通过单向离合器安装于导轮套管上, 只能单向旋转, 其旋转方向由ATF 工作液对其的作用力方向来决定。液力变矩器的输入轴与输出轴间靠液体联系，工作构件间没有刚性联接。液力变矩器的工作特性曲线如图1-3【3】 所示,图中的n 、M 、M 、M分WWBA别表示涡轮转速、涡轮转矩、泵轮转矩、导轮给予涡轮的转矩。液力变矩器工作时, 充满于泵轮叶片间的工作液在离心力的作用下以很高的速度和压力从泵轮的外缘流出, 进入涡轮; 涡轮在高速液流的冲击作用下旋转, 进入涡轮的液流速度降低, 并沿着涡轮叶片通道流动, 同时又与涡轮一起旋转运动;从涡轮流出的液体接着进入导轮,在导轮叶片的作用下, 改变了速度方向的液体质点重新返回泵轮, 完成在工作轮之间的不断循环( 即液体从泵轮涡轮导轮泵轮循环不息) 。在工作液循环流动过程中, 涡轮承受泵轮给予的转矩M B和导轮给予的反作用转矩。图1-3液力变矩器的工作特性1.2.2 变矩功能的说明以汽车加速和匀速行驶状况为例WBAB（1） 在汽车起步和加速时, 液力变矩器工作在变扭区( 图1-3中的曲线A- B 段) , 此时涡轮输出到变速器的扭矩大于发动机输入给液力变矩器的扭矩, 即MW MB 。在此阶段, 泵轮通过油液对涡轮产生力矩MB , 同时, 从涡轮流出的油液对导轮产生冲击力,由于导轮不旋转, 相应地导轮也给涡轮一个反作用力, 产生力矩M A , 力矩的方向与泵轮对涡轮的力矩的方向相同,M = M + M M 【4】。由于在起步时nW =0, 从涡轮流出的工作液冲击到导轮叶片的正面,冲击力最大, 相应地导轮通过液体给涡轮的反作用力产生的力矩也最大,故起步时涡轮的输出扭矩最大, 工作在图1-3中曲线的A 点, 这便于汽车克服较大的起步阻力。汽车起步后进入加速状态, 由于nW 0, 进入涡轮的液流同时又与涡轮一起旋转运动, 则从涡轮流出的液体进入导轮的方向发生改变, 使对导轮的冲击力减小, 相应地M A 也减小。随着车速越来越高( nW越来越大) ,M A 继续减小, MW也继续减小, 直至等于MB 。在汽车起步后的加速工作状态,液力变矩器工作在图1-3中的曲线AB段。（2） 在车速较高时, 液力变矩器工作在耦合区( 图1-3中的曲线B- C段) 。当涡轮转速nW 达到一定值时,从涡轮流出的液体冲击进入导轮的方向改变到能使导轮旋转, 导轮便与涡轮同步旋转, 相应地导轮通过液体给涡轮叶片的反作用力矩M A 为0,则涡轮输出的扭矩与泵轮输出的扭矩大小相等, 液力变矩器相当于耦合器, 只变速不变矩。由于液力变矩器是采用液体传递扭矩的, 发动机输入到变矩器的动力并没有100%地传递到变速器, 因此液力变矩器的传动效率没有机械变速器高。为了提高变矩器在高速工况下的传动效率, 改善汽车的燃油经济性, 目前大多数轿车采用了带锁止离合器的液力变矩器。当汽车低速行驶或速比较小时, 液压控制系统控制传动液在液力变矩器里的流动方向,使离合器处于分离状态, 锁止式变矩器仍具有增扭和耦合器的功能; 当汽车高速行驶或速比增大到一定值后,液压控制系统改变传动液在液力变矩器内的流动方向, 使锁止离合器接合, 泵轮与涡轮连接成一体,发动机动力由飞轮和变矩器直接传递到变速器输入轴, 从而实现100%的动力传递。1.2.3超越离合器导轮中的超越离合器起到导流和变矩的作用，是一个利用滚柱的楔紧作用单向传递运动或扭矩的离合器。滚子式单超越离合器由外围、滚子、弹簧和内圈组成，滚子数目通常为68个。工作过程中，若离合器的外圈相对于内圈沿逆时针方向转动，那么，滚子便在具有凸轮型线的开口槽中向大端移动并压缩弹簧。这时，离合器不会出现锁止现象，而允许外圈转动，而当反向转时，导轮则被锁止。它的功能有如下：（1）单向传动：将动力从主动件单方向传给从动件，并可根据主动件和从动件转速的不同自动的接合或分离。（2）单向锁定：能将某一元件单向锁定，并可根据两元件受力的不同自动的锁定或分离1.3 液力变矩器的特点（1）自动无级变矩、变速（2）自动离合（3）减振隔振（4）使发动机转动平稳（5）过载保护（6）发动机制动，使汽车加速平稳，乘坐舒适，以及操纵方便，行驶安全。输出轴的转速可大于或小于输入轴的转速，两轴的转速差随传递扭矩的大小而不同；保证动力机有稳定的工作区，载荷的瞬态变化基本不会反映到动力机上。液力变矩器在额定工况附近效率较高，最高效率为8592。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。