1
第四节 液力偶合器部分充液时特性
理论上, 偶合器工作时, 工作液的体积等于偶合
器内部工作腔的体积时, 应该是完全充满的 。 在实际
工作中, 工作液体积只占内部工作腔的 90％ 左右就算
完全充满 。 留下部分空间来容纳从工作液中分解出来
的空气和油气 。
2
一、偶合器部分充液时特性变化
当偶合器中充液量减小时，其特性将发生变化，是由于循环流量的液流结
构（流动状态）发生破坏引起。这种特性变化，随着 的变化而有不同。 i
在讨论由于液流量不同引起的特性变化时，常用与转速比 有关的参数 i
—— 滑差 来表示。 S
innnS BTB ???? 1)(
57.0~545.0?S
)455.0~43.0( ?i
0?S
)1( ?i
液体
空气
向心和离心分界面
05.0?S
)95.0( ?i
545.0?S
)455.0( ?i
57.0?S
)43.0( ?i
3
1,部分充液时偶合器中的液流结构
0?S ? TB nn ?,循环 0?BQ
液体呈环状在离心力作用下在外圈，靠内圈为空气环，液体和空
气成为分界面。
。
05.0?S ? TB nn ?, 0?BQ 。
液体产生循环运动，但较弱。由于 较高，在涡轮离心力作用下，液
流未达到循环圆内侧就向泵轮流动。中心处向心与离心有分界面。 Tn
545.0?S, 0?BQ, ??? BQS
由于 ?S （即 ?
Tn
循环流动形成。但此时泵轮进口相对半径 要比全充液时大，因而此时,
虽然 1B
r
??? BQS ?力矩增大，但 1Br 增大又使 ?M
（ )(
1122 BBBBB rUrUQM ?? ?
），则总的力矩增加较慢。
），涡轮中的离心力减小，则液体向心流动增强,
4
57.0~5 4 5.0?S
由于 ?S （即 ??Tn
而达到涡轮最小半径出口处。但在进入泵轮后，动能还不能使液流紧贴泵
轮外环流动，而是散乱的离心运动，没有明显的自由表面。只有 ??S
（ ???Tn ）时，才能形成由小循环到大循环的流动变化。这种流动结构
），在涡轮中的液体已有足够动能使其紧贴外环
的变化，使偶合器特性产生突变。
57.0?S
此时为大循环运动，在循环圆中心形成一个空气环。有一个清楚的平均流
线半径。此半径在液流由散乱的流动（泵轮内）到稳定的大循环运动时，有
一个突然的变化，因而引起性能变化。
5
2,部分充液时偶合器的特性
（ 1）相对扭矩 M 特性
??
B
B
M
MM
?BM — 为 ( ),
时泵轮扭矩。
%3?S %97?i
Qq %95?
),( SqfM ??
不稳定区
A ??? Mq
B 在,开始,%30?S %70?q
变为大循环
1Br
变化）。
状态的由小循环
出现不稳定区，此时即为流动
引起（
6
M?（ 2）扭矩系数
特性
)(SfM ??
因为 )(Sfq ?,是随 S 变化而变化的，则 )(Sf
M ?? 变化即由 q
变化引起
M? 变化。
7
constq ?
oaS? 段：由于 ??????? MB MQS ?，但此时 q 未充满，流动时
?1Br,则 ?M,综合结果,M? 增加较慢，比较平缓。
abS? 段：此时在 a 点处为临界状态,545.0?S
在 b 点时，达到大循环运动状态,57.0?S,此时
1Br 由小循环 ?大循环时,1Br 突然变小,?M? 。
，液流状态破坏
（涡轮靠外环，泵轮内散乱运动）。
S当 由大变小时，上述特性变化为相反过程，但由于液体的惯性作用
S 也变为 48.0??a 和 543.0??b
对于不同的充液量 q,有不同的临界点位置。在临界区内工作，偶合
和粘性影响，使不稳定点发生变化，相应的
器将不稳定，产生周期性振动。
obS? 段：液流在大循环中运动，特性稳定。
8
二、偶合器部分充液时稳定工作的措施
1,内侧挡板
为了消除在部分充液时的不稳定特性，采用在循环圆内侧安装挡板。
挡板外径 ( ), br
bD
55.0?DDb
通常用水作工作液时,
5.0?DDb
也有试验表明,
4.0?DDb
挡板作用：当 S 小时，偶合器为小循环运动，泵轮进口平均流线半径
1Br,挡板不影响液流运动。当 ?S
向大循环运动过渡时，挡板发生作用，泵轮进口的平均流线
1Br? 。而 11 BB rr ??
