高靜雪，張 坤，曹 真，董 梅，毛理想

（山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253034）

引言

運輸車輛的廣泛應用對國民經濟發(fā)展起著重要作用，特別是皮卡汽車、重卡、工程車輛等在遠距離運輸、礦山開發(fā)等行業(yè)中，占據著主導地位，在國內擁有極大的市場保有量。同時，對這些車輛的維修維護也在一定程度上增加了主機廠的生產成本和用戶的使用成本。由于這類車輛在工作過程中經常面臨大扭矩的復雜工況，造成車輛驅動橋差速器齒輪因過載損壞率較高，更換差速器齒輪的成本一般較高。針對該問題，研究了與傳統(tǒng)機械式差速器不同的液力差速器，其采用的液力傳動技術替代了傳統(tǒng)差速器的剛性連接，利用液力變矩器的工作特性和工作原理，實現液力差速器傳遞扭矩和自動防滑差速的功能，同時實現過載保護，提高主速器和差速器的使用壽命，保證了汽車在各行駛工況下的正常工作[1]。

1 液力差速器結構原理

以皮卡汽車為設計對象，在其整車技術參數的基礎上，利用液力變矩器工作原理，展開液力差速器的參數計算與結構設計，皮卡汽車的主要參數如表1所示。傳統(tǒng)的液力變扭器有3個工作輪，即泵輪、渦輪和導輪，如圖1所示。發(fā)動機運轉時帶動液力變矩器的殼體和泵輪與之一同旋轉，泵輪 內的液壓油在離心力的作用下，由泵輪葉片外緣沖向渦輪。并沿渦輪葉片流向導輪，再經導輪葉片流回泵輪葉片內緣，形成循環(huán)的液流。導輪則位于泵輪和渦輪之間，并與泵輪和渦輪保持一定的軸向間隙，通過導輪固定套固定于變速器殼體。導輪的作用是改變渦輪上的輸出扭矩。葉片也是液力差速器設計的核心問題[2]。由于從渦輪葉片下緣流向導輪的液壓油仍有相當大的沖擊力，只要將泵輪、渦輪和導輪的葉片設計成一定的形狀和角度，就可以利用上述沖擊力來提高渦輪的輸出扭矩。

表1 皮卡汽車整車技術參數

圖1 液力變矩器基本結構

液力差速器的動力傳遞方式由原來的齒輪嚙合改為液力傳動，動力傳遞原理與液力變矩器相同，其工作原理如圖2所示。液力差速器結構主體由中間泵輪和兩側渦輪組成，傳統(tǒng)的機械式差速器殼體（主減速器從動錐齒輪盤）作為泵輪，渦輪作為兩側半軸齒輪輸出動力，發(fā)動機的轉矩通過變速器傳遞后，通過中間泵輪帶動液力差速器的渦輪旋轉，兩側渦輪分別與驅動橋左右半軸相連，進而驅動車輪使汽車行駛。該結構取消兩側車輪的剛性連接，運動過程中兩側車輪相互獨立。其各工況下的工作特性為以下三類：

圖2 液力差速器工作原理框圖

（1）汽車直線行駛工況：兩側渦輪轉速相等，泵輪轉矩被平均分配到兩側渦輪。

（2）汽車轉向行駛工況：兩側車輪出現轉速差時，兩側車輪分別通過各自的渦輪與泵輪保持相對轉動，可以實現轉速與轉矩的自動調整。

（3）有一側車輪附著條件不好，需要差速器鎖止實現防滑功能時：因為只要泵輪、渦輪之間存在轉速差，兩者之間即能實現扭矩傳遞，因此該工況下附著條件不好一側的車輪滑轉，其渦輪轉速與泵輪轉速一致，泵輪渦輪不傳遞扭矩；但另一側車輪附著良好，該側渦輪與泵輪之間有較大轉速差，泵輪上大部分轉矩傳遞到該側渦輪，驅動附著良好的車輪運動，實現汽車驅動。通過該過程，液力差速器無需設置差速鎖即可實現防滑功能，且不需駕駛員的干預。

通過該結構，液力差速器能夠實現自動差速與防滑功能，并能在一定范圍內實現無級變速，同時液力傳動具備過載保護功能，可以提高驅動橋的使用壽命。

2 液力差速器的參數設計

2.1 傳動流體基本性質

液力差速器傳動介質為液力流體，其有一定黏性，液體的黏性大小用動力黏度μ來表示，動力黏度是液體黏性的度量，μ愈大黏性也愈大。在實際工作中，為方便解決問題，引入了一個運動黏度γ，它是動力黏度μ和密度ρ的比值，即γ=μ/ρ(m2/s)。由于黏度的存在使液體與壁面發(fā)生粘滯力，從而對流體運動產生影響，在實際的使用過程中影響因素較為復雜，比如溫度，溫度對液體黏性影響很大，液體黏度隨溫度的升高而降低，這對液體傳動有較大的影響，圖3為不同液體的黏溫特性曲線。在計算過程中根據實際情況將其簡化為理想流體。假設的理想流體黏度很小，可以忽略不計，故流體對壁面沒有黏滯力，在任何表面上只有法向力而沒有切向力，從而使理想流體動壓力具有靜壓力的性質。