1.4 液力变矩器液体的流动分析以及叶片的设计传统的液力变矩器研究主要利用一元束流理论进行性能计算和优化改型， 并由经验公式和试制相结合进行液力变矩器的设计工作。a叶轮中的总液流由许多流束组成，流动轴对称。 b叶轮的叶片数无穷多，叶片无限薄。出口液流方向决定于叶片出口角，与进口流动无关。c. 同一过流断面上各点轴面速度相等，故所有计算可按平均流线进行。在以上假设的基础上， 流动参数便是仅沿着中间流线变化的一元函数了。一元束流理论的优点是模型简单、物理概念简明、设计计算工作简化并且易于掌握， 因此基于一元束流理论的计算设计方法在这一阶段得以迅速发展和成熟。需要指出的是， 在这一时期也出现了二维和准三维势流模型理论，但是应用并不广泛，随着采用有限元、有限体积法的大型商业软件的成熟，以及微型计算机性能的提高， 真正的三维流场分析方法开始出现并成为现代液力变矩器研究的主流。液力变矩器流道内为复杂的三维粘性流动。液力变矩器内部流体的流动是粘性近似不可压的非稳态三维湍流运动， 其运动由三维的NavierStokes 方程组（NS 方程组）描述，现代液力变矩器的设计分析理论是在试图求解真实的内部三维流场基础上发展起来的， 可以从以下几个主要方面来描述这一阶段的成果。通过流场分析，准确获取流场特性，能为液力变矩器的性能预测、合理设计提供科学的理论和实践依据。1.4.1液力变矩器内流场研究a.试验研究液力变矩器内流场分析结果可以用来准确预测性能，分析液力损失的原因，并为性能优化和结构设计提供依据。但是液力变矩器流道封闭，叶片为三维空间曲面， 工况变化范围较大，无论是试验研究还是数值研究都存在一些困难和缺陷。所以， 液力变矩器流场分析通常是将试验结论和数值计算结果相互作为验证、对比的依 据。试验测量液力变矩器内流场的研究始于20世纪80年代中后期，所采用的主要设备有：激光多普勒测速仪（LDV）、5孔探针、叶片与壁面静压测量仪器等。其中5 孔探针是侵入式的台架，LDV 是非侵入式的台架。这一时期的试验研究， 是利用各种试验设备测量了液力变矩器各个叶轮内部和交界面稳态的、瞬态的速度和压力分布情况。对于内流场的测量，需要首先解决的主要问题就是如何处理不同叶轮的旋转坐标系问题，比较常用的方法是先测量固定坐标系下的值，然后转化成旋转坐标系的值。特别是对于瞬态的流场，需要综合用到时域平均算法和频谱分析，试验研究的结果表明，一维的束流理论预测的流场情况与液力变矩器的实际流场有较大差距，而其最重要的意义在于揭示了流场内的射流尾流、二次流、脱流等现象的存在，从而得到了液力变矩器内部的主要流场特征。学者们在试验结果的基，根据粘性流体力学的相关理论分析了造成这些流场损失的原因。b.仿真研究随着CFD 商用软件的发展，液力变矩器的计算模型也越来越逼近实际的物理模型，分析精度已经可以较为准确地模拟实际液力变矩器内部的流场分布情况。在液力变矩器内流场数值模拟发展成熟的过程中，有两项技术具有重要的意义，即具有工程应用价值的湍流模型和混合面模型（mixingplane）的出现。液力变矩器内流体的运动遵循三维的NS 方程组。直接求解瞬态的三维粘性不可压的NS 方程组难度很大，因此没有工程意义。所以，就需要通过一些假设， 结合简化的湍流模型来进行模拟，从而降低难度，并能够满足一定的工程应用精度。在液力变矩器内流场模拟中用的最多的是标准k 两方程模型。标准k两方程模型是Launder 和Spalding 提出的，它是在雷诺时均方程的基础上，通过补充k 和的输运方程使得方程组封闭，经过后人的实践和不断的完善，找到了具有较广适用性的标准k两方程模型常数，从而使得该模型在工程中得到广泛的应用【5】。利用上述的两项技术， 液力变矩器内流场的分析得以简化， 使得数值仿真迅速成液力变矩器研究的主流之一。液力变矩器的设计主要是指变矩器的循环圆设计、叶片设计以及一些关键零部件的设计，由于叶片参数直接影响到变矩器的性能，因而是设计的关键.叶片的设计方法通常有统计经验法、相似设计法和理论设计法三种.基于建模和计算的复杂性和液力变矩器流场的特殊性，液力变矩器叶片设计的理论基础经历了由一维流动理论、二维流动理论到三维流动理论的发展过程，如表1-1 所示.表1-1 液力变矩器流场理论及特点流动理论特 点一维流动理论（束流理论）将工作轮中的总液流假设成由许多流束组 成，对流场进行大量简化，具有一定的工程实用价值.