同时挡板可降低偶合器的过载系数
0T
用较为有利。
具体数值由试验确定。
时，可在各种充液时，保持特性稳定。
，偶合器液流由小循环
半径,则消除了性能突变，保证偶合器
性能稳定。,对作牵引
9
挡板
10
1?i当 时，辅室中的液体与叶轮中保持压力平衡（ A
偶合器一起旋转，柱面半径为 r 。
当 1?i
使辅室体积
fV
增加，液体半径为
fr, rrf ?
由于偶合器中总液量一定，则在循环圆中起动力传递作用的液体随 ?i
而减小，则扭矩系数下降，因而偶合器的过载系数减小，达到稳定特性的目的。
点压力），液体与
时，循环圆的离心力大于辅室中的离心力，则液体流入辅室内,
2.偶合器辅室
将涡轮壳与泵轮旋转外壳之间的空间增大，形成辅室。利用辅室中
充液量的变化达到特性稳定。
11
i=1.0 (s=0.0) i<1.0 (s>0.0)
辅室
12
偶合器的设计，目前有两种方法：一种为选择设
计，即在已有性能优良的偶合器基本模型基础上进行相
似换算，确立有效直径。二种为对偶合器的设计，使设
计的偶合器达到要求。
由于设计理论的不完善（叶轮流动设计）和各参
数的配合难于计算准确，因此，设计中常与试验结合进
行，通过试验改进和完善设计。目前工程上多是选择设
计，即相似计算设计应用较为普遍。
第六节 液力偶合器的选择及设计（简介）
13
一、选择设计 — 相似计算
1,基型选择 — 性能优良的偶合器模型
依据,
（ 1）外特性曲线（常考虑最大充液量时特性）
（ 2）按工作要求选择 ?
M?
,
maxT （瞬时过载系数）和 。 0T
2,计算步骤,
（ 1）确立相似计算点的参数
通常取 98.0~95.0?
?i,（ ) ??
（ 2）确立有效直径 D
由 52 DnM
eMe ?? ?? 5 2
eM
e
n
MD
?? ???
eM
— 动力机额定工作时扭矩（通常 )
Be MM ?
en — 动力机额定转速（ ) Be nn ?
?M? — 额定工况时偶合器扭矩系数
? — 偶合器工作液体密度
14
（ 3）根据选定的偶合器模型，进行特性的相似换算
（ ) 5)(
msBmBs DDMM ?
（ 4）偶合器的各线性尺寸均按 比值放大或缩小。
m
s
D
D
（ 5）叶轮叶片数选择。通常叶片数较多，有利于减小叶片数影
响，增加能容量，但会使流动阻力大，对能容又有影响（有经验
参数选取）。
一般泵轮叶片与涡轮叶片相差多两片或少两片。
个别情况下，工艺制造不利时，稍作变化。
15
二、循环圆设计（新偶合器设计）
偶合器设计主要决定循环圆的尺寸参数，因为循环圆流动决定
偶合器的性能。
此种方法也是一种半理论半经验的方法。
主要步骤为,
1,确立设计工况下的泵轮功率
?BN,转速 ?Bn
通常根据工作机要求，考虑与原动机的配合等，选定 ?BN,?Bn。
2,确立偶合器的有效直径 D
由 53)( DNgN
BNBB ??? ? ??
（ kw ）
?? ? MBNB ?? 9 5 4 91
则
51
3 ))(
9 5 4 9(
??
