液力传动装置 利用液力传递发动机扭矩，有两种方式：一为偶合器，只能传递扭矩；二为变扭器，它既能传递扭矩又能增大扭矩(即降速增扭)，是应用较广的液力传动装置。 一、变扭器的构造 汽车常用的液力变扭器为三元件变扭器，主要由泵轮(b)、涡轮(w)和导轮(d)组成。如图11-2所示，泵轮8为主动件，由若干曲面叶片组成，固定在变扭器壳7内，发动机曲轴同步转动；涡轮5为从动件，也由若干叶片组成，它通过花键与变速器输入轴连与接；导轮9介于泵轮和涡轮之间，通过单向自由轮与套管14相连，其上也有若干叶片(液力偶合器没有导轮)。叶片的内圆有导流环，促进油液的循环。泵轮的叶片数目多于涡轮的叶片数，可防止传力时发生共振现象，各工作轮的叶片均弯曲成一定的形状。 图11-2 液力变扭器的结构简图 1-滚柱；2-塑料垫片；3-涡轮轮毂；4-曲轴凸缘；5-涡轮；6-起动齿圈；7-变扭器壳；8-泵轮；9-导轮；10-自由轮外座圈；11-自由轮内座圈；
12-泵轮轮毂；13-变扭器输出轴(行星齿轮变速器第一轴)；14-导轮固定套管；15-推力垫片；16-自由轮机构盖 二、变扭原理 1.涡流的产生 如图11-3所示，当泵轮随飞轮转动时，由于离心力的作用，液体沿泵轮叶片间的通道向外缘流动，外缘的油压高于内缘的油压，其压力差的大小取决于泵轮的半径和转速。若涡轮处于静止状态或其转速低于泵轮的转速，则泵轮外缘的油压高于涡轮外缘的油压，泵轮内缘的油压低于涡轮内缘的油压。因泵轮和涡轮封闭在同一壳体内，泵轮外缘的油液冲流到涡轮的外缘，并沿涡轮叶片间的通道向内缘流动，在此过程中，涡轮受到液流压力，带动涡轮与泵轮同向转动。涡轮内缘的液体又流向泵轮内缘，可见在轴向断面(循环圆)内，液体流动形成循环流，称为“涡流”。泵轮与涡轮的转速差愈大，涡流愈大，流量就愈大，传递的扭矩愈大。若转速差为零，涡流就停止运动，不再传递扭矩。 图11-3 涡流和环流的产生 1-泵轮；2-涡轮 2.环流的产生 因涡流的产生，液体冲击涡轮，使两轮间产生牵连运动，涡轮产生绕轴旋转的扭矩。可见，循环圆内的液体绕轴旋转形成“环流”。其大小取决于泵轮转速的高低。 上述两种油流的合成，形成一条首尾相接的螺旋形传力油流(图11-4)。当涡轮的扭矩大于汽车的行驶阻力矩时，汽车才能行驶。 图11-4 涡流和环流的合成图 可见，由泵轮和涡轮二元件组成的传力装置，即为液力偶合器。 涡轮的扭矩(mw)和泵轮的扭矩(mb)的关系式为：mw≤mb，故液力偶合器不能使输出扭矩增大，只起液力联轴离合器的作用。 3.导轮(d)的作用 1)作用 螺旋形油流的回流方向与泵轮的旋转方向相反(图11-5)，阻止了泵轮的旋转，能量损失较大，这是液力偶合器的缺点。利用导轮可引导油流的流向，使涡轮的扭矩(mw)增大2～4倍(图11-6)。 图11-5 液力偶合器泵、涡轮的展开图 图11-6 导轮的作用(展开图) 2)原理 当涡轮的转速(nw)较低或为零时，泵轮高速旋转，将油液冲向涡轮，带动涡轮旋转的同时，液流又沿叶片高速冲击导轮的叶片。因导轮被锁止不能反转，射流力的反作用力又反传给涡轮的叶片。作用在涡轮上的扭矩(mw)，不仅有泵轮施加给涡轮的扭矩(mb)，还有导轮的反作用力矩(md)，即：mw =mb+md 涡轮扭矩的增大决定于它与泵轮的转速差(δn)。转速差(δn)的大小影响射入涡轮液流的va、vb、vc三个速度的大小和合成的方向(图11-7)。 