能反映流体作用的宏观效果，但不能正确反映宏观效果的微观原因，与液力变矩器实际内流场差别较大.二维流动理论将工作轮中的流动简化为过旋转轴心的一组平行轴面内的平面流动，该简化对纯离心式或轴流式工作轮中的实际流动情况，较为接近；对常用的向心式涡轮液力变矩器来说，与实际流动的差别仍然很大.三维流动理论采用计算流体动力学数值模拟技术研究液力变矩器内部的流动形态，但能反映变矩器内部真实流动的数学模型还不完善，有待进一步研究和发展.流场分析可以充分认识液力变矩器内部流场特性以及导致流场特性的结构因素，预测变矩器性能，从而更好地指导液力变矩器的优化设计.在总结了液力变矩器流场分析技术的研究现状的基础上，指出：液力变矩器瞬态性能的试验研究，建立切合实际、反映液力变矩器内部真实流动的数学模型，进行内流场的瞬态分析是液力变矩器流场分析的研究方向.液力变矩器的全三维设计、CAD/CFD 集成设计与分析是液力变矩器设计开发的主要方向。第二章液力变矩器的使用和常见故障诊断以及对未来的展望2.1 液力变矩器的正确使用液力变矩器能够自动适应负载变化、调整工作速度，并且缓和冲击、延长机械寿命，在工程车辆上得到了广泛使用。工作中必须注意正确使用工作油和液力元件， 作好定期检查和维护，才能提高工作的可靠性、保障机械的正常使用寿命【8】。2.1.2液力变矩器正常工作时需要解决的问题（1）正常工作的变矩器平均效率大约为0.7左右，故约有30%的能量消耗。损耗的能量使油液及有关零件的温度升高，因此变矩器工作时应考虑散热和冷却问题。（2）液力变矩器的泵轮高速转动（10003600r/min）,循环圆内液流质点沿工作轮叶片流动时受离心力的作用,叶片上各点处液流压力均不相同,在泵轮叶片出 口处压力最大,而在泵轮叶片进口处的叶片背面压力最低。在液流过程中,当局部压力低于空气分离压以下时,溶解于油液中的空气会大量从油中分离出来产生气泡, 使液体成为不连续状态,这种现象称为气穴.由于受高温下分离出来的氧气侵蚀和 高速液流的冲击,液力元件的内壁表面会产生剥落,这种现象称为气蚀。气穴和气蚀的产生,将影响变矩器正常工作,使其效率降低%寿命缩短,因此在变矩器的液流通 路中,各处的油液压力都不应低于油液的空气分离压。另外#液力变矩器一般都与传动系动力换挡变速器的工作油路接通,而动力换挡变速器的工作油路采用液压传动, 因而液压传动管路中同样也要防止气穴和气蚀的产生。(3)液力变矩器在工作中油液是有漏损的,需要考虑及时补充。2.1.2液力变矩器正常工作的压力补偿系统为了解决上述3个问题,工程机械的液力变矩器都设置有油的补偿系统,工作时一部分油在一定油压下不停地通过变矩器外循环进行强制冷却,以使变矩器中保持一定油量、油压和油温，并且多采用水冷式的油冷却器。2.1.3正确使用液力传动油工程机械液力变矩器用油既要满足液力传动也要满足液压传动的工作要求，既要冷却变矩器也要冷却变速器，同时要润滑各种传动零件，还要抗氧化、抗气泡等等，所以对油料提出了诸多性能要求。概括起来主要有以下几个方面：（1）相对密度：相对密度对液力元件传递转矩起着重要的作用，变矩器传递的转矩与油液相对密度成正比，增大相对密度便能增大传递转矩的能力。（2）热容：热容越大，油液传递热能的能力越强，对变矩器和变速器的冷却效率越高。（3）粘温特性：无论液力传动还是液压传动对粘温特性都有较高的要求，否则冬季易使变矩器、油泵的搅拌损失增大，效率下降，同时流动阻力增大、起动困难；夏季易使液压泵的容积效率下降，油压不足，离合器片接合不紧；同时润滑性能变坏、密封不良。（4）热氧化稳定性：是指长期高温下油液能保持清洁而无胶质和沉积物的能力，显然，这是一项重要的性能指标。需要强调指出，盲目地将液压油代替液力传动油是错误的，因为液压传动与液力传动的工作条件不一样。液压油的最大流速一般限制在57m/s,工作温度一般控制在50 C 左右,不得超过60 C ;而液力油的最大流速一般可达20 m/s,工作温度一般控制在90 C 左右,最高不得超过120 C 。液压油不能保证液力传动设备的抗高温氧化、高旋转速度（10003600r/min）和油流速（可达20 m/s）、高油温（可达120 C ） 等工作要求，因此应按照液力传动油的说明正确选用传动油。2.1.4液力元件的检查（1）变矩器零速工况的检查在变矩器输出轴零速工况下（制动），使发动机油门全开（不要超过30s）， 记录发动机的实际转速，并与说明书推荐的发动机转速作对比。