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1、机械变矩器的理论构想液力变矩器最本质的特点是具有转矩的自适应性，即具有能根据外界负荷的 变化自动调整输出轴转速的变化。由丁它的出现，给整个工程机械领域带来了 巨大变化。然而效率低下一直是液力变矩器的致命缺点，虽然半个世纪以来科 研人员通过各种改进，但这一缺点并没有根本得到解决。几十年来的实践似乎昭示我们：要想具有高效的自动变矩（变速）装置应该 换一种思路去实现。正是如此，笔者构造了一种全新观念的，具有结构简单易 丁制造且具有高效传动的自动变矩装置一一机械变矩器。虽然它目前停留在纸 面上，但通过论证可以确信，机械变矩器确实具有脱俗超凡的性能和变为实际 的可能性。一旦试制成功，将会给整个工程机械领
2、域乃至机械领域带来革命性 的进步。为了说明机械变矩器的工作原理，先要介绍转矩限制器的工作原理1,转矩限制器顾名思义，转矩限制器是限制传递转矩的传动装置。1.1, 转矩限制器的构造和工作原理主要由主动盘1、从动盘2、滑动拨销3和测力弹簧4构成。在测力弹簧的 作用下，滑动拨销圆锥面始终与从动盘内曲线表面接触。内曲线表面分为圆弧 面和斜坡面（包括上坡面和下坡面）。当主动盘旋转时，主动盘的上坡面就会拨动滑动拨销，带动从动盘一起转动, 二者之间的作用力会产生一个使拨销缩回的分力，且传动的转矩越大，该分力 越大。当所传递的转矩产生的分力克服测力弹簧的弹力时，滑动拨销缩回，转 矩限制器打滑，动力就此中断。对
3、应地，将此时的转矩叫做转矩限制器临界转 矩M临。1.2, 转矩限制器的功耗为求转矩限制器的功率消耗，先要对 2.3.1 ,转矩限制器的受力情况进行分 析。1.2.1 ,转矩限制器的受力分析以滑动拨销为研究对象，作受力分析图（见图2）0转矩限制器的受力可分为三个阶段：1）未滑转时的受力分析F =P-B Fe -Fr = P（2A B） m，2R1LiLi.A2= P（2一-B） m RiN，=- -A P L iN=- -A P-P cos 6 - p sin 6L i其中： A=S sin 6 - L 2cos 6 -S cos 6 -L?sin 6 + rcos 6 + 2rsin 6B=-
4、sin 6 - p 2sin 6其中，力P由平衡条件求出：P= Q，M Q（2）R cos p将上式（2）代入得：F=R cos 6A（2 ,匚-B）此时的F力即为能使转矩限制器以 M临转矩传递动力的最小值，为弹簧的预 紧力。2）滑转爬坡时的受力分析Fe、Fk分别为滑动拨销在被动盘销孔内移动时产生的牵连惯性力和科里奥利 力；由丁科氏力Fk对摩擦功耗影响很小，因此略去。现求加速度ae用正弦定理：I = 1吁口 ，其中口 =以sin（ _：）Veddl（1 -10）b，dtdtcos（-x）sin2（F -：e）aedve _ d21dtT0sin sin2（- ：u）tan2（=|sin（）坦U
5、 cos（飞）上式中6为常数，令6 =45o,因a角度很小，因此牵连加速度ae的方向向外, 产生的惯性力方向指向圆心。可以证明当a =0时：21tan45 2aemax =l0 sin45 22 sin45 =3，l0sin 45 tan 45 _ cos45厂 f +f-Psin 6 +F+F+ Fe+fPcos 6 =0一-Pcos6 +N-N- f psin 6 =0N Li+f r-Pcos 6 L2 +Psin 6 S- f pScos 6 - f p L 2sin 6 -fr =0由丁爬坡时转矩限制器不在传递动力，故应以弹簧力 F （假设爬坡时弹簧力 不变）为已知力，以 M N、P
