专利名称：高效液力变矩传动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械传动领域，提供一种用于动力和运动传递的新型液力变矩传动系统，该 传动系统能显著提高现有液力变矩传动系统的效率，减少能源消耗。
背景技术：
二十世纪初，由于船舶工业发展的需要，德国人费丁格尔教授提出一种减速装置，即把 离心式水泵和水轮机叶片合装于一个壳体内，用原动机带动离心式水泵，水泵从集水槽中抽 上来的水去冲击水轮机叶片，从而使水轮机旋转，水轮机则带动工作机转动。这种减速装置 就是液力变矩器的雏形。液力变矩器一经面世，就大量应用在各种车辆尤其是工程机械的传 动系统中，它用在传动系统中具有许多突出的优点车辆能随发动机转速的提高平稳起步； 它具有无级变速和变矩能力，使车辆具有自动适应能力，可提高发动机功率利用率，减少变 速器的挡位；液力变矩器是一种柔性传动，可阻隔发动机的扭转振动，降低冲击振动和传动 系的动载荷，延长传动部件的使用寿命；液力变矩器结构简单可靠，无机械磨损，使用寿命 长。液力变矩器虽然具有上述诸多优点，但它有一个很大的缺点，那就是传动效率低。液力 变矩器的传动效率最高不到百分之九十，简单液力变矩器的原始特性曲线如图l(a)所示，其 效率是涡轮与泵轮转速比i的函数，呈抛物线形状，当转速比i等于最佳转速比P时，效率 最高为rf，而当转速比i大于或小于P时，液力变矩器的效率便急剧下降，因此简单液力变 矩器在涡轮低速和高速转动时效率都很低。为提高液力变矩器的传动效率，现代机械传动多 采用综合式液力变矩器，综合式液力变矩器的导轮安装在单向离合器上，当涡轮低速转动时， 单向离合器楔紧不转，导轮固定，综合式液力变矩器成为简单液力变矩器；当涡轮转速超过 偶合点转速时，单向离合器在液流中自由旋转，综合式液力变矩器就转变为偶合器来工作。综合式液力变矩器的原始特性曲线如图l(b)所示，综"合式液力变笼器'解决了普通液力变矩器 在i大于P时效率低下的问题，但当i小于P时效率低的问题没有得到解决。很多机械产品特别是工程机械在工作时，经常处于低速大载荷状况下工作，从而使液力 变矩器的涡轮与泵轮的转速比值小于P，造成效率低下。在工程上，为了解决车辆在工况变 化时液力变矩器效率下降的问题，通常是通过对车辆进行换挡来改变液力变矩器的涡轮与泵 轮的转速比，但车辆的变速器只有有限的几个挡位，并且这几个挡位的传动比分散在一个较 宽的范围内，不能使液力变矩器始终处于高效点附近工作。因此，目前采用液力变矩器的车 辆特别是工程机械车辆的传动效率普遍不高。发明的目的与实现发明目的的技术方案本发明的目的提供一种高效液力变矩传动系统，解决综合式液力变矩器转速比i小于 最佳转速比P时效率低下的问题。当载荷增大传动效率下降时，能自动调整，使液力变矩器 和整个传动系统的效率都得到提高，从而降低能量损耗、节约能源、保护环境。本发明的技术方案通过调节液力变矩器的涡轮与泵轮的转速比来提高液力变矩器的效 率，在一定范围内，当涡轮与泵轮的转速比i小于最佳转速比P时能自动将i值调整到i、 即，当i小于P时，由发动机通过磁粉离合器向涡轮施加一个精确的控制力矩，提高涡轮转 速，增大i，将i调整到i、使液力变矩器和整个传动系统的效率都得到提高。发明的优点及积极效果当载荷增大时，系统效率能自动调整，本发明所提供的高效液力变矩传动系统在较大范 围内对载荷具有自动适应能力，可以减少变速器的挡位。仿真计算表明，本发明所提供的高 效液力变矩传动系统能显著提高现有液力变矩传动系统的效率。与现有液力传动变矩传动系 统相比，在一定工作范围内，本发明所提供的高效液力变矩传动系统能降低燃油消耗6%左 右。本发明所提供的高效液力变矩传动系统能节约能源、减少排放，具有重要的经济效益和 社会效益。
