CN1215271C

CN1215271C - 液力无级变矩器

Info

Publication number: CN1215271C
Application number: CN 02102051
Authority: CN
Inventors: 王守义
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2022-01-18
Also published as: CN1432744A

Abstract

一种液力无级变矩器，其包括泵轮、涡轮和导轮，其特征在于，导轮分成第一和第二两个导轮，第一导轮(3.1)的出口处于或接近于液力变矩器旋环圆中最大半径处，该导轮叶片出口角为90°±15°，第二导轮(3.2)的进口处于或接近液力变矩器旋环圆中最小半径处，第一导轮和第二导轮之间的向心液流通道(3)为无叶片通道或有叶片通道。本发明的目的是去掉自动变速器(A-T)中的自动多档变速器，仅有液力无级变矩器，根据其内的液体流动状态，提高了液力变矩器的最大变矩比K₀同时改善了其效率η特性和穿透性。

Description

液力无级变矩器

发明领域

本发明涉及一种液力无级变矩器，它的最大变矩比大于4.5(大直径变矩器大于6)，高效范围宽，凡需要变换扭矩的动力机械均可采用，其后不必再加自动多档变速器，也无须复杂的自动控制系统，尤其适合于大功率传动，例如，汽车、拖拉机、工程机械、船舶、内燃机车及军用车辆等。

发明背景

在广泛使用的汽车自动变速器(简称AT)中，例如在德国AUDI轿车OIF型4档自动变速器和日本日产CEDRIC轿车L4N71B型4档自动变速器中，均有液力变矩器。这些液力变矩器的结构原理图示于图1，它们由3个叶轮组成。这3个叶轮是泵轮1、涡轮2和导轮3。涡轮2为向心涡轮。这3个叶轮全浸没在油液中。泵轮1从输入轴5获得动力，旋转，使其中的液体产生离心力并形成液流；液流从泵轮1流出后进入涡轮2，推动涡轮叶片，使涡轮接受并变换转矩和转速，再经输出轴6输出。导轮3经导轮轴7固定在液力变矩器壳体上。液流经导轮叶片改变流动方向(如图3所示)后进入泵轮，从而减小泵轮转矩，使涡轮转矩大于泵轮转矩。一般在导轮3与导轮轴7之间装有单向自由轮4，因此，这种液力变矩器分为两种工况，一是液力变矩器工况，这时，导轮不转动，当导轮转矩为负值时，单向自由轮浮动，使导轮不起作用，从而使液力变矩器工况转入液力偶合器工况，这样，可以提高传动的效率。

涡轮2的转矩与泵轮1的转矩之最大比值称为最大变矩比K₀。以上液力变矩器的最大变矩比都不高，一般只有K₀＝2～2.5(卡车略高)，不能满足汽车传动的需要，其后必须加结构复杂且价格昂贵的4～5档自动多档变速器。

发明概述

本发明的目的是提供一种液力无级变矩器，代替AT，但去掉了AT中液力变矩器后的自动多档变速器和复杂的控制装置。它实际上是一种新型的液力变矩器，其元件名称和基本作用均与上述普通液力变矩器相同，不同的是改变了以往液力变矩器内的结构布置和液体流动状态，因而提高了液力变矩器的最大变矩比K₀，同时改善了其效率η特性和穿透性。

为此，本发明提供了一种液力无级变矩器，见图4，它包括泵轮1、涡轮2和导轮。其特征在于，导轮分成第一导轮3.1和第二两个导轮3.2。第一导轮3.1的出口处于或接近于液力变矩器旋环圆中最大半径处，该导轮叶片出口角为90°±15°；第二导轮3.2的进口处于或接近于液力变矩器旋环圆中最小半径处。在第一导轮和第二导轮之间的向心液流通道3或者是无叶片通道(其轴向图见图5)或者有叶片通道；有叶片通道或者是第一导轮叶片按出口角方向的延长(其轴向图见图6)，或者是一单独的叶轮，它安置进、出口角均为90±15°的径向直叶片或径向微弯曲叶片。采取这些结构措施的目的都是为了在流体作向心流动时，因这类叶片的直接径向的向心导向使液流无环流(或微环流)地流到第二导轮(注意，导轮不转动)，则不产生阻碍流体在循环圆中流动的离心阻力(或离心阻力很小)，从而增加液力无级变矩器内的流量Q。以往也有液力变矩器的第一导轮和第二导轮处于同样位置，但它们之间的液流不具备无环流(或微环流)的特征。

