液压与液力传动液力部分教案（20062007 学年第一学期）授课教师：刘辉机械与车辆工程学院1第一章 绪论 （一）教学内容液力传动的定义、发展与应用、液力传动特点和液力元件设计方法（二）教学目标1了解液力传动和液力元件的定义2了解液力传动的发展和应用3分析液力传动的特点4了解液力元件的设计方法（三）教学重点1液力传动的特点2液力元件的设计方法（四）教学难点1液力传动在车辆上应用的优缺点2液力元件的一元束流理论设计方法（五）教学方法以课堂讲授为主，穿插提问和启发等互动教学方式；（六）教学媒体1课件2板书（七）教学安排一、液力传动的定义所有的动力机械一般都是由原动机、传动机构和工作机三部分组成。原动机一般为电动机、内燃机（汽油机、柴油机） 、蒸汽机等。传动机构有电力传动、机械传动、及流体传动等。流体传动又可分为气压、液压、液力、液粘传动。2液压传动：液体的压能传递动力（静液传动）气压传动：气体的压能传递动力液力传动：液体的动能传递动力（动液传动）液粘传动：液体的油膜剪切力传递动力液力传动主要依靠工作液体的动能的变化来传递或变换能量的液体元件称为液力元件，在传动系统中若有一个以上环节是采用液力元件来传递动力，则这种传动称为液力传动。二、液力传动的发展与应用德国菲丁格尔研制出第一台液力变矩器，并于 1908 年应用于船舶工业。19 世纪三十年代应用到汽车上，二战用于军车。20 世纪 50 年代，应用于工程机械和机车上应用领域：军车、坦克、装甲车工程机械： 装载机、起重机。民车：公共汽车、高级轿车（舒适性）航空： B-1 战略轰炸机。三、液力传动特点1优点：1）使传动系统获得自动、无级变速和变矩能力，使车辆具有自动适应能力。车辆起步平稳。2）具有减振、降低动负荷作用，可提高发动机、传动系统的寿命。提高了乘员的舒适性。3）具有良好的稳定的低速性能，提高了车辆通过性。2缺点：1）与机械传动相比，效率较低，经济性要差些。32）需要增加一些附加设备，如供油冷却系统等，体积和重量略大，结构较复杂，造价要高。3）不能利用发动机制动来制动车辆，不能用牵引的办法来启动发动机。四、设计方法 1. 一元束流理论：液体无粘性、流体质点运动轨迹与叶片滑线重合。中间平均流线，任一工作轮出口流动状况与入口无关。2. 二元流动理论：认为流动在过旋转轴轴心的一组轴平面内进行，每一平面内速度和压强分布相同，流动是两个空间坐标的函数。3. 三元流动理论：准二维理论、流线曲率法、三维不稳定粘性流动等理论。用于分析。4. 束流理论及其假设认为液流通过工作轮流道中的流动是单元流动（即束流理论） ，其假设为：1）在工作轮中的液流是无限多单元液流（束流）组合而成的。而且这些单位液流对工作轮的旋转轴是对称的。因此，在工作轮中液流相应的质点的运动轨迹相同，而且假设同一过流断面上的各点的轴面速度 均相同。mxv2）工作轮内的叶片数目为无限多，叶片的厚度为无限薄；在这种情况下，液体质点的运动轨迹与叶片的形状和方向一致。3）液体流过工作轮时，液流与叶片间的相互作用，可以用具有平均值的中间流线（或称设计流线）的流动状况来代表（见图中的点划线 1-2） 。这样，整个工作轮中液体的流动，就可以用对中间流线的研究来代替。4）任一工作轮入口处的液体流动状况，完全取决于前一工作轮出口的流动状况。5）工作轮入口处液体流动状况的变化，不影响工作轮出口处液体的流动情况。4第二章 液力传动基础知识（一）教学内容液体在工作轮中的运动及速度三角形、动量矩定理和各工作轮转矩、工作液体与工作轮的能量变换（二）教学目标1了解液体在工作轮中的运动2绘制和分析速度三角形含义3运用动量矩定理推导工作轮转矩4掌握欧拉方程的推导（三）教学重点1各工作轮的速度三角形意义2各工作轮转矩的表达式（四）教学难点1动量矩定理的运用2工作轮与工作液体的能量变化过程3欧拉方程的推导以及各项物理意义（五）教学方法以课堂讲授为主，穿插提问和启发等互动教学方式；（六）教学媒体1课件2板书（七）教学安排52-1 液体在旋转工作轮中运动及速度三角形一、液体在旋转工作轮中的流动牵连运动和相对运动在研究液体在旋转工作轮中的流动情况时，常常要应用速度三角形的概念。