液力偶合器和液力變矩器的結(jié)構(gòu)與工作原bvvbbvbvbvbvbvbv理

1、液力偶合器和液力變矩器的結(jié)構(gòu)與工作原理（遼寧省阜新市遼寧工程技術(shù)大學(xué) 任建華）摘要：液力偶合器和液力變矩結(jié)構(gòu)組成和工作原理卻較為相似，自動變速器主要由液力變矩器、變速齒輪機構(gòu)、供油系統(tǒng)、自動換擋控制系統(tǒng)、自動換擋操縱裝置等部分組成。關(guān)鍵詞：液力偶合器，液力變矩，泵論，導(dǎo)輪，渦輪Abstract: The fluid coupling and hydraulic torque converter structure and working principle are more similar, mainly by the torque converter automatic transmissi

2、on, gear bodies, fuel systems, automatic shift control system, automatic shift control devices, etc. parts. Keywords: fluid coupling, hydraulic torque converter, pump theory, guide wheel, turbine 目錄1引言 1 2液力偶合器的結(jié)構(gòu)與工作原理22.1液力偶合器的結(jié)構(gòu)組成 3 2.2液力偶合器的工作原理 33液力變矩器的結(jié)構(gòu)與工作原理43.1一般型式液力變矩器的結(jié)構(gòu)與工作原理53.2綜合式液力變矩器的結(jié)構(gòu)

3、與工作原理74鎖止式液力變矩器的結(jié)構(gòu)與工作原理85結(jié)論96參考文獻 101.引言現(xiàn)代汽車上所用自動變速器，在結(jié)構(gòu)上雖有差異，但其基本結(jié)構(gòu)組成和工作原理卻較為相似，前面已介紹了自動變速器主要由液力變矩器、變速齒輪機構(gòu)、供油系統(tǒng)、自動換擋控制系統(tǒng)、自動換擋操縱裝置等部分組成。本章將分別介紹自動變速器中各組成部分的常見結(jié)構(gòu)和工作原理，為自動變速器的拆裝和故障檢修提供必要的基本知識。常見的兩級三元件綜合式液力變矩器由泵輪總成、渦輪總成、導(dǎo)輪總成、閉鎖離合器總成和后蓋組成，導(dǎo)輪通過單向離合器與變速箱殼體固定連接。泵輪與后蓋焊接成一個整體里面充滿了傳動油，并與發(fā)動機連接，起主動作用。渦輪與變速箱輸入軸連接

4、，起動力輸出作用。變矩器工作時，泵輪在發(fā)動機帶動下將傳動油沖入渦輪，從而帶動渦輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了動力由發(fā)動機向傳動系統(tǒng)的傳遞。導(dǎo)輪總成中，如果單向離合器工作，液力變矩器則起變矩器作用，從而增加扭矩的輸出；如果單向離合器不工作（導(dǎo)輪反轉(zhuǎn)），此時變矩器起到了偶合器的作用。汽車上所采用的液力傳動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，即通過液體的循環(huán)液動，利用液體動能的變化來傳遞動力。2液力偶合器的結(jié)構(gòu)與工作原理2.1液力偶合器的結(jié)構(gòu)組成液力偶合器是一種液力傳動裝置，又稱液力聯(lián)軸器。在不考慮機械損失的情況下，輸出力矩與輸入力矩相等。它的主要功能有兩個方面，一是防止發(fā)動機過載，二是調(diào)節(jié)工

5、作機構(gòu)的轉(zhuǎn)速。其結(jié)構(gòu)主要由殼體、泵輪、渦輪三個部分組成，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)動機飛輪上，泵輪與殼體焊接在一起，隨發(fā)動機曲軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，是液力偶合器的主動部分：渦輪和輸出軸連接在一起，是液力偶合器的從動部分。泵輪和渦輪相對安裝，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3mm4mm）；泵輪與渦輪裝合成一個整體后，其軸線斷面一般為圓形，在其內(nèi)腔中充滿液壓油。2.2液力偶合器的工作原理當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，曲軸帶動液力偶合器的殼體和泵輪一同轉(zhuǎn)動，泵輪葉片內(nèi)的液壓

6、油在泵輪的帶動下隨之一同旋轉(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，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，泵輪對其作功，其速度和動能逐漸增大；而在從渦輪葉片外緣流向內(nèi)緣的過程中，液壓油對渦輪作功，其速度和動能逐漸減小。液力偶合器要實現(xiàn)傳動，必須在泵輪和渦輪之間有油液的循環(huán)流動。而油液循環(huán)流動的產(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

7、致。如果泵輪和渦輪的轉(zhuǎn)速相等，則液力偶合器不起傳動作用。因此，液力偶合器工作時，發(fā)動機的動能通過泵輪傳給液壓油，液壓油在循環(huán)流動的過程中又將動能傳給渦輪輸出。由于在液力偶合器內(nèi)只有泵輪和渦輪兩個工作輪，液壓油在循環(huán)流動的過程中，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)動機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特點。 圖2 渦輪處于不同轉(zhuǎn)速時的液流情況(a)渦輪不動 （b）中速 （c）高速當(dāng)車輛即將要起步時，泵輪在發(fā)動機驅(qū)動下轉(zhuǎn)動而渦輪靜止不動。由于渦輪沒有運動

