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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
摘 要
液力偶合器的實(shí)質(zhì)是離心泵與渦輪機(jī)的組合，主要由輸入軸、輸出軸、泵輪、渦輪、外殼、輔室及安全保護(hù)裝置等構(gòu)成。目前對(duì)液力偶合器的設(shè)計(jì)有三種——研發(fā)類的全新型設(shè)計(jì)、相似設(shè)計(jì)和選型設(shè)計(jì)。工程中運(yùn)用最多的是選型設(shè)計(jì)。本文試圖在結(jié)合行業(yè)中液力偶合器的設(shè)計(jì)慣例，結(jié)合工作要求，進(jìn)行選型設(shè)計(jì)和相似設(shè)計(jì)，并做重要部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
對(duì)輸出軸孔和輸入軸孔進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核，包括軸孔的強(qiáng)度校核和軸孔上的配合螺栓組強(qiáng)度校核。從各種液力偶合器的結(jié)構(gòu)介紹中我們可以了解到，各種液力偶合器均需在轉(zhuǎn)速差方面?zhèn)鬟f動(dòng)力，轉(zhuǎn)速差使輸出轉(zhuǎn)矩和功率均有損失，這是液力偶合器的內(nèi)在缺陷。本次設(shè)計(jì)的閉鎖式液力偶合器就可以有效地的彌補(bǔ)這方面的缺陷。閉鎖式液力偶合器就是在限矩形液力偶合器上加裝離心式摩擦離合器組成。本文也對(duì)輸出軸孔的軸承進(jìn)行了選擇和校核。確定了泵輪和渦輪的厚度及合金材料成分。
關(guān)鍵詞：液力偶合器 選型設(shè)計(jì) 相似設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
ABSTRACT
Hydraulic coupling, in essence, is centrifugal pump and turbine combination. Enter from the main shaft, the output shaft, pumping round, turbine, shell, auxiliary rooms and pose a security device. Coupled with the current hydraulic design of the three-research and development of new types of design, similar to the design and type design. Engineering is the largest use of type design. This paper attempts to combine industry in the hydraulic coupling in the design practice, the combination of work requirements, selection and design of similar design, and to do important part of the structural design.
The output shaft hole and input shaft hole for structural design and verification, including the shaft hole and check the strength of the shaft with bolt holes on the group strength checking. From all kinds of hydraulic coupler introduced the structure, we can see that, all kinds of hydraulic coupler are to be in the rotation speed difference in power transmission, speed job torque and power are loss, this is hydraulic coupler inner defects. The design of the closure type hydraulic coupler can effectively to make up for the defect. Atresia type hydraulic coupler is limited in rectangular hydraulic coupler on centrifugal friction of the clutch.In this paper, check the option of the output shaft hole’s bearings. Determine the pump and turbine wheel of alloy material composition and thickness.
Key words: hydraulic coupler; Selection design; similar design, structure design
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前 言
在國際競(jìng)爭(zhēng)日益加大的今天，我國企業(yè)的經(jīng)營環(huán)境和經(jīng)營理念等發(fā)生了極大地變化，企業(yè)爭(zhēng)相研究新技術(shù)并盡力把新技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，這使無形資產(chǎn)在絕對(duì)數(shù)和相對(duì)數(shù)上都有快速、大量的增長。遠(yuǎn)對(duì)液力偶合器行業(yè)的發(fā)展具有深的影響。在各國 貿(mào)易保護(hù)主義的時(shí)期，液力偶合器行業(yè)中技術(shù)含量低的人力密集型企業(yè)，缺乏品牌的出口導(dǎo)向型企業(yè)面臨發(fā)展危機(jī)，而注重培養(yǎng)品牌和技術(shù)創(chuàng)新能力較強(qiáng)的企業(yè)將占得先機(jī)，液力偶合器行業(yè)企業(yè)如何面對(duì)新的經(jīng)濟(jì)環(huán)境和政策環(huán)境，制定適合當(dāng)前形勢(shì)和自身特點(diǎn)的發(fā)展策略與競(jìng)爭(zhēng)策略，是液力偶合器行業(yè)企業(yè)在未來兩年我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整大潮中立于不敗之地的關(guān)鍵。我國對(duì)液力偶合器的應(yīng)用還不是很普遍，但液力偶合器所具有的改善品質(zhì)和節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，表明了它具有較強(qiáng)的生命力。隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及人們對(duì)液力偶合器的認(rèn)識(shí)不斷加深，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)日益擴(kuò)大。