任取一工作轮，假定工作轮的流道充满着工作液体，当工作轮以角速度 作顺时针方向旋转时，则工作轮流道内液体的任一质点的运动将由两种运动组成：一种是由工作轮带动液体质点一起旋转的旋转运动，也叫做牵连运动，其运动速度以 表示；另一种运动是液体质点沿工作轮中的叶片形成的流道流动xu时，相对于叶片的相对运动，其运动速度以 表示。xw二、速度三角形将两种运动速度按向量合成的原则相加，即可得到液体质点 在工作轮中X流动时的绝对运动速度 。在速度合成过程中，由 三个速度所形成的xv xvwu,三角形（见图 2-1 b） ，叫做液体质点在工作轮中运动情况的速度三角形。在速度三角形中， 角为绝对速度 与牵连速度 的正向间的夹角； 角xvx 为相对速度 与牵连速度 的正向间的夹角。xwxu在液力传动中，为了研究工作轮中液体流动的需要，常将液体质点 的绝X对速度 ，向轴面（过工作轮轴心线的剖面）和与轴面垂直的圆周运动方向分xv解成两个分速度 和 ，其中 叫做轴面分速度； 叫做圆周分速度。mxuvmx uxv与 是互相垂直的。mxvu6三、各个速度的大小和方向的确定速度三角形中各个速度的大小、方向以及相互间的关系如下。牵连速度 其方向为液体质点圆周切线方向，其数值 等于xu xuxxRn602式中 工作轮的角速度；工作轮的转速（转/分） ；n自工作轮中心至任意液体质点的半径。xR轴面分速度 在工作轮轴面内，假设液流是等速流，则 的数值等于mxv mxvFQvmx式中 通过工作轮流量；Q与轴面分速度相垂直的有效过流的断面面积。F相对速度 等于xwsinmxxvw圆周分速度 等于 uxv(180)uxmxxmvctguvctg绝对速度 是空间向量，其数值等于xv222()xmxumxxvvct72-2 液流的动量矩及液流与工作轮叶片的相互作用一、液流的动量矩设液体质量为 ，则 与该点绝对运动速度 的乘积，叫做该质点的动量，mv以 表示。由于速度是向量，因此动量也是向量。液体质点在叶片出口处的动v量 ，在叶片入口处的动量 ，它们的方向与绝对速度 ， 的方向相同。2 1v21v动量 与动量至旋转轴 的垂直距离 的乘积叫作液体质点对旋转轴 的mvORO动量矩 。L图中 ， 分别为液体质点在叶片出口和入口处对旋转轴 的2R1v动量矩 ， 。1由于 ；22cos 11cosR所以 22mvvmLu同理 111u因此，叶片进出口处液体质点的动量矩实际上等于该点的质量 与该点的m绝对速度的圆周分速度 和该点的半径 的乘积。uvR二、液流与工作轮叶片的相互作用根据力学中的动量矩原理，一物体动量矩变化数量的大小与作用于该物体的力矩的大小和作用时间的长短有关，以公式表示，则为tML式中 表示动量矩 的变化数量； 表示力矩 的作用时间。LtM根据束流理论的假定，液流在工作轮内流动时各质点的运动状况对旋转轴是完全对称的，可把液流的全部质量集中于一点来研究，质点的质量 。tQm8此质点由入口流至出口，其动量矩由 变至 ，动量矩的增量为1Rmvu2vu，引起这个增量的原因是由于工作轮对工作液体作用转矩12RmvLuu的结果。由上式得M12RvLtuu将 代入tQ)(12vtQtu化简得 RMu此式表明液体流经工作轮时，工作轮叶片与液流相互作用的力矩关系。这一关系十分重要，是研究液力元件工作原理、设计计算的理论基础。