一种涡轮闭锁液力变矩器及工程机械

技术领域

本发明涉及液力变矩器技术领域，尤其涉及一种涡轮闭锁液力变矩器及工程机械。

背景技术

液力变矩器是一种通过液体的动能变化来改变传递扭矩的液力机械，与一般机械传动相比，液力变矩器具有传动性能柔和的特点。液力变矩器安装于发动机与变速箱之间，利用液体的流动将发动机的扭矩平稳传递到变速箱，能够有效衰减发动机及传动系统的扭振和动负荷，使装有该元件的工程机械车辆具有良好的起动性、平稳性和对外载荷的自动适应性。现有应用于工程机械上的液力变矩器往往不能兼顾动力和速度两种优势，效率不能得到有效的传递，使得工程机械油耗较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡轮闭锁液力变矩器，能够使工程机械具有较好的动力和油耗表现。

本发明的另一个目的在于提供一种工程机械，通过设置上述涡轮闭锁液力变矩器，在闭锁解除段和闭锁段均提升该工程机械的工作效率，降低铲装同等物料所需要的燃油量，平均传动效率提升20％以上，作业油耗降低15％以上。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种涡轮闭锁液力变矩器，用于工程机械中，所述涡轮闭锁液力变矩器包括：

变矩器壳体；

泵轮和涡轮，所述泵轮与所述工程机械的发动机传动连接，且所述泵轮在转动过程中能够通过液体带动所述涡轮转动，所述泵轮和所述涡轮安装于所述变矩器壳体中；

导轮组件，包括导轮座、导轮以及连接件，所述导轮座固定设置于所述变矩器壳体上，所述导轮通过所述连接件设置于所述导轮座上；

所述连接件包括内圈、外圈以及单向离合器，所述单向离合器设置于所述内圈和所述外圈之间，且所述内圈与所述导轮座固定连接，所述外圈与所述导轮固定连接；

闭锁离合器，所述闭锁离合器能够使所述泵轮和所述涡轮连接或断开。

作为优选，所述连接件还包括两个轴承，两个所述轴承分别设置于所述单向离合器的两侧，且所述轴承位于所述内圈和所述外圈之间。

作为优选，所述闭锁离合器包括罩轮、过渡套和离合器组件，所述罩轮用于与所述发动机连接，且所述过渡套固定连接于所述罩轮背离所述发动机的一端和所述泵轮之间，所述离合器组件能够使所述涡轮和所述过渡套连接或断开。

作为优选，所述离合器组件包括活塞、摩擦片以及两个钢片，所述涡轮设置有涡轮毂，且所述涡轮毂与所述涡轮固定连接，所述罩轮转动设置于所述涡轮毂上，所述钢片与所述过渡套固定连接，且所述罩轮上设置有活塞腔，所述活塞滑动设置于所述活塞腔中，所述活塞在所述活塞腔中移动能够使所述摩擦片与两个所述钢片压紧，以使所述涡轮毂与所述过渡套固定连接。

作为优选，所述闭锁离合器还包括扭转减震器，所述扭转减震器固定设置于所述涡轮毂上，且所述扭转减震器背离所述涡轮毂的一端与所述摩擦片连接。

作为优选，所述发动机与所述罩轮连接的一端设置有飞轮，所述飞轮通过第一连接套与所述罩轮连接，所述第一连接套设置有内花键，所述罩轮设置有外花键，所述第一连接套与所述罩轮通过所述内花键和所述外花键配合连接。

作为优选，所述发动机的外侧设置有发动机壳体，所述第一连接套与所述发动机壳体连接，所述发动机壳体通过第二连接套与所述变矩器壳体连接。

作为优选，所述泵轮的泵轮叶片的出口与所述涡轮的涡轮叶片的入口相对，所述涡轮的涡轮叶片的出口与所述导轮的导轮叶片的入口相对，所述导轮的导轮叶片的出口与所述泵轮的泵轮叶片的入口相对组成循环封闭的叶栅系统，所述叶栅系统的循环圆的有效直径D＝380±5mm时，所述叶栅系统中所述泵轮叶片、所述涡轮叶片以及所述导轮叶片的中间流线的进口角、出口角分别如下：