我國對(duì)液力偶合器的應(yīng)用還不是很普遍，但液力偶合器所具有的改善品質(zhì)和節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，表明了它具有較強(qiáng)的生命力。在許多固定的機(jī)械設(shè)計(jì)上，在動(dòng)力機(jī)與工作機(jī)構(gòu)之間也多設(shè)有傳動(dòng)裝置，其主要功能不外乎滿足工作機(jī)調(diào)速和調(diào)節(jié)功率的要求，也有的主要是為了改善起動(dòng)機(jī)加速性能、過載保護(hù)、提高運(yùn)用可靠性和工作壽命。因而傳動(dòng)裝置的功用就不僅僅是簡單地將動(dòng)力機(jī)之動(dòng)力傳至走行部分，而主要在于將動(dòng)力機(jī)的特性轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應(yīng)車輛運(yùn)行要求的特征。液力偶合器是一種應(yīng)用很廣泛的通用傳動(dòng)元件，它置于動(dòng)力機(jī)與工作機(jī)之間，傳遞兩者的動(dòng)力。其作用似乎和聯(lián)軸器相同，但實(shí)質(zhì)并不相同。在改善啟動(dòng)性能、過載保護(hù)、無級(jí)變速、對(duì)載荷有自動(dòng)適應(yīng)性等方面，液力偶合器的特性是聯(lián)軸器所沒有的。隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及人們對(duì)液力偶合器的認(rèn)識(shí)不斷加深，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)日益擴(kuò)大。在對(duì)相關(guān)著作的學(xué)習(xí)、研究中得到更多、更深層的理論知識(shí)。
當(dāng)前，國際能源日益緊張，人們不得不把注意力放到如何提高能源利用率和節(jié)約能源方面來。因此，可以在應(yīng)用中節(jié)約能源的調(diào)速型液力偶合器和液力偶合器傳動(dòng)裝置得到了迅速發(fā)展。由于液力偶合器傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)精密、加工精度高、難度大、利潤高，因而西方各大公司競(jìng)相研制生產(chǎn)，競(jìng)爭(zhēng)很激烈。對(duì)于有形資產(chǎn)，各行業(yè)都有不同之處，需要分別進(jìn)行探討。國外對(duì)有形資產(chǎn)要比國內(nèi)更加重視，他們?cè)诶碚撋嫌泻芏嘈枰覀兘梃b的地方。尤其一提的是，國外對(duì)開發(fā)成本的研究日趨成熟，值得我們研究并學(xué)習(xí)。
我國對(duì)液力偶合器的應(yīng)用還不是很普遍，但液力偶合器所具有的改善品質(zhì)和節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，表明了它具有較強(qiáng)的生命力。隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及人們對(duì)液力偶合器的認(rèn)識(shí)不斷加深，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)日益擴(kuò)大。
本次我的畢業(yè)設(shè)計(jì)做的就是液力偶合器，因?yàn)樽约阂彩浅醮谓佑|設(shè)計(jì)液力偶合器，不足之處希望老師多提寶貴意見。
1 液力偶合器的基礎(chǔ)知識(shí)
液力偶合器是安裝在電動(dòng)機(jī)與泵之間的一種傳遞部件，從電機(jī)至液力偶合器和偶合器至水泵之間是采用繞性聯(lián)軸器連接，而偶合器與一般的聯(lián)軸器不同之處是，它是通過工作油來傳遞和轉(zhuǎn)換能量的。
它主要由主動(dòng)軸、泵輪、渦輪、從動(dòng)軸以及防止漏油的旋轉(zhuǎn)內(nèi)套等組成，泵輪與渦輪分別裝在主動(dòng)輪和從動(dòng)輪上，它們之間無機(jī)械聯(lián)系。旋轉(zhuǎn)外套在其外緣法蘭處用螺栓與泵輪相連接。
泵輪與渦輪的軸心線相重合，內(nèi)腔相對(duì)布置，兩輪側(cè)板的內(nèi)腔形狀和幾何尺寸相同，輪內(nèi)裝有許多徑向輻射形葉片，兩輪端面留有適當(dāng)?shù)拈g隙。構(gòu)成一個(gè)液流通道，叫工作腔，工作腔的軸面投影稱為流道。
運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在夜里偶合器中充滿工作油，當(dāng)主動(dòng)輪帶動(dòng)泵輪回轉(zhuǎn)時(shí)，泵輪流道中的工作油因離心力的作用，沿著徑向流道由泵輪內(nèi)側(cè)（進(jìn)口）流向外緣（出口）形成高壓高速油。在出口處以徑向相對(duì)速度與泵輪出口圓周速度形成合速，沖入渦輪的進(jìn)口徑向流道，并沿著流道由工作油動(dòng)量矩的改變?nèi)ネ苿?dòng)渦輪，使其跟隨泵輪作同方向旋轉(zhuǎn)。但它們的轉(zhuǎn)速不可能完全相同，因液體不具有剛性，假使它們?cè)谕晦D(zhuǎn)數(shù)下旋轉(zhuǎn)，則工作油就不會(huì)再?zèng)_擊渦輪，因而就不會(huì)發(fā)生動(dòng)力傳遞。一般泵輪與渦輪的轉(zhuǎn)差率為3%-4% 。油在渦輪流道中由外緣（入口）流向內(nèi)側(cè)（出口）的過程中減壓減速，在出口中又以徑向相對(duì)速度與渦輪出口圓周形成合速。沖入泵輪的進(jìn)口徑向流道，重新在泵輪中獲得能量。如此周而復(fù)始，構(gòu)成工作油在泵輪和渦輪兩者間的自然環(huán)流。在這種循環(huán)中，泵輪將輸入的機(jī)械功轉(zhuǎn)化為工作油的動(dòng)能和壓力能，而渦輪則將工作油的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)換為輸出的機(jī)械功。從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)到水泵之間的動(dòng)力傳遞。工作油越多，則傳遞的動(dòng)力愈大，也就增加了渦輪的傳遞。而工作油減少時(shí)，情況正與上述相反。工作油量靠勺管來調(diào)節(jié)的。
1.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及液力傳動(dòng)
所有機(jī)械，一般都有原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和工作機(jī)三部分組成。原動(dòng)機(jī)一般為電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)（汽油機(jī)、柴油機(jī)）蒸汽機(jī)等他們的功能都是將電能、熱能等轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。當(dāng)原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性不能滿足工作機(jī)的要求時(shí)，就需要用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間的合理匹配。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有電氣傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)及流體傳動(dòng)，而流體傳動(dòng)又分為氣壓傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)及液力傳動(dòng)三種。氣壓傳動(dòng)及液壓傳動(dòng)主要靠工作流（空氣或油液）的壓力能來傳遞能量。