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中图分类号:%&$’( !#! 文献标识码:) 文章编号:#""" * ’+"’ ,!""# -"$ * """# * ".
自动变速器 ! 二 "
——— 液 力 变 矩 器
吉林大学 葛安林
# 前言
通常 )/均由液力变矩器、辅助变速器与自动
换挡控制系统这三大部分组成。本文仅阐述液力变
矩器 ,012345678 /93:5; <9=>;3?;3简称 /<-,它是通
过工作轮叶片的相互作用,引起机械能与液体能的
相互转换来传递动力,通过液体动量矩的变化来改
变转矩的传动元件,具有无级连续改变速度与转矩
的能力,它对外部负载有良好的自动调节和适应性
能,从根本上简化了操作;它能使车辆平稳起步,加
速迅速、均匀、柔和;由于用液体来传递动力进一步
降低了尖峰载荷和扭转振动,延长了动力传动系统
的使用寿命,提高了乘坐舒适性和车辆平均行驶速
度以及安全性和通过性。
$ 液力变矩器的工作原理
液力传动装置的基本形式为液力偶合器与液
力变矩器。液力偶合器工作原理如图 #所示,两台对
置的风扇,电机使 )旋转,气流带动 @也旋转起来,
为了有效传递动力,将空气改为液体,使二风扇间
距尽可能小并且使两者闭合起来,以免能量散失,
这就是今天的偶合器。
图 # 液力偶合器工作原理
液力变矩器结构上与偶合器的区别是在泵轮 A
与涡轮 / 之间增加了单向离合器 B 和固定在壳体
上的导轮 C,见图 ! -。液体在各工作轮 , A、/与 C-组
成的闭合的循环流道内传递动力,发动机带动泵轮
旋转,其离心力使液体在泵轮中向半径大的方向流
动,封闭的循环圆迫使液体冲进涡轮,推动叶片转
动,以驱动汽车。为了提升涡轮上的转矩,一般叶片
是空间曲面,使液体离开涡轮时,方向与流入涡轮
时的方向相反,以产生尽可能大的动量矩,从而提
供最有效的转矩传递。导轮的作用是再将液体回流
至泵轮,且使流动方向再次反向。液体回流至泵轮
图 ! 液力变矩器的工作原理
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后,推动其叶片的后
面,促使泵轮旋转,故在来自
发动机扭矩的基础上,再加上从导轮回流动扭矩,将
合成的扭矩传递至涡轮。即:
!! " # " !$ % !& # " $ #
式中,!$、!!、!&分别为泵轮、涡轮及导轮上的作用
转矩。
根据动量矩定理可求出叶轮与液体的作用扭矩
!:
! % ’( !
()*+)% !,!()*+)% !,()*!+! # )*$+$)" ! #
式中,’、,为液体的质量与流量;)*$、)*!为液体在
叶轮进口与出口的绝对流速的周圆分速度;+$、+!
为叶轮入口与出口的半径;!为液体密度。
图 !所示是最简单也是最常用的单级三元件工
作轮,按式 " ! #分别为:
!$ % !,()*$!+$! # )*$$+$$)
!! " !,()*!!+!! # )*!$+!$)
!& " !,()*&!+&! # )*&$+&$
)
" & #
因循环圆内无叶片区的动量矩不变:即
)*$! +$! % )*!$ +!$、 )*!! +!! % )*&$ +&$、 )*&! +&! %
)*$$ +$$。如将方程 " & #中三式相加,同样可得式 " $ #
的结果,正是由于导轮的引入,才使涡轮上转矩提
高,它是属于扭转变换器范畴,又兼有转速变速器的
功能,在汽车上已取代了偶合器。图 &为我国红旗
’())*轿车与上海通用 +,-./轿车的液力变矩器结
构,后者带有闭锁离合器。
图 & 单级三元件两相液力变矩器
! 液力变矩器性能
!" # 变矩系数 !