特别是，涡轮2可以是图4和图7所示的轴流(即轴向流动)涡轮。

提高液力变矩器最大变矩比K₀的有效途径是提高流量Q。为了提高流量Q，有必要明确液力变矩器中产生流动和阻碍流动的原因。在离心泵轮的情况下，产生流动的原因是泵轮的离心力，而阻碍流动的主要原因有二：一是液体的流动摩擦阻力(包括冲击阻力)；二是液体在向心流动中的离心阻力，比如图1的向心涡轮2，它的轴向图见图2，Fc即离心力。如果流线L上的质点A在图1的旋转圆周方向的流动分速为v＞0，v包括两个速度的叠加：一是质点A在流线L上的相对分速度，只要涡轮叶片是弯曲的，那么，这个分速度始终存在；另一个是涡轮旋转的牵连速度，它随涡论转速而变。因此，向心涡轮中流体质点A的流动始终存在绕涡轮轴心的环流，而环流必然引起离心力Fc，阻碍作向心流动的流体质点的流动，这个Fc就是离心阻力。

对于如何减少离心阻力，在本发明之前，因理论上的局限，人们从未注意到上述因向心环流而引起的离心阻力对流动产生的阻碍作用。本发明为减少流体在向心流动时的离心阻力，将向心涡轮改成轴流涡轮，同时，在图3的虚线处将导轮一分为二。第一导轮的出口置于或接近置于液力变矩器旋环圆中最大半径处，该导轮叶片出口角为90°±15°；第二导轮3.2的进口置于或接近置于液力变矩器旋环圆中最小半径处。两导轮之间的结构如上所述。这样，当液流从第一导轮流出作向心流动时，因导轮不转动，图2中的v≈0，也就没有(或很小)离心阻力Fc，所以，流量Q必然大大增加。但是，Q＝F_vm，这里，F是液力变矩器内液流的轴向通过面积，v_m是在液力变矩器轴平面方向的流速，称为轴面流速。在流量Q增加后，如果F不变，那么，流速v_m会增加，这会引起液力损失(与v_m的平方成正比，亦即流动摩擦阻力)加大。这就必须增加液流通过面积F以降低流速v_m，从而减小摩擦阻力。因此，要求F/r²＞0.75，增加F的办法主要是增加各叶轮叶片宽度b，见图4。

对于如何减少流动摩擦阻力，人们已作了大量的工作。然而，液力变矩器中的叶轮在流体力学中称为叶栅。叶栅流动，尤其是叶片弯曲且旋转的叶栅内的液体流动是很复杂的流动。本发明根据叶栅流动的原理深入分析了各叶轮内的流动状态后的结论是：要求涡轮2和第二导轮3.2的内、外环叶片曲线的平均重叠度d₁/d＞20％(见图4之涡轮2)。只有这样，才能保证本发明的无级变矩器内的流动摩擦阻力降到较低程度。

这样，必然显著改善液力变矩器内的流量特性Q＝Q(i)，这里，i是速比，即涡轮2的转速与泵轮1的转速之比。这不仅可以提高最大变矩比K₀，而且同时改善效率特性和穿透性。本发明的最大变矩比一般是K₀＞4.5，对大直径液力变矩器K₀＞6；效率η特性的改善主要是指高效范围加宽；穿透性的改善主要是变负穿透为正穿透。这种液力无级变矩器完全可以满足车辆传动的需要，不必像AT的液力变矩器那样，其后必须加结构复杂、价格昂贵的4～5档自动多档变速器和复杂的自动控制系统。因此，本发明结构简单，体积小，不仅制造成本比AT低得多，大大减少在使用中的维修次数，而且其传动性能(包括动力性和经济性)好并能降低环境污染。