图l(a)简单液力变矩器的原始特性曲线 图l(b)综合式液力变矩器的原始特性曲线 图2高效液力变矩(正转)传动系统示意图 图3磁粉离合器工作原理图4符合EPA Tier II /EU Stage II标准的内燃机特性曲线图5载荷变化时内燃机的转速和磁粉离合器传递的转矩图6不考虑内燃机时系统的传动效率图7考虑内燃机时系统的传动效率图8高效液力变矩(反转)传动系统示意图本发明的具体实施方式
高效液力变矩传动系统如图2所示，它主要由内燃机(1)、齿轮A (2)、齿轮B (3)、 齿轮C (4)、齿轮D (5)、传动轴I (6)、磁粉离合器(7)、转速检测与电子控制单元(8)、 液力变矩器(由泵轮(9)、涡轮(10)和导轮(11)组成)、传动轴n (12)、变速器(13) 等部件组成，本发明所述高效液力变矩传动系统的液力变矩器为综合式液力变矩器。齿轮A (2)和齿轮C (4)与内燃机(1)的曲轴固连；传动轴I (6)的一端与齿轮B (3) 固连，它的另一端与磁粉离合器(7)的左端固连；齿轮D (5)空套在传动轴I (6)上，齿 轮D (5)与泵轮固连；传动轴II (12)同时与磁粉离合器(7)的右端、涡轮(10)和变速 器(13)的输入端固连。在高效液力变矩传动系统中，传动轴I (6)的转速与泵轮(9)的转速之比为液力变矩器 的最佳转速比i、也就是齿轮B (3)与齿轮D (5)的转速之比为P。磁粉离合器原理如图3所示，它主要由环形构件1、环形构件2、磁粉、励磁线圈等几 部分组成，励磁线圈安装在两环形构件之间，磁粉填充在两环形构件之间的工作间隙中。当 励磁线圈通电时，环形构件之间产生磁场，在磁场的作用下，磁粉沿磁通方向呈链状连接起 来形成磁粉链。 一个环形构件可以通过磁粉链向另一个环形构件传递转矩，磁粉链传递转矩 的大小由励磁线圈产生的磁场强度所决定，随磁场强度的增加而增大直到磁饱和为止。当励磁线圈不通电时，没有磁场产生，无磁粉链形成，也就没有转矩的传逸，两个环形构件互不 约束。磁粉离合器所传递的转矩大小与两环形构件的转速无关，只与励磁线圈中的电流有关。 在一定范围内，磁粉离合器所传递的转矩与励磁线圈中的电流成正比，因此，磁粉离合器传 递转矩的大小非常容易控制。现分两种情况讨论本发明所述高效液力变矩传动系统的工作过程。第一种情况当载荷较小时，涡轮(10)的转速与泵轮(9)的转速之比大于或等于最 佳转速比i、传动轴I (6)的转速不大于传动轴II (12)的转速。由图1 (b)可以看出，此 时液力变矩器的传动效率较高，电磁离合器不通电流，传动轴I (6)与传动轴II (12)没有 直接的相互约束关系。第二种情况当载荷较大时，涡轮(10)的转速与泵轮(9)的转速之比小于最佳转速 比i、液力变矩器的工作效率低于最高效率11*。此时传动轴I (6)的转速大于传动轴II (12) 的转速。传感器检测到转速差信号后，转速检测与电子控制单元(8)向磁粉离合器(7)的 励磁线圈施加一个适当的控制电流，传动轴I (6)通过磁粉离合器(7)向传动轴n (12)传 递一个适当的转矩，使涡轮转速增大，内燃机(1)的转速减小，泵轮(9)的转速相应减小， 从而使涡轮(10)的转速与泵轮(9)的转速之比值i增大，使i等于i、液力变矩器的传动 效率得到提高。