所述泵轮叶片中间流线进口角β

所述泵轮叶片中间流线出口角β

所述涡轮叶片中间流线进口角β

所述涡轮叶片中间流线出口角β

所述导轮叶片中间流线进口角β

所述导轮叶片中间流线出口角β

所述泵轮叶片和所述涡轮叶片的中间环面的进口边厚度和出口边厚度分别为：

所述泵轮叶片中间环面进口边厚度H

所述泵轮叶片中间环面出口边厚度H

所述涡轮叶片中间环面进口边厚度H

所述涡轮叶片中间环面出口边厚度H

所述导轮叶片中间环面进口边圆头半径、出口边圆头半径分别为：

所述导轮叶片中间环面进口边圆头半径R

所述导轮叶片中间环面出口边圆头半径R

作为优选，所述叶栅系统的循环圆的有效直径D＝380±5mm时，所述叶栅系统匹配额定转速为2000rpm、额定功率为200～250kW的发动机。

一种工程机械，包括如上任一方案中的涡轮闭锁液力变矩器。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种涡轮闭锁液力变矩器，用于工程机械中，且安装于工程机械中的发动机和变速器之间。该涡轮闭锁液力变矩器包括泵轮、涡轮、导轮组件以及闭锁离合器。其中，泵轮与发动机传动连接，泵轮转动能够通过液体作为介质带动涡轮转动。当工程机械进行铲运作业时，闭锁离合器解锁以保证工程机械具有足够的动力输出；而当工程机械结束工作进入运输作业时，闭锁离合器闭锁以将泵轮和涡轮锁为一体，泵轮和涡轮转速相同，液力传动转变为机械传动，传动效率接近100％。该涡轮闭锁液力变矩器兼顾了动力和速度两种工况，使工程机械的作业效率和油耗表现都得到了较大提升。另外，导轮组件包括导轮座、导轮以及连接件。其中，连接件包括内圈、外圈以及单向离合器，单向离合器设置于内圈和外圈之间，且内圈与导轮座固定连接，外圈与导轮固定连接。当泵轮与涡轮连接成整体时，导轮能够在单向离合器作用下转动，以减少能量损失，提升转动效率；当泵轮与涡轮各自旋转时，导轮在单向离合器的作用下不发生转动，以提高动力输出。该单向离合器通过内圈和外圈装配于导轮座和导轮之间，可以根据载荷的不同，只需配置不同尺寸规格的内圈和外圈，零部件通用性好。

附图说明

图1是本发明实施例所述的涡轮闭锁液力变矩器的结构示意图一；

图2是本发明实施例所述的涡轮闭锁液力变矩器的结构示意图二；

图3是本发明实施例所述的泵轮叶片的正投影图；

图4是本发明实施例所述的泵轮叶片的轴面图；

图5是本发明实施例所述的泵轮叶片的进口角的角度、出口角的角度、进口边的厚度和出口边的厚度示意图；

图6是本发明实施例所述的涡轮叶片的正投影图；

图7是本发明实施例所述的涡轮叶片的轴面图；

图8是本发明实施例所述的涡轮叶片的进口角的角度、出口角的角度、进口边的厚度和出口边的厚度示意图；

图9是本发明实施例所述的导轮叶片的正投影图；

图10是本发明实施例所述的导轮叶片的轴面图；

图11是本发明实施例所述的导轮叶片的进口角的角度、出口角的角度、进口边圆头半径和出口边圆头半径的示意图；

图12是本发明实施例所述的涡轮闭锁液力变矩器和普通液力变矩器的效率曲线对比图。

图中：

1-变矩器壳体；

2-泵轮；

3-涡轮；31-涡轮毂；

4-导轮组件；41-导轮座；42-导轮；43-连接件；431-内圈；432-外圈；433-单向离合器；434-轴承；

5-闭锁离合器；51-罩轮；52-过渡套；53-离合器组件；531-活塞；532-摩擦片；533-钢片；54-扭转减震器；

6-飞轮；7-第一连接套；8-发动机壳体；9-第二连接套。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的零部件或具有相同或类似功能的零部件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

液力变矩器是一种通过液体的动能变化来改变传递扭矩的液力机械，与一般机械传动相比，液力变矩器具有传动性能柔和的特点。液力变矩器安装于发动机与变速箱之间，利用液体的流动将发动机的扭矩平稳传递到变速箱，能够有效衰减发动机及传动系统的扭振和动负荷，使装有该元件的工程机械车辆具有良好的起动性、平稳性和对外载荷的自动适应性。

