液力变矩器的结构和工作原理

液力变矩器的结构和工作原理

液力变矩器是汽车动力传动的重要组成部分，由于它具有无级连续变速、延长传动系使用寿命等优点而得到广泛的应用。

液力变矩器由可转动的泵轮和涡轮，以及固定不动的导轮三个基本元件组成。汽车所用的液力变矩器的工作轮一般都是钢板冲压焊接而成，而工程机械和一些军用车辆所用液力变矩器的工作轮则是用铝合金精密铸造而成的。

液力变矩器不仅能传递转矩，而且能在泵轮转矩不变的情况下，随着涡轮转速的不同自动地改变涡轮所输出的转矩值。

液力变矩器的结构

普通液力变矩器由可转动的泵轮和涡轮，以及固定不动的导轮三个基本元件组成。其中主要零件如图3-6所示。汽车所用的液力变矩器的工作轮一般都是钢板冲压焊接而成，而工程机械和一些军用车辆所用液力变矩器的工作轮则是用铝合金精密铸造而成的。

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图3-6 液力变矩器结构示意图

1-发动机曲轴 2-变矩器壳 3-涡轮 4-泵轮 5-导轮 6-导轮固定套管 7-输出轴

汽车用变矩器的结构型式有组装式（可拆）和焊接式（不可拆）两种。可拆式的，维修固然方便，但平衡精度不高，尤其是拆检后，平衡状况受到影响。一般仅应用重型货车，因为它的转速较低，动平衡要求不高，是完全允许的。汽车用液力变矩器转速较高，现在全部采用焊接不可拆式，以保证其平衡精度的要求，这种变矩器是不可分解检修的，出现故障后，只能更换，不过该液力变矩器的零部件在使用中几乎从来不出故障。

液力变矩器的工作原理

液力变矩器的三个工作轮都装于密闭的变矩器壳体中，壳体内充满了变速器油液（ATF），泵轮由发动机驱动，涡轮固装在涡轮轴上，涡轮轴和变速器输入轴相连。导轮通过导轮轴固定在变速器外壳上而悬浮在泵轮与涡轮之间，它与泵轮、涡轮的叶片端面也留有一定间隙。三个工作轮之间没有机械联系。为了保证变矩器的性能和ATF的良好循环，泵轮、涡轮、导轮的叶片都弯曲成一定的弧度并径向倾斜排列。图3-7是三个元件结构及内部液体流动方向。

和液力耦合器一样，液力变矩器在正常工作时，贮于环形腔内的油液，除有绕变矩器轴线的圆周运动外，还有在循环圆中循环流动，故可将转矩从泵轮传至涡轮。与液力耦合器不同的是，液力变矩器不仅能传递转矩，而且能在泵轮转矩不变的情况下，随着涡轮转速的不同自动地改变涡轮所输出的转矩值，即“变矩”。液力变矩器之所以能起变矩作用，就是因为在结构上比耦合器多了一个导轮机构。在液体循环流动过程中，固定不动的导轮给涡轮一反作用力矩，使涡轮输出的转矩不同于泵轮输出的转矩。

图3-7 液力变矩器液体流向

现以变矩器工作轮的展开图来说明液力变矩器的工作原理。沿图3-7所示的工作轮循环圆中间流线将三个工作轮叶片假想地展开，得到泵轮、涡轮和导轮的环形平面（见图3-8）。各轮叶片的形状和进出口角度地被显示于图中。为了便于说明起见，设发动机及负荷不变，即变矩器泵轮的转速及转矩为常数。先以汽车起步工况为例进行讨论。

图3-8 液力变矩器工作原理图

当发动机运转而汽车还未起步时，涡轮转速为零，如图3-8a所示。变速器油在泵轮叶片带动下，以一定的绝对速度沿图中箭头1的方向冲向涡轮叶片，对涡轮有一作用力，产生绕涡轮轴的转矩，此即液力变矩器的输出转矩。因此时涡轮静止不动，液流则沿着叶片流出涡轮并冲向导轮，其方向如图中箭头2所示，该液流也对导轮产生作用力矩。然后液流再以从固定不动的导轮沿箭头3的方向流回到泵轮中。当液流流过叶片时，对叶片作用有冲击力矩，根据作用力与反作用力定律，液流此时也会受到叶片的反作用力矩，其大小与作用力矩相等，方向相反。

作用力矩或反作用力矩的方向及大小与液流进出工作轮的方向有关。设泵轮、涡轮和导轮对液流的作用力矩分别为、和，方向如图中箭头所示。根据液流受力平衡条件，三者在数值上满足关系式，即涡轮转矩等于泵轮转矩与导轮转矩之和。虽然，此时涡轮转矩大于泵轮转矩，即液力变矩器起到了增大转矩的作用。也可以这样来理解其增矩作用，当液流冲击进入涡轮时，对涡轮有一作用力矩，此为泵轮给液流的力矩；当液流从涡轮流出冲击导轮时，对导轮也有一作用力矩。因导轮被固定在变速器壳上，从而导轮给液流的反作用力矩通过液流再次作用在涡轮上，使得涡轮的转矩等于泵轮转矩与导轮转矩之和。