圖3 不同液體的黏溫特性曲線

2.2 液力差速器傳動流體的運動形態(tài)

液力差速器的泵輪與變速器的輸出軸相連，充填在泵輪腔內的工作液體隨泵輪同速轉動（即液體質點繞工作輪軸線O1做牽連運動），與此同時液體質點在流道內沿著工作葉輪葉片做相對運動，這兩種運動合成了液體質點的絕對運動-螺旋環(huán)流運動，如圖4所示。液力傳動元件之所以能傳遞能量完全依靠液體在工作腔內做螺旋環(huán)流運動，所以沒有螺旋環(huán)流運動也就沒有液力傳動。因此液力差速器基本參數的設計計算，從分析螺旋環(huán)流運動的存在條件開始[3]。

圖4 液體在液力差速器工作葉輪中螺旋環(huán)流運動示意圖

2.3 液力差速器基本參數的計算

根據傳動流體的理想化假設，我們采取靜壓泄液式液力變矩器器標準形工作腔循環(huán)圓模型進行計算，標準模型如圖5所示。

圖5 靜壓泄液式液力變矩器工作腔

首先液力差速的實質是離心式水泵與渦輪機的組合。當動力機通過輸入軸帶動液力差速器泵輪旋轉時，充填在液力差速器工作腔內的工作液體受離心力和工作葉片的雙重作用，從半徑較小的的泵輪入口被加速加壓拋向半徑較大的泵輪出口，同時，液體的動量矩獲得增量，即泵輪將動力機輸入的機械能轉化成了液體動能。當具有液體動能的工作液體由泵輪出口沖向對面的渦輪時，液流便沖擊渦輪葉片使之與泵輪同方向轉動，即液體動能又轉化成了機械能，驅動渦輪旋轉并帶動工作機做功[3]。

首先為了保證汽車動力性能，按該車額定功率工況計算，此時液力差速器傳遞的最大功率為Pe=120 kW，傳遞的最高轉速為nmax=5600/0.725=7724 r/min。

假如泵輪與傳動軸或變速器輸出相連，不計摩擦鼓風及軸承損傷設計工況下：確定差速器的泵輪的比轉速nsB=60 r/min，確定泵輪所建立的能頭HB：泵輪傳給工作液體的功率由工作腔循環(huán)流量q和液體流過泵輪后獲得的決定能頭nB決定[4-5]，由式得：

確定循環(huán)流量q：

由式得：

確定循環(huán)圓內徑與外徑的比值：對應得到循環(huán)圓內徑與外徑（循環(huán)圓直徑）D的比值con，即比值con根據傳遞功率的要求參考現有的性能接近設計要求的液力差速器結構預先選取循環(huán)圓內徑d0，現有液力耦合器的con值一般在0.23～0.54之間。根據傳遞功率的要求，參考現有性能接近設計要求的液力差速器結構預先確定一個循環(huán)圓內徑d0。

確定軸面速度Vm，根據所選的比轉速查得α=0.075

式中：Vm為軸面速度m/s；α為進口速度系數，由比轉速確定。

確定工作輪進口和出口處的軸面過流斷面面積F1和F2：

式中：F1、F2工作輪進口和出口處的軸面過流斷面面積，m2：

確定泵輪進口半徑RB1：

確定泵輪進口液體圓周速度uB1：

由式得：

確定泵輪出口半徑RB2由式得：

確定泵輪出口處流道寬度bB2：

由式得：

確定循環(huán)圓有效直徑：

圓整后取D=250 mm，循環(huán)圓內徑與循環(huán)圓有效直徑的比d0/D=100/250=0.4與所選腔型的d0/D比較接近。

確定工作輪葉片數ZB，根據計算結果D=250 mm查表得ZB=30，ZT=28。

循環(huán)圓的其他幾何尺寸如下：

過渡圓半徑：

間隙Δ：

擋板直徑d2：

循環(huán)圓實際是工作液體在各工作輪內循環(huán)流動是流道的軸面形狀，工作液體循環(huán)流動是一個封閉的軌跡，因而起名為循環(huán)圓[6]。

通過上述計算，得到該液力差速器的基本參數如表2所示。

表2 液力差速器基本參數表

3 結論

根據以上對液力差速器結構原理的闡述和具體參數的計算，以最終求得的數據結果為基礎，利用三維模型軟件UG建立了該液力差速器的三維模型效果圖，如圖6所示。

圖6 汽車液力差速器三維模型效果圖[7]

該結構的液力差速器可以在汽車行駛過程中實現自動差速與防滑，有效提高汽車驅動橋的可靠性，通過計算得到的液力差速器基本參數，可以為后續(xù)結構性能仿真和樣機制作提供數據依據。該結構應用過程中尚存在液力傳動效率較低的問題，也是今后重點研究的問題。