第2章 液力自动变矩器的结构和工作原理

1、宁夏工商职业技术学院 第第2章章 液力自动变速器的结构和工作原理液力自动变速器的结构和工作原理 学习目标学习目标 了解液力耦合器的结构和工作原理了解液力耦合器的结构和工作原理 掌握液力变矩器的结构和工作原理掌握液力变矩器的结构和工作原理 学会液力变矩器的增距作用原理学会液力变矩器的增距作用原理 了解闭锁式液力变矩器的结构及其作用了解闭锁式液力变矩器的结构及其作用 液力变矩器液力变矩器 液力偶合器液力偶合器 只传递转矩但不能改只传递转矩但不能改 变转矩，早期的自动变转矩，早期的自动 变速器多用变速器多用 可传递转矩又能改可传递转矩又能改 变转矩变转矩 利用 液体在循 环流动过 程中动能 的变化来

2、 传递动力 的 不同型号的液力不同型号的液力 变矩器，结构和变矩器，结构和 原理相同？原理相同？ 自动变速器的自动变速器的 结构相同吗？结构相同吗？ 为什么？为什么？ 本章主要介绍基本的液力偶本章主要介绍基本的液力偶 合器和液力变矩器的结构和工作合器和液力变矩器的结构和工作 原理原理 2.1 液力耦合器液力耦合器 2.1.1 液力耦合器的结构液力耦合器的结构 图2-1 液力偶合器结构示意图 液力偶合器的结构：由液力偶合器的结构：由壳体、泵轮和涡轮壳体、泵轮和涡轮组成，内部设组成，内部设 有导环有导环。 传动介质：自动变速器油（传动介质：自动变速器油（ATF） 液力偶合器 壳体与发动机飞轮相连接

3、，涡轮壳体与发动机飞轮相连接，涡轮 与齿轮机构的输入轴相连接。与齿轮机构的输入轴相连接。 工作原理：以工作原理：以ATF作为传动介质，作为传动介质， 利用液体在主、从动元件之间循利用液体在主、从动元件之间循 环流动过程中动能的变化来传递环流动过程中动能的变化来传递 动力。动力。 能量传递的线路：能量传递的线路： 发动机飞轮发动机飞轮液力耦合器外壳液力耦合器外壳泵轮泵轮ATF涡轮涡轮 齿轮机构输入轴齿轮机构输入轴 2.1.2 液力耦合器的工作原理液力耦合器的工作原理 液力偶合器的液力偶合器的工作原理工作原理 动力传输：将电扇动力传输：将电扇A A与电扇与电扇B B隔开隔开 几厘米，相对放置，然后

4、打开电扇几厘米，相对放置，然后打开电扇A A， 则则A A会在两电扇间产生流动的空气，由会在两电扇间产生流动的空气，由 电扇电扇A A产生的气流冲击电扇产生的气流冲击电扇B B的叶片，使的叶片，使 电扇电扇B B转动。转动。 换句话说，电扇换句话说，电扇A A与与B B之间的动力传之间的动力传 送是以空气为介质而实现的。偶合器的送是以空气为介质而实现的。偶合器的 工作原理也是如此，泵轮相当于电扇工作原理也是如此，泵轮相当于电扇A A， 涡轮相当于电扇涡轮相当于电扇B B。只是现在是以变速只是现在是以变速 器液为介质，而不是以空气。器液为介质，而不是以空气。 2.1.2 液力耦合器的工作原理液力

5、耦合器的工作原理 图图2-2 液力偶合器工作示意图液力偶合器工作示意图 由于泵轮和涡轮的半由于泵轮和涡轮的半 径相等，故当泵轮的转速径相等，故当泵轮的转速 大于涡轮的转速时，泵轮大于涡轮的转速时，泵轮 叶片外缘的液压力大于涡叶片外缘的液压力大于涡 轮叶片外缘的液压力，于轮叶片外缘的液压力，于 是，油液不仅随工作轮绕是，油液不仅随工作轮绕 其旋转轴线作圆周运动，其旋转轴线作圆周运动， 而且在上述压力差的作用而且在上述压力差的作用 下，沿循环圆作如箭头所下，沿循环圆作如箭头所 示方向的循环流动。其形示方向的循环流动。其形 成的流线如同一个首尾相成的流线如同一个首尾相 连的环形螺旋线。连的环形螺旋线