6、为未知量，解得：p=F Fe2A -BLiN，=- -A PL 1N=- : P-P cos 6 - Psin 6 L 1其中： A=Ssin 6 - L 2cos 6 -S cos 6 -l_2sin 6 + rcos 6 + 2rsin 6B=-sin 6 -小 2sin 63）越过斜面顶峰后的受力分析：厂-f -f-Psin 6 o+F+F+Fe-f pcos 6 0=0Psin6 o-N +N-f pcos 6 o=ON Li-f r+PScos0 o -Psin 6 0L2+ f p _2cos 6 o+fr + f pSsin 6 o=O以M N、P(同样地，此时F为已知量)为变量
7、，解得：P = F Fr Fe-2J -BLiN，=- -A PL 1N=( 11 sin 6 - -cos 6 )PL 1其中： A=S sin 6 - L 2cos 6 +Sp cos 6 +L2sin 6 - rcos 6 + 2rsin 6B=-sin 6 - p 2sin 61.3.2 ,转矩限制器的功耗种类当转矩超过临界转矩M临时，转矩限制器打滑，转矩限制器打滑时消耗的功 率计算如下：1) ,滑动拨销在圆弧面滑动时，消耗的功率Nh1o2) ,滑动拨销在上坡面滑动时，消耗的功率NH2。3) ,滑动拨销在下坡面滑动时，消耗的功率NH3。4) ,滑动拨销在主动盘内圆柱面缩回滑动时，消耗的
8、功率NU5) ,滑动拨销在主动盘内圆柱面伸出滑动时，消耗的功率NU这里注意：1)滑动拨销与从动盘内表面间的正压力因与内表面始终垂直， 故不产生功耗。2)当滑动拨销压缩弹簧缩回时，所消耗功率变为弹簧的弹性势 能，当滑动拨销越过上坡段进入下坡段时，弹性势能会释放出来，变为驱动主 动盘的动力(详见下)。因此滑动拨沿从动盘内表面转动一周时，功率消耗N= NHl+ NH2+ NH3+ NH4+ NH5。1.3, 转矩限制器的改进1.3.1 ,上述转矩限制器的缺点：1） 实际的转矩限制器当要传递大转矩时，需要的力F很大，用螺旋弹簧很 难达到要求，且弹簧力压缩过程中弹力增加很大，能耗增加。2）超越过程中滑动
9、拨销会撞击主动盘产生冲击。3）滑动拨销在圆弧面滑动时，由于摩擦力与弹簧力成正比，而弹簧力很大, 消耗的功率NH1很大，造成不必要的能耗。4）单个拨销承受的力较大，影响其使用寿命。为此做如下改进（参见图解4）:1.4, 转矩限制器功率消耗的计算表达式在整个滑动拨销滑动过程中，由于是产生的摩擦力为变力，计算比较复杂， 为简化起见，将变力视为恒力，恒力的数值等于滑动拨销在各个阶段处于中间 位置时变力的值（简称中间值，用角标D表示），于是消耗的功率就等于其中间值乘以各自经过的距离。NH 2兀即FN12Q f PdHiN13Q f pdH2NH4Q （f+f ） Hicos 6NH5Q （f+f ） H
10、icos 61.5, 转矩限制器功率消耗的实际计算由于，转矩限制器功率消耗的计算表达式非常复杂，无法用通用的表达式进行表述，只能针对具体实例计算。下面举例如下：设某一转矩限制器，构造和尺寸见图5。设滑转前主、被动盘的转速为n=1900rpm 滑转后被动盘的转速 rn=950rpm 临界转矩 M临=600N-m 计算如下:2,机械变矩器的构造和工作原理机械变矩器按档位数分为单级变矩器和多级变矩器。所谓单级变矩器（以下 简称单变器）就是具有两个档位的变矩器，所谓多级变矩器（以下简称多变器） 就是将若十个单变器申联在一起，构成具有多个档位变化的变矩器。先介绍单 变器的构造和原理。1.1 ,单变器的构
