液力變扭器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.液力變扭器的基本結(jié)構(gòu) 液力變扭器的結(jié)構(gòu)與液力偶合器基本相似，但在泵輪和渦輪之間加入一個固定不動的工作輪—導(dǎo)輪。液力變扭器主要由可旋轉(zhuǎn)的泵輪和渦輪，以及固定不動的導(dǎo)輪等三個元件組成，主要零件如圖所示，各工作輪用鋁合金精密鑄造，或用鋼板沖壓焊接而成。泵輪與變扭器殼連成一體，用螺栓固定在發(fā)動機曲軸后端的凸緣上或飛輪上，殼體做成兩半，裝配后焊成一體或用螺栓連接，渦輪通過從動軸與變速器的其它部件相連，導(dǎo)輪則通過導(dǎo)輪軸與變速器的固定殼體相連。所有工作輪在裝配后，形成斷面為循環(huán)圓的環(huán)狀體。泵輪、渦輪和導(dǎo)輪是液力變扭器轉(zhuǎn)換能量、傳遞動力和改變扭矩必不可少的基本工作元件。

 2.液力變扭器的工作原理 液力變扭器轉(zhuǎn)換能量、傳遞動力的原理與液力偶合器基本相同,其根本區(qū)別就在于液力變扭器增加了一個工作輪—導(dǎo)輪。發(fā)動機運轉(zhuǎn)時,帶動液力變扭器的殼體和泵輪與之一同旋轉(zhuǎn)，泵輪內(nèi)的工作液在離心力的作用下，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)輪葉片流回泵輪葉片內(nèi)緣，形成循環(huán)的液流。由于多了一個固定不動的導(dǎo)輪，在液體循環(huán)流動的過程中，固定不動的導(dǎo)輪給渦輪一個反作用力矩，從而使渦輪輸出扭矩不同于泵輪輸入扭矩，具有“變扭”功能。下面簡述其變扭工作原理。 為了方便起見，用液力變扭器工作輪的展開圖來說明液力變扭器的變扭工作原理?，F(xiàn)沿循環(huán)圓的中間流線展開成一直線，于是泵輪B，渦輪W和導(dǎo)輪D便成為三個沿展開直線順次排列的環(huán)形平面，如圖所示，從而使各工作輪葉片清楚地展現(xiàn)出來。 為了便于說明，現(xiàn)假設(shè)在液力變扭器的工作中，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷不變，即液力變扭器的泵輪轉(zhuǎn)速nB和扭矩MB為常數(shù)。

1）在汽車起步之前 在汽車起步之前，渦輪轉(zhuǎn)速nw=0，發(fā)動機通過液力變扭器的殼體帶動泵輪旋轉(zhuǎn)，并對工作液產(chǎn)生一個大小為MB的扭矩，該扭矩即為液力變扭器的輸入扭矩。液力變扭器內(nèi)的工作液在泵輪葉片帶動下，以一定的絕對速度vB沖向渦輪葉片。絕對速度vB是泵輪的圓周速度vB1 和沿泵輪葉片的相對速度vB2的合成速度，因此時渦輪靜止不動，液流沿渦輪葉片流出沖向?qū)л喨~片，如圖中箭頭vw所示，這即是液流質(zhì)點在渦輪葉片的相對速度，也是液流質(zhì)點的絕對速度，然后液流再沿固定不動的導(dǎo)輪葉片沿箭頭VD方向回到泵輪中。液流流經(jīng)導(dǎo)輪葉片時，因受葉片作用，使液流的方向發(fā)生變化。以工作液作為研究對象，設(shè)泵輪，渦輪和導(dǎo)輪對液體的作用力矩分別為MB、Mw和MD，根據(jù)液流的力矩平衡條件，可得: Mw=MB+MD 由于工作輪對液流的作用力矩Mw與液流對工作輪沖擊力矩M’w方向相反，大小相等，即M’w=- Mw，故有: M’w =MB+MD                                  由上式可見，液流對渦輪的沖擊力矩 M’w（即輸出力矩）大于泵輪輸入力矩MB。這是由于渦輪不但受來自泵輪液流沖擊，而且受因?qū)л喐淖兞飨虻囊毫鞯姆醋饔昧?，所以液力變扭器起了增大力矩的作用，?dǎo)輪反作用力矩的大小及方向都是隨渦輪轉(zhuǎn)速的變化而變化，故液力變扭值也隨之變化。

