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液力變矩器的結構和工作原理

日期:2017/5/9 9:23:25      編輯:自動變速器

液力變矩器是汽車動力傳動的重要組成部分,由於它具有無級連續變速、延長傳動系使用壽命等優點而得到廣泛的應用。
液力變矩器由可轉動的泵輪和渦輪,以及固定不動的導輪三個基本元件組成。汽車所用的液力變矩器的工作輪一般都是鋼板沖壓焊接而成,而工程機械和一些軍用車輛所用液力變矩器的工作輪則是用鋁合金精密鑄造而成的。

液力變矩器不僅能傳遞轉矩,而且能在泵輪轉矩不變的情況下,隨著渦輪轉速的不同自動地改變渦輪所輸出的轉矩值。

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液力變矩器的結構
普通液力變矩器由可轉動的泵輪和渦輪,以及固定不動的導輪三個基本元件組成。其中主要零件如圖3-6所示。汽車所用的液力變矩器的工作輪一般都是鋼板沖壓焊接而成,而工程機械和一些軍用車輛所用液力變矩器的工作輪則是用鋁合金精密鑄造而成的。
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圖3-6 液力變矩器結構示意圖 1-發動機曲軸 2-變矩器殼 3-渦輪 4-泵輪 5-導輪 6-導輪固定套管 7-輸出軸 汽車用變矩器的結構型式有組裝式(可拆)和焊接式(不可拆)兩種。可拆式的,維修固然方便,但平衡精度不高,尤其是拆檢後,平衡狀況受到影響。一般僅應用重型貨車,因為它的轉速較低,動平衡要求不高,是完全允許的。轎車用液力變矩器轉速較高,現在全部采用焊接不可拆式,以保證其平衡精度的要求,這種變矩器是不可分解檢修的,出現故障後,只能更換,不過該液力變矩器的零部件在使用中幾乎從來不出故障。

液力變矩器的工作原理

液力變矩器的三個工作輪都裝於密閉的變矩器殼體中,殼體內充滿了變速器油液(ATF),泵輪由發動機驅動,渦輪固裝在渦輪軸上,渦輪軸和變速器輸入軸相連。導輪通過導輪軸固定在變速器外殼上而懸浮在泵輪與渦輪之間,它與泵輪、渦輪的葉片端面也留有一定間隙。三個工作輪之間沒有機械聯系。為了保證變矩器的性能和ATF的良好循環,泵輪、渦輪、導輪的葉片都彎曲成一定的弧度並徑向傾斜排列。圖3-7是三個元件結構及內部液體流動方向。




和液力耦合器一樣,液力變矩器在正常工作時,貯於環形腔內的油液,除有繞變矩器軸線的圓周運動外,還有在循環圓中循環流動,故可將轉矩從泵輪傳至渦輪。與液力耦合器不同的是,液力變矩器不僅能傳遞轉矩,而且能在泵輪轉矩不變的情況下,隨著渦輪轉速的不同自動地改變渦輪所輸出的轉矩值,即“變矩”。液力變矩器之所以能起變矩作用,就是因為在結構上比耦合器多了一個導輪機構。在液體循環流動過程中,固定不動的導輪給渦輪一反作用力矩,使渦輪輸出的轉矩不同於泵輪輸出的轉矩。

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圖3-7 液力變矩器液體流向

現以變矩器工作輪的展開圖來說明液力變矩器的工作原理。沿圖3-7所示的工作輪循環圓中間流線將三個工作輪葉片假想地展開,得到泵輪、渦輪和導輪的環形平面(見圖3-8)。各輪葉片的形狀和進出口角度地被顯示於圖中。為了便於說明起見,設發動機及負荷不變,即變矩器泵輪的轉速及轉矩為常數。先以汽車起步工況為例進行討論。