上述两种情况分析表明，当传动轴I (6)的转速不大于传动轴II (12)的转速时，磁粉 离合器(7)中无励磁电流，传动轴I (6)和传动轴II (12)之间没有约束；当传动轴I (6) 的转速大于传动轴II (12)的转速时，转速检测与电子控制单元(8)向磁粉离合器(7)施 加一个适当大小的电流，传动轴I (6)向传动轴II (12)传递能量，从而将涡轮(10)和泵 轮(9)的转速比调整到最佳转速比1*。磁粉离合器通常采用直流电控制，直流电源的电压可为24V、 36V、 48V等值，磁粉离 合器用在车辆传动系统中不需要额外的电源，直接使用车辆本身所带的蓄电池即可满足要 求。磁粉离合器的电功率等于励磁线圈的电压与电流的乘积，其值一般不会超过100W，所 消耗的电能很小。当磁粉离合器在传递转矩时，如果两个环形构件的转速不相等时，则存在 滑差，滑差要消耗一定的功率，称为滑差功率，滑差功率由内燃机提供。滑差功率与磁粉离合所传递的转矩和两环形构件的转速差成正'比。为使液力变矩器转速比调整到P时磁粉离合 器中没有滑差功率，就必须保证传动轴I (6)的转速与泵轮(9)的转速之比为液力变矩器的 最佳转速比i、也就是齿轮B (3)与齿轮D (5)的转速之比为i、磁粉离合器对液力变矩器的调节作用仅在一个有限的范围内有效，如果磁粉离合器的调 节不能使i向P靠近，此时需要对变速器(13)进行换挡操作，在新挡位的工作条件下，磁 粉离合器再次充当液力变矩器效率调节的角色。本发明所述的高效液力变矩传动系统所受的载荷发生变化时，将液力变矩器的转速比调 整到P时磁粉离合器(7)所传递的转矩和内燃机(1)的转速将发生变化。本发明所述的传 动系统的内燃机为符合EPATierlI/EU StageII标准的内燃机，其特性曲线如图4所示，图中的M。 tle、 ge分别表示内燃机的转矩、转速和油耗。该种内燃机某一工作范围内具有恒功率特性。以某一液力变矩器的特征参数为基础，对本发明所述的高效液力变矩传动系统进行仿真，内燃机(1)的转速和磁粉离合器(7)传递的转矩随载荷变化曲线如图5所示，图中的 Mc和M。分别表示磁粉离合器(7)传递的转矩和涡轮的输出转矩，M^和n^分别表示磁粉 离合器中无励磁电流时液力变矩器转速比为P时涡轮的输出转矩和内燃机的转速。由图5可 以看出，当载荷增大时，内燃机(1)转速降低，磁粉离合(7)传递的控制转矩增大。磁粉离合器(7)的励磁线圈通电后，涡轮(10)的输出转矩一部分由泵轮(9)提供， 另一部分由磁粉离合器(7)提供，由于磁粉离合器(7)所消耗的电功率极小，可以忽略， 可以认为磁粉离合器(7)的传递效率为100%。当载荷变化时，不考虑内燃机时系统的传动 效率如图6所示，由图6可以看出，向磁粉离合器施加控制转矩后，能显著提高系统的传动 效率，当载荷增大在0~25%范围内变化时，系统的传动效率平均提高4.5%左右。磁粉离合器(7)的励磁线圈通电后，内燃机的转速降低，引起内燃机的效率生变化。 现代内燃机一般的工作转速为2000r/min左右，由图4所示的内燃机油耗曲线可以看出，当 内燃机转速降低时，单位功率油耗降低，从而效率得到提高。整个传动系统(包括内燃机) 的效率仿真曲线如图7所示，由图7可以看出，当载荷增大在0~25%范围内变化时，向磁粉 离合器(7)施加控制电流前系统的平均效率为33.2%，向磁粉离合器(7)施加控制电流后的平均效率为35.5%，则向磁粉离合器(7「)施加控制电流后与嫩加控制电流前的燃油消耗比 值为33.2/35.5=0.94。由此可知，在某一工作范围内，本发明所述的高效液力变矩传动系统 能使现有液力变矩传动系统的燃油消耗下降6%左右。可见本发明所述的高效液力变矩传动 系统能节约能源，减少温室气体排放。本实施例中的液力变矩器具有较宽的高效区，如果某 一传动系统所用液力变矩器的高效区较窄，则采用本发明所述的高效液力变矩传动系统后， 效率的提高将更加明显。前述具体实施方式
