汽车自动变速器中的液力变矩器及工作原理

液力变矩器是构成液力自动变速器不可缺少的重要组成部分。它装置在发动机的飞轮上，其作用是将发动机的动力传递给自动变速器中的齿轮机构，并具有一定的自动变速功能。

1.液力变矩器的结构

液力变矩器的结构与液力偶合器相似，如图2-3所示，液力变矩器通常由泵轮、涡轮及导轮三个基本元件组成。

泵轮在变矩器壳体内，许多曲面叶片径向安装在内，在叶片的内缘上安装有导环，提供一通道使工作液流动畅通。变矩器通过驱动端盖与发动机曲轴连接。当发动机运转时，将带动泵轮一同旋转，泵轮内的工作液靠离心力向外冲出。发动机转速升高时泵轮产生的离心力也随着升高，由泵轮向外喷射的工作液的速度也随着升高。

图2-3 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—导轮固定套筒 7—从动轴 8—起动齿圈

涡轮内部有与泵轮相似的叶片，其叶片的曲线方向不同于泵轮的叶片，涡轮的叶片与泵轮的叶片相对而设，相互间保持非常小的间隙。涡轮通过花键与变速器的输入轴相连接。

导轮位于泵轮和涡轮之间，与泵轮和涡轮保持一定的轴向间隙，并通过导轮固定套固定在变速器壳体上。

2.液力变矩器的工作原理

和液力偶合器一样，液力变矩器在正常工作时，储存于环形腔内的油液，除绕变矩器轴线作圆周运动外，还在图2-3b箭头所示的循环圆中进行循环流动，将发动机输出转矩从泵轮传至涡轮。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输出转矩，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偶合器多了一个导轮。在液力循环流动过程中，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的输入转矩。

为说明变矩器的工作原理，在图2-3中假想将液力变矩器的三个工作轮叶片从循环流动的液流中心线处剖开并展平，得到图2-4所示的叶片展开示意图。当涡轮转速较低时，经涡轮流向导轮的液压油作用在导轮叶片的正面（凹面），如图2-4a所示，液流的方向被导轮叶片改变，改变了方向的液流给导轮施加一个转矩，试图使导轮按与泵轮相反的方向转动，但导轮是固定的，因此，导轮将通过液流产生一个反作用转矩，这个转矩起了帮助转动涡轮的作用。显然，此时涡轮上的转矩大于泵轮上的转矩，变矩器起到了增矩的作用，可以使变矩器的输出转矩提高2倍，甚至更大。

当涡轮转速逐渐增加时，液流从涡轮叶片流向导轮叶片的方向也在逐渐发生改变。从涡轮流向导轮的液流逐步靠近导轮叶片的出口方向，液流作用在导轮上的转矩逐渐减小，导轮产生的反作用转矩也减小，因而涡轮输出转矩也减小。当涡轮和泵轮转速比达到0.8～0.85左右时，液流正好从涡轮沿导轮叶片的出口方向流出，液流流经导轮，其流动方向不变，所以导轮的反作用转矩为0，涡轮转矩与泵轮转矩相等，此时变矩器只传递转矩而不增大转矩，与液力偶合器的作用相同。

当涡轮转速继续增加，从涡轮流向导轮的液流作用在导轮叶片的背面（凸面），如图2-4b所示，试图使导轮按与泵轮相同的方向转动，但导轮固定，导轮通过液流产生的反作用转矩与泵轮传给涡轮的转矩方向相反，作用在涡轮上的转矩为两者之差，变矩器输出的转矩比输入的小，传动效率很快降低。

当涡轮转速增加到与泵轮转速相等时，油液的循环流动停止，变矩器不能传递动力。

图2-4 液力变矩器展开原理图

1—由泵轮冲向涡轮的油液方向 2—由涡轮冲向导轮的油液方向 3—由导轮流回泵轮的油液方向

由此可见，随着涡轮转速逐渐提高，来自涡轮的液体逐渐偏离作用在导轮叶片正面的方向，变矩器的输出转矩也随之下降。当涡轮和泵轮转速接近时，涡轮流出的液体作用到导轮的背面，一旦出现这种情况，经导轮折射的液体返回给泵轮，反而成了泵轮旋转的阻力，将会出现输出转矩低于输入转矩的状况，这违背了变矩器具有转矩增大的设想。作用在导轮叶片正面的液体，随着涡轮转速提高逐渐转向叶片背面，是液力变矩器固有的特征，它是由变矩器结构所决定的。为了防止涡轮转速高时出现变矩器的输出转矩小于输入转矩的现象，在导轮和固定轴之间安置了单向离合器。当在低速时，作用在导轮叶片正面的液体通过单向离合器锁止使导轮固定，产生增大转矩的效果。当在高速时，作用在导轮叶片上的转矩不能增大。图2-5反映了单向离合器和导轮之间的装配关系。

图2-5 单向离合器和导轮之间的装配关系

1—离合器轮毂 2—涡轮轴 3—导轮轴 4—导轮 5—凸轮 6—滚柱 7—弹簧 8—铆钉

3.液力变矩器的工作特性

（1）转速比转速比用i表示，是指涡轮转速n_W与泵轮转速n_B之比。(https://www.xing528.com)

（2）转矩比转矩比（变矩系数）K是液力变矩器涡轮输出转矩T_W与输入转矩T_B之比，表明变矩器在一定范围内按照一定规律无级地改变由泵轮输给涡轮转矩值的能力，它随变矩器转速比而变化。当泵轮以某种转速旋转时，转矩比K（纵坐标）和转速比i之间的关系如图2-6所示。

