A. 液力變矩器和機械傳動的效率分別是多少
對於工程機械液力變矩器傳動損失的研究
摘要：液力變矩器在現代工程機械傳動中被廣泛採用，它不僅可以傳遞力矩而且可以改變力矩的大小。對於現代大型工程機械，其能耗非常大，但其效率往往比較低。因此，我們總希望能夠盡量地提高工程機械的效率。因此，對於液壓傳動能量損失的研究就顯得尤為重要了。作者從流體力學的角度對現代工程機械中液力變矩器的損 失進行了研究。
關鍵詞：工程機械 液力變矩器 液力損失 機械損失 容積損失
1 前言
在工程機械傳動系中，一般採用液力機械式傳動，它能夠滿足現代工程機械要求的牽引力大、速度低、牽引力和行駛速度變化范圍大、進退自如等特點。而在液力機械式傳動中加裝了液力變矩器，則具有自動變矩、變速，防振隔振，良好的啟動性能，和限矩保護的作用，更能適應現代工程機械的 需要。
流體在變矩器中沿泵輪、渦輪、導輪組成的循環圓流道流動一周，從泵輪獲得能量、並將能量傳給渦輪。當導輪不動的時候，流體經過導輪時沒有能量交換。但流體在循環圓中流動具有黏性，必然有摩擦損失，且損失大小與其速度有直接關系。工作輪流道為非原型斷面且有彎曲、擴散等，因此，其摩擦損失比圓管流道要大得多。另外在非設計工況，在渦輪及導輪進口處要產生沖擊損失。因此，一般液力變矩器的效率最大為85%~92% [1]。而對於一般的工程機械，由於其負載大、作業條件惡劣、零件磨損嚴重，其效率普遍比較低。因此，對於液力變矩器能量損失的研究具有很強的現實意義。
2 液力變矩器的工作原理
液力變矩器的基本結構如圖1所示。它主要由三個具有彎曲( 空間曲面)葉片的工作輪組成，即可旋轉的泵輪4和渦輪3，以及固定不動的導輪5。各工作輪常用高強度的輕合金精密鑄造而成。泵輪4一般與變矩器殼2連成一體，用螺栓固定在發動機曲軸1的連接盤上。渦輪3經從動軸7傳出動力。導輪5固定在不動的套筒6上。所有的工作輪在變矩 器裝配完成後，共同形成環行內腔。
液力變矩器工作時，儲存於環行內腔的工作液除隨變矩器作圓周運動( 即牽連運動)之外，還在循環圓沿箭頭圖1中所示方向作循環流動( 即相對運動)。液體離開泵輪時，以一定的絕對速度進入渦輪、沖擊渦輪葉片，將力矩從泵輪傳遞給渦輪。
1.發動機曲軸 2.變矩器殼 3.渦輪
4.泵輪 5.導輪 6.固定套筒 7.從動輪
圖1 液力變矩器結構原理
3 液力變矩器的能量損失
綜上所述，液力傳動的過程中，必然伴隨著能量的損失。液力變矩器的能量損失一般分為三種： 液力損失、機械損失和容積損失。
3.1 液力損失
液力損失分為兩類：一類為摩擦阻力損失，另一類為局部阻力損失。
1.摩擦阻力損失
工作液體在循環圓內流動的過程中，各流層間和液體與流道壁間有一定的相對速度，由於液體有粘性，就會出現摩擦阻力，流速慢的流層對流速快的流層起阻礙作用。單位質量的液體為了克服這種阻力而損失的能量叫做摩擦阻力損失。在文獻[2]中，通常以液流的速度頭v2/2g的百分數來表示摩擦阻力損失的大小。液力傳動中，液體質點相對葉輪的運動是相對運動，故摩擦阻力損失以相對速度ω的速度頭表示。
式中：L—流道的長度，m;λ—摩擦阻力系數;
Rn—流道的水力半徑，其數值等於過流斷面面 積與濕周之比，m。
由於泵輪、渦輪和導輪在傳動過程中均存在摩擦現象，所以，摩擦損失的總和應該是三者的總和， 即：
∑hm=hmB+hmT+h mD (2)
2.局部阻力損失
(1)沖擊損失