如图1所示，本发明实施例提供了一种涡轮闭锁液力变矩器，用于工程机械中，且安装于工程机械中的发动机和变速器之间，能够将工程机械上发动机的动力传递给变速箱。该涡轮闭锁液力变矩器包括变矩器壳体1、泵轮2、涡轮3、导轮组件4以及闭锁离合器5。其中，泵轮2和涡轮3安装于变矩器壳体1中。泵轮2与发动机传动连接，且泵轮2在转动过程中能够通过液体带动涡轮3转动，进而涡轮3将动力传递给变速器。闭锁离合器5能够使泵轮2和涡轮3连接或断开。当工程机械进行铲运作业时，闭锁离合器5能够将是泵轮2和涡轮3断开，以保证工程机械具有足够的动力输出；当工程机械结束铲运作业进行运输作业时，闭锁离合器5能够将泵轮2和涡轮3锁为一体，此时，泵轮2和涡轮3转速相同，液力传动转变为机械传动，传动效率接近100％。该涡轮闭锁液力变矩器兼顾了动力和速度两种工况，使工程机械的作业效率和油耗表现都得到了较大提升。另外，在泵轮2和涡轮3断开时，导轮组件4能够实现传递扭矩的增大；而当泵轮2和涡轮3连接时，导轮组件4能够与泵轮2和涡轮3同时转动，以降低搅油损失，提升传动效率。可以理解的是，铲运作业时，工程机械的车轮转速较低，而运输作业时，车轮转速较高。

进一步地，继续参照图1，导轮组件4包括导轮座41、导轮42以及连接件43。导轮座41固定设置于变矩器壳体1上，导轮42通过连接件43设置于导轮座41上，连接件43能够实现导轮42在导轮座41上单向旋转。当泵轮2与涡轮3断开时，由于泵轮2和涡轮3内部液体的流动方向的原因，导轮42不转动，此时，液体由泵轮2甩出后，先经过导轮42，再流向涡轮3。该工况下，由于导轮42不转动，液体经过导轮42后速度提升，经过速度提升的液体具有更高的冲击力，再流向涡轮3，使涡轮3具有更高的转动力。当泵轮2和涡轮3连接时，泵轮2和涡轮3内部的液体流动使得导轮42随泵轮2和涡轮3一起转动，以降低搅油损失，提升传动效率。

更进一步地，连接件43包括内圈431、外圈432以及单向离合器433。其中，单向离合器433设置于内圈431和外圈432之间，且内圈431与导轮座41固定连接，外圈432与导轮42固定连接。当泵轮2与涡轮3连接成整体时，导轮42能够在单向离合器433作用下转动，以减少能量损失，提升转动效率；当泵轮2与涡轮3各自旋转时，导轮42在单向离合器433的作用下不发生转动，以提高动力输出。该单向离合器433通过内圈431和外圈432装配于导轮座41和导轮42之间，可以根据载荷的不同，只需配置不同尺寸规格的内圈431和外圈432，零部件通用性好。可以理解的是，单向离合器433是能够实现单方向转动的零件。

为了使外圈432相对内圈431转动更加灵活，支撑力更强，具体地，继续参照图1，连接件43还包括两个轴承434，两个轴承434分别设置于单向离合器433的两侧，且轴承434位于内圈431和外圈432之间。当导轮42转动时，进而带动外圈432转动，外圈432通过单向离合器433以及两个轴承434实现在内圈431上转动，承载能力增强，且转动更加灵活。

闭锁离合器5能够实现泵轮2和涡轮3的连接和断开。现结合图1来说明闭锁离合器5的细节结构。具体地，继续参照图1，闭锁离合器5包括罩轮51、过渡套52和离合器组件53。罩轮51与发动机连接，发动机输出动力驱动罩轮51旋转；过渡套52固定连接于罩轮51背离发动机的一端和泵轮2之间，离合器组件53能够实现涡轮3和过渡套52的连接或断开。由于过渡套52固定连接于罩轮51和泵轮2之间，当离合器组件53将涡轮3与过渡套52连接时，即实现了泵轮2和涡轮3的连接，使泵轮2和涡轮3同时旋转。