当液力变矩器输出的转矩，给传动系统到驱动轮上所产生的牵引力足以克服汽车起步阻力时，汽车即起步并开始加速，与之相连的涡轮转速也从零起逐渐增加。我们定义液流沿叶片方向流动的速度为相对速度w，在叶轮的作用下所具有的沿圆周方向运动的速度为牵连速度u，二者的矢量和为绝对速度v。涡轮转速不为零时，液流在涡轮出口处不仅具有相对速度，而且具有牵连速度，故冲向导轮叶片的液流的绝对速度，为两者的合成速度，如图3-8b所示。因设泵轮转速不变，即液流循环流量基本不变，故涡轮出口处相对速度不变，变化的只是涡轮转速，即牵连速度发生变化。由图可见，冲向导轮叶片的液流的绝对速度将随牵连速度的增加而逐渐向左倾斜，使导轮上所受转矩值逐渐减小。

当涡轮转速增大到一定值时，由涡轮流出的液流正好沿导轮出口方向冲向导轮，由于液体流经导轮时方向不改变，故导轮转矩为零，即涡轮转矩与泵轮转矩相等。若涡轮转速继续增大，液流绝对速度方向继续向左倾，如图3-8b中所示方向，液流冲击导轮叶片反面，导轮转矩方向与泵轮转矩方向相反，则涡轮转矩为前二者转矩之差，即变矩器输出转矩反而比输入转矩小。当涡轮转速增大到与泵轮转速相等时，工作液在循环圆

内的循环流动停止，不能传递动力。

液力变矩器的特性

液力变矩器在泵轮转速一定的条件下，涡轮转矩随其转速的变化的规律，即为变矩器特性（见图3-9）。液力变矩器的特性曲线反映的是液力变矩器的转矩比

，转速比

和传动效率

三者之间的关系。

（1）转速比（速比）

液力变矩器的速比是指涡轮输出转速

与泵轮转速

之比，用

表示。即

液力变矩器的速比说明变矩器输出转速降低的倍数。

（2）转矩比（变扭系数）

液力变矩器的转矩比是涡轮输出转矩

与泵轮输入转矩

之比，用

表示，即

转矩比说明变矩器输出转矩增大的倍数。它随变矩器转速比而变化。当

时，

的值最大，称为最大转矩比，也称失速比，通常用

表示。

称为变矩工况，

称为耦合工况

，

的速比点称为工况转换点，亦称耦合点。

（3）传动效率

液力变矩器的传动效率是输出轴功率（涡轮轴功率

）与输入功率（泵轮轴功率

）之比，用

表示。即

传动效率说明变矩器输出轴上所获得的功率比输入功率小的倍数。基本结构的液力变矩器的传动效率曲线一般呈抛物线形状，其最高效率在

约为0.6的获得，一般约为80%～86%。

由特性图中可以看出，涡轮转矩是随涡轮转速的改变而连续变化的。当汽车起步、上坡或遇到较大阻力时，如果发动机的转递负荷不变，则车速将下降，即涡轮转速降低。于是涡轮转矩相应增大，因而使驱动轮获得较大的力矩，保证汽车能克服增大的阻力而继续行驶。所以液力变矩器本身就是一种能随汽车阻力的不同而自动改变输出转矩的无级变速器。此外，液力变矩器同样具备使汽车平稳起步，衰减传动系的扭转振动，防止传动系超载等作用。

液力变矩器应用的不足

液力变矩器自耦合工况转换点起在大速比的耦合范围内，转矩比曲线变成

，且传动效率急剧下降，其原因在于导轮固定。当泵轮与涡轮的转速差很大时，如图3-10a所示，由于泵轮叶片外缘与涡轮叶片外缘的压力差也很大，所以沿轮叶片流动的ATF速度A亦大。速度A在涡轮旋转速度B（即ATF圆周运动速度）的影响下方向发生偏移，ATF实际上按速度C的方向流向导轮，冲击导轮叶片前部。因导轮固定不动，所以促使ATF改变方向流向泵轮叶片背面，产生增扭的作用。当转速差小时，如图3-10b所示，涡轮转速B增大，ATF速度A减小，ATF按速度C的方向流向导轮，冲击导轮背面。若导轮不动。则ATF将产生涡流

，

。同时ATF产生的涡流阻挡其顺利流动，从而造成不必要的能量损失，致使传动效率大幅度下降。

可见，固定不动的导轮，在速比小的范围内，起变扭的作用，以适应汽车行驶阻力的变化，是必要的。但在速比较大的工作范围内，导轮固定不动将阻碍液力变矩器的动力传递，降低其传动效率，是需要加以克服和改进的。