一般情況下，液流在葉輪進口處並不與葉片骨線進口方向一致。這樣就會引起旋渦損失以及脫流區 使流道收縮而引起的附加摩擦損失。進口的相對速度ω 0與骨線間的夾角Δβc為沖角，見圖2。 Δβc有正負之別。ω0流向葉片工作面時， Δβc正;ω0流向葉片背面時， Δβc負。葉片工作面壓力高、背面的壓力低。
a 泵輪進口沖角 b 渦輪進口沖角
圖2 進口沖角
相對速度ω0與葉片骨線偏離時，往往會在葉 片的表面形成脫流區，使流道在脫流區收縮，沖擊損失與沖擊損失速度和沖擊損失系數有關，沖擊損失速度如圖3所示。
圖3 沖擊損失速度
式中：hc—沖擊損失能頭，m;
φc—沖擊損失系數;
ωc—沖擊損失速度，m/s
同理，泵輪、渦輪和導輪同樣有沖擊損失，所以中的沖擊損失為：
∑hc=hcB+hcT+h cD (3)
(2)突然擴大和突然收縮的損失
葉輪進口前無葉片區的過流斷面大於進口後的過流斷面。葉輪出口過流斷面小於出口後無葉片區的過流斷面。在葉輪進口處有突然收縮的損失， 而在出口處有突然擴大的損失。這是葉片排擠而引起的。這些損失根據文獻 [3]的公式計算：
式中：htk—突然擴大的單位能量損失，m;
hts—突然縮小的單位能量損失，m;
ξts—突然縮小的損失系數，=0.4~0.5;
vm3—葉輪剛出口的軸面速度，m/s;
vm0—葉輪剛要進口的軸面速度，m/s。
因此，總的擴大和縮小的能量損失為：
∑ht=htK+htS (6)
(3)擴散損失
對液力傳動來說，存在擴散管狀的流道，如泵輪內的流道，渦輪內流道的前半段，綜合式液力變 矩器導輪前半段流道等。擴散管的損失計算如下：
式中：vm1—擴散管道起始斷面的軸面速度;
vm2—擴散管末端斷面的軸面速度;
φk—擴散損失系數。
由上可知，對於總的液力損失為：
∑h=∑hm+∑hc+∑ht +∑hk (8)
3.2 機械損失
動力經液力傳動傳遞時伴隨著機械損失，這種機械損失包括泵輪軸的軸承和密封的損失，泵輪圓 盤摩擦損失——泵輪外表面與液體的摩擦損失，渦輪圓盤摩擦損失——渦輪外表面與液體的摩擦損 失。所有這些機械損失都要消耗動力機的能量，影響液力傳動的效率。
對於軸承和密封的損失，通過提高配合精度、適當地選取潤滑油和密封材料，可以把這種在額定 的工況下控制在1%以下[4]。而機械摩擦損失重要是泵輪、渦輪等旋轉件的圓盤摩擦損失。當相對轉數較高時，圓盤摩擦損失較大。另外，並非所有的 圓盤摩擦都消耗功率，必須對其進行具體分析。
3.3 容積損失
由於泵輪出口的絕大部分液體流進渦輪，這部分液體再由渦輪流進導輪，然後又回到泵輪，起傳遞力的作用。泵輪進口與導輪出口的內環間有比較小的環行間隙，同樣的間隙存在與渦輪出口和導輪進口內環間。這種間隙使葉輪互相不接觸，使葉輪之間相互沒有機械摩擦。但是，這種環行間隙的兩端壓力不等，有一部分液體就要通過這些間隙由高腔流向低腔。泵輪出口的壓力高於泵輪進口的壓力也高於渦輪出口的壓力，故液流由泵輪出口經環行密封再流到泵輪進口，繞泵輪內環流動。從水泵研究表明，當比轉數在100~200時，容積損失所佔比重不足1.5%[4]。與液力損失相比要小得多，故該項 在計算時也可忽略，即認為ηv≈1。
2.3.4 效率分析
當泵輪轉速n1不變時，沖擊損失主要取決於渦 輪轉速n2。變矩器的效率ηPTD應為輸出功率與輸入 功率之比，即：
顯然，當n2=0時，ηPTD=0;當 n2=n20時候，因M2=0，則 ηPTD=0。效率ηPTD隨n2 變化的曲線見圖4。
圖4 液力變矩器效率曲線