如果发动机的实际转速低于推荐的转速，说明发动机功率不足或者变矩器导轮的单向离合器打滑（不能闭锁），此时应进一步检测发动机的功率，以便在两者当中作出判断$如果发动机的实际转速高于推荐的转速，说明此时变速器所挂挡位的离合器打滑或者变速器离合器的油路压力不够，可通过检查压力进一步确定。（2） 带单向离合器的导轮工作的检查导轮是否正常工作#可通过观察油温下降速度来进行。在变矩器输出轴零速工况下使发动机油门全开，使变矩器出口油温升高到100 C ，然后松开变矩器的输出轴#使输出转速到最大值，这时立即检查油温下降速度。温度应该在15s之后开始下降，温度下降速度慢，表示导轮可能闭锁，单向离合器自由轮卡死；如果温度迅速下降，则导轮工作正常。（3）进口压力的检查有些工程机械的变矩器装有变矩器进口压力的测试螺塞，在此装上油压表可以检查变矩器进口压力。检查办法是：在发动机油门全开，变矩器输出轴零速工况下。变矩器进口压力最低为0.35MPa，最高为0.54 MPa；在发动机油门全开，变矩器空载工况下所允许的最高工作压力为0.85 MPa。一般不能超过所规定的极限值，否则会发生故障【9】。2.2 常见故障及诊断方法（1）漏油液力变矩器漏油的故障通常发生在液力变矩器与变速器连接部位的油封处。造成漏油的原因有液力变矩器轴套油封损坏; 液力变矩器轴套外表面拉伤; 液力变矩器内轴油道堵塞, 造成压力油压坏轴套油封; 液力变矩器驱动盘或飞轮变形, 造成安装时液力变矩器轴套与变速器输入轴不同心, 导致轴套油封变形或损坏【16】。诊断方法: 根据以上原因依次进行检查, 对症进行维修或更换油封即可消除漏油故障。（2）低速时加速无力从液力变矩器的扭矩特性曲线可以看出, 汽车在低速时, 导轮不转动, 液力变矩器将增大传递扭矩, 以提高加速能力。如果在低速时导轮转动, 液力变矩器相当于耦合器, 不能增大扭矩, 则加速无力。因此, 对于液力变矩器来说, 低速时加速无力是因为导轮的单向离合器打滑所致。诊断方法: 在发动机性能良好的情况下, 按正常规范操作, 进行低速加速试验, 便可确定故障原因。维修方法: 剖开液力变矩器, 更换单向离合器, 焊接好后进行动平衡试验, 或者更换液力变矩器。（3） 高速时( 锁止离合器锁止前)加速无力从液力变矩器的扭矩特性曲线可以看出, 汽车在高速时, 由于导轮转动, 液力变矩器相当于耦合器。如果导轮不转动, 液力变矩器将按图1中的曲线B- D 段工作, 其输出扭矩小于发动机输出扭矩, 所以出现高速时加速无力的现象。因此, 对于液力变矩器来说, 高速时( 锁止离合器锁止前) 加速无力是由于导轮的单向离合器发卡不能转动所致, 发卡的原因通常是ATF 油液太脏。诊断方法: 在发动机性能良好的情况下, 按正常规范操作, 进行高速加速试验, 便可确定故障原因。维修方法: 用专用清洗机清洗液力变矩器, 排除里面的脏物, 即可消除故障。如果故障仍不能排除, 则应对液力变矩器进行解体维修或者更换。（4）紧急制动时发动机熄火自动变速器汽车在制动时液力变矩器中的锁止离合器将分离, 发动机在液力变矩器处通过油液与传动装置软连接, 制动时不会熄火。紧急制动时, 如果锁止离合器未分离, 则使发动机与传动装置、驱动装置连成一整体了, 就会造成发动机熄火。因此, 紧急制动时发动机熄火, 就是由于液力变矩器的锁止离合器未解除锁止。检修方法: 检查自动变速器电控系统是否有故障; 检查锁止离合器的液压控制系统是否有故障, 如锁止继动阀、锁止信号阀发卡等。检测维修或更换液力变矩器。（5） 液力变矩器异响非金属响声: 液力变矩器在工作时发出的非金属响声主要是变矩器中的泵轮搅油的声音, 此响声随发动机转速的变化而变化。出现这种现象的原因是液力变矩器中的油量不足, 可能是油泵故障、调节液力变矩器油压的调压阀故障或是液压控制系统漏油造成的。检查方法: 检查油面, 可以判断ATF 油量是否合适; 检查油压, 可以判断油泵或调压阀等是否有故障; 拆开阀体, 检查控制液力变矩器油压的次调压阀是否有故障。金属响声: 液力变矩器在工作时发出金属响声, 主要是泵轮与涡轮叶片碰撞、轴承发响或锁止离合器的主、从动件摩擦发响。泵轮与涡轮叶片碰撞和轴承发响很容易判别。锁止离合器摩擦响的判别方法是: 当车速较低时, 锁止离合器未结合, 没有响声; 当车速较高时, 锁止离合器开始结合, 从液力变矩器处发出摩擦声, 即为锁止离合器的主、从动件摩擦发响, 其原因是锁止离合器摩擦片严重磨损。