而液力傳動(dòng)則主要靠液體的速度對(duì)轉(zhuǎn)軸的動(dòng)量矩來傳遞能量。所以液力傳動(dòng)必然有帶葉片的工作輪——泵輪及渦輪等。泵輪與原動(dòng)機(jī)相連，其功能是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能傳給工作液體，其作用類似于水泵的葉輪。流體流經(jīng)泵輪以后能量增加，而渦輪則與工作機(jī)相違。它使工作液體的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能輸出，經(jīng)過渦輪以后工作液體的能量減少，渦輪類似于水輪機(jī)的工作輪。如果工作機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化較大，為增加渦輪的轉(zhuǎn)矩，往往采用液力變矩器，有的渦輪軸之后增加變速機(jī)構(gòu)。而在液力變矩器中，除有泵輪、渦輪外還有與機(jī)座固定的導(dǎo)輪。導(dǎo)輪的作用是改變泵輪進(jìn)口處流體的動(dòng)量矩，起著永輪機(jī)導(dǎo)向輪的作用，故稱之為導(dǎo)輪。
1.2 液力傳動(dòng)的基本原理
液力傳動(dòng)是將葉片泵與水輪機(jī)組合起來實(shí)現(xiàn)能量傳動(dòng)的。對(duì)液力變矩器來說，它是由流體在泵輪、渦輪和導(dǎo)輪所組成的工作腔中流動(dòng)，原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)泵輪使流體流經(jīng)泵輪后能量增加，因此泵輪是原動(dòng)機(jī)的直接負(fù)載。從泵輪流出的高速流體又推動(dòng)類似永輪機(jī)的渦輪傳動(dòng)，從而帶動(dòng)與渦輪軸相連的工作機(jī)，這就實(shí)現(xiàn)了能量的傳遞。流體流經(jīng)泵輪后，其機(jī)械能（流體的動(dòng)能和壓力能）是增加的，而流經(jīng)渦輪后其能量減少。流體在工作腔中的循環(huán)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了能量從原動(dòng)機(jī)到工作機(jī)的傳送。水輪機(jī)有導(dǎo)流器，它是一個(gè)固定在機(jī)座上的葉片部件，因此流過它的流體對(duì)導(dǎo)流器葉片有作用力。如果液力元件中有導(dǎo)輪，其作用與水輪機(jī)的導(dǎo)流器作用相同，具有變矩作用。如果沒有導(dǎo)輪，則稱之為液力偶合器。
1.3 液力傳動(dòng)的分類
液力傳動(dòng)包括液力偶合器、液力變矩器和液力機(jī)械傳動(dòng)。液力偶合器只有泵輪和渦輪而沒有導(dǎo)輪。在不考慮各種損失的情況下，泵輪的轉(zhuǎn)矩與渦輪的轉(zhuǎn)矩相等，故稱之為液力偶合器，亦稱之為“液力聯(lián)軸節(jié)”。液力偶合器有根據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能的不同而分為牽引型偶合器、限矩形偶合器和調(diào)速型偶合器等不同類別。
如果加上固定在支座上又不轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)輪，則泵輪與渦輪上的轉(zhuǎn)矩就不相等，這種液力元件稱之為液力變矩器。液力變矩器的泵輪一般是原動(dòng)機(jī)的直接負(fù)載，這一點(diǎn)與偶合器相同。但液力變矩器中由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪組成的流道為封閉流道，流體在流道中的流動(dòng)為有壓流動(dòng)，而在偶合器中，由于流體一般不能完全充滿由泵輪和渦輪組成的工作腔，即工作腔中含有一定的充氣空間，因此在偶合器中流動(dòng)的流體有自由表面，屬于無壓流動(dòng)。液力變矩器中由于有固定在支座上的導(dǎo)輪，所以渦輪的輸出轉(zhuǎn)矩與泵輪軸上的轉(zhuǎn)矩不相等，具體有三種情況：大于、等于和小于泵輪轉(zhuǎn)矩。這說明液力變矩器具有變矩的功能。
液力機(jī)械傳動(dòng)不是液力元件（變矩器、偶合器）與機(jī)械傳動(dòng)元件的簡單組合，而是指液力元件與行星齒輪的適當(dāng)組合。可以使原動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)行分流，一部分功率經(jīng)由液力元件，另一部分功率則由行星齒輪傳遞。它們也是有類似于所采用液力元件（變矩器或偶合器）的傳動(dòng)特性，因此同樣屬于液力傳動(dòng)的范疇。工作腔由兩個(gè)葉輪組成者稱為液力偶合器，由三個(gè)以上葉輪組成的為液力變矩器。這里介紹的是液力偶合器的設(shè)計(jì)。
2 液力偶合器的工作原理
液力偶合器是一種應(yīng)用很廣泛的通用傳動(dòng)元件，它置于動(dòng)力機(jī)與工作機(jī)之間，傳遞兩者的動(dòng)力。其作用似乎和聯(lián)軸器相同，但實(shí)質(zhì)并不相同。在改善啟動(dòng)性能、過載保護(hù)、無級(jí)變速、對(duì)載荷有自動(dòng)適應(yīng)性等方面，液力偶合器的特性是聯(lián)軸器所沒有的。因此，其正確名稱為液力偶合器，而不稱為液力聯(lián)軸器。
典型的液力偶合器結(jié)構(gòu)（圖2—1）由對(duì)稱布置的泵輪渦輪以及外殼、主軸等構(gòu)件組成；外殼與泵輪通過螺栓固定連接，其作用是防止工作液體散逸。輸入軸
圖2-1 液力偶合器主要構(gòu)件
(與泵輪固定連接）與輸出軸（與渦輪固定連接）分別與動(dòng)力機(jī)和工作機(jī)相連接。泵輪和渦輪均為具有徑向直葉片的葉輪、由泵輪初渦輪具有葉片的凹腔部分所形成的圓環(huán)狀空腔稱為工作腔，供工作液體在其中循環(huán)流動(dòng)。傳遞動(dòng)力進(jìn)行工作，工作腔的最大直徑稱為有效直徑，是液力元件的特征尺寸——規(guī)格大小的標(biāo)志。
圖2-2 液力偶合器傳動(dòng)裝置圖
在液力偶合器被動(dòng)力機(jī)帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，存在于液力偶合器腔體內(nèi)的工作液體，受泵輪帶動(dòng)，既隨泵輪做周圍（牽連）運(yùn)動(dòng)，又對(duì)泵輪做相對(duì)運(yùn)動(dòng)（圖2-2）。液體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于葉輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由葉輪和葉片形狀決定。由于葉片為徑向直徑片，按照葉片數(shù)目無窮多、厚度無限薄的假設(shè)，液體質(zhì)點(diǎn)只能沿著葉片表面與工作腔外環(huán)表面所組成的流道內(nèi)流動(dòng)。由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的離心力作用，液體質(zhì)點(diǎn)從泵輪半徑較小的流道進(jìn)口處被加速并被拋向半徑較大的流道出口處，從而液體質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量矩（）增大，即泵輪從動(dòng)力機(jī)吸收機(jī)械能（力矩和轉(zhuǎn)速）并轉(zhuǎn)化成液體能。{}在泵輪出口處液流以較高的速度和壓強(qiáng)沖向渦輪葉片并沿著葉片表面與工作腔外環(huán)表面所組成的流道做向心流動(dòng)，液流對(duì)渦輪葉片的沖擊減少了它的速度和壓強(qiáng)，使液體質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量矩不斷減小。釋放的液體能推動(dòng)渦輪（及工作機(jī)）旋轉(zhuǎn)做功（渦輪將液體能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能）。當(dāng)液流的液體能釋放減少后，由渦輪流流出而進(jìn)入泵輪，再開始下一個(gè)能量轉(zhuǎn)化的循環(huán)流動(dòng)，如此不斷循環(huán)。