对附图的简要说明

图1是根据现有技术的液力变矩器的结构原理图；

图2是根据现有技术的液力变矩器的向心叶轮(例如图1的向心涡轮2)内流体在作向心流动时，因环流而产生阻碍流动的离心阻力Fc的示意图；

图3是液流经导轮叶片改变流动方向的示意图，图中虚线是将一个导轮切割成第一导轮和第二导轮的位置；

图4是根据本发明的液力无级变矩器的结构原理图；

图5是根据本发明的当液流从第一导轮流出后在无叶片通道中无环流地向心流到第二导轮的结构原理图，图中箭头表示液流流线方向，下同；

图6是根据本发明的当液流从第一导轮流出后在有叶片通道中无环流地向心流到第二导轮的结构原理图；

图7是根据本发明的液力无级变矩器的一个较完整的实施例结构原理图。

图8是包括本发明的液力无级变矩器在内的所有单纯液力变矩器的效率特性形状图。

对推荐实施例的详细说明

实施例1：图4是本发明的结构原理图。输入轴5直接与泵轮1连接，泵轮1接受输入功率而转动，液力变矩器中的液体因泵轮离心力而产生流动，当液流从泵轮1流出后，进入涡轮2并推动它转动，涡轮接受的功率经输出轴6输出。涡轮2可以是图4和图7所示的轴流(即轴向流动)涡轮，也可是离心涡轮或离心-轴流的混流式涡轮，在这样的涡轮中，液体因环流(包括涡轮2的转动)而引起离心力垂直于流动方向(轴流涡轮)，或与流动方向相同(离心式涡轮)，或两者兼而有之(离心-轴流混流式涡轮)，均不对流动产生阻碍作用，也许还有促进作用。导轮有二：3.1是第一导轮，3.2是第二导轮。两导轮经导轮轴4固定在变矩器壳体7上。第一导轮3.1出口处于或接近于液力变矩器旋环圆中最大半径处，第二导轮3.2进口处于或接近于液力变矩器旋环圆中最小半径处。第一导轮3.1的叶片出口角为90±15°，第一导轮3.1的出口和第二导轮3.2的进口之间是无叶片通道3，其轴向图如图5所示，因此，当液流从第一导轮3.1流出后，在无叶片通道中无环流(或微环流)地直接沿径向向心流到第二导轮3.2。这样，流体在作向心流动时，因无环流(或微环流)而不产生阻碍流体流动的离心力(或离心力很小)，这就必然使液力无级变矩器内的流量Q增加，改善流量特性。同时，依上述Q＝Fv_m的原理，加大液流通过面积F，减小流速v_m。如果泵轮出口半径为r，则要求相对液流通过面积F/r²＞0.75，见图4，同时，在设计中应注意使涡轮2和第二导轮3.2的叶片的内、外环叶片曲线的平均重叠度d₁/d＞20％。

如果将第一导轮3.1和第二导轮3.2之间是有叶片通道，其轴向图如图6所示，让叶片分布或布满图4的无叶片通道3，但叶片却是径向直叶片或径向微弯曲叶片，这也可以达到上述减小液流离心阻力，增加流量Q的目的，但结构复杂。