（6）液力变矩器高温液力变矩器高温主要是由于ATF 油冷却不良或负荷过重, 可能的原因有: 油冷却器堵塞或散热不良;控制流经冷却器油量的控制阀故障;锁止离合器在汽车高速时不能锁止,造成ATF 油负荷过重, 导致液力变矩器高温.2.3 液力变矩器的其他研究方向a.空化现象空化现象的出现会导致液力变矩器的效率下降，并且产生振动和噪声，使得舒适性下降。且由于其发生、发展、消失机理复杂，对学者们的研究是一件有挑战性的事情；另外，由于大多数的内流场数值模拟在失速工况下得到的性能数据与试验值偏差较大， 因此对于空化机理的研究对于提高液力变矩器数值仿真的精度有积极的意义。但是，由于空化现象涉及非稳态的气液两相流问题， 数值模拟的难度较大，因此试验方面的研究较多。b.液力变矩器锁止离合器的滑差控制Kazutaka Adachi对无级变速器里应用的液力变矩器的锁止离合器进行滑差控制的研究， 作者将复杂的非线性系统通过线性参数变化转化为简单的一阶线性系统， 在考虑参数大幅度变化和各种扰动的该系统上应用了鲁棒控制。Hibino，Ryoichi等在液力变矩器锁止离合器滑差控制系统里应用了H 控制， 作者引入了“特征变量补偿滤波器”，结果表明这一滤波器的使用可以较好地提高系统的性能。JinOh Hahn等设计了一个基于转矩评估的鲁棒控制器， 这个控制器应用于液力变矩器锁止离合器的滑差控制系统。c.液力变矩器锁止离合器的滑摩特性研究Chengwu Duan等人研究了液力变矩器锁止时的非线性特性， 首先采用线性系统研究从粘到粘滑运动的过程，可高效而精确地识别频率特性，从而指出发动机力矩波动和摩擦的非线性特性是粘滑发生的主要原因。随后分析了摩擦盘惯量对于系统动力学行为的影响， 并将预测结果与试验结果进行了对比。Hideki Ogawa等人认为自从锁止离合器使用滑差控制时就伴随有各种振动问题的发生， 例如shudder 现象，要想降低振动问题的负面影响，需要在设计阶段就加以改进， 并通过仿真研究各种因素的干涉现象。滑差控制锁止离合器可以提高动力性和燃油经济性， 与此同时也对锁止离合器的摩擦材料提出了更高的要求， 作者描述了高能高速滑差时应用的新型摩擦材料的发展状况【14】。2.4 液力变速器在工作中出现的主要故障和维护保养2.4.1温度过高液力变矩器最常见的故障是温度过高。由液力变矩器的特性曲线图可知, 当变矩器的输出转矩即涡轮转矩随着外界阻力变化而变化, 外界阻力增大时, 变矩器的输出转矩也增大, 涡轮转速降低。当输出转矩增大到一定值时, 涡轮转速降为零, 而此时变矩器的输入转矩仍然不变, 也就是说发动机的负荷并未改变。因此, 当外界阻力大到一定值后, 变矩器的输出转矩涡轮转矩达到最大值, 而涡轮转速为零, 机器行驶速度也为零, 而发动机却既不冒黑烟又不降速,也不熄火, 仍然以泵轮转矩输给变矩器,这种现象称为“ 失速” 。在“ 失速”状态下, 变矩器传动效率为零, 发动机供给变矩器的动能全部转化为搅油损失, 即热能, 从而使变矩器油温升高。因此, 使用中必须避免发生这种状况。在涡轮转速变化范围内, 变矩器最高传动效率点只有一个, 液力传动达到无级变速, 但不是绝对的, 且必须在一定的涡轮转速范围内使用, 否则, 传动效率相当低。因此在驾驶有液力传动的机器时, 僻要根据载荷的不同变化变换挡位, 最好将发动机油门于额定转速附近。长期工作于低效率区, 不仅造成油料、时间的浪费, 而且会造成油温升高。因此, 正常的操作是大油门、勤换挡, 随时注意变矩器的工作油温及油压。2.4.2液力变矩器的维护与保养液力变矩器最常见的故障, 一是功率不足, 二是温度过高。由液力变矩器的特性曲线图可知, 当变矩器的输出转矩即涡轮转矩随着外界阻力变化而变化, 外界阻力增大时, 变矩器的输出转矩也增大, 涡轮转速降低。当输出转矩增大到一定值时, 涡轮转速降为零, 而此时变矩器的输入转矩仍然不变, 也就是说发动机的负荷并未改变。因此, 当外界阻力大到一定值后, 变矩器的输出转矩涡轮转矩达到最大值, 而涡轮转速为零, 机器行驶速度也为零, 而发动机却既不冒黑烟又不降速, 也不熄火, 仍然以泵轮转矩输给变矩器,这种现象称为失速。在“失速”状态下, 变矩器传动效率为零, 发动机供给变矩器的动能全部转化为搅油损失, 即热能, 从而使变矩器油温升高。