11、造和原理1），构造见图1,该构造与同轴线式的齿轮减速器2构造类似（例如，将输入轴与输 出轴布置在同一轴线上，用两对齿轮减速等）。不同之处是加装了超越离合器、 转矩限制器。其中超越离合器的外圈与输入齿轮做成一体，超越离合器的星轮 与输入轴、转矩限制器的主动盘做成一体，转矩限制器的从动盘与输出齿轮做 成一体。2）,工作原理在阐述机械变矩器的工作原理之前，先作两点说明：a, 从输入端方向看，输入轴的旋转方向为顺时针方向，超越离合器的安装 方式如A-A局部剖面图所示。b, 机械变矩器在进行转速比切换时，所对应的外界转矩称为临界转矩M临。 当外界转矩MMs时，称为大负荷状态；反之当 MK M临时，称为小
12、负荷状态。下面阐述机械变矩器的工作过程。假定外界负荷由小到大变化。a, 当外界为小负荷状态（MM临）时由于所传递的转矩超过转矩限制器的工作转矩， 此时转矩限制器的主动盘拨 动滑动拨销产生的轴向分力大于测力弹簧的预紧力，圆锥拨销回缩，于是转矩 限制器打滑。随着输入轴的继续转动，动力则经超越离合器的星轮、超越离合器的外圈、输入齿轮、联二大齿轮、联二小齿轮、输出齿轮，经输出轴输出。由丁动力通过两对减速齿轮对转出，因此动力是经降速后输出。综上所述，当外界为小负荷时，同轴线式机械变矩器的输出轴转速是以等速（高速）输出的；当外界为大负荷时，同轴线式机械变矩器的输出轴转速是以 降速（低速）输出的。至此完成本
13、机构根据外界负荷的变化自动调整输出轴转 速的功能。以上讨论的是负荷由小到大的自动变速 （由高速档变为低速档）过程，负荷 由大到小的自动变速（由低速档变为高速档）过程类似，不再赘述。1.2,多级变矩器的构造和原理单变器只具有两个档位速度变换，实际工况中经常需要多档位变速的情况， 因此讨论多级变矩器非常具有实际的意义。所谓多变器，就是将若干个单变器申联起来，构成一个具有多档位的自动变 矩装置（见图）。为了便丁说明，我们将各单变器的动力输入和输出口分别称为 输入端和输出端，而将多变器的动力输入口和输出口称为输入轴和输出轴。下 面以两级多变器（由两个单变器申联起来）为例，进行讨论。1.2.1 ,两级多
14、变器的构造由图（）可见，其构造就是将第一级单变器的输出端与第二级单级变矩器的 输入端连接，变构成了两级多变器。设第一、二单变器的临界转矩值分别为 M临1、M临2,各单变器低速传动时的 变速比分别为11、I2,用 J表示整个变矩器的传动比。按照工作方式的不同， 两级多变器可分为三档位和四档位两种工作情况。1）,两级三档位多变器的工作原理设M临2客,显然M临2 M临1I 2当外界转矩M小丁 M临1时，显然，各单变器均为直接档，多变器工作在第四 档位上，其传动比I 2 4=1,当外界转矩增加到 MM临1时，第一级单变器首先由直接档变为低速档，多 变器工作在第三档位上，其传动比I，4=1 2,随外界转矩增加到Mt M临2时，第二级单变器由直接档变为低速档，此时第、, 一，Mb 1一级单变器输出端的转矩下降为 I 2其传动比为I1,丁是多变器进入到第一档工作，此时多变器的传动比 J1= I1I22）,二级四档位多变器的工作原理设第一、二、三单变器的临界转矩值分别为 M临1、M临2、M临3。第一、二、 三单变器各自的输出端的实际转矩值分别用 M出、M2出、M出表示，
