一、液力偶合器和液力變矩器的結(jié)構(gòu)與工作原理

汽車上所采用的液力傳動(dòng)裝置通常有液力偶合器和液力變矩器兩種，二者均屬于液力傳動(dòng)，即通過液體的循環(huán)液動(dòng)，利用液體動(dòng)能的變化來傳遞動(dòng)力。

（一）液力偶合器的結(jié)構(gòu)與工作原理

1、液力偶合器的結(jié)構(gòu)組成

液力偶合器是一種液力傳動(dòng)裝置，又稱液力聯(lián)軸器。在不考慮機(jī)械損失的情況下，輸出力矩與輸入力矩相等。它的主要功能有兩個(gè)方面，一是防止發(fā)動(dòng)機(jī)過載，二是調(diào)節(jié)工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速。其結(jié)構(gòu)主要由殼體、泵輪、渦輪三個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1  液力偶合器的基本構(gòu)造

1-輸入軸   2-泵輪葉輪   3-渦輪葉輪   4-輪出軸

液力偶合器的殼體安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪上，泵輪與殼體焊接在一起，隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，是液力偶合器的主動(dòng)部分：渦輪和輸出軸連接在一起，是液力偶合器的從動(dòng)部分。泵輪和渦輪相對(duì)安裝，統(tǒng)稱為工作輪。在泵輪和渦輪上有徑向排列的平直葉片，泵輪和渦輪互不接觸。兩者之間有一定的間隙（約3mm~4mm）；泵輪與渦輪裝合成一個(gè)整體后，其軸線斷面一般為圓形，在其內(nèi)腔中充滿液壓油。

2、液力偶合器的工作原理

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，曲軸帶動(dòng)液力偶合器的殼體和泵輪一同轉(zhuǎn)動(dòng)，泵輪葉片內(nèi)的液壓油在泵輪的帶動(dòng)下隨之一同旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，液壓油被甩向泵輪葉片外緣處，并在外緣處沖向渦輪葉片，使渦輪在液壓沖擊力的作用下旋轉(zhuǎn)；沖向渦輪葉片的液壓油沿渦輪葉片向內(nèi)緣流動(dòng)，返回到泵輪內(nèi)緣的液壓油，又被泵輪再次甩向外緣。液壓油就這樣從泵輪流向渦輪，又從渦輪返回到泵輪而形成循環(huán)的液流。

液力偶合器中的循環(huán)液壓油，在從泵輪葉片內(nèi)緣流向外緣的過程中，泵輪對(duì)其作功，其速度和動(dòng)能逐漸增大；而在從渦輪葉片外緣流向內(nèi)緣的過程中，液壓油對(duì)渦輪作功，其速度和動(dòng)能逐漸減小。液力偶合器要實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，必須在泵輪和渦輪之間有油液的循環(huán)流動(dòng)。而油液循環(huán)流動(dòng)的產(chǎn)生，是由于泵輪和渦輪之間存在著轉(zhuǎn)速差，使兩輪葉片外緣處產(chǎn)生壓力差所致。如果泵輪和渦輪的轉(zhuǎn)速相等，則液力偶合器不起傳動(dòng)作用。因此，液力偶合器工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能通過泵輪傳給液壓油，液壓油在循環(huán)流動(dòng)的過程中又將動(dòng)能傳給渦輪輸出。由于在液力偶合器內(nèi)只有泵輪和渦輪兩個(gè)工作輪，液壓油在循環(huán)流動(dòng)的過程中，除了受泵輪和渦輪之間的作用力之外，沒有受到其他任何附加的外力。根據(jù)作用力與反作用力相等的原理，液壓油作用在渦輪上的扭矩應(yīng)等于泵輪作用在液壓油上的扭矩，即發(fā)動(dòng)機(jī)傳給泵輪的扭矩與渦輪上輸出的扭矩相等，這就是液力偶合器的傳動(dòng)特點(diǎn)。

