（机械设计及理论专业论文）液力机械自动变速器的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 液力机械自动变速器是当今世界汽车自动变速系统的主导产品，具有分级连 续变速和变矩的能力，对外负载具有良好的自动调节和适应能力。装有液力机械 自动变速器的汽车，换挡冲击小、操纵简单，而且能按最佳的换挡时机进行自动 换挡，有助于提高汽车的动力性和经济性。但其传动效率低，不能满足行驶环境 发生变化时的换挡要求以及换挡品质不优等问题还需要进行进一步的改进。国内 有些汽车厂商正在做这方面的研究，进行液力机械自动变速系统的研究对促进国 内汽车工业的发展和技术进步具有重要的理论意义和实用价值。 本文在5 挡液力机械自动变速器传动模型的基础上，主要针对如何提高效率、 如何提升换挡品质以及如何实现智能换挡等方面进行了分析。液力变矩器的效率 低于机械部分，因此，文中建立的5 挡传动模型中采用了带锁定离合器的变矩器 和变矩器的打滑控制，用于提高传动效率，并通过电液控制系统提高控制的精度。 由于5 挡变速器机械部分的摩擦结合元件的油压和油压的控制精度都对换挡品质 有很大影响。因此，本文分别对5 挡液力机械式自动变速器的行星齿轮机构和换 挡液压系统进行了动力学、运动学分析和系统优化。换挡规律是自动变速器的核 心，但传统换挡规律一经存入电控单元，换挡时机就不会因外界环境的变化而改 变，这种换挡不具有自适应车辆状况、道路环境和驾驶员意图的能力。为此，本 文在传动动力性和经济性换挡规律的基础上进行智能换挡策略分析。 通过对5 挡液力机械自动变速器传动模型的分析，得出如下结论：采用模糊 控制打滑率的方法可以提高效率；行星齿轮机构动力学分析是换挡品质控制的理 论基础；电液控制系统能够提高控制精度；智能换挡策略综合考虑车辆运行状况、 行驶环境和驾驶员操纵意图等信息，使汽车行驶能够满足车辆的动力性、经济性 和驾驶性要求。 关键词：液力机械自动变速器；行星齿轮机构；闭锁离合器；换挡规律；换挡品 质；打滑控制 i i i a b s t r a c t n o wt h eh y d r a u l i cm e c h a n i c a la u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni st h el e a d i n gp r o d u c to f a u t o m o b i l et r a n s m i s s i o ns y s t e mi nt h ew o r l d ，w h i c hh a st h ea b i l i t yo fc h a n g i n gs p e e d a n dt o r q u eg r a d u a l l ya n dc o n t i n u o u s l y ，a n dh a st h eg o o ds e l f - r e g u l a t i o na n da d a p t i v e a b i l i t y t ot h ee x t e r n a ll o a d l o a d e dw i t ht h eh y d r a u l i cm e c h a n i c a l a u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n ，a u t o m o b i l es h i f ta t t a c k ss l i g h t l ya n dt h eo p e r a t i o ns i m p l y ，m o r e o v e rc a n c a r r yo ns h i f ta u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h eb e s ts h i f tt i m e ，w h i c h i sh e l p f u lt o e n h a n c et h ep o w e ra n de f f i c i e n c yo fa u t o m o b i l e b u ti t st r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yi s l o w a n dh a ss o m eq u e s t i o n st ob en e e d e dt om a k ef u r t h e ri m p r o v e m e n t ，s u c ha sn o t s a t i s f y i n gs h i f tr e q u e s t sw i t ht h et r a v e le n v i r o n m e n tc h a n g i n g ，a n dt h es h i f tq u a l i t yi s n o te x