2）在汽車起步之后 當(dāng)渦輪輸出力矩，經(jīng)傳動系傳到驅(qū)動輪上所產(chǎn)生的驅(qū)動力足以克服汽車起步阻力矩時，汽車即起步并開始加速，因而與之相連的渦輪轉(zhuǎn)速nw也從零逐漸增加。在渦輪轉(zhuǎn)動之后，液流在渦輪出口處不僅具有沿葉片方向的相對速度vw2，而且具有沿圓周切線方向的牽連速度vw1，所以，此時沖向?qū)л喨~片的液流速度vw是上述兩者的合成速度。 假設(shè)泵輪轉(zhuǎn)速不變，則液流在渦輪出口處相對速度vw2 不變。在汽車起步之后，渦輪轉(zhuǎn)速的變化，引起牽連速度vw1的變化，沖向?qū)л喨~片液流的絕對速度vw將隨渦輪轉(zhuǎn)速nw的增加，即隨牽連速度vw1的增加而逐漸向左傾斜，沖向?qū)л喨~片的液流方向愈向左傾斜，導(dǎo)輪所受的沖擊力愈小，導(dǎo)輪對液流反作用力矩也愈小，液力變扭器增扭值隨之減少。這就說明，液力變扭器增扭值隨渦輪轉(zhuǎn)速的提高而減少。 當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速增大至某一數(shù)值時，渦輪出口處的液流絕對速度vw方向與導(dǎo)輪葉片平行，即正好沿導(dǎo)輪葉片出口的方向，由于從渦輪流出的液流流經(jīng)導(dǎo)輪后其流向不變，導(dǎo)輪對液流的反作用力矩為零，即MD=0，可以知道即渦輪的輸出力矩等于泵輪對液流的作用力矩。在這種情況下，液力變扭器由變扭工況轉(zhuǎn)化為偶合工況。

 3）渦輪轉(zhuǎn)速進一步增大 如果渦輪轉(zhuǎn)速進一步增大，渦輪出口處液流絕對速度vw方向?qū)⑦M一步向左傾斜，如圖2-9所示。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速超過前述偶合工況的轉(zhuǎn)速時，液流便沖擊到導(dǎo)輪葉片的背面，此時導(dǎo)輪對液流反作用力矩的方向與泵輪對液流的作用力矩的方向相反，即M’w =MB-MD ，故渦輪輸出力矩反而小于泵輪輸入力矩。

 4）渦輪轉(zhuǎn)速與泵輪轉(zhuǎn)速相等時 當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速增大至與泵輪轉(zhuǎn)速相等時，油液在循環(huán)圓中循環(huán)流動即停止，液力變扭器便失去傳遞動力的能力。 由以上分析，可以得到如下三點重要的結(jié)論：

其一，液力變扭器由泵輪（主動輪）、渦輪（被動輪）和導(dǎo)輪等三個工作輪組成，它們是轉(zhuǎn)換能量，傳遞動力和變扭必不可少的基本元件。 泵輪—使發(fā)動機的機械能轉(zhuǎn)換為液體能量； 渦輪—將液體能量轉(zhuǎn)換為渦輪軸上的機械能； 導(dǎo)輪—通過改變液體的方向而起變扭作用。

其二，與液力偶合器一樣，液力變扭器中液體同時繞工作輪軸線作旋轉(zhuǎn)運動和沿循環(huán)圓作軸面循環(huán)運動，軸面循環(huán)按先經(jīng)泵輪，后經(jīng)渦輪和導(dǎo)輪，最后又回到泵輪的順序，進行反復(fù)循環(huán)。