液力偶合器在實(shí)際工作中的情形是：汽車起步前，變速器掛上一定的擋位，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵輪旋轉(zhuǎn)，而與整車連接著的渦輪即受到力矩的作用，但因其力矩不足于克服汽車的起步阻力矩，所以渦輪還不會(huì)隨泵輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。加大節(jié)氣門開度，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高，作用在渦輪上的力矩隨之增大，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大到一定數(shù)值時(shí)，作用在渦輪上的力矩足以使汽車克服起步阻力而起步。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增高，渦輪隨著汽車的加速而不斷加速，渦輪與泵輪轉(zhuǎn)速差的數(shù)值逐漸減少。在汽車從起步開始逐步加速的過程中，液力偶合器的工作狀況也在不斷變化，這可用如圖1-3所示的速度矢量圖來說明。假定油液螺旋循環(huán)流動(dòng)的流速V_T保持恒定，V_L為泵輪和渦輪的相對(duì)線速度，V_E為泵輪出口速度，V_R為油液的合成速度。

圖2  渦輪處于不同轉(zhuǎn)速時(shí)的液流情況

(a)渦輪不動(dòng)  （b）中速  （c）高速

當(dāng)車輛即將要起步時(shí)，泵輪在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)而渦輪靜止不動(dòng)。由于渦輪沒有運(yùn)動(dòng)，泵輪與渦輪間的相對(duì)速度V_L將達(dá)最大值，由此而得到的合成速度，即油液從泵輪進(jìn)入渦輪的速度V_R也是最大的。油液進(jìn)入渦輪的方向和泵輪出口速度之間的夾角θ₁也較小，這樣液流對(duì)渦輪葉片產(chǎn)生的推力也就較大。

當(dāng)渦輪開始旋轉(zhuǎn)并逐步趕上泵輪的轉(zhuǎn)速時(shí)，泵輪與渦輪間的相對(duì)線速度減小，使合成速度V_R減小，并使V_R和泵輪出口線速度V_E之間的夾角增大。這樣液流對(duì)渦輪葉片的沖擊力及由此力產(chǎn)生的承受扭矩的能力減小，不過隨著汽車速度的增加，需要的驅(qū)動(dòng)力矩也迅速降低。

當(dāng)渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，即輸出和輸入的轉(zhuǎn)速接近相同時(shí)，相對(duì)速度V_L和合成速度V_R都很小，而合成速度V_R與泵輪出口速度V_E間的夾角很大，這就使液流對(duì)渦輪葉片的推力變得很小，這將使輸出元件滑動(dòng)，直到有足夠的循環(huán)油液對(duì)渦輪產(chǎn)生足夠的沖擊力為止。

由此可見，輸出轉(zhuǎn)速高時(shí)，輸出轉(zhuǎn)速趕上輸入轉(zhuǎn)速是一個(gè)連續(xù)不斷的趨勢(shì)，但總不會(huì)等于輸入轉(zhuǎn)速。除非在工作狀況反過來，變速器變成主動(dòng)件，發(fā)動(dòng)機(jī)變成被動(dòng)件，渦輪的轉(zhuǎn)速才會(huì)等于或高于泵輪轉(zhuǎn)速。這種情況在下坡時(shí)可能會(huì)發(fā)生。

（二）液力變矩器的結(jié)構(gòu)與工作原理

液力變矩器是液力傳動(dòng)中的又一種型式，是構(gòu)成液力自動(dòng)變速器不可缺少的重要組成部分之一。它裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪上，其作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給自動(dòng)變速器中的齒輪機(jī)構(gòu)，并具有一定的自動(dòng)變速功能。自動(dòng)變速器的傳動(dòng)效率主要取決于變矩器的結(jié)構(gòu)和性能。

常用液力變矩器的型式有一般型式的液力變矩器、綜合式液力變矩器和鎖止式液力變矩器。其中綜合式液力變矩器的應(yīng)用較為廣泛。

1、一般型式液力變矩器的結(jié)構(gòu)與工作原理

液力變矩器的結(jié)構(gòu)與液力偶合器相似，它有3個(gè)工作輪即泵輪、渦輪和導(dǎo)輪。泵輪和渦輪的構(gòu)造與液力偶合器基本相同；導(dǎo)輪則位于泵輪和渦輪之間，并與泵輪和渦輪保持一定的軸向間隙，通過導(dǎo)輪固定套固定于變速器殼體上（圖3）。

