CN1432744A

CN1432744A - 液力无级变矩器

Info

Publication number: CN1432744A
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: 2003-07-30
Anticipated expiration: 2022-01-18
Also published as: CN1215271C

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。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，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A-T)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，使其内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固定在变矩器壳体上，一般不转动。液流经导轮叶片改变流动方向，如图2所示，从而减小泵轮转矩，使涡轮转矩大于泵轮转矩。一般在导轮与导轮轴之间装有单向自由轮4，其功能是当导轮转矩为负值时使导轮浮动而不起作用，从而使液力变矩器变成液力偶合器，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A-T，但去掉了A-T中液力变矩器后的自动多档变速器。它改变了液力变矩器内的结构布置和液体流动状态，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。

为此，本发明提供了一种液力无级变矩器，它也包括泵轮、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°；第二导轮的进口处于或接近于液力变矩器旋环圆中最小半径处。

特别是，在第一导轮和第二导轮之间的向心液流通道为无叶片通道或有叶片通道，有叶片通道的叶片是位置角误差为±15°的径向直叶片或径向微弯曲叶片，它们或者是第一导轮叶片按90°±15°延长，或者是单独的叶轮。

特别是，第一导轮和第二导轮集成一体，如果两导轮之间加有叶片通道，三者集成一体。

特别是，轴流涡轮的叶片的平均重叠度和第二导轮的叶片的平均重叠度d₁/d＞20％。

特别是，循环圆的液流通过面积为F和泵轮出口半径r满足下列关系：F/r²＞0.75。

特别是，涡轮为离心式、轴流式、或离心—轴流混流式。

特别是，所述泵轮、涡轮、导轮之数量均可多于1个。

特别是，用于内、外分流机构和功率循环机构或它们之复合方式的分流机构。

特别是，所述泵轮、涡轮、导轮上设有单向自由轮、离合器和/或制动器。

特别是，所述导轮设有使之按与输出转速相反方向转动的反转机构。

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力，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，那么，质点A的流动就是环流(包括向心叶轮的转动)，而环流必然引起离心力Fc，其方向与流动方向相反，阻碍流体流动，可称为离心阻力。

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：要求轴流涡轮2和第二导轮3.2的叶片的平均重叠度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必要的较低程度。

对于如何减少离心阻力，此前因理论上的局限，人们从未注意到这种因向心环流而引起的离心阻力对流动产生的阻碍作用。本发明采用减少流体在向心流动时的离心阻力的方法增加流量Q。但是，Q＝Fv_m，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。

这样一来，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A-T的液力变矩器一样，其后还需加结构复杂、价格昂贵的4～5档自动多档变速器。因此，本发明结构简单，体积小，不仅制造成本比A-T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轮(如图1的涡轮2)内流体在作向心流动时，因环流(或环流很小)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沿径向向心流到第二导轮的结构原理图；

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沿径向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

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，进入并推动涡轮2转动，涡轮接受功率经输出轴6输出。涡轮2是轴流(即轴向流动)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，不对流动产生阻碍作用。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。两导轮均基本是轴流的。当液流从涡轮2流出后进入第一导轮3.1时，与涡轮2一样，液流在其中的环流也不对流动产生阻碍作用。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。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)地沿径向向心流到第二导轮3.2，如图5所示。这样一来，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，增加F的办法主要是增加各工作轮叶片宽度b；同时，在设计中应注意使轴流涡轮2和第二导轮3.2的叶片的平均重叠度d₁/d＞20％。

如果将第一导轮3.1作成如图6的形式，让第一导轮的叶片部分分布或布满图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，这也可以达到上述增加流量Q的目的。

如果按图5和图6的两种形式将上述第一导轮3.1和第二导轮3.2连成一体也是可以的，但这使制造工艺变得困难一些。

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η＞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。

液力无级变矩器在汽车等机械中的应用方案也可以用其它一些方案，例如现有A-T中的液力变矩器的应用方案等。

综上所述，本发明是一个四工作轮液力变矩器，它尽量消除液力变矩器内的流体在向心流动时的离心阻力和摩擦阻力，以增加流量和改善流量特性，使最大变矩比K₀＞4.5(对大直径液力变矩器，K₀＞6)，同时改善效率特性和穿透性。因此，像图7实施例那样，仅用本发明的液流无级变矩器附加少量的附加装置，如本实施例的两个离合器和一个单向自由轮就可满足汽车的传动需要，其后不必像A-T的液力变矩器一样，加装结构复杂的多档自动多档变速器。此外，本发明完全可以取代现有车辆的手动换档变速器。

Claims

1.一种液力无级变矩器，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)的进口处于或接近于液力变矩器旋环圆中最小半径处。

2.如权利要求1所述的液力无级变矩器，其特征在于，在第一导轮和第二导轮之间的位置(3)无叶片通道，或有叶片通道；对有叶片通道，其叶片是位置角误差为±15°的径向直叶片或径向微弯曲叶片，它们或者是第一导轮叶片按90°±15°延长，或者是独立的叶轮。

3.如权利要求1所述的液力无级变矩器，其特征在于，第一导轮和第二导轮集成一体；如果两者之间是有叶片通道，那么三者集成一体。

4.如权利要求2所述的液力无级变矩器，其特征在于，第一导轮和第二导轮集成一体；如果两者之间是有叶片通道，那么三者集成一体。

5.如权利要求1至4其中之一所述的液力无级变矩器，其特征在于，轴流涡轮(2)的叶片的平均重叠度和第二导轮(3.2)的叶片的平均重叠度d₁/d＞20％。

6.如权利要求1至4其中之一所述的液力无级变矩器，其特征在于，循环圆的液流通过面积为F和泵轮(1)出口半径r满足下列关系：F/r²＞0.75。

7.如权利要求1至4其中之一所述的液力无级变矩器，其特征在于，涡轮为离心式、轴流式、或离心—轴流混流式。

8.如权利要求1至4其中之一所述的液力无级变矩器，其特征在于，所述泵轮、涡轮、导轮之数量均可多于1个。

9.如权利要求1至4其中之一所述的液力无级变矩器，其特征在于，用于内、外分流机构和功率循环机构或它们之复合方式的分流传动。

10.如权利要求1至4其中之一所述的液力无级变矩器，其特征在于，所述泵轮、涡轮、导轮上设有单向自由轮、离合器和/或制动器。

11.如权利要求1至4其中之一所述的液力无级变矩器，其特征在于，所述导轮设有使之按与输出转速相反方向转动的反转机构。