變矩器使用過程中，如果工況變化較大，而對設計工況 轉速比沒什麼特殊要求，由於變矩器最高效率只有85%~92%，當啟動變矩系數K0要求較大，則最高效率對應的轉速比一般 小於0.6，而當iTB>(iTB)K=1 後，其效率會很快下降。為了在高轉速比工況下有較高的效率，我們可以采 用綜合式液力變矩器或閉鎖式液力變矩器。
(1)綜合式液力變矩器
特點：導輪通過單向離合器裝在固定不動的導輪座上，結構布置上泵輪與渦輪對稱布置。
當 iTB<(iTB)K=1(即K>1)時，M D=-MT-MB>0，此時，單向離合器在楔緊力的作用下無轉動，故導輪固定不動，這時是變矩器工況。而當iTB>(i TB)K=1時，MD<0，這時導輪能夠轉動，此時的變矩器變成了偶合器，有MB=-MT，K=1，η=i TB參見圖5。在高轉速比工況下，偶合器的效率要高於變矩器的效率 [5]，因此綜合式液力變矩器有較大的高效區范圍，它適 合於轉速比變化較大而且長時間在高轉速比工況運行的工作機傳動。
圖5 綜合式液力變矩器結構簡圖及其特性
(2)閉鎖式液力變矩器
渦輪通過閉鎖離合器M與泵輪相連，從特性曲線(如圖6)可知，閉鎖式液力變矩器在 iTB>(iTB)K=1時，比綜合式液力變矩器效率高，但由於有鼓風損失，雖然泵輪與渦輪剛性連接，其效率也不可能達到100%。而且當泵輪與渦輪不對稱布置時，循環圓中會有流體流動，這也要消耗一些能量。
圖6 單級閉鎖變矩器結構簡圖及原始特性
另外，為了保證液力傳動車輛能可靠地利用發動機只動或拖車啟動發動機，除了可以利用閉鎖式 的液力變矩器外，還可採用：①在內環中帶有輔助徑向葉片的液力變矩器;②安裝液力減速器作輔助 制動裝置。
4 工程機械液力損失特性
液力變矩器摩擦阻力損失的機理雖然簡單，但數學模型不易得到，定量分析難以實現 [6]。通常工程機械轉速較低，摩擦阻力損失相對較小，對工作效率影響不大，且對不可透變矩器，由於相對流量為常數，所以摩擦阻力損失也是相對常量，即隨工況變化不大。如上所述，一般容積損失也可忽略。因而，液力變矩器沖擊損失是影響工程機械效率的 主要因素。
對於某一個具體的葉輪，其沖擊損失由式(12)決定。其數學模型為：
式中：i』——為最高效率時傳動比。
可見，液力變矩器總的沖擊損失在i≤iDH時， 是以縱坐標i=i』為對稱的拋物線，在i>iDH時，近似為常量，如圖7所示。當i=i』時，∑hc=0，說明在泵輪的轉速與渦輪轉速接近時，無沖擊損失;當i=0時，沖擊損失最大，這與工程機械的工作情況 相符。
圖7 液力損失曲線
5 結論
通過以上對造成液力變矩器能量損失的分析可以得出，造成液力變矩器能量損失的主要因素是液力損失中的沖擊損失，對其特性進行了分析。並指出，當啟動變矩系數K 0要求較大時，其效率一般較小，為了在高轉速比工況下有較高的效率，可以採用綜合式液力變矩器或閉鎖式液力變矩器來提高其功率。通過液力變矩器能量損失的研究，對於從事 工程機械液力傳動設計、製造人員有指導意義。
B. 關於V-M系統的機械特性，表述正確的是下面哪一個
關於V-M系統的機械特性，表述正確的是下面哪一個？
A.電樞電流斷續時，V-M系統的機械特性是直線，在不同晶閘管控制角的情況下，各機械特性是平行的。
B.電樞電流斷續時，V-M系統的機械特性是非線性的，在不同晶閘管控制角的情況下，機械特性中理想空載轉速是相同的。
C.電樞電流連續時，V-M系統的機械特性是直線，在不同晶閘管控制角的情況下，各機械特性是平行的。
D.電樞電流斷續時，V-M系統的機械特性是非線性的，在不同晶閘管控制角的情況下，機械特性中理想空載轉速是不相同的。
正確答案：電樞電流連續時，V-M系統的機械特性是直線，在不同晶閘管控制角的情況下，各機械特性是平行的。