在液力偶合器運(yùn)轉(zhuǎn)的能量轉(zhuǎn)化過程中，不可避免地伴隨著能量損耗，造成工作液體發(fā)熱，溫度上升，同時(shí)使渦輪轉(zhuǎn)速，低于泵輪轉(zhuǎn)速，形成液力偶合器運(yùn)轉(zhuǎn)中必須存在的轉(zhuǎn)速差。在泵輪出口處的液流，之所以能沖入渦輪是由于在液力偶合器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中泵輪轉(zhuǎn)速始終高于渦輪轉(zhuǎn)速。泵輪出口處的壓強(qiáng)高于渦輪進(jìn)口處壓強(qiáng)，因而液流能沖入渦輪，進(jìn)而循環(huán)流動(dòng)。
泵輪和渦輪轉(zhuǎn)速差越大，則上述壓差也越大，由于循環(huán)流量（單位時(shí)間內(nèi)流過循環(huán)流道某一過流斷面的工作液體的體積）與此壓差平方根成正比，故此循環(huán)流量也越大（即循環(huán)流速增高）。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速為零而泵輪轉(zhuǎn)速不等于零時(shí)，循環(huán)流量最大，如式（2—1）
（2—1）
可見其葉片輪力矩亦最大，當(dāng)泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速相等時(shí)，壓差等于零，液流停止流動(dòng)，循環(huán)流量為零，則此時(shí)葉輪力矩等于零，為零矩工況，此時(shí)液力偶合器不能傳遞力矩。
從式（2—1）中可見，在運(yùn)轉(zhuǎn)中葉輪力矩M取決于諸內(nèi)參數(shù)。而又取決于轉(zhuǎn)速差、泵輪轉(zhuǎn)速和工作腔充液量。故液力偶合器傳遞力矩（或功率）的能力與泵輪轉(zhuǎn)速和泵輪、渦輪間的轉(zhuǎn)速差（或轉(zhuǎn)速比）大小有關(guān)，同時(shí)也與工作腔的充液量大小有關(guān)，在相同情況下，工作腔充液量越大，其傳遞力矩（或轉(zhuǎn)速）的能力也越大。反之亦然，因而調(diào)節(jié)工作腔中的充液量（充液度），就可改變其輸出力矩和轉(zhuǎn)速。從這一特征出發(fā)，采取不同的結(jié)構(gòu)措施，即可構(gòu)成不同類型的液力偶合器。例如，設(shè)置輔助強(qiáng)（用來調(diào)節(jié)工作腔充液量的空腔），在液力偶合器力矩過載時(shí)靠液流的靜壓或動(dòng)壓使工作腔中的工作液體自動(dòng)的傾泄入不同類型的輔助腔。減少工作腔充滿度，限制輸出力矩的提高，從而構(gòu)成限矩型液力偶合器。在工作腔以外設(shè)置導(dǎo)管（導(dǎo)流管，亦稱勺管）和導(dǎo)管腔（供導(dǎo)管導(dǎo)出工作液體的輔助腔），依靠調(diào)節(jié)裝置改變導(dǎo)管開度（導(dǎo)管頂端與螺旋外殼間距的百分率值）來人為地改變工作腔中的充液量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輪的力矩的調(diào)節(jié)，按此原理構(gòu)成了調(diào)速型液力偶合器。
對(duì)于限矩型液力偶合器，工作腔充液率隨載荷而自動(dòng)變化，對(duì)于調(diào)速型液力偶合器工作腔充液率與導(dǎo)管開閉之間有函數(shù)關(guān)系，需外加控制、由于調(diào)速型液力偶合器工作腔充液率難以測(cè)得，通常以導(dǎo)管開度（0～100%）來代表工作腔充液率。
3 閉鎖式液力偶合器的結(jié)構(gòu)
3.1 液力偶合器的分類
液力偶合器按其應(yīng)用特性可分為三個(gè)基本類型：普通型、限矩型、調(diào)速型；兩個(gè)派生類型：液力偶合器傳動(dòng)裝置和液力減速器，共五個(gè)類型。同一類型的液力偶合器依其結(jié)構(gòu)（腔型）、性能的不同，又可分若干個(gè)品種、同一品種的液力偶合器具有相同的結(jié)構(gòu)（及腔型）與相同的原始特性。
液力偶合器的分類如下：
1，普通型（快放閥式、滑塊式、放油式）
2，限矩型（靜壓泄液式、動(dòng)壓泄液式、復(fù)合泄液式）
3，調(diào)速型（進(jìn)口調(diào)節(jié)式、出口調(diào)節(jié)式、復(fù)合調(diào)節(jié)式）
4，液力偶合器傳動(dòng)裝置（前置齒輪式、后置齒輪式、復(fù)合齒輪式）
5，液力減速器（車輛式、固定設(shè)備式）
液力偶合器型號(hào)表示方法：
表3-1液力偶合器結(jié)構(gòu)代號(hào)和結(jié)構(gòu)特征代號(hào)表
按液力偶合器工作腔模型（腔型）分類：有靜壓泄液式、動(dòng)壓泄液式、長圓形、斜蛋形、扁桃形、多角形、扁圓形等不同腔型。通常前三種腔型用于限矩型和普通型液力偶合器，后四種腔型用于調(diào)速型液力偶合器及液力偶合器傳動(dòng)裝置。
按液力偶合器工作腔數(shù)量分類，則有單工作腔、雙工作偶合器。雙工作腔液力偶合器（如圖3—2）比相同有效直徑的單工作腔偶合器傳遞力矩（功率）增加一倍，因而相同功率時(shí)雙工作腔比單工作腔的徑向尺寸小，但軸向尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
無輔助系統(tǒng)的雙工作腔偶合器的軸向力是平衡的。但在有輔助系統(tǒng)時(shí)，由于補(bǔ)償液體及其他因素影響。仍可能有軸向力，但很小。
圖3-2 雙工作腔偶合器示意圖
液力偶合器的葉輪葉片均為平面葉片（骨面為平面的葉片）。按葉片布置方式有徑向葉片和傾斜式葉片兩種。徑向葉片為徑向布置的葉片。其葉片背景與軸面（通過軸線的平面）相重合。傾斜葉片是骨面與葉輪軸面相交的平面葉片，即葉片平面以其骨面端線為軸旋轉(zhuǎn)，與軸面有一夾角。
以泵輪為基準(zhǔn)，將傾斜葉片分為前傾斜葉片和后傾斜葉片；前傾斜葉片——泵輪流道口處葉片骨面向著泵輪轉(zhuǎn)向的傾斜葉片，渦輪葉片的傾斜方向與泵輪的同向[圖3—3（a)]。后傾斜葉片——泵輪流道口處葉片骨面與泵輪轉(zhuǎn)向相反的傾斜葉片，葉片傾斜方向與泵輪相反[圖3—3（b)]。前、后傾斜葉片的泵輪、渦輪葉片在軸面上均為同一方向平行布置的。
（a） （b）
圖3-3 傾斜葉片葉輪示意圖
前、后傾斜葉片與徑向葉片液力偶合器的原始特性很不相同（圖3—4）。由圖可見，在相同轉(zhuǎn)速比的情況下，前傾斜葉片泵輪力矩系數(shù)值最大；徑向葉片者居中；后傾斜葉片者最小。為獲得較大的制動(dòng)力矩，液力減速器采用前傾斜葉片。由于后傾斜葉片者泵輪力矩系數(shù)較低，在低轉(zhuǎn)速比時(shí)有很好的限矩保護(hù)性能，因此某些特定的限矩型偶合器采用后傾斜葉片。但由于葉輪鑄造工藝性較差和泵輪正、反轉(zhuǎn)變化時(shí)，前、后傾斜發(fā)生轉(zhuǎn)化，其特性差別很大，故后傾斜葉片液力偶合器很少應(yīng)用。
此外，按液力偶合器工作腔內(nèi)環(huán)的有無分為有內(nèi)環(huán)和無內(nèi)環(huán)兩種。在液力偶合器的早起結(jié)構(gòu)中，因其是液力變矩器演變而來的，故同液力變矩器一樣，工作腔中有內(nèi)環(huán)存在。在液力偶合器