c e l l e n ta n ds oo n s o m ed o m e s t i c a u t o m o b i l em a n u f a c t u r e ri sm a k i n gt h e r e s e a r c h a n dt h er e s e a r c ho nt h eh y d r a u l i cm e c h a n i c a la u t o m a t i cs e l f - s h i f t i n g t r a n s m i s s i o ns y s t e mh a st h ei m p o r t a n tt h e o r ys i g n i f i c a n c ea n dt h ep r a c t i c a lv a l u et o p r o m o t e t h ed o m e s t i c a u t o m o b i l ei n d u s t r yd e v e l o p m e n t a n dt h e t e c h n o l o g y a d v a n c e m e n t a c c o r d i n gt o5s h i f t sh y d r a u l i cm e c h a n i c a la u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nm o d e l ，t h e m a i nr e s e a r c hi sa i m e da th o wt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c y ，h o wt op r o m o t et os h i f t q u a l i t ya sw e l la sh o wt or e a l i z et h ei n t e l l i g e n ts h i f ta n ds o o n t h ee f f i c i e n c yo f h y d r a u l i ct o r q u ec o n v e r t e ri sl o w e rt h a no n e o fm a c h i n ep a r t ；t h e r e f o r e ，e s t a b l i s h i n g5 s h i f t st r a n s m i s s i o nm o d e lw h i c hu s e dt h et o r q u ec o n v e r t e rw i t hl o c k e dc l u t c ha n d s l i p p i n g c o n t r o lo ft o r q u ec o n v e r t e re n h a n c e dt h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ，a n d e n h a n c e dc o n t r o lp r e c i s i o nt h r o u g he l e c t r i c a l h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m b e c a u s et h e o i lp r e s s u r ea n di t sc o n t r o lp r e c i s i o no ft h ef r i c t i o ne l e m e n t s o ft h e5s h i f t s t r a n s m i s s i o nm a c h i n e r yp a r th a v ei n f l u e n c et os h i f tq u a l i t y ，d y n a m i c s ，t h ek i n e m a t i c a l a n a l y s i sa n dt h es y s t e mo p t i m i z a t i o na b o u tt h ep l a n e t a r yg e a r sa n ds h i f th y d r a u l i c c o n t r o ls y s t e mo f5s h i f t sh y d r a u l i cm e c h a n i c a la u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nw e r es t u d i e d s h i f tl a wi st h ec o r eo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，w h i l et h et r a d i t i o ns h i f tl a ww a s s t o r e di nt h ee l e c t r i c a lc o n t r o lu n i t ，s h i f to p p o r t u n i t yc a nn o tb ec h a n g e dw i t ht h e e x t e r n a le n v i r o n m e n tc h a n g e 。