离合器组件53的作用是实现涡轮3与过渡套52的连接和断开，现对离合器组件53的结构进行说明。更为具体地，离合器组件53包括活塞531、摩擦片532以及两个钢片533。其中，涡轮3设置有涡轮毂31，且涡轮毂31与涡轮3固定连接，罩轮51转动设置于涡轮毂31上，钢片533与过渡套52固定连接，且罩轮51上设置有活塞531腔，活塞531滑动设置于活塞531腔中，活塞531在活塞531腔中移动能够使摩擦片532与两个钢片533压紧，以使涡轮毂31与过渡套52固定连接，进而实现涡轮3与过渡套52连接。在本实施例中，涡轮3与涡轮毂31采用螺栓固定连接。

进一步地，钢片533外周设置有多个固定耳，且固定耳上设置有第一销轴孔，过渡套52绕其圆周方向上设置有多个第二销轴孔，钢片533通过销轴穿过第一销轴孔后安装于第二销轴孔中，将钢片533与连接套固定连接。

由于涡轮3与过渡套52连接的瞬间会产生扭转力，因此，闭锁离合器5还设置有扭转减震器54，扭转减震器54固定设置于涡轮毂31上，且扭转减震器54背离涡轮毂31的一端与摩擦片532连接，使得钢片533和摩擦片532压紧的瞬间，摩擦片532能够将扭转力传递给扭转减震器54，扭转减震器54将扭转力吸收、缓冲后，钢片533和摩擦片532同时转动，带动扭转减震器54转动，进而带动涡轮毂31转动。在本实施例中，扭转减震器54与摩擦片532采用花键配合。

如图2所示，为了使抵消装配过程中的误差，发动机与罩轮51连接的一端设置有飞轮6，飞轮6通过第一连接套7与罩轮51连接，第一连接套7设置有内花键，罩轮51设置有外花键，第一连接套7与罩轮51通过所述内花键和所述外花键配合连接。该结构设计能够实现第一连接套7在罩轮51沿罩轮51的轴线方向上移动，以使装配更加简单。

继续参照图2，所述发动机的外侧设置有发动机壳体8，第一连接套7与发动机壳体8连接，发动机壳体8通过第二连接套9与变矩器壳体1连接。

现有技术中，由于发动机与液力变矩器匹配不合理，导致工程机械作业效率低、油耗高。由于液力变矩器失速工况的公称转矩(MBg0)偏高，最大变矩比(K0)偏小，最高效率(ηmax)偏低，与发动机匹配不合理。

失速工况的公称转矩(MBg0)较高，为240～250Nm，当失速工况的公称扭矩(Mbg0)偏大时，会出现如下问题：根据功率计算公式P＝MBg02 N/比例常数(P为功率、MBg0为公称扭矩、N为泵轮转速，泵轮与发动机直接相连，发动机的转速即为泵轮转速)，在保证液力变矩器能完全吸收发动机额定功率的前提下(即P为定值)，失速工况公称扭矩(Mbg0)与转速(N)成反比，如MBg0过高，则N变低，这也就意味着液力变矩器与发动机的匹配转速点偏低，导致工程机械的车速低，虽然满足了整机的牵引力要求，但是满足不了整机的车速要求，即综合性能差。

而根据发动机的功率要求，定制设计该涡轮闭锁液力变矩器的叶栅系统，提供于额定功率在200～250kW的发动机匹配更加合理的涡轮闭锁液力变矩器。

因此，为了解决上述问题，如图1所示，本实施例中提供的涡轮闭锁液力变矩器包括依次安装在同一轴线上的泵轮2、涡轮3和导轮42，泵轮2的泵轮叶片的出口与涡轮3的涡轮叶片的入口相对，涡轮3的涡轮叶片的出口与导轮42的导轮叶片的入口相对，导轮42的导轮叶片出口与泵轮2的泵轮叶片的入口相对组成循环封闭的叶栅系统，该叶栅系统的循环圆的有效直径D＝380±5mm时，如图3-图12所示，