圖3-4 不同葉片的比較
的發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)有內(nèi)環(huán)液力偶合器的能容比無內(nèi)環(huán)的要小許多，因?yàn)閮?nèi)環(huán)的空間不參與能量的傳遞。甚至有的還會(huì)因妨礙液流流態(tài)變化而消耗能量。在工作腔中內(nèi)環(huán)越小，液力偶合器的能容越高。沒有內(nèi)環(huán)則能容最高，故近代液力偶合器均無內(nèi)環(huán)。
本次設(shè)計(jì)的閉鎖式液力偶合器是限矩型液力偶合器的一種，在下面重點(diǎn)介紹一下限矩型液力偶合器。
3.2 限矩型液力偶合器
普通型液力偶合器由于過載系數(shù)大，使之在許多設(shè)備上無法應(yīng)用。為了有效保護(hù)動(dòng)力機(jī)（以及工作機(jī)）不過載。要求液力偶合器在任何工況下的力矩均不得大于動(dòng)力機(jī)的最大力矩、因此必須采取結(jié)構(gòu)措施來限制低轉(zhuǎn)速比時(shí)力矩的升高。常采用的結(jié)構(gòu)措施有設(shè)置輔助腔、采取多角形工作腔和在泵輪、渦輪之間加設(shè)擋板等多種方式，其中應(yīng)用最多的是設(shè)置輔助腔。此種方式是依靠減小工作腔充液量的辦法來限制液力偶合器的傳遞力矩，能量損耗較少。在泵輪、渦輪之間加設(shè)擋板常作為輔助限矩方式來應(yīng)用。
常見的限矩型偶合器有靜壓泄液式、動(dòng)壓泄液式和復(fù)合泄液式三種基本結(jié)構(gòu)。
3.2.1 靜壓泄液式液力偶合器
此種液力偶合器的明顯特點(diǎn)是在渦輪和外殼之間有一容積較大的側(cè)輔腔（如圖3—5），其中儲(chǔ)存的液體以角速度旋轉(zhuǎn)，靠其旋轉(zhuǎn)造成的離心靜壓力與工作腔壓力相平衡。當(dāng)超載使渦輪轉(zhuǎn)速降低時(shí)，側(cè)輔腔中液體也相應(yīng)降低而使離心靜壓力下降。與此同時(shí)工作腔中因超載而增大了轉(zhuǎn)速差和循環(huán)流量，從而增大了液體能（包括壓力能和動(dòng)能），使工作腔與側(cè)輔腔之間出現(xiàn)壓力不平衡，
圖3-5 靜壓泄液使液力偶合器
1 聯(lián)軸器 2泵輪 3 外殼 4渦輪 5 擋板 6 輸出軸
7端面密封 8 過熱保護(hù)塞 9 低熔合金 10 鋼球
迫使工作腔中的液體大量流入側(cè)輔腔，減少工作腔中的充液量，限制力矩的升高，起到過載保護(hù)的作用。由于靜壓平衡關(guān)系，側(cè)輔腔在高轉(zhuǎn)速比工況下存油極少（即工作腔充液量較多），而在低轉(zhuǎn)速比和零速工況下存油較多，因而使液力偶合器在高轉(zhuǎn)速比工況傳遞能力較大而在低轉(zhuǎn)速比區(qū)段特性曲線較為平坦，為工作機(jī)提供了較好的性能、但此種液力偶合器在突然加載時(shí)，側(cè)輔腔不能立即發(fā)揮限矩作用。原因是側(cè)輔腔中的液體由于慣性，離心靜壓力降低較遲緩，動(dòng)態(tài)過載系數(shù)比靜態(tài)過載系數(shù)大的多。經(jīng)壓泄液式液力偶合器防止瞬時(shí)過載的性能不夠理想。對(duì)于載荷突然變化和需頻繁啟動(dòng)，制動(dòng)的工作場(chǎng)合不宜選用，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，靜載過載系數(shù)約為2.5左右。
此種液力偶合器常用于過載不頻繁的汽車、叉車、破碎機(jī)和起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)中。由于其多用于車輛傳動(dòng)，又稱牽引型液力偶合器。
3.2.2 動(dòng)壓泄液式液力偶合器
靜壓泄液式液力偶合器在突然過載時(shí)難以起到限矩和過載保護(hù)作用，使其應(yīng)用受限。為克服上述缺點(diǎn)而發(fā)展了動(dòng)壓泄液式液力偶合器，見圖3—6，圖中1、11分別為液力偶合器的輸入、輸出軸套，可分別裝入動(dòng)力機(jī)和工作機(jī)的軸上。輸入軸套通過彈性聯(lián)軸器及后輔腔外殼而帶動(dòng)泵輪5。從而可以消除液力偶合器與動(dòng)力機(jī)及工作機(jī)安裝不同心造成的不良影響。泵輪5與渦輪7的有葉片部分構(gòu)成工作腔。6為注油塞，為液力偶合器的過熱保護(hù)裝置——易熔塞。當(dāng)液力偶合器在低轉(zhuǎn)速比下較長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)或過載拖延的時(shí)間較長時(shí)，使液體溫升超過規(guī)定極值時(shí)，致使易熔塞中心孔的低熔點(diǎn)合金熔化甩出，液力偶合器腔體里的液體全部從易熔塞中心孔噴出，是工作機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)停止。
典型的動(dòng)壓泄液式液力偶合器具有前、后輔腔。圖3—6中前輔腔為泵輪和渦輪中心部位組成的無葉片的空腔，后輔腔為泵輪外壁與后輔腔內(nèi)壁所構(gòu)成的空腔。前、后輔腔間有連通孔相連，后輔腔與工作腔也有連通孔相連。前、后輔腔與靜壓泄液式液力偶合器的側(cè)輔腔作用相同，功能均為在零速式低轉(zhuǎn)速比工況下儲(chǔ)存油液以減小工作腔充液量，從而限制力矩的上升。在高轉(zhuǎn)速比工況（包括額定工況）下，它們不存在油液，不起限矩作用。使液力偶合器充分發(fā)揮其傳遞力矩的能力。
圖3-6 動(dòng)壓泄液式液力偶合器
3.2.3 復(fù)合泄液式液力偶合器
通常用于帶式輸送機(jī)或刮板輸送機(jī)的直支軸減速器，由于輸入軸承受著液力偶合器的重量而易疲勞扳傷，甚至斷軸、由于懸臂的輸入軸的承重過大，使其臨界轉(zhuǎn)速低于要求的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。解決的辦法只能是把液力偶合器的重量不加在減速器的輸入軸上。因此北京起重機(jī)運(yùn)輸機(jī)械研究所為解決這一問題，近年來研制成功TYOXF型清水或礦物油兩用的液力偶合器，不只解決了上述問題，且具有與常用液力偶合器不同的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的性能。
YOXP系列液力偶合器為復(fù)合泄液式限矩型液力偶合器，它的結(jié)構(gòu)性能與國內(nèi)常用的動(dòng)壓泄液式或靜壓泄液式有明顯的不同。它采用的內(nèi)輪傳動(dòng)式結(jié)構(gòu)（圖3—7）。泵輪1在外殼4的內(nèi)部，渦輪9為外露零件，它只有泵輪、渦輪和外殼，沒有像動(dòng)壓泄液式液力偶合器的后輔腔外殼、其主軸2兩端的軸承和骨架油封的型號(hào)均相同，
D
4
3
5
6
7
8
9
1
2
B
圖3-7 復(fù)合泄液式液力偶合器
1—泵輪2—主軸 3—側(cè)輔腔4—外殼 5—工作腔
6—橡膠彈性膜片 7—輪轂 8—制動(dòng)輪9—渦輪
減少了易損件的規(guī)格。軸承內(nèi)側(cè)的兩組骨架油封使軸承的潤滑脂與腔內(nèi)的工作液相隔離。在液力偶合器與制動(dòng)輪8（或輪轂）之間以橡膠彈性塊6相連，制動(dòng)輪的外徑及寬度B尺寸均符合國標(biāo)以及原機(jī)械工業(yè)部聯(lián)合設(shè)計(jì)的DT型帶式輸送機(jī)系列選定的制動(dòng)器尺寸。液力偶合器向電機(jī)軸上安裝或拆卸不需另備工具，而以不同規(guī)格的螺栓作為拆裝工具，便于在現(xiàn)場(chǎng)安裝、維護(hù)。