液力变矩器是以液体的动能来传递能量的,在
泵轮与涡轮之间的转速差大时,涡轮旋转所形成的
反压力小,则从泵轮处流入涡轮的流速高,循环圆中
的流量也大,则涡轮上的扭矩也随之增大。显然,当
涡轮不动时 " -! % * #,循环流量达到最大 " ,012 #,涡
轮上扭矩也增至最大 " !!012 #。从而,表征其增大倍数
的变矩系数 .:
. " # !!!$
" 3 #
失速变矩系数 .*也将达到最大,对轿车通常在
$4 5 6 !4 3之间。为了具有可比性,一般用涡轮转速
-!与泵轮转速 -$之比 / "称为速比7 / " -! 0 -$ #来代
替 -!描述 .的变化。对汽车上常用的向心涡轮式
"即指进口半径大于出口半径的涡轮 # 变矩器,随涡
轮转速 -! 增加,如果泵轮以不变转速 -$ 旋转,
"- % -$ 8 -!是越来越小,则流量 ,也下降,所以图
3 中 . " 1 " / # 是单调下降函数,直至 -! % -$ 时 7
"- " *7 ,也随之为零,则变矩器传递的能量也停
止,. % *。故对液力变矩器,要正向驱动,就应使
-$2 -!,一般速比 /可以工作到 *4 9:左右。
这种不需要控制,就能根据外界负荷变化自动
改变其转速和转矩的性能,非常接近于理想牵引特
性,其良好的自动适应性,对于各种运输车辆都是十
分重要的。
图 3 液力变矩器原始特性曲线
!" $ 效率 !
# % # !!-!!$-$
" .·/ " ; #
效率性能是指变矩器在传递能量过程中损失的
变化,用 # " 1 " / # 来表示。它是具有极大值的抛物
线:在失速点时,泵轮虽有功率输入,但因 -! % *而
使 # % *< 随 -!增大,流量也逐渐下降,与其平方成
正比的通流 "摩擦 # 损失而随之不断下降,从而效率
不断提高,在计算工况点 /! "附近 #各叶轮液流均无
冲击地进入入口,从而使效率 #!值达到最高;速比
再增加时,虽然通流损失仍在下降,但冲击损失又继
续增加,使 #下降。当达到最大速比 /012 % *时,, %
*,无功率输出,#再次为 *,损失的分布见图 ;。由于
汽车经常在大速比工况下工作,为了克服这一缺陷,
故将导轮通过单向离合器后再与壳体相连。设计中
使速比 /大于变矩系数 . % $的速比 /3点时,用液
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流的反向作用使导轮可自由转动,使液力变矩器转
变为偶合器工况,故当 !" !#以后的范围,理论上效
率 !# $ !,从而使最高效率可达到 "& ’( ) "& ’*,提高
了车辆的燃料经济性。这种不同的工作状态称为
相,故今为二相;而置于泵轮与导轮或导轮与导轮之
间的涡轮数称为级;工作叶轮又称为元件。在现代
轿车上采用最多的是单级三元件二相形式,对二相
或多相又称综合式液力变矩器。
图 ( 液力变矩器通流和冲击损失对效率的影响
!是变矩器性能中最重要的参数,决定着结构
的发展与设计理论的改进。对 ! $ % + ! ,的变化,因轿
车常在高速比下工作,所以为了提高最高效率 !-./,
宁可适当降低 &"。对越野车辆,行驶工况复杂,则希
望效率不低于 0" ! ,所对应的速比范围 ’( $ !(! 1
!(#大一些较好,! $ % + ! , 应先有该车型的变矩器工
况的概率分布,才能有准确的结论。另一种高效率
化的途径是通过三维流体分析,循环圆形状、叶片角
度、叶片负荷分布及导轮叶片形状的最优化等,来进
一步提高变矩器自身效率。#’*0年克莱斯勒公司为
了更进一步提高效率,突破了过去闭锁仅用于公共
汽车与载货汽车的限制,首次对轿车变矩器也进行
了闭锁,并取得了成功。近来,对闭锁利用适当的滑
差控制,证明也可改善效率。
!" ! 透穿 #负荷 $性能 !