t h i sk i n d o fs h i f td o e s n o th a v et h ea b i l i t yo f a u t o a d a p t e d v e h i c l e sc o n d i t i o n ，t h ep a t he n v i r o n m e n t a n dd r i v e ri n t e n t i o n a c c o r d i n g l y ，t h ei n t e l l i g e n ts h i f t i n g s t r a t e g ya n a l y s i s w a sm a d eb a s e do nt h e t r a n s m i s s i o np o w e ra n ds h i f tl a we f f i c i e n c y i v 硕十学位论文 t h r o u g ht h ea n a l y s i so f5s h i f t sh y d r a u l i cm e c h a n i c a la u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n m o d e l ，d r a w st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n ：u s e st h em e t h o do ff u z z yc o n t r o ls l i p p i n gr a t e t ob ep o s s i b l et oe n h a n c et h ee f f i c i e n c y ；t h ep l a n e t a r yg e a r sd y n a m i c sa n a l y s i si st h e t h e o r yf o u n d a t i o no fs h i f tq u a l i t yc o n t r o l ；t h ee l e c t r i c a l h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mc a n i n c r e a s et h ec o n t r o l p r e c i s i o n ；t h ei n t e l l i g e n t s h i f t s t r a t e g yc o m p r e h e n s i v e l y e v a l u a t e ss o m ei n f o r m a t i o ns u c ha sv e h i c l e sm o v e m e n tc o n d i t i o n ，t h et r a v e l e n v i r o n m e n ta n dt h ed r i v e ro p e r a t i o ni n t e n t i o na n ds oo n ，e n a b l e st h ea u t o m o b i l e t r a v e lt os a t i s f yt h ev e h i c l e sd y n a m i c s ，t h ee f f i c i e n c ya n dt h ed r i v i n gr e q u e s t k e yw o r d s ：h y d r a u l i cm e c h a n i c a la u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ；p l a n e t a r yg e a r s ；l o c k e d c l u t c h ；s h i f tl a w ；s h i f tq u a l i t y ；s l i pc o n t r o l v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特另u ：d i ：l 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 e t 期：声口哆年厂月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：c y , o i _ t 刷磁轹邛蛾 日期：, , i o o ；y 年彳月，日 b 期：姆j 罗年6 其 e l 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 我国汽车工业正处于发展和提高时期，目前在国内已经形成年产8 8 0 多万辆 汽车的生产能力，轿车年产量已超过5 0 0 万辆。