液力变矩器在工程机械中的应用及故障分析

2022-09-10

1 液力变矩器的工作原理

1.1 三元件单相液力变矩器

这是一种结构最简单的液力变矩器, 主要由泵轮、涡轮和导轮组成。泵轮通过泵轮壳、弹性输入板与发动机的飞轮联接, 在发动机的带动下旋转。涡轮通过涡轮毂、涡轮轴与变速箱联接。导轮通过连接毂、延长套与液力变矩器的壳体联接。液力变矩器的供油 (指“工作液体”, 以下同) 系统由它的拔叉与补偿泵、油箱等组成 (安装时, 液力变矩器的拔叉插入补偿泵内) , 排油系统则包括出口压力阀、冷却装置和油箱等部件。

当发动机旋转时, 飞轮带动泵轮旋转, 工作液体被泵轮吸入它的叶片通道, 由泵轮的内环向外环作圆周加速运动, 工作液体在泵轮中获得了动能。也就是发动机的机械能通过泵轮转换成了动能。在离心力的作用下, 泵轮径向离圆心愈远的工作液体所获得的动能愈大。从泵轮流出的工作液体冲击涡轮叶片, 使涡轮旋转, 涡轮轴对外作功。工作液体在涡轮中由外环向内环流动。当液力变矩器内的压力达到一定值时, 出口压力阀被工作液体顶开, 一部分工作液体排出, 经冷却装置降温, 流入油箱。另一部分工作液体则经导轮叶片与新进入的低温工作液体一同被泵轮吸入。如此, 周而复始。

由力学分析可知, 液力变矩的泵轮、涡轮和导轮的受力情况满足如下方程式:

式中:MT为涡轮扭矩 (kgf·m) ;MB为泵轮扭矩 (kgf·m) ;MD为导轮扭矩 (kgf·m)

工作液体作用在泵轮上的扭矩

式中:入B为泵轮扭矩系数;r为工作液体重度 (kg/m3) ;nB为泵轮转速 (转/分) ;D为循环圆直径 (m) 工作液体作用在涡轮上的扭矩:

式中:K为变矩系数, K=MT/MB (4)

传动比i=nT/nB (5)

式中:nT为涡轮转速 (转/分) ;nB为泵轮转速 (转/分)

传动效率η=NT/NB (6)

式中:NT为涡轮的功率NB为泵轮的功率。由公式 (1) 可知, 当MB与MD同向时, 输出功率大于输入功率;当MB与MD反向时, 输出功率小于输入功率。显然, 它们是有变矩功能的。如果没有导轮, MD=0, 则输出功率等于输入功率, 液力变矩器没有变矩, 成了耦合器。

某三元件单相液力变矩器, 经试验测得特性曲线如图1。当涡轮转速nT=0时, i=O, 此时的变矩系数为起动变矩系数K0, K0值愈大, 则牵引力愈大, 加速性能好。传动效率曲线η是一个抛物线, 有一个最高点ηmax, 最低点ηmin通常为0.75左右, i1—i2的区域为高效区。高效区i1—i2宽, 经济性好。反之, 经济性差。和其它型式的液力变矩器比, 三元件单相液力变矩器的高效区是比较窄的。为了解决这个问题, 液力工程机械装有变速箱, 在液力变矩器的非高效区工作, 以提高整机的传动效率。

1.2 三元件单级二相综合式液力变矩器

这种液力变矩器主要由泵轮、涡轮、导轮和单向离合器组成。如1~3吨叉车中采用的液力变矩器就是这种结构。单向离合器装在导轮与延长套之间。同样, 发动机飞轮带动泵轮旋转, 工作液体在泵轮中获得动能, 高速冲击涡轮叶片, 使涡轮高速旋转, 并通过涡轮轴对外作功。当涡轮轴承受较大负载时, 涡轮轴的转速会降低, 导轮被单向离合器锁住不能回转, 工作液体作用于导轮的扭矩反作用于涡轮, 使涡轮的扭矩等于泵轮和导轮的扭矩之和, 即输出功率大于输入功率, 实现了自动变矩, 增加了工作机的牵引力。当涡轮轴承受较小负载时, 涡轮轴的转速增加。其转速增加到一定值时, 工作液体作用于导轮的力矩方向正好与单向离合器转动的方向相同, 导轮可自由回转, MD=0, 输出功率等于输入功率液力变矩器不进行变矩, 处于耦合工况, 提高了传动效率。由图2可以看出, 传动效率曲线η的i0—i2的区域是变矩工况的效率, 而i2—i3区域则是耦合工况的效率。