圖3  液力變矩器

1-飛輪  2-渦輪  3-泵輪  4-導(dǎo)輪  5-變矩器輸出軸  6-曲軸  7-導(dǎo)輪固定套

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)液力變矩器的殼體和泵輪與之一同旋轉(zhuǎn)，泵輪內(nèi)的液壓油在離心力的作用下，由泵輪葉片外緣沖向渦輪，并沿渦輪葉片流向?qū)л啠俳?jīng)導(dǎo)輪葉片內(nèi)緣，形成循環(huán)的液流。導(dǎo)輪的作用是改變渦輪上的輸出扭矩。由于從渦輪葉片下緣流向?qū)л喌囊簤河腿杂邢喈?dāng)大的沖擊力，只要將泵輪、渦輪和導(dǎo)輪的葉片設(shè)計(jì)成一定的形狀和角度，就可以利用上述沖擊力來提高渦輪的輸出扭矩。為說明這一原理，可以假想地將液力變矩器的3個(gè)工作輪葉片從循環(huán)流動(dòng)的液流中心線處剖開并展平，得到圖4所示的葉片展開示意圖；并假設(shè)在液力變矩器工作中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷都不變，即液力變矩器泵輪的轉(zhuǎn)速np和扭矩Mp為常數(shù)。

在汽車起步之前，渦輪轉(zhuǎn)速為0，發(fā)動(dòng)機(jī)通過液力變矩器殼體帶動(dòng)泵輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并對(duì)液壓油產(chǎn)生一個(gè)大小為Mp的扭矩，該扭矩即為液力變矩器的輸入扭矩。液壓油在泵輪葉片的推動(dòng)下，以一定的速度，按圖4（b）中箭頭1所示方向沖向渦輪上緣處的葉片，對(duì)渦輪產(chǎn)生沖擊扭矩，該扭矩即為液力變矩器的輸出扭矩。此時(shí)渦輪靜止不動(dòng)，沖向渦輪的液壓油沿葉片流向渦輪下緣，在渦輪下緣以一定的速度，沿著與渦輪下緣出口處葉片相同的方向沖向?qū)л啠瑢?duì)導(dǎo)輪也產(chǎn)生一個(gè)沖擊力矩，并沿固定不動(dòng)的導(dǎo)輪葉片流回泵輪。當(dāng)液壓油對(duì)渦輪和導(dǎo)輪產(chǎn)生沖擊扭矩時(shí)，渦輪和導(dǎo)輪也對(duì)液壓油產(chǎn)生一個(gè)與沖擊扭矩大小相等、方向相反的反作用扭矩Mt和Ms，其中Mt的方向與Mp的方向相反，而Ms的方向與Mp的方向相同。根據(jù)液壓油受力平衡原理，可得：Mt=Mp+Ms。由于渦輪對(duì)液壓油的反作用，扭矩Mt與液壓油對(duì)渦輪的沖擊扭矩（即變矩器的輸出扭矩）大小相等，方向相反，因此可知，液力變矩器的輸出扭矩在數(shù)值上等于輸入扭矩與導(dǎo)輪對(duì)液壓油的反作用扭矩之和。顯然這一扭矩要大于輸入扭矩，即液力變矩器具有增大扭矩的作用。液力變矩器輸出扭矩增大的部分即為固定不動(dòng)的導(dǎo)輪對(duì)循環(huán)流動(dòng)的液壓油的作用力矩，其數(shù)值不但取決于由渦輪沖向?qū)л喌囊毫魉俣龋踩Q于液流方向與導(dǎo)輪葉片之間的夾角。當(dāng)液流速度不變時(shí)，葉片與液流的夾角愈大，反作用力矩亦愈大，液力變矩器的增扭作用也就愈大。一般液力變矩器的最大輸出扭矩可達(dá)輸入扭矩的2.6倍左右。