但是，我国使用的汽车绝大多数 仍为手动变速，手动变速汽车换挡操作频繁，易使驾驶员疲劳，影响行驶安全， 而驾驶技术水平的不同对车辆的燃料经济性、动力性、乘坐舒适性造成很大差异。 随着轿车进入家庭，非职业驾驶员越来越多，他们对简化操作的要求日益迫切。 因此目前我国自动变速器在轿车、城市客车、高级旅游客车、军用车、重型载货 汽车等车辆上呈现越来越大的要求。 目前国产自动变速技术与国外相比还有一定差距。国内大多数企业主要还是 依赖国外技术，自动变速产品的开发一直采用引进技术、实施仿制等方法，甚至 有些企业就是采用购买国外关键部件进行组装的方法来生产产品，导致了拥有自 主知识产权的精品还不多。随着我国改革开放和社会主义现代化建设步伐的加快， 基础建设、重大工程、城区改造、能源开发等项目急剧增多，随之而来的是对自 动变速器的需求增加。特别是从“十五 计划起，随着西部开发战略的实施，国 家将加大力度投资基础设施建设，这无疑将给自动变速器带来新的机遇。当前迫 切希望加强新产品和关键零部件的研发能力，提高具有自主知识产权的产品和关 键零部件的占有率。自主开发适合我国国情的自动变速器，既可以掌握先进的控 制技术，提高产品综合性能，增强技术开发能力，而且还可以降低成本，提高国 产自动变速器的市场竞争力。 1 2 液力机械式自动变速器的发展 19 3 9 年，美国通用汽车公司首先成功研制了由液力耦合器和行星齿轮机构变 速器组成的四挡液力变速器，装于该公司生产的轿车o l d s m o b i l e 上。该变速器被 认为是自动变速器的代表，是当今自动变速器的原始形式【2 】。随着新技术的不断 发展，自动变速器结构不断改进，逐步走向成熟。 1 9 3 9 1 9 5 0 年的1 1 年间是液力自动变速器的成长期。这期间其结构特点是液 力传动部件采用液力偶合器，机械变速部分采用行星齿轮机构。这种形式，结构 虽简单，成本也低，但液力传动部分只能起到联轴器的作用，不能改变扭矩，而 传动扭矩的改变则完全由行星齿轮机构来完成的。 19 5 0 年，美国福特汽车公司成功研制了装有液力变矩器的三挡液力自动变速 液力机械自动变速器的研究 器，从此轿车用的液力自动变速器进入了成熟期【3 】【7 】。 1 9 7 7 年以后，日本丰田汽车公司成功研制了具有超速挡的液力自动变速器。 该变速器采用三元件液力变矩器与多挡行星齿轮机构相组合的结构，这不但提高 了变速器的变扭比，而且使换挡更圆滑，传动效率更高。 液力自动变速器行星齿轮机构的挡数和速比范围，随着汽车的高速化、低油 耗和低噪声等要求的不断提高而有所增加。l9 7 7 年丰田公司开发的四挡液力自动 变速器和1 9 8 9 年日产汽车公司开发的五挡液力自动变速器都已装车使用【4 】。这两 种变速器都是在原三挡和四挡液力自动变速器的基础上，加装了一组行星齿轮机 构而形成的。19 8 3 年，日产汽车公司成功研制了四挡液力自动变速器所用的行星 齿轮机构，其最大特点是结构紧凑，从而为液力自动变速器的多挡化提供了条件。 液力变矩器的优点是增大起步扭矩，提高车辆的加速性能，降低变速时传动 系的冲击，对发动机曲轴的扭振具有隔振作用。但由于其泵轮与涡轮之间存在转 速差，使其传动效率随之降低，因此常采用锁止机构，使泵轮和涡轮在一定工况 下连接起来，使发动机的动力可以直接传给变速器的行星齿轮机构，从而提高传 动效率。 在多挡的液力自动变速器中，一般只在最高挡位时才使锁止离合器结合。后 来，为了减少滑转损失，1 9 8 2 年起在其他挡位上也开始使用。由于在变速过程中 进行锁止会产生较大的冲击，故需要在变速时暂将其解除，而在变速后再进行锁 止，即换挡前使离合器自动分离，换挡后使离合器自动结合。为此，研制出了多 种的控制方式，其中以电控方式效果较好。 1 9 9 1 年，美国通用汽车公司在前轮驱动的轿车上装用4 t 6 0 e 型电控液力自动 变速器。同年福特汽车公司也在两种前轮驱动的轿车上装用了a x o d e 型4 挡电 控液力自动变速器，其电子控制装置并入福特e c i v 型发动机的中央控制系统。 目前国外对液力自动变速控制系统的研究已经比较成熟，主要工作集中在换 挡策略的开发和换挡品质的改善。九十年代初，n n a r u m i 和h s u z u k i 对车辆传 动系统控制的发展趋势进行了预测，认为离合器闭锁控制和挡位优化控制将是未 来数十年传动控制的发展趋势，而无级变速则更具有潜在的开发前景。h i r o s h i y a m a g u c h 和y a s u s h in a r i t a 等利用模糊控制技术对液力机械传动车辆进行了变速 器选挡控制，并取得了预期的成果。