因此, 使用中必须避免发生这种状况。在涡轮转速变化范围内, 变矩器最高传动效率点只有一个, 液力传动达到无级变速, 但不是绝对的, 且必须在一定的涡轮转速范围内使用, 否则, 传动效率相当低。因此在驾驶有液力传动的机器时, 僻要根据载荷的不同变化变换挡位, 最好将发动机油门于额定转速附近。长期工作于低效率区, 不仅造成油料、时间的浪费, 而且会造成油温升高。因此, 正常的操作是大油门、勤换挡, 随时注意变矩器的工作油温及油压。平时维修中的安装精度也会影响变矩器的传动效率。变矩器的泵轮、策壳和涡轮都是高速旋转的零件, 制造时均做过平衡试验, 其静不平衡度不得超过巧 。所以在使用中, 切不可随意用长短不一的螺杆去连接泵轮和涡轮, 以免破坏其平衡, 造成功率损失。另外, 泵轮、涡轮在工作时, 端面的摆动对传动效率也有影响, 制造中罩轮与泵轮连接端的摆差不得大于卜, 泵轮轴承座端面、涡轮接盘端面、变矩器壳体与轴承座连接端面的摆差不大于林。因此安装时应仔细检查, 必须将这些端面清洗干净, 以免影响摆差。此外, 工作油液必须采用钻度适合的变矩油。若油的贴度太大, 将使泵轮甩向涡轮的油液速度降低, 造成油温升高, 而且会增大变矩器工作轮搅油损失, 使油温升高。2.5 新型可变容量双泵轮液力变矩器新型可变容量双泵轮液力变矩器为避免上述情况下的轮胎打滑现象, 而又不至使发动机降低转速,可采用可变容量液力变矩器。双泵轮液力变矩器就是为此目的而研制的一种新型液力变矩器, 它通过司机控制两个泵轮的相对转速来达到将发动机的功率进行合理的分流。如当装载机进行铲掘作业时,载荷大于驱动力矩时, 轮胎打滑,这时司机可以控制使变矩器仅一个泵轮(内泵轮)工作,涡轮输出力矩减少,装载机驱动轮力矩下降,而使发动机的大部分功率传给液压系统。这样,既可以避免轮胎打滑, 又可提高工作机构效率和工程机械的生产能力,并使发动机功率得到充分利用,大大改善了工程机械的性能。2.6 液力变矩器研究展望对液力变矩器的研究经历了20 世纪90 年代初开始的活跃期之后，进入了一个相对不活跃的阶段，这是由于在原来的数学模型和计算技术的基础上很难使得计算精度得以继续提高， 由于液力变矩器叶型的复杂性， 很难准确地描述控制叶型的关键参数与性能之间的定性关系。这些都制约了液力变矩器开发技术的进步。因此，可以预见液力变矩器的研究将从以下几个方向有所突破。（1）真实的液力变矩器内部流体的运动是瞬态的，由于以前计算机性能的限制，计算瞬态的液力变矩器内流场耗费计算资源太多， 因此缺少工程应用价值。随着企业对液力变矩器内流场模拟要求的提高，数值仿真瞬态时的流场分布情况， 并为精确的液力变矩器优化和设计提供有力的依据，这可能成为未来的一个研究方向。（2）当前的液力变矩器内流场分析大多是基于NS 方程组的，同时，认为在各种操作工况下是稳态流动，所以就有了周期性假设，每个叶轮只取一个流道作为CFD 计算模型，在每个流道的交互面上采用了一个混合平面对来耦合在一起， 这样就解决了不同叶轮转速不同引起的多旋转参考坐标系的问题。但是，实际上每个叶轮流道内的流动状况皆不同，每个叶轮交界面处的流动状况与混合面平均后的流动状况也有较大差距， 因此数值仿真计算的精度自然有一定限度。下一步的研究可能会在算法和计算模型上寻求突破，一些新兴的算法，例如LBM 算法可能会被引入到液力变矩器的研究中。LBM 算法是以流体的分子运动论描述为基础， 根据微观运动过程的某些基本特征建立简化的时间和空间完全离散的动力学模型， 其具有规则简单、易处理边界复杂问题、并行计算效率高等优势。结合液力变矩器的结构特点和内流场计算的特点， 可以看出液力变矩器瞬态计算能够发挥LBM 算法的优势。（3）液力变矩器作为一款工业产品，缩短设计研发周期是一个不可回避的问题。一些学者在这方面已经做了一些探索工作。真正的CAD/CFD/CAM一体化的计算、分析、设计平台的建立是研究者们不懈追求的目标。这种一体化平台将是以CFD 流场分析的结果为依据， 建立关键参数与整体性能之间的定性关系， 并利用CAD 进行快速生成新的计算模型，从而利用CFD 软件进行验证，在找到满足性能要求的优化方案之后实现快速的成型， 从而大大缩短设计研发的周期，提高产品竞争力。（4）在液力变矩器的设计方面，由于节省车内空间的需要，扁平化是一个主要的趋势；另外，随着采用滑差控制的锁止离合器的广泛应用， 液力变矩器低速比下的性能显得尤其重要，因此，如何在以后的设计中进一步缩小轴向和径向尺寸， 但同时能提高失速变矩比和K 因子将是一份很有挑战性的工作。