6、。 2.1.2 液力耦合器的工作原理液力耦合器的工作原理 当发动机运转时，曲轴带动液力偶合器的壳体和泵轮当发动机运转时，曲轴带动液力偶合器的壳体和泵轮 旋转，泵轮叶片内的液压油在泵轮的带动下随泵轮一同旋旋转，泵轮叶片内的液压油在泵轮的带动下随泵轮一同旋 转。在离心力的作用下，液压油从泵轮叶片内缘被甩向外转。在离心力的作用下，液压油从泵轮叶片内缘被甩向外 缘，并从外缘冲向涡轮叶片，使涡轮在液压油的冲击作用缘，并从外缘冲向涡轮叶片，使涡轮在液压油的冲击作用 下旋转；冲向涡轮叶片的液压油沿涡轮叶片向内缘流动，下旋转；冲向涡轮叶片的液压油沿涡轮叶片向内缘流动， 返回到泵轮的内缘，被泵轮再次甩向外缘。返

7、回到泵轮的内缘，被泵轮再次甩向外缘。 2.1.2 液力耦合器的工作原理液力耦合器的工作原理 液力偶合器实现传动的必要条件：液力偶合器实现传动的必要条件： 油液在泵轮和涡轮之间有循环流动，而循油液在泵轮和涡轮之间有循环流动，而循 环流动的产生是由于两个工作轮转速不等，使环流动的产生是由于两个工作轮转速不等，使 两轮叶片的外缘处产生液压差所致。两轮叶片的外缘处产生液压差所致。 故液力偶合器在正常工作时，泵轮转速总故液力偶合器在正常工作时，泵轮转速总 是大于涡轮转速，如果二者转速相等，则液力是大于涡轮转速，如果二者转速相等，则液力 偶合器不会起传动作用。偶合器不会起传动作用。 由于液体在液力偶合器由

8、于液体在液力偶合器 中作循环流动时，没有受到中作循环流动时，没有受到 其他任何附加外力，故发动其他任何附加外力，故发动 机作用在泵轮上的转矩与涡机作用在泵轮上的转矩与涡 轮所接受并传给从动轴的转轮所接受并传给从动轴的转 矩相等，即液力偶合器不起矩相等，即液力偶合器不起 传递转矩的作用，而不改变传递转矩的作用，而不改变 转矩大小。转矩大小。 2.1.3 液力耦合器的工作效率液力耦合器的工作效率 MB=MW 液力偶合器的传动效率等于其转速比。涡轮液力偶合器的传动效率等于其转速比。涡轮 与泵轮的转速差越大，转速比越小，传动效率越与泵轮的转速差越大，转速比越小，传动效率越 低。反之，转速比越大，传动效

9、率越高。低。反之，转速比越大，传动效率越高。 图2-3 液力耦合器的特性曲线 0 (%) i=1i 理论上说，当涡轮转 速等于泵轮转速时，效率 为100%。实际上，如涡轮 转速等于泵轮转速，则涡 轮与泵轮叶片外缘处的液 压力相等，从而使得偶合 器内的循环流动停止，泵 轮与涡轮间不再有能量传 递，故传递效率为0.一般 而言，液力偶合器的最高 效率可达97%左右。 偶合器的缺陷偶合器的缺陷 液体流动的过液体流动的过 程如左图所示，程如左图所示， 当泵轮的液体冲当泵轮的液体冲 击涡轮之后，返击涡轮之后，返 回到泵轮，此时回到泵轮，此时 液体作用的结果液体作用的结果 在阻止泵轮的旋在阻止泵轮的旋 转，

10、导致发动机转，导致发动机 功率损失。功率损失。 泵轮涡轮泵轮 问： 液力偶合器能够传递扭矩，但是为何 现在没有在自动变速器中采用？ 阻阻 力力 液力偶合器的优势与不足液力偶合器的优势与不足 优势：优势： 1、泵轮和涡轮允许存在转速差，发动机可以在传动系不断、泵轮和涡轮允许存在转速差，发动机可以在传动系不断 开时保持运转；开时保持运转； 2、ATF作为传动介质，能保证汽车起步和加速的稳定性；作为传动介质，能保证汽车起步和加速的稳定性； 3、能够缓冲和衰减传动系的运转振动，防止传动系过载；、能够缓冲和衰减传动系的运转振动，防止传动系过载； 不足：不足： 液力偶合器只传递转矩，而不能改变转矩的大小。