圖4  液力變矩器工作原理圖

A-泵輪  B-渦輪  C-導(dǎo)輪

1-由泵輪沖向渦輪的液壓油方向  2-由渦輪沖向?qū)л喌囊簤河头较?nbsp; 3-由導(dǎo)輪流回泵輪的液壓油方向。

當(dāng)汽車在液力變矩器輸出扭矩的作用下起步后，與驅(qū)動(dòng)輪相連接的渦輪也開始轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速隨著汽車的加速不斷增加。這時(shí)由泵輪沖向渦輪的液壓油除了沿著渦輪葉片流動(dòng)之外，還要隨著渦輪一同轉(zhuǎn)動(dòng)，使得由渦輪下緣出口處沖向?qū)л喌囊簤河偷姆较虬l(fā)生變化，不再與渦輪出口處葉片的方向相同，而是順著渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向向前偏斜了一個(gè)角度，使沖向?qū)л喌囊毫鞣较蚺c導(dǎo)輪葉片之間的夾角變小，導(dǎo)輪上所受到的沖擊力矩也減小，液力變矩器的增扭作用亦隨之減小。車速愈高，渦輪轉(zhuǎn)速愈大，沖向?qū)л喌囊簤河头较蚺c導(dǎo)輪葉片的夾角就愈小，液力變矩器的增扭作用亦愈小；反之，車速愈低，液力變矩器的增扭作用就愈小。因此，與液力偶合器相比，液力變矩器在汽車低速行駛時(shí)有較大的輸出扭矩，在汽車起步，上坡或遇到較大行駛阻力時(shí)，能使驅(qū)動(dòng)輪獲得較大的驅(qū)動(dòng)力矩。

當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速隨車速的提高而增大到某一數(shù)值時(shí)，沖向?qū)л喌囊簤河偷姆较蚺c導(dǎo)輪葉片之間的夾角減小為0，這時(shí)導(dǎo)輪將不受液壓油的沖擊作用，液力變矩器失去增扭作用，其輸出扭矩等于輸入扭矩。

若渦輪轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，沖向?qū)л喌囊簤河头较蚶^續(xù)向前斜，使液壓油沖擊在導(dǎo)輪葉片的背面，如圖1-5（c）所示，這時(shí)導(dǎo)輪對(duì)液壓油的反作用扭矩Ms的方向與泵輪對(duì)液壓油扭矩Mp的方向相反，故此渦輪上的輸出扭矩為二者之差，即Mt=Mp-Ms，液力變矩器的輸出扭矩反而比輸入扭矩小，其傳動(dòng)效率也隨之減小。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)，液力變矩器的傳動(dòng)效率高于液力偶合器的傳動(dòng)效率；當(dāng)渦輪的轉(zhuǎn)速增加到某一數(shù)值時(shí)，液力變矩器的傳動(dòng)效率等于液力偶合器的傳動(dòng)效率；當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大后，液力變矩器的傳動(dòng)效率將小于液力偶合器的傳動(dòng)效率，其輸出扭矩也隨之下降。因此，上述這種液力變矩器是不適合實(shí)際使用的。

2、綜合式液力變矩器的結(jié)構(gòu)與工作原理

目前在裝用自動(dòng)變速器的汽車上使用的變矩器大多是綜合式液力變矩器（圖5），它和一般型式液力變矩器的不同之處在于它的導(dǎo)輪不是完全固定不動(dòng)的，而是通過單向超越離合器支承在固定于變速器殼體的導(dǎo)輪固定套上。單向超越離合器使導(dǎo)輪可以朝順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)（從發(fā)動(dòng)機(jī)前面看），但不能朝逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

圖5 綜合式液力變矩器

1-曲軸   2-導(dǎo)輪   3-渦輪   4-泵輪   5-液流    6-變矩器軸套   7-油泵    8-導(dǎo)輪固定套   9-變矩器輸出軸   10-單向超越離合器。

當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)，從渦輪流出的液壓油從正面沖擊導(dǎo)輪葉片，如圖4（b）所示，對(duì)導(dǎo)輪施加一個(gè)朝逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的力矩，但由于單向超越離合器在逆時(shí)針方向具有鎖止作用，將導(dǎo)輪鎖止在導(dǎo)輪固定套上固定不動(dòng)，因此這時(shí)該變矩器的工作特性和液力變矩器相同，渦輪上的輸出扭矩大于泵輪上的輸入扭矩即具有一定的增扭作用。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速增大到某一數(shù)值時(shí)，液壓油對(duì)導(dǎo)輪的沖擊方向與導(dǎo)輪葉片之間的夾角為0，此是渦輪上的輸出扭矩等于泵輪上的輸入扭矩。若渦輪轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，液壓油將從反面沖擊導(dǎo)輪，如圖4（c）所示，對(duì)導(dǎo)輪產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針方向的扭矩。由于單向超越離合器在順時(shí)針方向沒有鎖止作用，可以像軸承一樣滑轉(zhuǎn)，所以導(dǎo)輪在液壓油的沖擊作用下開始朝順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。由于自由轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)輪對(duì)液壓油沒有反作用力矩，液壓油只受到泵輪和渦輪的反作用力矩的作用。因此這時(shí)該變矩器的不能起增扭作用，其工作特性和液力偶合器相同。這時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速較高，該變矩器亦處于高效率的工作范圍。