是以图2所示的传动系统为例说明，图2中液力变矩器的泵轮与涡轮 的转向相同，为正转液力变矩器；如果液力变矩器的泵轮与涡轮转向相反，则为反转液力变 矩器，针对反转液力变矩器的传动系统如图8所示，内燃机的能量通过一对内啮合齿轮传递 到液力变矩器的泵轮上。本发明所述的高效液力变矩传动系统，能显著提高现有液力变矩传动系统在低速传动时 的效率。磁粉离合器所消耗的功率为电功率与调整过程中的滑差功率，这个值通常较小，可 以忽略不计。而传动系统效率大幅提高后所获得的能量要远远大于磁粉离合器所消耗的能 量。综上所述，本发明所述的高效液力变矩传动系统以较小能量的损耗换取大量能量的获得， 能大幅提高车辆传动系统的效率，具有重要的社会价值和经济价值。
权利要求
1. 一种高效液力变矩传动系统，适用于变载荷工况下的运动和动力的传递，主要由内燃机(1)、齿轮A(2)、齿轮B(3)、齿轮C(4)、齿轮D(5)、传动轴I(6)、磁粉离合器(7)、转速检测与电子控制单元(8)、液力变矩器(由泵轮(9)、涡轮(10)和导轮(11)组成)、传动轴II(12)、变速器(13)等部件组成。其特征在于传动轴I(6)和传动轴II(12)通过磁粉离合器(7)相连，当载荷增大液力变矩器的转速比小于最佳转速比时，转速检测与电子控制单元(8)向磁粉离合器(7)施加励磁电流，使传动轴I(6)向传动轴II(12)传递能量，从而改变涡轮(10)与泵轮(9)的转速比i，使i的值等于液力变矩器的最佳转速比i*，使液力变矩器和整个传动系统的效率都得到提高；传动轴I(6)与泵轮(9)的转速比值始终保持为i*；内燃机(1)的能量通过齿轮机构传递到泵轮(9)上。
2、 根据权利要求1所示高效液力变矩传动系统，其特征在于传动轴I (6)的转速不大 于传动轴II (12)的转速时，磁粉离合器(7)中无励磁电流，传动轴I (6)和传动轴II (12) 之间没有约束；当传动轴I (6)的转速大于传动轴n (12)的转速时，转速检测与电子控制 单元(8)向磁粉离合器(7)施加励磁电流，传动轴I (6)向传动轴II (12)传递能量，从 而改变涡轮(10)和泵轮(9)的转速比。
3、 根据权利要求1所示高效液力变矩传动系统，其特征在于传动轴I (6)与泵轮(9) 的转速比值始终保持为i*，当液力变矩器的转速比被调整到1*时，磁粉离合器(7)中不产 生滑差功率。
4、 根据权利要求1所示高效液力变矩传动系统，其特征在于内燃机(1)的能量通过 齿轮C (4)和齿轮D (5)递到泵轮(9)上，内燃机(1)与泵轮(9)的传动比一般为1:1， 也可以为其它值。
全文摘要
高效液力变矩传动系统，涉及机械传动领域。本发明提供一种新型的高效液力变矩传动系统，使液力变矩器始终处于高效工作状态，液力变矩器的效率值在最高效率值附近变化。本发明所提供的新型液力变矩传动系统能提高现有液力变矩器的传动效率，降低能量损耗，节约能源，保护环境。
文档编号F16D37/00GK101275658SQ200810044340
公开日2008年10月1日 申请日期2008年5月5日 优先权日2008年5月5日
发明者进 姚, 华 李 申请人:四川大学