透穿性能是指变矩器涡轮轴上转矩和转速变化
时,是否影响泵轮轴上转矩和转速也相应变化的能
力。通常以能容系数 ) $ % + ! ,表示 +见图 2 ,,)为:
) $ *(+!(
+ $ ,
也有用力矩系数 "(来描述的,则 ) $ "(#,-(3 #
为液体密度,-是变矩器循环圆有效直径。"(越大,
则 )越大,即传递相同功率时,变矩器的尺寸越小,
负荷能力强。而 4 ) 1 4 ! 值则反映透穿性能。4 ) 1
4 ! 5 ",变矩器为非透穿,即外部负荷 **及速度 +*
变化不会影响到泵轮与发动机的工况,发动机仅受
油门开度的控制,显然,这可充分保护发动机;轿车
上多用正透穿,即 4 ) 1 4 ! 6"3 起步时,*("工作在发
动机大转矩处,随 +*增加,+(向发动机大功率工况
移动,从而可以充分利用发动机的性能。有时在低速
比区会有一些 4 ) 1 4 !7 "负透穿,而后很快就转为
正透穿 +见图 $ ,,这种混合透穿也是可以采用的,但
在车辆中不采用 4 ) . 4 !7 "的负透穿。透穿能力也
可用透穿系数 *表示:
* $ )")#
+ * ,
式中,)"、)#分别为失速及转入偶合器工况时的能
容系数。一般 * 5 "8 ’ ) #8 #(时为非透穿,*7 #& #(
为正透穿,* 6"& (为负透穿。
图 $ 液力变矩器的各种透穿性能
#8 负透穿 !8 混合透穿 %8 非透穿 28 正透穿
全面评价性能时,应考虑几种典型工况:起步工
况、最高效率工况、高效区工况和转入偶合器工况
等,大体上有 #"个指标,限于篇幅不再评述。但必须
知道上述三大性能间是存在着相互制约的关系。如
&"增大,*将下降,!!、!!、!#、)"也均变小;反之,
则升高。故确定指标时,一定要全面衡量。
% 液力变矩器与发动机的匹配
一台性能良好的发动机和一台性能出色的变矩
器,如匹配不当,并不能获得卓越的汽车性能。为此,
如图 *所示,应做好共同工作。
%" & 发动机与变矩器共同工作的输入特性
从式 + $ , 变矩器的负荷性能知,泵轮力矩 *( 5
)+(!3 选定一个速比 !,就可以从原始特性曲线 +图
2 ,上找出相应的 )!,则 *(! $ )!+(!可求,泵轮特性曲
线是一簇通过原点的抛物线。这些就是对发动机的
加载特性,故再以相同的坐标比例把发动机的特性
画在一起,它与发动机扭矩的交点,即为其共同工作
点,一系列交点构成的扇形面积为其共同工作的输
入特性。以下述原则判其优劣:
.8 最高速比工况 !-./ 5 "8 ’( ) "& ’0 所确定
的 *(!-./是应通过发动机的最大功率点 (/(,以使功
率得到充分发挥。对于带闭锁的变矩器,则此要求不
严格,因为 (/(通过闭锁仍可得到发挥。
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注:! !"" 为起步工况 # # $ " %的共同工作转速;!$%为发动机最大扭矩时的转速。
"对高速发动机,!"" 应选得小些;对低速发动机,!"" 应选得大些。
#对小功率发动机,!"" 应选得大些;对大功率发动机,!"" 应选得小些。
$对单位功率比较小的车辆,如公共汽车,!"" 应选得大些;对载货汽车,因对噪声限制不严,!"" 可选得更大些。
%对综合式液力变矩器,!"" 应选得小些。
&此表是对汽油机而言,对柴油机,!"" 应选得比表中值小些。
汽车型式及透穿性系数的范围 闭锁型液力变矩器 综合型液力变矩器
载货汽车和公共汽车 # &"&% !"" $ # "’ ( ) "’ * % !$% !"" $ # "’ ++ ) "’ ,+ % !$%
轿 车
& - .时 !"" $ # "’ / ) "’ ( % !$% !"" $ # "’ / ) "’ ( % !$%
& 0 .时 !"" $ # "’ , ) &’ & % !$% !"" $ # "’ , ) &’ & % !$%
公共汽车
& - .时 !"" $ # &’ 1 ) &’ / % !$%