j o h nj m o s k w a 和s c o t ta m u n n s 等在他们 的论文中较为系统地阐述了车辆传动系统数学模型建立的基本原理和试验方法。 a n d r e ww p h i l l i p s 和d e n n i sn a s s a n i s 利用计算机对某5 吨车辆液力机械传动系 统进行了仿真研究，并且提出了改进燃油经济性和车辆性能的方案。k o h e ik u s a k a 和y a s u n o r io h k u r a 对装备有液力机械传动的垃圾车换挡执行机构( 电液控制阀) 进行了大胆的改造，控制离合器的接合力，使换挡过程更加平顺。t o s h i m i c h i m i n o w a 和t a t s u y ao c h i 等也利用转矩估计的方法对换挡平顺性问题进行了研究。 2 硕十学位论文 g a m a l a h m e de l n a s h a r 博士建立了车辆自动变速模糊和神经网络控制器，并根据 选定的模糊逻辑控制参数和网络权值在计算机上进行了仿真研究。 1 3 液力机械式自动变速器的特点分析 自动变速器自2 0 世纪3 0 年代问世以来，应用到汽车工业中已有6 0 余年了， 它使汽车具有较高的通过性、良好的自适应性、操纵轻便性等特点。 与传统手动变速器相比较，液力机械自动变速器不仅能够适应汽车行驶要求， 而且还具有一些显著特点。 1 优点 ( 1 )操作简单、省力，提高了行车安全性； ( 2 ) 使换挡时机最佳； ( 3 ) 防止发动机和传动系过载，提高零件使用寿命； ( 4 )具有良好的自适应性； ( 5 ) 提高汽车的通过性； ( 6 ) 汽车有害排放物下降； ( 7 ) 减少换挡冲击。 2 缺点 ( 1 )结构复杂，成本高，维修不便； ( 2 ) 传动效率低。其液力变矩器效率为8 2 一8 6 ，传动效率低，降低了汽 车的燃油经济性。 1 4 国内市场预测 目前，我国汽车工业正处于发展和提高时期。据国家公安部统计数据显示， 在1 9 9 5 2 0 0 1 年我国汽车保有量为1 0 4 0 万1 8 0 2 万辆，年均净增量在1 0 0 万辆 左右。2 0 0 0 一2 0 0 2 年实际汽车保有量分别为1 6 0 8 9 1 万、1 8 0 2 0 4 万和2 0 5 3 1 7 万 辆，年平均净增2 0 0 万辆左右；截至2 0 0 3 年底，中国汽车保有量为2 4 2 1 1 6 万辆， 比2 0 0 2 年净增近4 0 0 万辆。这些数据预示，2 0 0 3 2 0 1 0 年我国汽车保有量以及 由此带动的汽车需求量将继续呈加速增长的趋势。专家预测2 0 1 0 年中国汽车保有 量可达7 0 0 0 万辆 c i o 。中国国务院发展研究中心市场经济研究所有关负责人预 测，十年后中国汽车保有量能达到1 亿辆，未来1 0 年汽车工业将快速发展。 按照我国汽车工业产业政策的规划，到2 0 10 年我国轿车产量将达4 0 0 万辆。 根据公安部统计信息，2 0 0 2 年我国私人汽车保有量达到9 6 9 万辆，截至2 0 0 3 年 底，我国私人汽车保有量己达1 2 4 2 7 7 万辆。从19 9 2 年到19 9 9 年，我国私人汽 车保有量用了7 年时间从10 0 万辆增至5 0 0 万辆。从2 0 0 0 年到2 0 0 3 年，仅用4 3 液力机械自动变速器的研究 年的时间私人汽车保有量就从5 0 0 万辆增加到1 2 0 0 万辆。统计还显示，截至2 0 0 3 年底，我国共有机动车驾驶员10 3 亿人，相比2 0 0 2 年，增长了1 24 随着轿车 快速进入家庭，非职业驾驶员和女性驾驶员大量增加，对自动换挡系统的需求r 旋旺盛。而由于大量非职业驾驶人员的出现和对汽车性能耍求的提高，装各自动 变速器的至少占1 0 ，再加上部分大客车也采用自动变速器，对自动变速器的需 求量将在2 0 万台以上。这对丁我国a 动变速器行业的市场而言，将是一个极好的 发展机遇。 1 5 液力机械式自动变速器的组成和原理 如图l1 和12 所示现代汽4 三自动变速 ； 普遍采用的是液力变矩器和行星齿 轮变速器组合而成的电液控制液力机械式自动变速器。其工作原理是：节气门传 感器和车速传感器将发动机节气门f 度和车辆行驶速度转变为电信号，连同其它 反映汽车各部分和系统作情况的传感器信号一起，送到电予撺制系统的电子控 制啦元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，简称e c u ) “i 。然后，输入信号与存储在e c u 存储器中的控制规律进行比较计算，并由e c u 向卡h 应的若干个电液比例阀发山指 令，调肯流向控制削等的液压油压，使执行机构各离合器和制动器动作得到控制 从而精确地控制换挡时机和锁止离合器的j 二作。电液控制涟力机械式a 动变速器 的鲥成和控制原f h 如剀13 所不。它 要由液力传动装置( 液力变矩器) 、机械变 述装置、液压择! 