液力偶合器在額定工況運(yùn)行時(shí)，在工作腔中液體循環(huán)流動(dòng)為小循環(huán)流動(dòng)[圖3—8(b)]。此時(shí)液力偶合器轉(zhuǎn)差率小，傳遞力矩也小。當(dāng)載荷增大，泵輪與渦輪轉(zhuǎn)差率增大，循環(huán)流速增高時(shí)，液流呈現(xiàn)大循環(huán)流動(dòng)[圖3—8(d)]。由于泵輪液流入口半徑較小，液流可吸收更多的功率，使傳遞力矩明顯增大。由于循環(huán)流速增高，大循環(huán)流動(dòng)的液體靠自身速度由渦輪出來后，一部分進(jìn)入泵輪，另一部分經(jīng)孔A進(jìn)入側(cè)輔腔[圖3—8(d)]，稱此狀況為動(dòng)壓泄液。當(dāng)液流進(jìn)入渦輪前，由于其自身壓強(qiáng)高于側(cè)輔腔中液體壓強(qiáng)（因流速不同），使部分液流經(jīng)泵輪與渦輪間隙D進(jìn)入側(cè)輔腔，稱這種狀況為靜壓泄液。兼有動(dòng)壓泄液和靜壓泄液的結(jié)構(gòu)，稱為復(fù)合泄液式。因超載而引起動(dòng)壓、靜壓同時(shí)泄液，從而降低工作腔液體充滿區(qū)，使傳遞力矩下降，因而可有效地限制超載力矩的升高。
A
D
（a） （b） (c) (d)
圖3-8 工作腔內(nèi)液體的循環(huán)流動(dòng)
當(dāng)負(fù)載力矩下降，泵輪與渦輪間轉(zhuǎn)差率降低，側(cè)輔腔中液體沿間隙D或孔A緩慢流回工作腔，逐步恢復(fù)穩(wěn)定工況。這就是復(fù)合泄液式限矩型液力偶合器限制超載力矩的工作原理。
3.2.4 閉鎖式液力偶合器
從上面各種液力偶合器的結(jié)構(gòu)介紹中我們可以了解到，各種液力偶合器均需存在轉(zhuǎn)速差方能傳遞動(dòng)力，轉(zhuǎn)速差使輸出轉(zhuǎn)速和功率均有損失，這是液力偶合器的內(nèi)在缺陷。如何彌補(bǔ)液力偶合器在這方面的缺陷呢？
本次設(shè)計(jì)的閉鎖式液力偶合器就可以有效的彌補(bǔ)這方面的缺陷。閉鎖式液力偶合器就是在限矩型液力偶合器上加裝離心式摩擦離合器組成。通過上面三種典型的液力偶合器的結(jié)構(gòu)介紹，我們選擇使用靜壓泄液式液力偶合器腔型，這樣側(cè)輔腔有足夠的空間來放置離心式摩擦離合器而不影響渦輪和泵輪的工作；并采取復(fù)合泄液式液力偶合器的內(nèi)輪傳動(dòng)式結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)如圖（圖3—9）在靜壓式液力偶合器側(cè)輔腔里裝有離心式摩擦離合器3，它與渦輪4一起通過連接盤11和輸出軸10固定連接，在旋轉(zhuǎn)中使離合器片外伸與外殼2接觸構(gòu)成摩擦副傳遞動(dòng)力。
離心式摩擦離合器（圖3—10）由帶有四條徑向?qū)Р鄣倪B接盤1、四塊粘結(jié)石棉襯片6的離合器片2、復(fù)位彈簧3、滑塊4和銷軸5組成。離合器片2通過銷軸5插入滑塊4內(nèi)，滑塊可在連接盤內(nèi)的徑向?qū)Р蹆?nèi)滑動(dòng)。在渦輪靜止或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，復(fù)位彈簧3使四塊離合器片2縮攏并貼靠在較小的直徑部位上。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速升高到某值后，摩擦離合器的離合器片2連同滑塊4
圖3-9 閉鎖式液力偶合器
1-輸入聯(lián)軸器 2-外殼3-離心式摩擦離合器4-渦輪5-泵輪
6-易熔塞 7-擋板8-機(jī)械密封9-輸出聯(lián)軸器10-輸出軸
在離心力的作用下，沿徑向?qū)Р弁饣⒖衫@銷軸5擺動(dòng)。這時(shí)離合器片2向液力偶合器外殼內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦力矩，通過銷軸、滑塊、連接盤由輸出軸輸出。此時(shí)動(dòng)力通過兩路傳遞：一路以液力傳動(dòng)方式通過外殼～泵輪～渦輪～輸出軸；另一路以摩擦離合器方式通過外殼～摩擦離合器～輸出軸。隨著渦輪轉(zhuǎn)速的升高，摩擦離合器傳遞的力矩與成比例的增長，其值在總力矩中的比值也相應(yīng)增長（圖3—11）。當(dāng)渦輪超過某值以后，全部力矩由摩擦離合器傳遞，液力傳動(dòng)不再起作用，這時(shí)消除了轉(zhuǎn)差損失而成為“直接傳動(dòng)”，傳動(dòng)效率達(dá)100%。
圖3-10 離心式摩擦離合器
1-連接盤 2-離合器片 3-復(fù)位彈簧 4-滑塊 5-銷軸 6-石棉墊片
當(dāng)液力偶合器超載時(shí)，由于渦輪轉(zhuǎn)速下降，離心力降低復(fù)位彈簧使離合器縮回，摩擦離合器呈脫開狀態(tài)，這時(shí)液力偶合器的過載保護(hù)特性得以恢復(fù)。故閉鎖式液力偶合器除額定工況為“直接傳動(dòng)”高效率外，其它工況均保持液力偶合 的原有特性。
4 閉鎖式液力偶合器的參數(shù)設(shè)計(jì)
4.1 設(shè)計(jì)原始參數(shù)及其分析
4.1.1 所傳功率和轉(zhuǎn)速
對(duì)于柴油機(jī)為動(dòng)力的，通常是指柴油機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速，一般即為偶合器的輸入功率和輸入轉(zhuǎn)速。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)所帶的負(fù)載機(jī)器，例如水泵和風(fēng)機(jī)，在選配電動(dòng)機(jī)時(shí)通常有相當(dāng)?shù)墓β蕛?chǔ)備，以利起動(dòng)大慣量負(fù)載的需要，主要在它們之間加裝液力偶合器，由于偶合器能輕載起動(dòng)電動(dòng)機(jī)和逐步起動(dòng)大慣量負(fù)荷機(jī)器，已不需要電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備功率，故應(yīng)以負(fù)荷機(jī)器的軸功率作為偶合器的輸出功率。
對(duì)于液力偶合器的設(shè)計(jì)來說，功率小于100kw的稱為小功率，500～2000kw稱為中功率，大于5000kw的稱為大功率。轉(zhuǎn)速低于500r/min的稱低轉(zhuǎn)速，730～1500r/min為中速，3000r/min為高速，大于4500r/min稱為超高速。
本次所設(shè)計(jì)的閉鎖式液力偶合器的適用范圍廣， 并無固定的功率與轉(zhuǎn)速。給出的參數(shù)是功率小于350kw；轉(zhuǎn)速小于2000 r/min。
所以本次設(shè)計(jì)的閉鎖式液力偶合器屬于中等功率中等中等轉(zhuǎn)速。這類偶合器大多用于各類泵和風(fēng)機(jī)上，例如吹泥船和泵站上的泥漿泵。煤渣輸送泵，礦砂輸送泵，電站的鍋爐引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī) ，礦山的坑口抽風(fēng)機(jī)，船用柴油機(jī)的 并車裝置。破冰船螺旋槳撞擊冰塊時(shí)的過載保護(hù)等等。這類偶合器的尺寸重量較大，脫離性能較差，接脫和調(diào)速的靈敏度不高，設(shè)計(jì)中要著重解決這類問題。
4.1.2 額定轉(zhuǎn)速比與效率
額定轉(zhuǎn)速比指的是額定工況的轉(zhuǎn)速比。對(duì)于限矩型液力偶合器0.95～0.985，本次設(shè)計(jì)的閉鎖式液力偶合器因?yàn)榧友b了離心式摩擦離合器，使輸出轉(zhuǎn)速和功率損失大大減少，轉(zhuǎn)速比理論上可以達(dá)到1.