1.3 双涡轮液力变矩器

这种液力变矩器主要由泵轮、第一级涡轮、第二级涡轮、导轮及自由轮组成。第一级涡轮的右侧是泵轮, 通过涡轮轴、自由轮机构对外作功。由于自由轮机构的存在第一级涡轮并非总是对外作功。第二级涡轮在第一级涡轮的左侧, 通过套筒、齿轮对外作功。当涡轮转速比较低时, 两个涡轮像一个整体涡轮一样, 一块旋转。此时, 双涡轮液力变矩器相当于一个三元件简单液力变矩器, 其效率曲线是抛物线, 如:图3中η曲线的i0—i1区域。当涡轮转速升高到一定值时, 第一级涡轮空转, 只有第二级涡轮对外作功, 其效率曲线如:图3中η曲线的i1—i2区域。

1.4 双导轮综合式液力变矩器

这种液力变矩器由第一级导轮、第二级导轮、涡轮和单向离合器组成。两个导轮都通过自由轮机构和外延套联接在一起。在涡轮轴负载较大时, 涡轮的转速会降低。从涡轮流出的工作液体冲击两个导轮叶片的凹面, 单向离合器锁住两个导轮, 使其不能回转, 液力变矩器相当于一个三元件液力变矩器, 其效率曲线是抛物线, 如图4中η曲线的i0—i1区域。当涡轮轴的负载较小时, 涡轮轴的转速会升高。从涡轮流出的工作液体冲击第一导轮叶片的凸面。此时, 第一级导轮的单向离合器放松, 与第一级涡轮同向旋转。第一级导轮不参与变矩, 而第二级导轮仍起变矩作用, 其效率曲线如图4中η曲线的i1—i2区域。随着涡轮转速继续升高到一定值时, 从涡轮流出的工作液体不仅仍然冲击第一级导轮叶片的凸面, 也冲击第二级导轮叶片的凸面, 第二级导轮的单向离合器也放松了, 与涡轮同向旋转。此时, 两个导轮都空转, 液力变矩器进入耦合工况, 其效率曲线如:图4中η曲线的i2—i3区域。

2 液力变矩器的故障

2.1 液力变矩器常见的故障

液力变矩器常见的故障有工作机起步困难、换挡反应慢;油温过高;液力变矩器漏油。

2.2 故障分析

工作机起步困难、换档反应慢, 说明液力变矩器输出功率不足。其原因可能是; (1) 液力变矩器的进口压力低。我们要用油压表测量补偿泵的出口压力, 若此泵的出口压力低, 可能是补偿泵的齿轮磨损, 内泄过大, 无法为液力变矩器提供足量的工作液体。 (2) 出口压力低。出口压力是由出口压力阀来控制的, 如出口压力低于规定值, 说明出口压力阀损坏, 要立即更换出口压力阀。否则, 液力变矩器在工作液体不足的情况下工作, 不仅输出功率低、温度过高, 还会损坏液力变矩器内部元件。 (3) 油路系统存在气泡。工作液体中存在气泡, 会使工作液体的重度降低。由公式 (2) 、 (3) 可知, 泵轮的扭矩下降, 涡轮的扭矩也降低, 致使涡轮的输出功率不足。要检查管路的密封性和检查油箱中工作液体是否变质。 (4) 检查油箱中工作液体的温度是否过低, 油温过低, 则工作液体的粘度增加, 也会使液力变矩器的输出功率下降。因为在其它条件一定时工作液体的粘度增加, 则其运动速度和动能下降。 (5) 如果以上因素都排除了, 则是液力变矩器内部出了问题。我们可以拆下变速箱, 把液力变矩器固定在发动机的飞轮上, 手摇输出轴, 听一听涡轮旋转时液力变矩器内有无异常的声音。用百分表或千分表分别测量泵轮壳外的端面跳动和拨叉套的径向跳动。一旦确定是液力变矩器的问题立即更换。

油温过高, 同样会使液力变矩器的传动效率下降。因为, 工作液体的温度过高其重度下降, 从而使它的动能下降。其原因可能是: (1) 液力变矩器长期处在低转速比区域工作, 液力变矩器的效率低, 或处于失速状态时间过久。 (2) 加油量过少, 或系统中产生气泡, 应调整系统中的背压。 (3) 油的粘度不合格, 需更换新油。 (4) 系统冷却不协调, 应检查冷却系统。

液力变矩器漏油分内漏和外漏。外漏一目了然。如液力变矩器是钣金焊接结构则是焊接质量不好或是液力变矩器受了重物挤压。若是铸造结构, 则是密封性不好内漏则是密封件老化或损坏所致。

摘要：液力变矩具有自动适应性、良好的低速性能、减振隔振和在一定范围内实现无级变速等优点, 被广泛应用于汽车、工程机械及石油、化工、矿山和冶金机械等领域。本文以几种常用的液力变矩器为例, 介绍液力变矩器的工作原理、故障现象及分析。

关键词：液力变矩,故障分析