叶栅系统中泵轮叶片、涡轮叶片以及导轮叶片的中间流线的进口角、出口角分别如下：如图3-图5所示；

泵轮叶片中间流线进口角β

泵轮叶片中间流线出口角β

涡轮叶片中间流线进口角β

涡轮叶片中间流线出口角β

导轮叶片中间流线进口角β

导轮叶片中间流线出口角β

如图6-图8所示，泵轮叶片和涡轮叶片的中间环面的进口边厚度和出口边厚度分别为：

泵轮叶片中间环面进口边厚度H

泵轮叶片中间环面出口边厚度H

涡轮叶片中间环面进口边厚度H

涡轮叶片中间环面出口边厚度H

如图9-图11所示，导轮叶片中间环面进口边圆头半径、出口边圆头半径分别为：

导轮叶片中间环面进口边圆头半径R

导轮叶片中间环面出口边圆头半径R

如图12所示，叶栅系统的循环圆的有效直径D＝380±5mm时，叶栅系统匹配额定转速为2000rpm、额定功率为200～250kW的发动机时，涡轮闭锁液力变矩器的最高效率值为0.85～0.87，闭锁离合器5闭锁时的最高效率值为0.99-1，失速工况下的泵轮2的公称扭矩为200～240Nm，失速变矩器比为2.65～2.85，相比同功率段普通的液力变矩器，传动效率提升20％，作业油耗降低15％以上。

示例性地，叶栅系统的循环圆的有效直径D＝375mm时；

叶栅系统中泵轮叶片、涡轮叶片以及导轮叶片的中间流线的进口角、出口角分别如下：

泵轮叶片中间流线进口角β

泵轮叶片中间流线出口角β

涡轮叶片中间流线进口角β

涡轮叶片中间流线出口角β

导轮叶片中间流线进口角β

导轮叶片中间流线出口角β

泵轮叶片和涡轮叶片的中间环面的进口边厚度和出口边厚度分别为：

泵轮叶片中间环面进口边厚度H

泵轮叶片中间环面出口边厚度H

涡轮叶片中间环面进口边厚度H

涡轮叶片中间环面出口边厚度H

导轮叶片中间环面进口边圆头半径、出口边圆头半径分别为：

导轮叶片中间环面进口边圆头半径R

导轮叶片中间环面出口边圆头半径R

该涡轮闭锁液力变矩器在上述设计时，其最高效率为0.862，失速工况下的泵轮2公称转矩为235Nm，失速变矩器比为2.65。该涡轮闭锁液力变矩器与额定转速为2000rpm、额定功率为230kW的发动机匹配更合理，使涡轮闭锁液力变矩器的高效率区间匹配在发动机的经济油区，确保工程机械遇到较大工作阻力时，可以自动输出更大的扭矩来克服工程机械的铲装阻力，从而提升整车的工作效率，降低10％燃油量。

而当叶栅系统的循环圆的有效直径D＝380mm时；

叶栅系统中泵轮叶片、涡轮叶片以及导轮叶片的中间流线的进口角、出口角分别如下：

泵轮叶片中间流线进口角β

泵轮叶片中间流线出口角β

涡轮叶片中间流线进口角β

涡轮叶片中间流线出口角β

导轮叶片中间流线进口角β

导轮叶片中间流线出口角β

泵轮叶片和涡轮叶片的中间环面的进口边厚度和出口边厚度分别为：

泵轮叶片中间环面进口边厚度H

泵轮叶片中间环面出口边厚度H

涡轮叶片中间环面进口边厚度H

涡轮叶片中间环面出口边厚度H

导轮叶片中间环面进口边圆头半径、出口边圆头半径分别为：

导轮叶片中间环面进口边圆头半径R

导轮叶片中间环面出口边圆头半径R

该涡轮闭锁液力变矩器在上述设计时，其最高效率为0.865，失速工况下的泵轮2公称转矩为227Nm，失速变矩器比为2.8。该涡轮闭锁液力变矩器与额定转速为2000rpm、额定功率为250kW的发动机匹配更合理，使涡轮闭锁液力变矩器的高效率区间匹配在发动机的经济油区，确保工程机械遇到较大工作阻力时，可以自动输出更大的扭矩来克服工程机械的铲装阻力，从而提升整车的工作效率，降低10.5％燃油量。

本实施例还提供了一种工程机械，如在装载机使用上述涡轮闭锁液力变矩器，在闭锁解除段和闭锁段均提升该工程机械的工作效率，降低铲装同等物料所需要的燃油量，平均传动效率提升20％以上，作业油耗降低15％以上。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。