（5）现有的液力变矩器评价体系主要有稳态下的原始特性和动态性能。这种评价体系有明显的缺陷，因为液力变矩器的操作工况非常复杂，各种速比下的使用情况不同，原有的评价指标只关注某些点的值；另外， 现有的评价体系中动力性指标与经济性指标剥离， 使得现有的液力变矩器评价体系远不能满足整车厂家的要求。综合考虑以上各种情况，性能评价体系将是一个不错的研究方向。第三章液力变矩器的结构设计与计算对于一个非专业的人来说，对液力变矩器并不是十分了解，因此，我首先在第一章绪论中对液力变矩器在国内外的应用、研究现状及发展趋势进行介绍。通过这一章的学习，能够让我们对液力变矩器实际应用有个认识，进而值得我们花时间去研究它。进入第二章很显然要系统的说明其构成及工作原理，如液力变矩器是如何工作的，双导轮机构的工作原理等。通过这一章的学习，我们就更深入的认识了液力变矩器，同时为我们下一步设计奠定了基础。对双导轮式液力变矩器结构的设计与优化 1）对液变矩器的结构型式与特性参数进行选择。选择的原则是：根据汽车与发动机的类型及使用要求进行，同时也应考虑在保证性能的条件下力求结构简单、制造容易、成本低等因素。2）根据发动机来确定液力变矩器的最关键的尺寸：循环圆的直径，其中泵轮转矩系数B 的确定是根据现有液力变矩器，以YJ323 型为例，来选择其参数。 3）设计三元件的叶片，液力变矩器中三元件是指：涡轮、导轮，泵轮。设计遵循的原则，一是应使流道过流断面不变或平缓变化；二是满足加工的工艺性、制模的可行性。在设计叶片时，有个叶片角度的确定，在这里我是参照前人在设计同一类型所选的叶片角度，及考虑到课题本身的设计要求来选择的。设计双导轮液力变矩器的基本结构材料选用45号钢质，经过调质处理，叶轮材质的选择由计算选择所得。选择发动机传递功率为100KW，最大转速2000r/min。最大变矩系数为3。轴的截面为花键齿数，大径D=43mm、d=38mm、键宽b=8mm、 长度为360mm。设计此液力变矩器主要是在变矩器可应用于叉车、装载机、铲运车、轨道车等等，而且能获得更高的效率的功能。工作环境为零下30摄氏度到250摄氏度之间。3.1 液力变矩器叶轮叶片的设计液力变矩器的结构型式及其特性参数是根据汽车与发动机的类型及使用要求进行选择的，同时也应考虑在保证性能的条件下力求结构简单、制造容易、成本低等因素。影响特性参数的关键是叶片系统的设计。要创建具有理想特性的叶片系统需要进行大量而复杂的设计计算和实验工作。因此，在液力变矩器的设计实践中，工作轮液流通道部分的参数值，通常是通过测绘并验算相似的已有产品(样机)的相应参数来确定的。作为样机，应选择具有类似使用要求且性能优异并在生产中和使用中经过严格考验的产品。（1）叶片角度的确定表3-1液力变矩器参数选择范围参数参数范围a bc204014815480135根据表3-1有：导轮a涡轮b泵轮c 图3-1液力变矩器角度轨迹图设计选用导轮a=30，涡轮b=150，泵轮c=125工作轮的叶片数量。变矩器叶片数量过少，则液流在叶轮出口处的偏离增大， 循环流量转变不充分，冲击损失增大，传递力矩能力降低。叶片过多又会使循环液体的有效过流面积减少，流道流动阻力增加，扩散（收缩）损失增加，从而使液体的循环流量减少，传递力矩的能力降低。叶片数目的多少还对过载系数有一定影响。有资料表明，叶片数目相对较多的变矩器，过载系数较低，为了既保证变矩器有较高的力矩系数，又保证有较低的过载系数，就要选择一个最佳的叶片数。这里选取叶片数为26个。叶片厚度。从理论上讲，叶片越薄越好，但受强度和加工工艺的制约，叶片 不可能制造得很薄，但是过厚的叶片又会降低变矩器工作腔的有效容积，使参与传动力矩的工作液体量降低，转速差加大。所以在保证叶片强度的前提下，叶片的厚度应尽量减小。设计厚度为4mm。3.2 变矩器的设计与计算常见的循环圆形状有圆形、蛋形、半蛋形，长方形，而工程机械上使用的液力变矩器的工作轮则多用铸造成形或铣削加工【12】。我们在这里研究的是圆形的液力变矩器。（1）变矩器有效直径的计算在设计新型变矩器时，应参考现有的各种变矩器，或根据一些经验性的比例参考值来确定变矩器循环圆的具体尺寸。首先要确定变矩器的有效直径D：5MBlr gn2MBBD =公式（3-1）式中：D循环圆有效直径；MB 泵轮转矩；lMB 导轮的力矩系数；nB 泵轮转速；r 工作液密度。