8、，泵輪與渦輪間的相對速度VL將達最大值，由此而得到的合成速度，即油液從泵輪進入渦輪的速度VR也是最大的。油液進入渦輪的方向和泵輪出口速度之間的夾角1也較小，這樣液流對渦輪葉片產(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，泵輪與渦輪間的相對線速度減小，使合成速度VR減小，并使VR和泵輪出口線速度VE之間的夾角增大。這樣液流對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)動力矩也迅速降低。當(dāng)渦輪高速轉(zhuǎn)動，即輸出和輸入的轉(zhuǎn)速接近相同時，相對速度VL和合成速度VR都很小，而合成速度VR與泵輪出口速度VE間的夾角很大，這就使液流對渦輪葉片的推力變得很小，這

9、將使輸出元件滑動，直到有足夠的循環(huán)油液對渦輪產(chǎn)生足夠的沖擊力為止。由此可見，輸出轉(zhuǎn)速高時，輸出轉(zhuǎn)速趕上輸入轉(zhuǎn)速是一個連續(xù)不斷的趨勢，但總不會等于輸入轉(zhuǎn)速。除非在工作狀況反過來，變速器變成主動件，發(fā)動機變成被動件，渦輪的轉(zhuǎn)速才會等于或高于泵輪轉(zhuǎn)速。這種情況在下坡時可能會發(fā)生。3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中的又一種型式，是構(gòu)成液力自動變速器不可缺少的重要組成部分之一。它裝置在發(fā)動機的飛輪上，其作用是將發(fā)動機的動力傳遞給自動變速器中的齒輪機構(gòu)，并具有一定的自動變速功能。自動變速器的傳動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

10、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。3.1一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)動機運轉(zhuǎn)時帶動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?，再?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

11、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個工作輪葉片從循環(huán)流動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)動機轉(zhuǎn)速和負荷都不變，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)動機通過液力變矩器殼體帶動泵輪轉(zhuǎn)動，并對液壓油產(chǎn)生一個大小為Mp的扭矩，該扭矩即為液力變矩器的輸入扭矩。此時渦輪靜止不動，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

12、同的方向沖向?qū)л?，對?dǎo)輪也產(chǎn)生一個沖擊力矩，并沿固定不動的導(dǎo)輪葉片流回泵輪。當(dāng)液壓油對渦輪和導(dǎo)輪產(chǎn)生沖擊扭矩時，渦輪和導(dǎo)輪也對液壓油產(chǎn)生一個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。由于渦輪對液壓油的反作用，扭矩Mt與液壓油對渦輪的沖擊扭矩（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的導(dǎo)輪對循環(huán)流動

13、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?，也取決于液流方向與導(dǎo)輪葉片之間的夾角。當(dāng)液流速度不變時，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?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作用下起步后，與驅(qū)動輪相連接的渦輪也開始轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速隨著汽車的加速不斷增加。這時由泵輪沖向渦輪的液壓油除了沿著渦輪葉片流動之外，還要隨著渦輪一同轉(zhuǎn)動，使得由渦輪下緣出口處沖向?qū)л?/p>

14、的液壓油的方向發(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)動的方向向前偏斜了一個角度，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?。环粗?，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，能使驅(qū)動輪獲得較大的驅(qū)動力矩。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速隨車速的提高而增大到某一數(shù)值時，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，這時導(dǎo)輪將受液壓油的沖擊作

15、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，這時導(dǎo)輪對液壓油的反作用扭矩Ms的方向與泵輪對液壓油扭矩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，其傳動效率也隨之減小。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速較低時，液力變矩器的傳動效率高于液力偶合器的傳動效率；當(dāng)渦輪的轉(zhuǎn)速增加到某一數(shù)值時，液力變矩器的傳動效率等于液力偶合器的傳動效率；當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大后，液力變矩器的傳動效率將小于液力偶合器的傳動效率3.2綜合式液力變矩器的結(jié)構(gòu)與工作原理，目前在裝用

16、自動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)輪可以朝順時針方向旋轉(zhuǎn)（從發(fā)動機前面看），但不能朝逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速較低時，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，對導(dǎo)輪施加一個朝逆時針方向旋轉(zhuǎn)的力矩，但由于單向超越離合器在逆時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，因此這時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，液壓油對

17、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，對導(dǎo)輪產(chǎn)生一個順時針方向的扭矩。由于單向超越離合器在順時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針方向旋轉(zhuǎn)。由于自由轉(zhuǎn)動的導(dǎo)輪對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)的工作點稱為偶合點。由上述分析可知，綜合式液力變矩器在渦輪轉(zhuǎn)速由0至偶合點的工作范圍內(nèi)按液力變矩器的特

18、性工作，在渦輪轉(zhuǎn)速超過偶合點轉(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)速較高時所具有的高傳動效率的特性。4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，因此傳動效率較低。為提高汽車的傳動效率，減少燃油消耗，現(xiàn)代很多轎車的自動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)有一個由液壓油操縱的鎖止離合器。鎖止離合器的主動盤即為變矩器殼體，從動盤是一個可作軸向移動的壓盤，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