導(dǎo)輪開始空轉(zhuǎn)的工作點(diǎn)稱為偶合點(diǎn)。由上述分析可知，綜合式液力變矩器在渦輪轉(zhuǎn)速由0至偶合點(diǎn)的工作范圍內(nèi)按液力變矩器的特性工作，在渦輪轉(zhuǎn)速超過偶合點(diǎn)轉(zhuǎn)速之后按液力偶合器的特性工作。因此，這種變矩器既利用了液力變矩器在渦輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)所具有的增扭特性，又利用了液力偶合器渦輪轉(zhuǎn)速較高時(shí)所具有的高傳動(dòng)效率的特性。

3、鎖止式液力變矩器的結(jié)構(gòu)與工作原理

變矩器是用液力來傳遞汽車動(dòng)力的，而液壓油的內(nèi)部摩擦?xí)斐梢欢ǖ哪芰繐p失，因此傳動(dòng)效率較低。為提高汽車的傳動(dòng)效率，減少燃油消耗，現(xiàn)代很多轎車的自動(dòng)變速器采用一種帶鎖止離合器的綜合式液力變矩器。這種變矩器內(nèi)有一個(gè)由液壓油操縱的鎖止離合器。鎖止離合器的主動(dòng)盤即為變矩器殼體，從動(dòng)盤是一個(gè)可作軸向移動(dòng)的壓盤，它通過花鍵套與渦輪連接（圖6）。壓盤背面（圖中右側(cè)）的液壓油與變矩器泵輪、渦輪中的液壓油相通，保持一定的油壓（該壓力稱為變矩器壓力）；壓盤左側(cè)（壓盤與變矩器殼體之間）的液壓油通過變矩器輸出軸中間的控制油道與閥板總成上的鎖止控制閥相通。鎖止控制閥由自動(dòng)變速器電腦通過鎖止電磁閥來控制。

圖6  帶鎖止離合器的綜合式液力變矩器

1-變矩器殼  2-鎖止離合器壓盤  3-渦輪  4-泵輪  5-變矩器軸套  6-輸出軸花鍵套  7-導(dǎo)輪

自動(dòng)變速器電腦根據(jù)車速、節(jié)氣門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器液壓油溫度、操縱手柄位置、控制模式等因素，按照設(shè)定的鎖止控制程序向鎖止電磁閥發(fā)出控制信號(hào)，操縱鎖止控制閥，以改變鎖止離合器壓盤兩側(cè)的油壓，從而控制鎖止離合器的工作。當(dāng)車速較低時(shí)，鎖止控制閥讓液壓油從油道B進(jìn)入變矩器，使鎖止離合器壓盤兩側(cè)保持相同的油壓，鎖止離合器處于分離狀態(tài)，這時(shí)輸入變矩器的動(dòng)力完全通過液壓油傳至渦輪，見圖7a。當(dāng)汽車在良好道路上高速行駛，且車速、節(jié)氣門開度、變速器液壓油溫度等因素符合一定要求時(shí)，電腦即操縱鎖止控制閥，讓液壓油從油道C進(jìn)入變矩器，而讓油道B與泄油口相通，使鎖止離合器壓盤左側(cè)的油壓下降，。由于壓盤背面（圖中右側(cè)）的液壓油壓力仍為變矩器壓力，從而使壓盤在前后兩面壓力差的作用下壓緊在主動(dòng)盤（變矩器殼體）上，如圖7b所示。這時(shí)輸入變矩器的動(dòng)力通過鎖止離合器的機(jī)械連接，由壓盤直接傳至渦輪輸出，傳動(dòng)效率為100%。另外，鎖止離合器在結(jié)合時(shí)還能減少變矩器中的液壓油因液體摩擦而產(chǎn)生的熱量，有利用降低液壓油的溫度。有些車型的液力變矩器的鎖止離合器盤上還裝有減振彈簧，以減小鎖止離合器在結(jié)合時(shí)瞬間產(chǎn)生的沖擊力，見圖8。

圖7  鎖止離合器工作原理示意圖

1-鎖止離合器壓盤  2-渦輪  3-變矩器殼  4-導(dǎo)輪  5-泵輪  6-變矩器輸出軸；變矩器出油道  C-鎖止離合器控制油道

圖8  帶減振彈簧的壓盤

1-  減振彈簧  2-花鍵套

來源：機(jī)械液壓論壇