偶合器的傳動(dòng)效率，就是指在傳遞額定功率和長期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的效率。液力偶合器的傳動(dòng)效率，還可用下式表示：
——偶合器的液力效率
——偶合器的機(jī)械效率
對(duì)于中等功率中等轉(zhuǎn)速偶合器，如果不用增速齒輪，實(shí)測(cè)表明，偶合器的機(jī)械效率。也即空轉(zhuǎn)時(shí)總的功率損失不到所傳遞額定功率的0.01。為了減小這類偶合器的尺寸重量，一般取=0.98。
代入上式可得=0.97
4.2 工作腔型參數(shù)設(shè)計(jì)及其選擇
4.2.1 液力偶合器有效直徑D的確定
按照GB/T5837-93“液力偶合器型式和基本參數(shù)”國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在符合雷諾系數(shù)Re5液力偶合器的基本性能參數(shù)應(yīng)符合表4—1
表4—1 液力偶合器泵力矩系數(shù)
型式
循環(huán)圓直徑/mm
泵輪力矩系數(shù)
額定轉(zhuǎn)速差
限矩型液力偶合器
320
4
限矩型液力偶合器
360～560
4
限矩型液力偶合器
650
4
泵力矩系數(shù)是液力偶合器的重要參數(shù)，它與有效直徑D密切相關(guān)。由于是傳動(dòng)比的函數(shù)，而效率，為了既保證額定工況的效率在某一范圍內(nèi)變化，又保證足夠的安全性，通常取=；液體的重度取=8428。
按公式計(jì)算有效直徑D==
式中 ——液力偶合器泵輪的凈輸入功率，；
——電動(dòng)機(jī)在額定工況下的力矩，即泵輪的力矩，；
——電動(dòng)機(jī)在額定工況下的轉(zhuǎn)速，即泵輪的轉(zhuǎn)速，；
——液體的重度，；
——額定工況下泵輪的力矩系數(shù)，。
計(jì)算得直徑D的范圍為341mm～355mm，故根據(jù)表4—2選得液力偶合器的有效直徑為360mm。
確定D值后，要做出液力偶合器與電動(dòng)機(jī)聯(lián)系運(yùn)行的特性曲線，以便分析設(shè)計(jì)是否合理。液力偶合器的其他線性尺寸，在工藝條件允許的情況下，應(yīng)按相似理論確定。有效直徑D的值應(yīng)符合表4—2的規(guī)定。需要指出，有效直徑小于560mm的液力偶合器的功率比為1.76，即相鄰的小規(guī)格液力偶合器功率的1.76倍為大規(guī)格液力偶合器的功率，大于560mm的液力偶合器的功率比為2.0。功率較小的液力偶合器一般不對(duì)葉輪強(qiáng)度、冷卻、潤滑等問題進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
450
500
560
650
750
800
875
1000
1150
1320
1550
1800
2060
表4—2 液力偶合器有效直徑系列（mm）
4.2.2 工作腔模型選擇及設(shè)計(jì)
液力偶合器性能的優(yōu)劣，主要取決于工作腔模型（簡稱腔型）。液力偶合器系列化的主要內(nèi)容包括腔型結(jié)構(gòu)規(guī)范化、規(guī)格尺寸系列化和功率特性的協(xié)調(diào)一致性。三者相互聯(lián)系、相互一致構(gòu)成液力偶合器系列型譜。較好的腔型使液力偶合器有較高的泵輪力矩系數(shù)，在相同的條件下，可比其它液力偶合器傳遞更大的功率。在同樣的轉(zhuǎn)速率下，它可有較寬的功率帶，可以采用規(guī)格較稀疏的優(yōu)先數(shù)系做為尺寸系列。利于產(chǎn)品批量集中，便于組織專業(yè)化生產(chǎn)，簡化工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本。因此，產(chǎn)品系列化對(duì)于生產(chǎn)廠和用戶是有利的。
本次設(shè)計(jì)的閉鎖式液力偶合器就是在靜壓泄液式液力偶合器加裝離心式摩擦離合器而成的。所以腔型和靜壓泄液式液力偶合器相同。腔型如圖4—1。
圖4—1 腔型尺寸
液力偶合器迄今尚無國際標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)先進(jìn)和國際影響力大的福依特公司和英國液力驅(qū)動(dòng)工程公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。
所以本次設(shè)計(jì)使用的計(jì)算公式也是在設(shè)計(jì)液力偶合器業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。公式如下：
=0.32360
=115.2mm 取整為115mm
= 0.60360
=216mm
=0.53360
=190.8mm 取整為190mm
=0.15360
=54mm
=0.30360
=108mm
=0.01360
=3.6mm
又因?yàn)檫@側(cè)輔腔要裝入離心式摩擦離合器，所以在不影響偶合器的工作下將側(cè)輔腔加大，將b擴(kuò)大10mm，取b=118mm。
4.2.3 輪葉設(shè)計(jì)
葉片數(shù)對(duì)液力偶合器性能有很大的影響，葉片數(shù)太多則循環(huán)圓有效容積減少，同時(shí)葉片與液流的摩擦損失增大，傳遞功率容積降低；葉片數(shù)太少則液流在葉片間產(chǎn)生的二次流動(dòng)加劇，增加渦流損失，也降低傳遞功率容量，因此葉片數(shù)有一最佳值。
液力偶合器流設(shè)計(jì)時(shí)最佳輪葉數(shù)的選擇，與有效直徑D的大小、、葉輪厚度和葉輪的制造工藝等有關(guān)，泵輪葉片數(shù)可參考表4—3選擇（葉片數(shù)量一般為3的整數(shù)倍，便于葉輪分度制模型）故選泵輪葉片數(shù)位48；渦輪葉片數(shù)為45。通常也可按下面的經(jīng)驗(yàn)公式確定。
對(duì)于=0.4～0.55的腔型，葉片數(shù)為：
Z= 或 Z=
對(duì)于 =0.27 ～0.32的腔型，葉片數(shù)Z為：
Z=
式中 ——循環(huán)圓內(nèi)徑，mm；
D—— 有效直徑，mm。
按經(jīng)驗(yàn)公式得到葉片數(shù)根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)及工藝條件可能有所增減。焊接沖壓葉片比較薄可以適當(dāng)增加葉片數(shù)。
表4—3 推薦的泵輪葉片數(shù)量
有效直徑D/mm
140
160
180
200
220
250
280
320
360
葉片數(shù)量 Z/片
30
33
36
39
42
42
45
45
48
有效直徑D/mm
400
450
500
560
650
750
870