制竹兀和r 乜了控制竹元4 部分组成。以下对各部分作简要介绍： 1 液山传动装置 汽车液力传动姨背分为液力偶俞鞴和液力变矩器，现代自动变速器液力传动 装置大都采用液力变矩器。变矩器安装于发动机e 轮1 ，它通过液力传递力矩， 可在定的范刚内实现增扭和无极变速。 图11 前轮驱动的液力机械自动变速器结构图 图12 后轮驱动的液力机械变速器结构图 2 机械变速装置 机械变速装置采用行星齿轮式变速器。凌变速器是用行星排机构来选到变速 的同的，它依靠离含器和制动器根据行车需望束连接或制动行星排的小同j o t l ， 从而吱现变速器的不同速比。其作h j 是进步增扭减速，通过变换挡位实现小同 的化动比，以提岛汽车的适应能力。， 图13 液力机械自动变速器的控制原理图 3 液压控制单元 液压控制单元起传递、控制、操纵、冷却和润滑等功能，主要由油泵、t 调 压阀、节流阀、于控阀、电液比例阀等组成。液压控制系统受电控系统的控制， 液力机械自动变速器的研究 按照行车要求，把液压油输入到需要工作的离合器或制动器油缸内，以改变变速 器速比，达到行车要求。 4 电子控制系统：包括信号输入装置、控制电路和执行机构等三部分。 ( 1 ) 信号输入装置：包括传感器和信号开关装置。信号输入装置负责将汽 车行驶的有关状态信息转变为电信号，以便控制电路接受。传感器信号一般有模 拟量、脉冲量、开关量等3 种形态。 ( 2 ) e c u ：电子控制单元是电子控制系统的核心，接收传感器检测到的汽 车行驶状态信息和驾驶员给出的干预信息，并进行比较运算。再按照某种规律发 出指令，自动控制传动系统工作。e c u 主要由输入通道、控制器和输出通道3 部 分组成。输入通道接收各种输入，控制器将这些信号与内存中的数据进行对比， 根据对比结果做出是否换挡等决定，输出装置将控制信号处理或直接输送给电磁 阀等执行机构。 ( 3 )执行器：主要指电液比例阀，它根据e c u 的命令调节液压回路压力。 1 6 本论文的主要研究内容 本论文围绕液力机械自动变速器的效率、换挡质量以及换挡控制技术进行如 下研究： 1 通过对液力机械式自动变速器组成部分的分析研究，建立5 挡液力机械式 自动变速器传动模型。 2 液力机械自动变速器的传动效率低，为了提高变矩器效率，采用了带锁定 离合器的变矩器，并对其进行打滑控制。通过电液比例阀提高变矩器液压控制系 统的精度。 3 通过对换挡品质控制理论研究，并以其为目的对5 挡液力机械式自动变速 器的行星齿轮机构进行动力和运动学分析。采用电磁换挡阀的换挡操纵系统结构 复杂和控制精度不高，因此对5 挡液力机械式自动变速器的换挡液压系统进行优 进。 4 对液力机械式自动变速器自动换挡技术进行分析，重点包括动力性换挡规 律、经济性换挡规律和智能换挡控制。 6 硕+ 学位论文 第2 章液力机械式自动变速器的传动模型 2 1 液力变矩器 液力变矩器是通过液体动量矩的变化来改变转矩的一种传动元件，它除了起 离合器的作用外，还具有无级连续变速和改变转矩的能力，对外负载有良好的自 动调节和适应性【7 】。 2 1 1 液力变矩器的分类和特点 由于不同车辆对液力变矩器有着不同的性能要求，因此液力变矩器的结构形 式多种多样，根据液力变矩器结构和性能特点，可按以下几种情况进行分类【8 】： 1 根据工作轮在循环圆中排列的顺序可分为b ( 泵轮) 一t ( 涡轮) 一d ( 导轮) 型 和b d t 型。在b t d 型液力变矩器中，涡轮的旋转方向一般和泵轮旋转方向 相同，称为正转液力变矩器。在b d t 型液力变矩器中，易使祸轮和泵轮的旋转 方向相反，常作为反转液力变矩器。目前，在各种车辆上广泛采用的是各种类型 的b t d 型液力变矩器，而b d - t 型液力变矩器应用不多。仅用在个别液力机 械变矩器中，为了解决双流传动中的功率反传现象，才采用b d t 型液力变矩器。 2 根据液力变矩器中各工作轮的组合和工作状态不同，液力变矩器可能实现 的本质不同的液力传动形态数目可分为单相、两相和多相。 3 根据液力变矩器中泵轮的数目，液力变矩器可分为单泵轮和双泵轮。双泵 轮液力变矩器实际上属于多相液力变矩器的一种。 4 根据液力变矩器中涡轮的数目或涡轮叶栅的列数，液力变矩器可分为单 级、两级、三级和多级。多级液力变矩器可获得比单级液力变矩器较高的起动变 矩比，同时可扩大高效区的工作范围，但其结构比单级复杂得多，而且价格昂贵。 因此，多级液力变矩器在车辆上的使用范围减小，而逐渐被单级多相或液力机械 变矩器所代替。 5 根据液力变矩器中涡轮的形式不同，可分为轴流式、离心式和向心式涡轮 液力变矩器。 6 根据液力变矩器的泵轮和涡轮能否闭锁成一体工作，可分为闭锁式和非闭 锁式液力变矩器。 液力变矩器在汽车液力传动中得到广泛应用，其具有以下特点： 1 提高车辆通过性和低速行驶稳定性； 2 提高发动机的工作效率； 3 提高车辆驾驶乘坐的舒适性； 7 液力机械自动变速器的研究 4 提高车辆传动系的使用寿命； 5 使汽车具有良好的自适应性； 6 液力传动系统效率较机械传动系统的效率低。 