11、液力偶合器只传递转矩，而不能改变转矩的大小。 2.2 液力变矩器液力变矩器 2.2.1 液力变矩器的结构液力变矩器的结构 图2-4 液力变矩器结构示意图 液力变矩器的结构：由壳体、泵轮、涡轮和导轮组成；液力变矩器的结构：由壳体、泵轮、涡轮和导轮组成； 液力变矩器 液力变矩器和液力偶合器结构上的区别：液力变矩器和液力偶合器结构上的区别： 1、泵轮和涡轮叶片的形状设计能将工作液流动的扰、泵轮和涡轮叶片的形状设计能将工作液流动的扰 动降到最小，减少能量的损失；动降到最小，减少能量的损失； 2、增加了导轮、增加了导轮具有增大转矩的作用。具有增大转矩的作用。 结构形式：组装式（可拆）和焊接式（不可拆）结

12、构形式：组装式（可拆）和焊接式（不可拆）。 2.2.2 液力变矩器的工作原理液力变矩器的工作原理 泵轮由曲轴驱动，涡轮转泵轮由曲轴驱动，涡轮转 轮与变速器输入轴连接，导轮轮与变速器输入轴连接，导轮 由单向离合器及定轮轴与变速由单向离合器及定轮轴与变速 器壳体固定，所有这些部件则器壳体固定，所有这些部件则 全部安装于变矩器壳体内。变全部安装于变矩器壳体内。变 矩器内充满由泵提供的自动变矩器内充满由泵提供的自动变 速器油。变速器油被泵轮甩出，速器油。变速器油被泵轮甩出， 成为一股强大油流，推动变矩成为一股强大油流，推动变矩 器蜗轮转动。器蜗轮转动。 2.2.2 液力变矩器的工作原理液力变矩器的工作

13、原理 图2-5 液力变矩器工作轮展开示意图 B-泵轮；W-涡轮；D-导轮 图2-6 液力变矩器工作原理图 宁夏工商职业技术学院 2.原理 泵轮的力矩MB，涡轮的力 矩MW，导轮推动油的力矩 MD MB + MD = MW MWMB 三三 .液力变矩器液力变矩器 当液流冲击进入涡流时，对涡当液流冲击进入涡流时，对涡 轮有一作用力矩，此为泵轮给液流轮有一作用力矩，此为泵轮给液流 的力矩；当液流从涡轮流出冲击导的力矩；当液流从涡轮流出冲击导 轮时，对导轮也有一作用力矩，因轮时，对导轮也有一作用力矩，因 导轮被固定在变速器壳体上，从而导轮被固定在变速器壳体上，从而 导轮给液流的反作用力矩通过液流导轮给

14、液流的反作用力矩通过液流 再次作用在涡轮上，使得涡轮的转再次作用在涡轮上，使得涡轮的转 矩等于泵轮转矩与导轮转矩之和矩等于泵轮转矩与导轮转矩之和。 当当nw , 液流绝对速度液流绝对速度v方方 向继续向左倾，如图向继续向左倾，如图v3所示所示 ，液流冲击导轮叶片反面，液流冲击导轮叶片反面， 导轮转矩方向与泵轮转矩方导轮转矩方向与泵轮转矩方 向相反，则涡流转矩为前二向相反，则涡流转矩为前二 者转矩之差，者转矩之差，MW=MB-MD所所 以变矩器输出转矩反而比输以变矩器输出转矩反而比输 入转矩小。当涡轮转速增大入转矩小。当涡轮转速增大 到与泵轮转速相等时，工作到与泵轮转速相等时，工作 液在循环圆内