1000
葉片數(shù)量 Z/片
48
51
51
54
54
57
60
63
1.輪葉的厚度，通常由葉輪的制造工藝決定，見表4—4
表4—4 液力偶合器葉輪葉片厚度
有效直徑mm
工作輪制造工藝
葉片厚度mm
備注
250～500
鋼板沖壓輪壁，鉚接鋼板
1～1.5
250～500
鋁合金鑄造
2.5～3.5
金屬模取低值
450～850
鋁合金鑄造
4～6
砂模取低值
450～700
鑄鋼，鑄、鍛鋼輪壁
5～6
由上表可選葉片厚度
泵輪和渦輪之間間隙的選擇。為了保證液力偶合器裝配后兩葉輪間自由旋轉(zhuǎn)而不致相碰，泵輪和渦輪端面之間要留有間隙。由于泵輪出口處的油壓力要比泵輪進(jìn)口處的高，這一壓差的存在，使流體流出泵輪后，不會(huì)全部流入渦輪進(jìn)口，有一部分油由這一間隙直接流回泵輪進(jìn)口處，也即引起容積損失。間隙愈大，容積損失愈大，液力偶合器所傳扭矩也愈下降。因此，通常規(guī)定在安裝工藝允許的條件下，愈小愈好，取3.5mm。
2.葉輪輪壁厚度的選擇
輪壁的基本厚度應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的增加而加厚；轉(zhuǎn)動(dòng)外殼的厚度應(yīng)大于泵輪的厚度，泵輪的厚度視具體結(jié)構(gòu)而定，輪壁兩側(cè)受力不均衡時(shí)，壓力差較大者厚度應(yīng)大些。
因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的閉鎖式液力偶合器是中功率中轉(zhuǎn)速，一般可以不進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。
所以采用類比設(shè)計(jì)法，對(duì)泵輪厚度取8mm，渦輪厚度取6mm。
4.2.4 擋板的設(shè)計(jì)選擇
在偶合器流道中安裝擋板的目的，主要是為了減少在低轉(zhuǎn)速和i=0時(shí)偶合器所傳的扭矩M0，也就是用來降低偶合器的過載系數(shù)。
在渦輪出口處加裝不同直徑的擋板后，偶合器的過載系數(shù)將有不同程度地減。 如圖4—2所示：
圖4—2
選擇d=0.46D
=165.6mm 取整為166mm
4.3 軸的設(shè)計(jì)
4.3.1 軸上各軸段直徑和長度的確定
首先確定求出做為承受扭矩的軸段的最小直徑，本次設(shè)計(jì)軸選用45號(hào)鋼材料，利用下面的公式
式中：——軸傳遞的功率，單位為
——軸的轉(zhuǎn)速，單位為
代入計(jì)算的
考慮裝聯(lián)軸器加鍵，其軸徑增加3%左右，取軸端的第一段直徑
。
如圖4—3第一段長度選為=50mm
第二段要配合工作腔的直徑取=96mm
長度定位=20mm
第三段用來定位軸承取=38mm
長度定位=100mm
第四段同樣為最小直徑=30mm
長度定位=165mm
圖4—3 軸的尺寸分布
4.3.2 強(qiáng)度校核
按鈕轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，使用下面的公式
=25.9MPa<[]
式中 T——軸所受的扭矩，
——軸的抗截面系數(shù)，
P——軸所傳遞的功率，kw
n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min
d——計(jì)算截面處的直徑，mm
[]——軸的強(qiáng)度極限30MPa
4.3.3 剛度校核
使用下面的公式：
階梯軸
式中 T——軸所受的扭矩，
G——軸的材料的剪切彈性模量，MPa 其中鋼的為G=MPa
L—— 階梯軸受扭矩作用的長度，mm
、、——分別代表階梯軸第i段上所受扭矩、長度和極慣性矩
Z——階梯軸受扭矩作用的軸段數(shù)
代入計(jì)算的[]，剛度條件也符合。
式中[]為軸每米長的允許扭轉(zhuǎn)角，與軸使用場(chǎng)合有關(guān)。對(duì)于一般傳動(dòng)軸，可取[]=對(duì)于精度要求不高的軸，可大于1
4.3.4 鍵的選擇
軸與聯(lián)軸器用鍵來軸向固定以傳遞力矩，因?yàn)檩S的直徑為30mm，所以根據(jù)整個(gè)設(shè)計(jì)過程易選擇平鍵。其中鍵的強(qiáng)度極限[]=100MPa,查閱鍵的標(biāo)準(zhǔn)得尺寸如下
b=10mm
h=8mm
L=63mm
鍵的強(qiáng)度計(jì)算，因?yàn)椴捎玫氖瞧胀ㄆ芥I，用下面的公式校核
式中：T——傳遞的扭矩，
k——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=0.5h,mm
l——鍵的工作長度，mm；圓頭平鍵l=L-b，平頭平鍵l=L，這里的L為鍵的公稱長度
d——軸的直徑，mm
代入計(jì)算得：
=
=44MPa
故強(qiáng)度符合條件。
4.3.5 軸承的選擇
液力偶合器的軸承主要用來承受徑向力和軸向力,軸向力隨轉(zhuǎn)速比i變化，軸承受力應(yīng)按實(shí)際工況確定?；瑒?dòng)軸承壽命長，噪聲小，但制造工藝較復(fù)雜，要求維修水平高。以本液力偶合器的適用范圍來看，選用滾動(dòng)軸承，因?yàn)檩S的直徑為30mm，采用標(biāo)準(zhǔn)件深溝球軸承型號(hào)6206。其結(jié)構(gòu)尺寸如下
=30mm
=62mm
=16mm
40.8mm
52.2mm
=1mm
重量=0.2kg
軸承壽命計(jì)算：
由于軸承受徑向力取，查表的深溝球軸承型號(hào)6206得基本額定動(dòng)載荷=19.5kw。
計(jì)算壽命
式中： ——軸承壽命，h
——溫度系數(shù)
——軸承的基本額定動(dòng)載荷，kw
——轉(zhuǎn)速
——載荷
代入計(jì)算得
=8460h
符合所選載荷的壽命。
4.4 離心式摩擦離合器
4.4.1 初選摩擦片外徑D、內(nèi)徑d、厚度b
摩擦片外徑是離合器基本尺寸，它關(guān)系到離合器的結(jié)構(gòu)重量和壽命，它和離合器所需傳遞轉(zhuǎn)矩大小有一定關(guān)系。
D=Kd=14.6=172.75mm
式中，為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，取=140N/m；
Kd取14.6
離合器摩擦片尺寸系列和參數(shù)表4—5
外徑D/mm
160
180
200
225
250
280
300
325
350
380
405
430
內(nèi)徑d/mm
110
125
140
150
155
165
175
190
195
205
220
230
厚度b/mm
3.2
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
4
4
4
4
c=d/D
0.687
0.694
0.700
0.667
0.620
0.589