我国生产的液力传动油是按t=100时的黏度分为6号和8号两种： 8号液力传动油是以低黏度精制分馏油作基础，添加油性剂、抗磨剂、降凝剂、抗泡剂、抗氧剂、防锈剂黏度指数改进剂等制成。主要用于小轿车液力传动。6号液力传动油是以22号汽轮机油为基础油，经深度精制并加入黏度指数改进剂、降凝剂、抗氧剂、抗磨剂、防锈剂、防光剂等而制成。主要用于履带车辆、工程车辆、载重车辆、内燃机车等液力传动。液力传动油的性能指标参见表 3.2表 3-2 液力传动用油的性能参数指标性能22 号汽轮机油8号液力传动油6 号液力传动油内燃机专用油相对密度（20）0.9010.8600.8720.872黏度20237.59222623.6运动黏度比3.64.23.9有上述图表可选择8号液力传动油 相对密度为0.860kg/L=860 kg / m3本课题设计的变矩器为向心液力变矩器， lMB 的取值范围为lMB =（1.54）10-6因此，变矩器循环远的有效直径为：5MBlr gn2MBBD =公式（3-2）= 547.751.510-6 860 9.8 20002=0.248m表 3-3液力变矩器循环圆有效直径参考表/mm125140160180200220250280320360400450487500560650750800875100011501320155018002060所以取循环圆的有效直径为250mm。（2）变矩器涡轮尺寸的确定【13】在上面的计算中，变矩器循环圆的尺寸已经确定。对于涡轮，内外环都浸在工作油中，并非只受外压或内压，因而涡轮的内外环厚度不必太厚，取与叶片厚度相同即可，即涡轮内外环均一厚度5mm。变矩器的输出轴与涡轮以花键连接来传递扭矩，故涡轮轮毂内直径与下面介绍的第一段轴的直径相等，为35mm，长度为花键槽的长度，即花键的工作长度，为43mm。（3）变矩器导轮尺寸的确定变矩器的导轮同涡轮一样，都是全浸在油液里，内外环的厚度为4mm，导轮与导轮套管用双键连接，键槽深为2mm。导轮与轴之间装有套管，该部分轴的直径是41mm。与外轴相连的是超越离合器，离合器外径为85mm。（4）变矩器泵轮尺寸的确定变矩器泵轮同涡轮和导轮不同，泵轮的外环同壳体的作用相同，故变矩器的泵轮除受到转矩作用外还受到工作液的内压，所以泵轮外环的厚度应增加，初步取泵轮外环的厚度为6m。（5）变矩器壳体尺寸的确定液力变矩器的外壳与泵轮焊接在一起，同泵轮一样，它受到的液体压力为内压， 但是内压不大，所以选取厚度也为5mm。3.3 轴的设计及校核1. 输入轴的计算按照所设计结构变矩器，它有内外两轴，内轴为一实心轴，外轴是一空心轴， 按照轴所受扭矩来计算内轴的强度，通过扭转强度条件计算初步估计轴径。轴的扭转条件为：T9550000 pWtT =T0.2d 3n t T公式（3-3）T = 9550000 p = 9550000 100=4775N.mmn2000式中： tT 扭转切应力，MPa； T轴所受的扭矩，Nmm；TW 轴的扭转截面系数， mm3 ；n轴的转速，r/min； P轴传递的功率,kW；d计算截面处轴的直径，mm；表 3-4 轴常用几种材料的t t 及 A0 值轴的材料Q235-A、20Q275、35（1Cr18Ni9Ti)4540Cr、35SiMn 38SiMnMo、3Cr13(MPa)1525203525453555A014912613511212610311297通过上表 3-4 查得 A0 =1109550000 p30.2t T .n9550000p30.2t Tn3由上述公式可的轴的直径：d = A0 3p公式（3-4）n=110 0.3684=40.5mm设计输入轴的内径为 50mm 40.5mm 所以输入轴的设计符合要求 2.转轴的强度校核因为液力变矩器的最大转矩系数为3，所以涡轮输出轴的传递转矩为发动机转矩的3倍。所以转轴的转矩T=3 4775=14325N.mm表 3-5 抗弯、抗扭截面系数计算公式截面WWTp d 3 30.1d32p d 3 30.2d16表3-5抗弯、抗扭截面系数计算公式截面WWTp d 3432 0.1d 3 (1- b 4 )b = d1p d 34(1- b )16 0.2d 3 (1- b 4 )b = d1dp d 3 - bt(d - t)2p d 3 - bt(d - t)2162dp d 33