?
?
BMB
B
ng
ND
??
参考相近的样机，根据要求，选定 ?i 和 ?
MB? 值，进行试算,
D 值，进行比较确定（
?
? ?
B
T
n
ni, 9 7 5.0~97.0??i ） 确立不同方案
16
)22( 21 BB dddp ??
有内环 无内环
h
3,选定叶轮叶片数，参考相关资料分析确立。
另外在设计中，还有不少因素影响偶合器的性能，如,
DD?
有内环与无内环，循环圆深度 h
分析比较后确立。
当然，最后设计完成后，还要进行模型试验确立性能。
等。在进行计算时，均参考有关资料,
17
97.0~95.0??i ?
一、液力偶合器的优越性
1,与液力变矩器比，结构简单，容易制造；
2,额定工作点（ ),高；
3,由工作液传递动力，无机械摩擦，则寿命长，维护简单；
4,能隔振、减振，缓和冲击负荷，使工作机动力机可靠；
5,车辆使用偶合器时，低速时不灭火，操作简单。同时可在启动
时较平稳的速度（无级变速），可防打滑。发动机制动时，有好
的制动性能（对下坡行驶更为安全）；
6,大型运输机械，可提高牵引力，使电机能带载启动，而且启动
速度快；
7,可进行无级调速，对风机、水泵等叶片机械的调速（为抛物线
负荷,曲线）操作方便，节能效果显著。 )(nfM ?
第七节 液力偶合器的优缺点
18
二、偶合器的缺点
1,不能改变扭矩（和变矩器相比）；
2,当工况改变时,
3,在大型偶合器中，需要专门的冷却系统，因而附属设备增多（与机械
传动相比较）。
变化，尤其在 时,较多, ? ?i ??
19
自学：偶合器类型（种类）
1.牵引型
2.限矩型
3.调速型
参考教材
P 61-74
要求：（ 1）工作原理（实现的过程）
（ 2）结构型式（如何实现）
（ 3）优缺点
（ 4）应用条件（适用场所）
第四节 液力偶合器部分充液时特性
理论上, 偶合器工作时, 工作液的体积等于偶合
器内部工作腔的体积时, 应该是完全充满的 。 在实际
工作中, 工作液体积只占内部工作腔的 90％ 左右就算
完全充满 。 留下部分空间来容纳从工作液中分解出来
的空气和油气 。
2
一、偶合器部分充液时特性变化
当偶合器中充液量减小时，其特性将发生变化，是由于循环流量的液流结
构（流动状态）发生破坏引起。这种特性变化，随着 的变化而有不同。 i
在讨论由于液流量不同引起的特性变化时，常用与转速比 有关的参数 i
—— 滑差 来表示。 S
innnS BTB ???? 1)(
57.0~545.0?S
)455.0~43.0( ?i
0?S
)1( ?i
液体
空气
向心和离心分界面
05.0?S
)95.0( ?i
545.0?S
)455.0( ?i
57.0?S
)43.0( ?i
3
1,部分充液时偶合器中的液流结构
0?S ? TB nn ?,循环 0?BQ
液体呈环状在离心力作用下在外圈，靠内圈为空气环，液体和空
气成为分界面。
。
05.0?S ? TB nn ?, 0?BQ 。
液体产生循环运动，但较弱。由于 较高，在涡轮离心力作用下，液
流未达到循环圆内侧就向泵轮流动。中心处向心与离心有分界面。 Tn
545.0?S, 0?BQ, ??? BQS
由于 ?S （即 ?