2 1 2 锁式液力变矩器 液力耦合器只能传送动力，无法增加力矩，适用于高速；液力变矩器在低速 是却能增大输出力矩，在高速时传动效率差，适用于低速。因此，三元件单级两 相带锁止离合器的液力变矩器( 锁式液力变矩器) 就是将两者优点结合，弥补两 者缺点的元件。锁式液力变矩器在静止及低速时相当于液力变矩器，在高速时又 是液力耦合器，其传动简图如图2 1 所示。 【 r o 或m 。( q 一鸭) 0 ；对于向心式的涡轮而言，离 心力作负功，a 0 ；对于固定不动的导轮而言，离心力不做功，a = 0 。 2 欧拉方程式： 设单位重量的液体在工作轮入口和出口处所具有的总能量为 e ：五十旦+ 堕 ( 3 3 ) r 2 9 巨：z ，+ 丝+ 堕 ( 3 4 ) ， 2 9 则单位重量的液体在工作轮中流过时受叶片作用结果的能量增加值日为： 巨+ 日= 巨+ zh 7 ( 3 5 ) 由式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 和( 3 5 ) 得： z l + 旦+ 芝+ 日：z 2 + 丝+ 堕+ 2 1 ， 2 9 2 ， g 1 ( 3 6 ) 将式( 3 1 ) 与( 3 6 ) 相减得： 日：生量一堕丑+ 兰h 2 92 92 9 ( 3 7 ) 由式( 3 7 ) 可以看到，在旋转的工作轮中，液流在出口和入口的总能量是不 相等的，液体流经工作轮后的能量变化是由下列三个因素决定的，即： ( 1 )液体质点在进入工作轮前和离开工作轮时，由于绝对速度的变化所引 起的动能的变化； ( 2 )液体质点在流道中作相对运动时，由于流道断面变化引起相对速度变 化时，所引起的压能变化； ( 3 ) 液体质点在牵连的旋转运动中，由于离心力的作用而引起的压能变化。 1 8 硕十学位论文 由工作轮进、出口处液体质点的速度三角形如图2 3 可知： = 彳+ “卜2 v l “i c o sl ( 3 8 ) w 2 = 吒+ “；一2 v 2 u 2c o s c r 2 ( 3 9 ) 屹l2mc o s ( 3 1 0 ) 屹22v 2c o s 口2 其中，口。，一入1 2 1 和出口处绝对速度与圆周速度的夹角( r a d ) 将式( 3 10 ) 和( 3 11 ) 分别代入( 3 8 ) 和( 3 9 ) 得： 砰= 评+ “? - 2 u 。h w 2 = 嵋+ “；- 2 v 2 u 2 将式( 3 1 2 ) 和( 3 13 ) 代入( 3 7 ) 得： ( 3 11 ) ( 3 1 2 ) ( 3 13 ) h ：u 2 v 2 - u l v l ( 3 1 4 ) g 式( 3 1 4 ) 为欧拉方程式，它表示了当工作液体流经旋转的工作轮后，液体 能量的变化与液体流动情况变化之间的关系。欧拉方程式是能量守恒定律在叶片 式液力机械上的应用，它是研究液力传动工作轮中能量交换的基本理论依据之一。 3 变矩方程： 工作液体通过泵轮，将泵轮的机械能转化为液体能，不考虑损失，根据能量 守恒可得： m b c o a 。, o g q h s ( 3 1 5 ) 其中，m 占一泵轮的输入力矩( n m ) ； p 一工作液体的密度( k g m 3 ) ； q 一工作液体通过泵轮的流量( m 3 s ) 。 将式( 3 1 4 ) 代入( 3 1 5 ) 并整理得： m b2 胆( 吃z z 心- - ) ( 3 1 6 ) 同理可得作用在涡轮和导轮的力矩： m r2 p q ( r 7 1 2 v u 7 2 一辟t 屹r 1 ) ( 3 1 7 ) 1 9 液力机械自动变速器的研究 m d = p q ( 2 v u d 2 一r d l v u d l ) ( 3 1 8 ) 以上三式即为叶片机械力矩方程，m 为工作液体与工作轮相互作用的力矩， 当数值为正时，表明液体流经工作轮时得到力矩；若数值为负时，表明液体对工 作轮作用了力矩。 根据一维束流理论假设，液流在无叶片区流动时，没有能量的交换和能量的 损失，因而后一工作轮入口处和前一工作轮出口处的液体流动状况相同，即： 辟l 屹7 l2r b z v u b z ( 3 1 9 ) 如l v u d l = 碍2 屹r 2 i l = 2 2 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 将式( 3 16 ) 、 ( 3 17 ) 和( 3 18 ) 相加并把( 3 19 ) 、( 3 2 0 ) 、( 3 2 1 ) 式代入整理得： 一m 7 = m 口+ m d ( 3 2 2 ) 在式( 3 2 2 ) 中，m 。与m d 的作用方向相同，肘。与m r 的作用方向相反，因 此液力变矩器涡轮的输出力矩大于泵轮的输入力矩，从而实现了变矩的作用。液 力变矩器之所以能有变矩的作用，就是因为有导轮作用力矩的存在。当液力变矩 器处于某一工况时，m n = 0 ，则一m 丁= m 。，则称此工况为耦合器工况。 3 1 2