15、的循环流动停液在循环圆内的循环流动停 止，不能传递动力。止，不能传递动力。 2.2.3 液力变矩器特性及工作效率液力变矩器特性及工作效率 ，MW 0 nB=常数 =f(nW) MW=f(nW) MW=f(nW) nW 图2-7 液力变矩器的特性曲线 涡轮转矩是随涡轮转速的改变而 连续变化的。当汽车起步，上坡或遇 到较大阻力时，如果发动机的转速和 负荷不变则车速将下降，即涡轮转速 降低。于是涡轮转矩相应增大，因而 使驱动轮获得较大的力矩，保证汽车 能克服增大的阻力而继续行驶。所以 液力变矩器本身就是一种能随汽车行液力变矩器本身就是一种能随汽车行 驶阻力的不同而自动改变输出转矩的驶阻力的不同而自动

16、改变输出转矩的 无级变速器。此外，液力变矩器同样无级变速器。此外，液力变矩器同样 也具备使汽车平稳起步，衰减传动系也具备使汽车平稳起步，衰减传动系 的扭转振动，防止传动系超载等作用。的扭转振动，防止传动系超载等作用。 由图中也可看出，液力变矩器的效率 曲线随涡轮转速变化呈两头小，中间 大的形态，最高效率接近90%。 2.2.4 典型液力变矩器介绍典型液力变矩器介绍 1.三元件综合式液力变矩器三元件综合式液力变矩器 综合式液力变矩器：可以转入液力综合式液力变矩器：可以转入液力 偶合器工况工作的变矩器。偶合器工况工作的变矩器。 组成：泵轮、涡轮、导轮、单向离合器组成：泵轮、涡轮、导轮、单向离合器

17、特点：变矩器壳体由前半部外壳与泵轮两特点：变矩器壳体由前半部外壳与泵轮两 部分焊接而成。部分焊接而成。 图2-8 三元件综合式液力变矩器 图2-9 液力变矩器的单向离合器 为什么要使用综合式液力变矩器？为什么要使用综合式液力变矩器？ 因为当涡轮处于低速和中速段时，可利用因为当涡轮处于低速和中速段时，可利用 液力变矩器能增大输入转矩的特点，而在涡轮液力变矩器能增大输入转矩的特点，而在涡轮 处于高速段时，可利用液力偶合器高效率的特处于高速段时，可利用液力偶合器高效率的特 点，即结合了普通液力变矩器和偶合器的优点点，即结合了普通液力变矩器和偶合器的优点 。 ，K K b a K=1 ik=1 0 i

18、 图2-10 三元件综合液力变矩器特性 1.1.变矩系数变矩系数K K为液力变矩器为液力变矩器 输出转矩与输入转矩之比输出转矩与输入转矩之比。 K=MW/MB 2.转转速比速比i=nw/nb 3. . b为变矩器的效率，为变矩器的效率， a为偶合器的效率。为偶合器的效率。 所以说，液力变矩器所以说，液力变矩器 在低速时按变矩器特性工在低速时按变矩器特性工 作，当转速比作，当转速比i=ik-1i=ik-1后，后， 转为偶合器特性工作，从转为偶合器特性工作，从 而扩大了高效率工作范围。而扩大了高效率工作范围。 偶合工偶合工 况点况点 2、四元件综合式液力变矩器、四元件综合式液力变矩器 具备双导轮，

19、使得高效率的区域更宽。具备双导轮，使得高效率的区域更宽。 图2-11 四元件综合式液力变矩器 图2-11 四元件综合式液力变矩器 两个导轮两个导轮 具有不同具有不同 的叶片进的叶片进 口角度口角度 工作原理：工作原理： 两个导轮具有不同的叶片进口角度，在两个导轮具有不同的叶片进口角度，在 低转速比时，两个导轮均被单向离合器锁住，低转速比时，两个导轮均被单向离合器锁住， 按变矩器工作。在中转速比时，涡流出口液流按变矩器工作。在中转速比时，涡流出口液流 开始冲击第一导轮叶片背面，第一单向离合器开始冲击第一导轮叶片背面，第一单向离合器 松开，第一导轮与涡轮同向旋转，仅第二导轮松开，第一导轮与涡轮同向

20、旋转，仅第二导轮 仍在起变矩作用。在高转速比时，涡轮出口液仍在起变矩作用。在高转速比时，涡轮出口液 流冲击第二导轮叶片背面，其单向离合器松开流冲击第二导轮叶片背面，其单向离合器松开 ，第二导轮也与涡轮作同向旋转，变矩器全部，第二导轮也与涡轮作同向旋转，变矩器全部 转入偶合器工况工作。转入偶合器工况工作。 20世纪世纪60年代到年代到80年代我国生产的红旗年代我国生产的红旗 CA770高级轿车的液力变矩器，采用的就是双高级轿车的液力变矩器，采用的就是双 导轮结构，增大了变矩器的高效率工作范围，导轮结构，增大了变矩器的高效率工作范围， 但因结构更加复杂，近十多年已经很少使用。但因结构更加复杂，近十