Tn
循环流动形成。但此时泵轮进口相对半径 要比全充液时大，因而此时,
虽然 1B
r
??? BQS ?力矩增大，但 1Br 增大又使 ?M
（ )(
1122 BBBBB rUrUQM ?? ?
），则总的力矩增加较慢。
），涡轮中的离心力减小，则液体向心流动增强,
4
57.0~5 4 5.0?S
由于 ?S （即 ??Tn
而达到涡轮最小半径出口处。但在进入泵轮后，动能还不能使液流紧贴泵
轮外环流动，而是散乱的离心运动，没有明显的自由表面。只有 ??S
（ ???Tn ）时，才能形成由小循环到大循环的流动变化。这种流动结构
），在涡轮中的液体已有足够动能使其紧贴外环
的变化，使偶合器特性产生突变。
57.0?S
此时为大循环运动，在循环圆中心形成一个空气环。有一个清楚的平均流
线半径。此半径在液流由散乱的流动（泵轮内）到稳定的大循环运动时，有
一个突然的变化，因而引起性能变化。
5
2,部分充液时偶合器的特性
（ 1）相对扭矩 M 特性
??
B
B
M
MM
?BM — 为 ( ),
时泵轮扭矩。
%3?S %97?i
Qq %95?
),( SqfM ??
不稳定区
A ??? Mq
B 在,开始,%30?S %70?q
变为大循环
1Br
变化）。
状态的由小循环
出现不稳定区，此时即为流动
引起（
6
M?（ 2）扭矩系数
特性
)(SfM ??
因为 )(Sfq ?,是随 S 变化而变化的，则 )(Sf
M ?? 变化即由 q
变化引起
M? 变化。
7
constq ?
oaS? 段：由于 ??????? MB MQS ?，但此时 q 未充满，流动时
?1Br,则 ?M,综合结果,M? 增加较慢，比较平缓。
abS? 段：此时在 a 点处为临界状态,545.0?S
在 b 点时，达到大循环运动状态,57.0?S,此时
1Br 由小循环 ?大循环时,1Br 突然变小,?M? 。
，液流状态破坏
（涡轮靠外环，泵轮内散乱运动）。
S当 由大变小时，上述特性变化为相反过程，但由于液体的惯性作用
S 也变为 48.0??a 和 543.0??b
对于不同的充液量 q,有不同的临界点位置。在临界区内工作，偶合
和粘性影响，使不稳定点发生变化，相应的
器将不稳定，产生周期性振动。
obS? 段：液流在大循环中运动，特性稳定。
8
二、偶合器部分充液时稳定工作的措施
1,内侧挡板
为了消除在部分充液时的不稳定特性，采用在循环圆内侧安装挡板。
挡板外径 ( ), br
bD
55.0?DDb
通常用水作工作液时,
5.0?DDb
也有试验表明,
4.0?DDb
挡板作用：当 S 小时，偶合器为小循环运动，泵轮进口平均流线半径
1Br,挡板不影响液流运动。当 ?S
向大循环运动过渡时，挡板发生作用，泵轮进口的平均流线
1Br? 。而 11 BB rr ??
同时挡板可降低偶合器的过载系数
0T
用较为有利。
具体数值由试验确定。
时，可在各种充液时，保持特性稳定。
，偶合器液流由小循环
半径,则消除了性能突变，保证偶合器
性能稳定。,对作牵引
9
挡板
10
1?i当 时，辅室中的液体与叶轮中保持压力平衡（ A
偶合器一起旋转，柱面半径为 r 。
当 1?i
使辅室体积
fV
增加，液体半径为
fr, rrf ?
由于偶合器中总液量一定，则在循环圆中起动力传递作用的液体随 ?i
而减小，则扭矩系数下降，因而偶合器的过载系数减小，达到稳定特性的目的。
点压力），液体与
时，循环圆的离心力大于辅室中的离心力，则液体流入辅室内,
2.偶合器辅室
将涡轮壳与泵轮旋转外壳之间的空间增大，形成辅室。利用辅室中
充液量的变化达到特性稳定。
11
i=1.0 (s=0.0) i<1.0 (s>0.0)
辅室
12
偶合器的设计，目前有两种方法：一种为选择设
计，即在已有性能优良的偶合器基本模型基础上进行相
似换算，确立有效直径。二种为对偶合器的设计，使设
计的偶合器达到要求。
由于设计理论的不完善（叶轮流动设计）和各参
数的配合难于计算准确，因此，设计中常与试验结合进
行，通过试验改进和完善设计。目前工程上多是选择设
计，即相似计算设计应用较为普遍。
第六节 液力偶合器的选择及设计（简介）
13
一、选择设计 — 相似计算
1,基型选择 — 性能优良的偶合器模型
依据,
（ 1）外特性曲线（常考虑最大充液量时特性）
（ 2）按工作要求选择 ?