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圖3-8 液力變矩器工作原理圖 當發動機運轉而汽車還未起步時,渦輪轉速為零,如圖3-8a所示。變速器油在泵輪葉片帶動下,以一定的絕對速度沿圖中箭頭1的方向沖向渦輪葉片,對渦輪有一作用力,產生繞渦輪軸的轉矩,此即液力變矩器的輸出轉矩。因此時渦輪靜止不動,液流則沿著葉片流出渦輪並沖向導輪,其方向如圖中箭頭2所示,該液流也對導輪產生作用力矩。然後液流再以從固定不動的導輪沿箭頭3的方向流回到泵輪中。當液流流過葉片時,對葉片作用有沖擊力矩,根據作用力與反作用力定律,液流此時也會受到葉片的反作用力矩,其大小與作用力矩相等,方向相反。作用力矩或反作用力矩的方向及大小與液流進出工作輪的方向有關。設泵輪、渦輪和導輪對液流的作用力矩分別為、和,方向如圖中箭頭所示。根據液流受力平衡條件,三者在數值上滿足關系式,即渦輪轉矩等於泵輪轉矩與導輪轉矩之和。雖然,此時渦輪轉矩大於泵輪轉矩,即液力變矩器起到了增大轉矩的作用。也可以這樣來理解其增矩作用,當液流沖擊進入渦輪時,對渦輪有一作用力矩,此為泵輪給液流的力矩;當液流從渦輪流出沖擊導輪時,對導輪也有一作用力矩。因導輪被固定在變速器殼上,從而導輪給液流的反作用力矩通過液流再次作用在渦輪上,使得渦輪的轉矩等於泵輪轉矩與導輪轉矩之和。
當液力變矩器輸出的轉矩,給傳動系統到驅動輪上所產生的牽引力足以克服汽車起步阻力時,汽車即起步並開始加速,與之相連的渦輪轉速也從零起逐漸增加。我們定義液流沿葉片方向流動的速度為相對速度w,在葉輪的作用下所具有的沿圓周方向運動的速度為牽連速度u,二者的矢量和為絕對速度v。渦輪轉速不為零時,液流在渦輪出口處不僅具有相對速度,而且具有牽連速度,故沖向導輪葉片的液流的絕對速度,為兩者的合成速度,如圖3-8b所示。因設泵輪轉速不變,即液流循環流量基本不變,故渦輪出口處相對速度不變,變化的只是渦輪轉速,即牽連速度發生變化。由圖可見,沖向導輪葉片的液流的絕對速度將隨牽連速度的增加而逐漸向左傾斜,使導輪上所受轉矩值逐漸減小。
當渦輪轉速增大到一定值時,由渦輪流出的液流正好沿導輪出口方向沖向導輪,由於液體流經導輪時方向不改變,故導輪轉矩為零,即渦輪轉矩與泵輪轉矩相等。若渦輪轉速繼續增大,液流絕對速度方向繼續向左傾,如圖3-8b中所示方向,液流沖擊導輪葉片反面,導輪轉矩方向與泵輪轉矩方向相反,則渦輪轉矩為前二者轉矩之差,即變矩器輸出轉矩反而比輸入轉矩小。當渦輪轉速增大到與泵輪轉速相等時,工作液在循環圓
內的循環流動停止,不能傳遞動力。


液力變矩器的特性

液力變矩器在泵輪轉速一定的條件下,渦輪轉矩隨其轉速的變化的規律,即為變矩器特性(見圖3-9)。液力變矩器的特性曲線反映的是液力變矩器的轉矩比,轉速比和傳動效率三者之間的關系。
(1)轉速比(速比)
液力變矩器的速比是指渦輪輸出轉速與泵輪轉速之比,用表示。即

液力變矩器的速比說明變矩器輸出轉速降低的倍數。
(2)轉矩比(變扭系數)
液力變矩器的轉矩比是渦輪輸出轉矩與泵輪輸入轉矩之比,用表示,即

轉矩比說明變矩器輸出轉矩增大的倍數。它隨變矩器轉速比而變化。當時,的值最大,稱為最大轉矩比,也稱失速比,通常用表示。稱為變矩工況,稱為耦合工況

的速比點稱為工況轉換點,亦稱耦合點。
(3)傳動效率
液力變矩器的傳動效率是輸出軸功率(渦輪軸功率)與輸入功率(泵輪軸功率)之比,用表示。即

傳動效率說明變矩器輸出軸上所獲得的功率比輸入功率小的倍數。基本結構的液力變矩器的傳動效率曲線一般呈拋物線形狀,其最高效率在約為0.6的獲得,一般約為80%~86%。
由特性圖中可以看出,渦輪轉矩是隨渦輪轉速的改變而連續變化的。當汽車起步、上坡或遇到較大阻力時,如果發動機的轉遞負荷不變,則車速將下降,即渦輪轉速降低。於是渦輪轉矩相應增大,因而使驅動輪獲得較大的力矩,保證汽車能克服增大的阻力而繼續行駛。所以液力變矩器本身就是一種能隨汽車阻力的不同而自動改變輸出轉矩的無級變速器。此外,液力變矩器同樣具備使汽車平穩起步,衰減傳動系的扭轉振動,防止傳動系超載等作用。











液力變矩器應用的不足

液力變矩器自耦合工況轉換點起在大速比的耦合范圍內,轉矩比曲線變成,且傳動效率急劇下降,其原因在於導輪固定。當泵輪與渦輪的轉速差很大時,如圖3-10a所示,由於泵輪葉片外緣與渦輪葉片外緣的壓力差也很大,所以沿輪葉片流動的ATF速度A亦大。速度A在渦輪旋轉速度B(即ATF圓周運動速度)的影響下方向發生偏移,ATF實際上按速度C的方向流向導輪,沖擊導輪葉片前部。因導輪固定不動,所以促使ATF改變方向流向泵輪葉片背面,產生增扭的作用。當轉速差小時,如圖3-10b所示,渦輪轉速B增大,ATF速度A減小,ATF按速度C的方向流向導輪,沖擊導輪背面。若導輪不動。則ATF將產生渦流

。同時ATF產生的渦流阻擋其順利流動,從而造成不必要的能量損失,致使傳動效率大幅度下降。 圖3-10 速度變化時ATF的流向 可見,固定不動的導輪,在速比小的范圍內,起變扭的作用,以適應汽車行駛阻力的變化,是必要的。但在速比較大的工作范圍內,導輪固定不動將阻礙液力變矩器的動力傳遞,降低其傳動效率,是需要加以克服和改進的。