!"" $ # &’ " ) &’ ! % !$%
& 0 .时 !"" $ # &’ ! ) &’ , % !$%
载货汽车
& - .时 !"" $ # &’ ! ) &’ , % !$%
!"" $ # &’ . ) &’ / % !$%
& 0 .时 !"" $ # &’ + ) &’ ( % !$%
2’ 共同工作区应覆盖发动机的最佳燃料经
济性工作区,以便汽车节油行驶 #见图 , %。
3’ 起步工况 # $ "的 &""抛物线最好通过发
动机的最大转矩点 &$’附近。轿车为了提高乘坐舒
适性与降低起步噪声,还特意使 &""向发动机低转
速区移动,这样也使起动电机的起动力矩降低,且
避免起步前的蠕动。
图 , 发动机与液力变矩器以及车辆的共同工作
可通过改变有效直径 (等办法,来调整共同工
作区的大小及所处位置,同时满足上述要求是困难
的,通常保证主要的再兼顾其它要求。
!" # 发动机与变矩器共同工作的输出特性
它指发动机与变矩器匹配的输出转矩 &&、功率
"&4 比油耗 )$&和发动机转速 !$、泵轮转速 !"与涡
轮转速 !&之间的关系。根据输入特性,再运用 && $
5 *&",!& + #!",)$& + )$ , !等式计算,并以 !&为横
坐标,其它参数为纵坐标,同样可得一簇 && + - # !& %
负荷抛物线,)$& + - # !& %的等油耗线,即为共同工作
的输出特性。它是进行汽车牵引计算的基础。其优
劣的判别与输入特性类同,亦不再赘述。
综上所述,可用框图的形式概述各种特性曲线
之间的关系以及共同工作点求得的过程 #见图 ( %。
图 ( 发动机与液力变矩器共同工作框图
!" $ 匹配
由于汽车的类型很多,使用条件也极其复杂,具
体应参见表 &。
对公共汽车,美国 67789:; 公司有专用的
<=66>分析系统,以保证动力性、燃料经济性、平顺
性、通过性等各项指标的最佳组合。德国 ?@公司也
有其自己的规定。
此外,表 &是对非增压发动机而言,对废气涡轮
增压的发动机,不具备非增压发动机加速时的反应
灵敏性,则 !""应大于 "A /+ !$" #图 *2 %;增压的中冷
发动机的特点是最大转矩 &$’ 的转速高,则 !"" 应
!""#年 第 $期 —%—
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大于 "& ’% !"" (图 )* +;而高增压发动机,其转矩随转
速增大上升快,且在最高转速 !#,-.范围内达到最大
转矩值,则应选透穿性小的变矩器,以获得狭窄的
泵轮特性曲线,!""应大于 "& )# !"" (图 )/+。
图 ) 不同类型内燃机特性与液力变矩器的匹配
调整匹配的途径 (即调节能容 + 可从式 ( $ + 分
析:
$" 0 %!"! 0 !"· "&’%· !"! ( 1 +
-2 改变有效直径 ’,它是 %次方关系,影响
也大,故是首选
。
32 改变力矩系数 !",一般是通过改变泵轮
或导轮的出口角 #"!或 #’!来实现,它影响小属于微
调,只用于匹配已基本上满足要求时,以达到最佳匹
配。也有转动叶片的方法,它可使各工况下都能获
得理想匹配。
*2 采用功率分流,一路经变矩器传递,另一
路经机械传动的双流液力机械传动,也属于改变 !"
范畴。
/2 在发动机与变矩器中间设中间传动 (#" )
!# * !",显然,这是改变 !"的办法,它是二次方关
系,效果也明显,但要增加中间传动,结构复杂。
42 改变密度 ",因潜力很小很少采用。
根据上述原则,不同的发动机就要有不同的匹
配,这是很不经济的,实际上也无此必要。通常是以
变矩器的系列化来解决,即首先规定一些标准有效
直径 ’,以保证该系列能适应的功率范围,然后在
每一种尺寸基础上,通过改变泵轮或导轮的出口角,
又可与其匹配若干功率及转速的规格,这就是系列
化。它与提高变矩器效率同等重要,国外变矩器的
专业厂系列化程度都很高。
(待续 +
(责任编辑 郝旭辉 +
原稿收到日期为 !""#年 5 月 $日。