1）失速点。涡轮固定不动而泵轮仍在旋转（即转速比为零）时的工况称为失速工况。失速转速是涡轮处于静止时发动机所能达到的最高转速。失速发生在汽车起步或汽车停车时。目前，大多数液力变矩器的失速转速为2000～3000r/min。一般配用较低功率发动机的液力变矩器失速转速高，而配用较高功率发动机的液力变矩器失速转速低。

当转速比为零时，涡轮完全不旋转（如变速杆在D位而车辆被制动时），泵轮和涡轮之间的转速差达到最大值，此时工作液的涡流速度和转矩增大的作用也达到最大值，即液力变矩器的最大转矩比是在失速点时，它通常在1.7～2.5之间。在失速点，工作液具有很大能量用于克服车辆起步时的静止阻力。

图2-6 液力变矩器特性曲线

2）偶合器工作点。随着涡轮转速的逐渐上升，涡轮和泵轮之间的转速差开始减小，工作液的涡流速度开始降低，由导轮增大的转矩量开始减小。当涡轮转速接近泵轮转速时（转速比达到0.85左右时），流过泵轮和涡轮工作液的涡流速度达到最小值，此时转矩比为1。因为从涡轮流出的工作液以高速冲击导轮叶片的后面，单向离合器允许导轮按泵轮的旋转方向旋转，即液力变矩器在偶合器工作区时变成液力偶合器以防止转矩比下降过多。导轮开始转动的转速称为偶合器工作点。

由此可见，液力变矩器的工作区域可分为两个，即变矩器工作区和偶合器工作区。转矩增大仅发生在变矩器工作区，在以偶合器工作点为界限的偶合器工作区内，仅有转矩的传递而无转矩的增大。装有自动变速器车辆之所以能够起动平稳而不会引起发动机熄火，就是因为它能够在变矩区内获得增大的转矩。

（3）传动效率液力变矩器传动效率是指变矩器在传递能量过程中能量损失的变化，用η表示，它表示输出功率与输入功率之比，即，所以变矩器效率η是转速比i的函数。

图2-7表示当泵轮以某种速度旋转时，变矩器的传动效率（用纵坐标表）和转速比（用横坐标表示）之间的关系。

在失速点时，泵轮旋转而涡轮静止。在这种状态下，涡轮接受的转矩达到最大值，但是因为涡轮没有转动，传动效率为零。当涡轮开始旋转时，涡轮的转速与转矩成正比，传动效率急剧上升，传动效率在传动比达到偶合器工作点前达到最大值。在最大效率之后，因为部分工作液从涡轮流出被引入导轮叶片的后表面，传动效率开始下降。在偶合器工作点时，从涡轮流出的大部分工作液冲击导轮叶片的后表面，导轮开始旋转以防止传动效率进一步下降，液力变矩器开始变成偶合器，其传动效率与传动比成正比例直线上升。由于液力变矩器借助流体传递能量，泵轮和涡轮之间必须存在转速差，否则工作液就不会循环，也不会产生动力传递。另外，由于摩擦和冲击导致工作液升温，也造成能量损失，导致传动效率下降。因此，液力变矩器的传动效率不可能达到100％，一般可以达到95％左右。

图2-7 液力变矩器效率特性曲线

4.带锁止离合器的液力变矩器

液力变矩器工作时，无论在零速工况，还是在高速工况，泵轮和涡轮之间都存在转速差和内部液力损失。因此液力变矩器的传动效率不如手动变速器高，采用液力变矩器的汽车在正常行驶时燃油经济性较差。为了提高汽车的传动效率，减少燃油消耗，绝大多数自动变速器采用了带锁止离合器的综合式液力变矩器。使变矩器输入轴与输出轴刚性连接，提高传动效率。

图2-8所示为锁止离合器的主动盘即为变矩器壳体，从动盘是一个可做轴向移动的压盘，它通过花键套与涡轮连接。压盘靠涡轮一侧的液压油与变矩器泵轮、涡轮中的液压油相通，保持一定的油压（该压力称为变矩器压力）。压盘与变矩器壳体之间的液压油通过变矩器输出轴中间的控制油道与阀板总成上的锁止控制阀相通。在电控液力自动变速器中锁止控制阀由自动变速器电脑通过锁止电磁阀来控制，而在液力自动变速器中锁止离合器由锁止信号阀和锁止继动阀来控制。

图2-8 带锁止离合器的综合式液力变矩器

1—变矩器壳 2—锁止离合器压盘 3—涡轮 4—泵轮 5—变矩器轴套 6—输出轴花键套 7—导轮

当车速较低时，锁止控制阀让液压油从油道B进入变矩器，使锁止离合器压盘两侧保持相同的油压，锁止离合器处于分离状态，这时输入变矩器的动力完全通过工作液传至涡轮，如图2-9a所示。当汽车在良好道路上高速行驶，且车速、节气门开度、变速器工作液温度等因素符合一定要求时，锁止控制阀控制工作液从油道C进入变矩器，油道B与泄油口相通，使锁止离合器压盘左侧的油压下降。由于压盘靠涡轮一侧的工作液压力仍为变矩器压力，从而使压盘在前后两面压力差的作用下压紧在主动盘（变矩器壳体）上，如图2-9b所示。这时输入变矩器的动力通过锁止离合器的机械连接，由压盘直接传至涡轮输出，传动效率为100％。另外，锁止离合器在结合时还能减少变矩器中的工作液因液体摩擦而产生的热量，有利于降低液压油的温度。有些车型的液力变矩器的锁止离合器盘上还装有减振弹簧，以减小锁止离合器在接合瞬间产生冲击力，如图2-10所示。

图2-9 锁止离合器工作原理示意图

1—锁止离合器压盘 2—涡轮 3—变矩器壳 4—导轮 5—泵轮 6—变矩器输出轴

A—变矩器出油道 B、C—锁止离合器控制油道