21、多年已经很少使用。 汽车使用液力变矩器，具有很多优点，如汽车使用液力变矩器，具有很多优点，如 提高了汽车起步性能、加速性能和换档性能，提高了汽车起步性能、加速性能和换档性能， 增加了动力传动系统的减振隔振，减小了动载增加了动力传动系统的减振隔振，减小了动载 荷，使工作寿命延长等。但是液力变矩器存大荷，使工作寿命延长等。但是液力变矩器存大 着液力损失，与机械传动相比其效率降低，且着液力损失，与机械传动相比其效率降低，且 效率曲线随工况变化，最高效率也只有效率曲线随工况变化，最高效率也只有85%- 90%，因而在正常行驶时油耗较高，经济性差，因而在正常行驶时油耗较高，经济性差 。同时其效率低，损失

22、的能量转变成热量，必。同时其效率低，损失的能量转变成热量，必 须进行强制散热，从而增大了自动变速器的体须进行强制散热，从而增大了自动变速器的体 积和质量。积和质量。 在平坦路面上行驶时，液力传动的优点不在平坦路面上行驶时，液力传动的优点不 太明显，相反机械传动，则可提高效率，改善太明显，相反机械传动，则可提高效率，改善 经济性。这种情况下，出现了闭锁式液力变矩经济性。这种情况下，出现了闭锁式液力变矩 器，可实现液力变矩器传动和机械直接传动两器，可实现液力变矩器传动和机械直接传动两 种工况，将两种传动的优点结合起来种工况，将两种传动的优点结合起来 3、闭锁式液力变矩器、闭锁式液力变矩器 在平坦路

23、面上及高速行驶时可实现在平坦路面上及高速行驶时可实现 直接传动，将液力变矩器传动和机械直直接传动，将液力变矩器传动和机械直 接传动两种优点结合于一体。接传动两种优点结合于一体。 内部有一个由液压操纵的闭锁离合内部有一个由液压操纵的闭锁离合 器，或称锁止离合器。器，或称锁止离合器。 图2-12 闭锁式液力变矩器 从从动盘动盘 （压盘压盘） 主主动盘动盘 锁止控制阀接通变锁止控制阀接通变 矩器压力油路时矩器压力油路时 锁止控制阀接通变锁止控制阀接通变 矩器回油路时矩器回油路时 锁止控制阀接通变锁止控制阀接通变 矩器压力油路时矩器压力油路时 压盘两侧的压力相同， 闭锁离合器呈分离状态， 动力须经液力

24、变矩器传 递，可充分发挥液力传 动减振吸振、自适应行 驶阻力剧烈变化的优点， 适合于汽车起步、换档 或在坏路面上行驶工况 使用。 锁止控制阀接通变锁止控制阀接通变 矩器回油路时矩器回油路时 闭锁离合器接合，动 力经闭锁离合器实现机 械传动，此时泵轮与涡 轮成为刚性联接发，传 动效率高，提高了汽车 行驶速度和燃油经济性。 闭锁离合器接合时，导轮单向离合器即脱 开，导轮自由旋转，涡轮与泵轮同速转动，但 与导轮有一定的转速差，因此变矩器内仍有少 量的油液循环流动，从而有一定的液力损失， 即成为机械传动，此时传动效率略低于100%。 锁止控制阀的操纵，可以根据车速、节气锁止控制阀的操纵，可以根据车速、节气 门参数按比例转换的液压信号进行控制。现在门参数按比例转换的液压信号进行控制。现在 在多采用的是根据车速、节气门参数按比例转在多采用的是根据车速、节气门参数按比例转 换的电压信号，邮电脑控制。换的电压信号，邮电脑控制。 2.2.5 液力变矩器的冷却补偿系统液力变矩器的冷却补偿系统 液力变矩器工作时总存在一些功率损失，液力变矩器工作时总存在一些功