梁 然，李传威，李风娟

(莱钢集团莱芜矿业有限公司，山东 莱芜 271100)

液力变矩器是工程机械的核心部件之一，其设计的关键是各工作轮的叶片设计。液力变矩器的工作轮主要包括：泵轮、涡轮和导轮，其中泵轮作为液力变矩器的动力输入元件即从发动机处吸收动力，对液力变矩器的性能起着极其重要的影响，因此设计出合理的泵轮叶形是十分关键的。

1 性能要求

要设计的液力变矩器，主要应用于轮式装载机上，具体要求及指标为：

（1）额定力矩：150 N·m，转速：2 200转/分钟，功率：60 kW。

（2）泵轮出口角βB2=128°，导轮出口角βT2=60°，涡轮出口角βT2=150°。

2 循环圆确定

循环圆实际是工作液体在各工作轮内循环流动，是流道的轴面形状，工作液体循环流动是一个封闭的轨迹，循环圆是由外环、内环、工作轮的入口边和出口边组成，如图1所示。

图1 变矩器循环圆

循环圆的最大直径，称为液力变矩器的有效直径D，它是液力变矩器的特性尺寸。最大半径为Ra，循环圆外环最小直径为d，最小半径为Ro，循环圆宽度为B。

经分析初步确定变矩器泵轮循环圆的外圆直径即有效工作直径为378mm。依据设计流线的原则，确定内环、设计流线。由各相邻流线所形成的流过面积相等。在任意元线上的流过面积F 可按下列正即截头圆锥体旋转面公式（1）计算：

式中，

θ 为元线相对垂线的夹角，所有元线均垂直于设计流线；

rs为任意元线与外环交点上的半径；

rc为同一元线与内环交点上的半径；

r 为同一元线与设计流线交点上的半径。

首先选定一些任意的元线，并计算出初步轮廓。半径rS和角θ 可从图1中量出，而rS和rC则可相应地按下列式（2）及（3）计算：

确定出内环和设计流线。值得注意的是，由于整个圆是由三段圆弧组成，所以内环和中间线都不一样。

3 环量计算

取叶片的进口角βB1=120°，出口角βB2=128°。根据前期循环圆的确定，在泵轮转矩方程TB=ρQ（νuB2rB2-νuB1rB1）中的νuB2rB2-νuB1rB1项是确定泵轮动量矩变化的一个因数，经计算测量得出泵轮进口半径外环为95mm，内环为123.5mm；出口半径外环为196mm，内环为 167mm，这样转速比为0.5，在2 200 r/min时输出转矩为71 N·m。则根据公式（4）、（5）、（6）计算出νur：

则νur=νuB2rB2-νuB1rB1，经计算为：νur=4.186 5-0.912=3.274 5。绘制出泵轮叶片的轴面投影视图，如图2所示。

图2 泵轮叶片

将此改变量分为十份，按其中九分各占10.5%，元线9与元线10之间的增量为5%，在设计流线上，每一点的相应叶片角可根据公式（7）计算，元线与内环之交点处的叶片入口角可根据公式（8）、（9）计算得出：

经计算得到叶片入口处βc=120°35'，βs=118°42'，最终得到所有角度值，如表1所示。

表1 变矩器泵轮角度计算参数

4 变矩器泵轮叶形尺寸参数计算

根据上面计算出的角度参数计算出叶片的三维叶形坐标。利用内外环半径和偏移量，依据公式（10）叶片元线上的偏移量，相邻两点间的弧长公式（11），可以方便并精准的确定叶片形状。

式中，J 为相邻两点间的弧长。

式中，

e 为相邻两电源线之间的距离；

y 为元线起点所在轴面与径向参考平面夹角，在外环时则y=0；

rk为元线与设计流线之交点上的半径，或视具体境况，表示元线与内环或外环之交点上的半径；

k 为元线的序号，k=0，1，2……。

依据公式（10）、（11）最终计算出液力变矩器的泵轮叶形三维尺寸参数如表2所示，有此数据表即可作出叶片形状。

表2 泵轮叶片最终尺寸

5 结束语

根据环量分配法，在给定设计要求下，本文详细叙述了分析计算测出泵轮叶形的关键参数值，首先确定了循环圆有效直径及出口角等，计算出环量，然后环量等分10，求解每份对应的角度参数值及泵轮叶片的三维尺寸参数，最终完成叶片的叶形设计。

[1]马文星.液力传动理论与设计[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2]朱经昌.液力变矩器的设计与计算[M].北京：国防工业出版社，1991.

[3]马文星，等.液力变矩器叶片设计和特性计算的通用程序及其应用[J].汽车技术，1989,(12):22-25.