M?
,
maxT （瞬时过载系数）和 。 0T
2,计算步骤,
（ 1）确立相似计算点的参数
通常取 98.0~95.0?
?i,（ ) ??
（ 2）确立有效直径 D
由 52 DnM
eMe ?? ?? 5 2
eM
e
n
MD
?? ???
eM
— 动力机额定工作时扭矩（通常 )
Be MM ?
en — 动力机额定转速（ ) Be nn ?
?M? — 额定工况时偶合器扭矩系数
? — 偶合器工作液体密度
14
（ 3）根据选定的偶合器模型，进行特性的相似换算
（ ) 5)(
msBmBs DDMM ?
（ 4）偶合器的各线性尺寸均按 比值放大或缩小。
m
s
D
D
（ 5）叶轮叶片数选择。通常叶片数较多，有利于减小叶片数影
响，增加能容量，但会使流动阻力大，对能容又有影响（有经验
参数选取）。
一般泵轮叶片与涡轮叶片相差多两片或少两片。
个别情况下，工艺制造不利时，稍作变化。
15
二、循环圆设计（新偶合器设计）
偶合器设计主要决定循环圆的尺寸参数，因为循环圆流动决定
偶合器的性能。
此种方法也是一种半理论半经验的方法。
主要步骤为,
1,确立设计工况下的泵轮功率
?BN,转速 ?Bn
通常根据工作机要求，考虑与原动机的配合等，选定 ?BN,?Bn。
2,确立偶合器的有效直径 D
由 53)( DNgN
BNBB ??? ? ??
（ kw ）
?? ? MBNB ?? 9 5 4 91
则
51
3 ))(
9 5 4 9(
??
?
?
BMB
B
ng
ND
??
参考相近的样机，根据要求，选定 ?i 和 ?
MB? 值，进行试算,
D 值，进行比较确定（
?
? ?
B
T
n
ni, 9 7 5.0~97.0??i ） 确立不同方案
16
)22( 21 BB dddp ??
有内环 无内环
h
3,选定叶轮叶片数，参考相关资料分析确立。
另外在设计中，还有不少因素影响偶合器的性能，如,
DD?
有内环与无内环，循环圆深度 h
分析比较后确立。
当然，最后设计完成后，还要进行模型试验确立性能。
等。在进行计算时，均参考有关资料,
17
97.0~95.0??i ?
一、液力偶合器的优越性
1,与液力变矩器比，结构简单，容易制造；
2,额定工作点（ ),高；
3,由工作液传递动力，无机械摩擦，则寿命长，维护简单；
4,能隔振、减振，缓和冲击负荷，使工作机动力机可靠；
5,车辆使用偶合器时，低速时不灭火，操作简单。同时可在启动
时较平稳的速度（无级变速），可防打滑。发动机制动时，有好
的制动性能（对下坡行驶更为安全）；
6,大型运输机械，可提高牵引力，使电机能带载启动，而且启动
速度快；
7,可进行无级调速，对风机、水泵等叶片机械的调速（为抛物线
负荷,曲线）操作方便，节能效果显著。 )(nfM ?
第七节 液力偶合器的优缺点
18
二、偶合器的缺点
1,不能改变扭矩（和变矩器相比）；
2,当工况改变时,
3,在大型偶合器中，需要专门的冷却系统，因而附属设备增多（与机械
传动相比较）。
变化，尤其在 时,较多, ? ?i ??
19
自学：偶合器类型（种类）
1.牵引型
2.限矩型
3.调速型
参考教材
P 61-74
要求：（ 1）工作原理（实现的过程）
（ 2）结构型式（如何实现）
（ 3）优缺点
（ 4）应用条件（适用场所）