但是，本发明的液力无级变矩器仍然摆脱不了现有技术的液力变矩器均具有的一个缺陷，这就是效率特性曲线的形状仍如图8所示。此特性曲线有一最高效率η_max(比如当i≈0.5时)点。在此点之前，虽效率低于η_max，但因变矩比k较高，车辆处于加速过程，而且任何变速器都有这一从零效率到最高效率的过程；关键是在此点之后，效率下降。如果本发明的液力无级变矩器用于汽车等要求输出效率较高的机械传动中，为了避免效率下降，方案之一是采用图7的实施例。此例的液力无级变矩器的工作原理和与上述图4的原理完全一致，只是输出输入方式有所改变。在图7中，输入轴5与泵轮1之间加了一个泵轮离合器8，在输入轴5与输出轴6之间加了一个输入——输出轴离合器9，而在涡轮2与输出轴6之间加了一个单向自由轮10。现以汽车为例说明其工作过程。当汽车起步——加速时，液力无级变矩器处于图8的i＝0～0.5的工况，输入——输出轴离合器9分离，输入轴5通过泵轮离合器8的结合将输入功率传给泵轮1，涡轮2以高于泵轮的转矩，通过单向自由轮10推动输出轴6转动，从而推动汽车加速；当汽车加速到40～60Km/h后，也就是液力无级变矩器的效率大于η_max后，人为或自动地使泵轮离合器8分离和使输入——输出轴离合器9结合，这时，泵轮1不接受功率而浮动，涡轮2也就得不到动力，它因仍在液体中转动而急剧减速，那么，输出轴6的转速大于涡轮2转速，单向自由轮10使涡轮2与输出轴6分离，涡轮2也随之浮动，整个液力变矩器失去作用。功率直接由输入轴5到输出轴6输出。这就相当于有档变速器的直接档。这时，理论上的传动效率是100％。相反，当汽车遇到阻力而减速并使车速降到40～60Km/h以下时，再人为或自动地使输入——输出轴离合器9分离和使泵轮离合器8结合，液力变矩器恢复作用，泵轮1重新获得输入功率并推动涡轮2，涡轮又以高于泵轮的转矩通过单向自由轮10推动输出轴6，即输出转矩又大于输入转矩。如果这时汽车阻力加大使车速进一步降低，即涡轮转速进一步降低，但液力无级变矩器的变矩特性是涡轮转速越低，也就是速比i越低，输出转矩越大，这样就能维持汽车正常行驶。当汽车阻力下降后，输出轴6的转矩又推动汽车加速行驶。

Claims

1.一种液力无级变矩器，它包括泵轮、涡轮和导轮，其特征在于，导轮分成第一和第二两个导轮，第一导轮(3.1)的出口处于或接近于液力变矩器旋环圆中最大半径处，该导轮叶片出口角为90°±15°，第二导轮(3.2)的进口处于或接近于液力变矩器旋环圆中最小半径处，在第一导轮和第二导轮之间的向心液流通道(3)，是无叶片的通道，这样，在流体作向心流动时，因第一导轮叶片出口角的直接径向的向心导向使液流无环流或微环流地流到第二导轮(3.2)，则不产生阻碍流体流动的离心力，或离心力很小，从而增加液力无级变矩器内的流量Q。

2.如权利要求1所述的液力无级变矩器，其特征在于，涡轮(2)是轴流涡轮，或是离心涡轮，或者是离心-轴流的混流式涡轮。

3.一种液力无级变矩器，它包括泵轮、涡轮和导轮，其特征在于，导轮分成第一和第二两个导轮，第一导轮(3.1)的出口处于或接近于液力变矩器旋环圆中最大半径处，该导轮叶片出口角为90°±15°，第二导轮(3.2)的进口处于或接近于液力变矩器旋环圆中最小半径处，在第一导轮和第二导轮之间的向心液流通道(3)为有叶片通道，其结构或者是第一导轮叶片按其出口角方向延伸而成，或者是单独的叶轮，此单独叶轮的叶片进、出口角度均为90°±15°。

4.如权利要求3所述的液力无级变矩器，其特征在于，涡轮(2)是轴流涡轮，或是离心涡轮，或者是离心-轴流的混流式涡轮。