调速型液力偶合器勺管与旋转外壳不干涉优化设计

　　0　引言

　　调速型液力偶合器旋转外壳与勺管结构及相对位置设计十分复杂,勺管与旋转轴线呈75°~80°夹角,并有一定的偏心.通常在设计调速型液力偶合器产品,特别是传动装置时希望其结构紧凑,因此希望减小导管倾角以减小偶合器的轴向长度;减小勺管的插入行程以减小勺管悬臂长度,增强勺管刚度;还希望减小旋转外壳内直径,增大充油度,增大偶合器传递力矩系数.但是勺管倾角与内环直径的减小,易导致勺管与外壳发生空间干涉.目前企业进行产品设计采用图解法校核是否干涉,不仅工作量大,而且存在误差,难以合理选用勺管与旋转外壳内环直径.勺管与旋转外壳的相对安装位置,直接决定着偶合器的轴向长度.在什么位置最佳?在什么位置不发生干涉?本论文将调速型液力偶合器勺管与旋转外壳不干涉进行优化设计,从而设计出一个结构紧凑、体积小、轴向尺寸短的液力偶合器.

　　1　调速型液力偶合器的基本原理和组成

　　调速型液力偶合器是安装在原动机和负载之间的一种液力传动元件,是利用液体的动能来传递扭矩的^[1].

　　调速型液力偶合器由输入轴、背壳、泵轮、旋转外壳和涡轮、输出轴、箱体、导管等组成,如图1所示.在液力偶合器工作腔内,充有工作油.当原动机通过主动轴带动泵轮旋转时,因离心力的作用,工作油在叶片的带动下由泵轮内侧(进口)流向外缘(出口),形成高压高速的液流,把输入的机械能转换成工作油的动能和压力能.高压高速的液流冲击涡轮叶片,使涡轮跟着泵轮同向旋转.工作油在涡轮中,由外缘(进口)流向内侧(出口)的过程中减压减速,然后再流入泵轮的进口,不断地循环.涡轮把工作油的动能和压力转换成机械功,通过从动轴输出,带动工作机转动.整个过程实现了从主动轴到从动轴的动力传递.

　　液力偶合器工作腔内充油度的改变,可改变传递的转矩,从而改变输出转速.故当连续地改变工作腔内的充油度时,就可以实现从动轴的无级调速.采用这种方法调节转速,结构简单,寿命长,调速范围是输入转速的1/3~1倍.工作腔内充油度的改变是通过伸缩勺管的位置来实现的[2].

　　2　优化设计

　　2.1　数学建模

　　将设计参数为输入转速1 500 r/min,传递功率650 kW,循环圆直径650mm的调速型液力偶合器简化成如图2所示的模型.图2中,O点为勺管中心线在垂直面上的投影与旋转轴线的交点;O′点为勺管在I截面上中心点;A点为勺管与旋转外壳发生干涉的临界点;R1为旋转外壳内半径,Rx为旋转外壳开口半径; e为勺管中心线距旋转轴线的距离; e′为勺管在I截面上的中心点与旋转轴线的垂直偏离;α为勺管中心线与垂直面的倾斜角度;d为勺管直径;β为旋转外壳壁与垂直面夹角;m为O与O′点的水平距离;a为椭圆长半轴; b为椭圆短半轴.令α>β,那么旋转外壳与勺管只可能在旋转外壳的开口内壁发生干涉.