应用此式时应注意式中 和 是指液流进入工作轮之前和流出工作轮后的绝对速度的1uv2圆周分速度。2-3 工作液体与工作轮的能量变换欧拉方程式工作液体通过泵轮，将泵轮的机械能转换成液体能。泵轮的机械能 tMPB泵轮内工作液体能 gQH式中 工作液体的密度；重力加速度；g工作液体通过泵轮的流量；Q工作液体经泵轮建立的能头。BH如不考虑损失，则 tMtgBB将公式 代入，经变换得)(12uBuvRQ9)(12uBuBBvRgH即有： )(12uBuB同理，可以得到涡轮、导轮内工作液体的能头表达式 )(112uTuTTvgH)(12uDuD一般 为正值，即液体从泵轮吸收能量，能头增高；由于 一般为负值，B 2uTv而 为负值，即流体能头减小，转换为涡轮输出的机械能；导轮转速为 0，则TH，而 ，即液体在导轮内无能量交换。012DuD以上对能头的讨论是完全建立在束流理论假定的基础上，因而称其为理论能头。与实际能头是有出入的。第三章 液力变矩器（一）教学内容液力变矩器的结构、工作原理、特性和分类，液力变矩器的变矩原理、自动适应性。 （第 1、2、3 节）（二）教学目标1了解液力变矩器的结构和种类2了解液力变矩器的工作过程3掌握液力变矩器各工作轮的工作特性，能够推导各工作轮的转矩3运用力矩平衡和动量矩定理分析液力变矩器的变矩原理4运用涡轮速度三角形分析液力变矩器的自动适应性（三）教学重点1液力变矩器的工作特性及各工作轮速度三角形分析102各工作轮转矩的表达式3分析液力变矩器的自动适应性（四）教学难点1动量矩定理的运用2工作轮与工作液体的能量变化过程3分析液力变矩器的自动适应性（五）教学方法以课堂讲授为主，穿插提问和启发等互动教学方式；（六）教学媒体1课件2教具3板书（七）教学安排3-1 液力变矩器的结构、工作过程及种类以最简单的三工作轮液力变矩器为例，来说明液力变矩器的工作过程。该液力变矩器的主要结构为泵轮 B、涡轮 T 和导轮 D。液力变矩器循环圆内充满着工作液体，液力变矩器不工作时，工作液体处于静止状态，不传递任何能量。液力变矩器工作时，由发动机带动泵轮 B 旋转，并将发动机的力矩 MB施加于泵轮。泵轮旋转时，泵轮内的叶片带动工作液体一起做牵连的圆周运动，并迫使液体沿叶片间通路做相对运动。工作液体经受泵轮叶片的作用在离开泵轮时，获得一定的动能和压能，从而实现了将发动机的机械能变为液体的液能（动能和压能） 。由泵轮流出的高速油流，经过一段无叶片区段进入涡轮 T，高速液流冲击涡轮叶片，使涡轮开始旋转，并且使涡轮轴上获得一定的转矩去克服外阻力做功。此时，液流在涡轮中的运动仍由两部分组成，即与旋转的涡轮一起运动的11牵连运动，和在涡轮叶片流道内的相对运动。由于液体冲击叶片，一部分液能转变为机械能，所以液体的动能和压能降低。由涡轮流出的液流进入导轮。由于导轮固定不转，即转速 ，所以不0nD管导轮上有无力矩作用，导轮上的功率始终等于零。因此，液流在导轮内流动时，没有能量的输入和输出。当液体流经导轮时，液体只有沿导轮叶片所限制的流道作相对运动，因为没有旋转的牵连运动，所以液流的相对运动就是液流的绝对运动。液体流经导轮时，相对运动（或绝对运动）速度可发生两种变化，一是速度大小发生变化，根据管中流动的伯努利方程式，这只有当叶片间的通道（或导轮的流道）断面发生变化时才有可能，当导轮叶片进出口处的断面相等时，则速度的绝对值相同；二是速度的方向改变，液流进入叶片以后和离开叶片以前，液流的运动方向完全由叶片的形状和进出口安装角所决定的。由于液流速度大小和方向的改变都将导致液流动量矩的变化，而动量矩的变化导致在导轮上承受液体力矩的作用。导轮的主要作用是改变液体的动量矩。导轮改变液流的动量矩的同时，还改变液流液能的形式，即将液流的压能变为动能，或将液体的动能变成压能。液流从导轮流出后，重新流入泵