其三，液力變扭器效率隨渦輪的轉(zhuǎn)速而變化。

 ①當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速為零時，增扭值最大，渦輪輸出扭矩等于泵輪輸入扭矩與導(dǎo)輪反作用扭矩之和。

 ②當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速由零逐漸增大時，增扭值隨之逐漸減少。

③當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速達到某一值時，渦輪出口處液流直接沖向?qū)л喌某隹谔?，液流不改變流向，此時液力變扭器變?yōu)橐毫ε己掀?，渦輪輸出力矩等于泵輪輸入力矩。

④當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速進一步增大時，渦輪出口處液流沖擊導(dǎo)輪葉片背面，此時液力變扭器的渦輪輸出力矩小于泵輪的輸入力矩，其值等于泵輪的輸入力矩和導(dǎo)輪的反作用力矩之差。

⑤當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速與泵輪轉(zhuǎn)速相同時，液力變扭器失去傳遞動力的功能。

 3.液力變扭器的特性 液力變扭器的特性，可用幾個與外界負荷有關(guān)的特性參數(shù)或特性曲線來評價。描述液力變扭器的特性參數(shù)主要有傳動比、變矩系數(shù)、效率和穿透系數(shù)等，描述液力變扭器的特性曲線主要有外特性曲線、原始特性曲線和輸入特性曲線，在此，僅就主要的特性參數(shù)和特性曲線作一介紹。

 1）液力變扭器的特性參數(shù)

（1）傳動比iWB 液力變扭器傳動比iWB是渦輪轉(zhuǎn)速nw（輸出轉(zhuǎn)速）與泵輪轉(zhuǎn)速nB（輸入轉(zhuǎn)速）之比，傳動比用來描述液力變扭器的工況。其數(shù)學(xué)表達式為： iWB=nw/nB                                       

（2）變矩系數(shù)K 液力變扭器變矩系數(shù)K是渦輪扭矩Mw和泵輪扭矩MB之比，變矩系數(shù)用來描述液力變扭器改變輸入扭矩的能力。其數(shù)學(xué)表達式為： K=Mw/MB     由上節(jié)變扭器原理分析可知，變矩系數(shù)K是隨渦輪轉(zhuǎn)速nw，或者說是隨傳動比iWB而變化的。K>1時，稱為變扭工況，當(dāng)K=1時，稱為偶合工況。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速nw =0，即傳動比iWB =0時，這種工況相當(dāng)于汽車起步之前，故稱為失速工況（也稱為起動工況，或制動工況），在此工況下變矩系數(shù)為最大（K值一般為1.9～5左右）。目前，汽車常用液力變扭器的變矩系數(shù)約2～2.3左右。

（3）效率η 液力變扭器效率η是渦輪軸輸出功率Nw與泵輪輸入功率NB之比。其數(shù)學(xué)表達式為： η=Nw/NB 因為功率等于轉(zhuǎn)速與扭矩的乘積，上式可改寫為： η=Nw/NB   =Mwnw/MBnB   =KiwB 由上式可見，液力變扭器的效率等于變矩系數(shù)與傳動比的乘積。

（4）液力變扭器的穿透性 液力變扭器的穿透性是指變扭器和發(fā)動機共同工作時，在油門開度不夠的情況下，變扭器渦輪軸上的載荷變化對泵輪扭矩和轉(zhuǎn)速（即發(fā)動機工況）影響的性能。具體地說，在上述情況下，若渦輪軸上扭矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)變化而發(fā)動機工況不變時，這種變扭器稱為是不可透的，反之則稱為是可透的。汽車自動變速器上采用的液力變扭器是可透的，當(dāng)渦輪因負荷增大而轉(zhuǎn)速下降時，傳動比隨之下降，從而使發(fā)動機的負荷也增大