图11-7 转速差对涡轮扭矩的影响 a)当nw=0时；b)当nw≈nb时 va-沿涡轮叶片的流速(涡流速度)；vb-涡轮的环流速度；vc-射入导轮液流的速度(合成速度) (1)当涡轮的转速为零时(nw=0)，转速差大，环流速度vb较小，涡流速度va较大，射入导轮的合成速度vc大，冲击导轮的正面，产生的反作用力矩(md)大，使mw增大(图11-7a)。 (2)当涡轮的转速接近泵轮的转速时(nw≈nb)，转速差小，环流速度vb加大，涡流速度va减小，射入导轮的合成速度vc很小，而且方向朝向导轮的背面(图11-7b)。因导轮的反作用回流造成能量损失，使mw减小，即mw=mb-md。 因合成速度vc的方向随转速差的减小在图中沿反时针方向变化，故出现三种情况： a.当nw=0时，此时nb>nw油液速度vc流向导轮的正面，md>0，mw=mb+md，可见mw>mb，起变扭作用。 b.当nw>0，接近0.85nb转速时，油液速度vc与导轮叶片相切，md=0，mw=mb，为偶合器(液力联轴器)。此转速称为“偶合工作点”。 c.当nw≈nb时，油液速度vc流向导轮的背面，md为负值，导轮欲随泵轮同向旋转，导轮对油液的反作用力冲向泵轮正面，故mw = mb-md。 当涡轮转速nw=nb时，循环圆内的液体停止流动，停止扭矩的传递。故nw的增大是有限度的，它与nb的比值不可能达到1，一般小于0.9。 三、液力传动的特性 1.定义 (1)液力传动的特性：是指当发动机转速(ne)和扭矩(me)一定时，泵轮的转速(nb)和扭矩(mb)也一定时，涡轮与泵轮之间的变扭比(k)、转速比(i)和传动效率(η)的变化规律。 (2)变扭比(k)=涡轮输出扭矩/泵轮输入扭矩= mw/mb ，一般为2～4。 (3)转速比(i)=涡轮转速/泵轮转速=nw /nb≤1，0.8～0.9最佳。 转速比(i)只能小于1，它不同于常用齿轮式变速器转速比(传动比)，是输入轴转速与输出轴转速之比(也等于输出轴扭矩与输入轴扭矩之比)。 (4)传动效率(η)= 涡轮输出功率/泵轮输入功率=nw/nb<1 2.液力传动的特性规律 图11-8为液力传动的特性曲线。从图中可以看出，自动变矩和传动效率之间存在矛盾，规律是： 图11-8 液力传动的特性曲线 1)变矩比与转速比(i)的关系 变矩比(k)随转速比(i)的增大而减小，又随着i的减小而增大。这一特性有利于行驶阻力变化较大的汽车，适应性好，在一定的范围内能自动无级变扭。例如： (1)怠速时，液流速度低，mw小，涡轮不动，汽车不能行驶。 (2)起步时，nw=0，nb>nw，k>1，mw最大，能产生高能量克服静止惯性。此时的变扭比多在1.7～2.5之间，称为“起步变扭比”，或称为“失速变扭系数”。k越大，说明汽车的加速性能越好。在路面附着条件允许的条件下，k越大，汽车起步时的牵引力越大。 (3)逐渐加速时，nw增大，mw减小，达到偶合点时，k=1，mw=mb。再加速时，mw<mb。而汽车经常使用的转速比(i)多在0.8～1之间，需采取措施来改进偶合区的性能。例如：增设单向自由轮或锁止离合器等。 2)变扭器的传动效率与转速比(i)的关系 变扭器的传动效率(η扭)随i的增大而增大，在转速比(i)为0.8时最高，转折点在偶合点附近(i=0.8)。因导轮的存在，η扭曲线呈抛物线形状，超过偶合点，在i =0.95时迅速下降。 可见，变扭器在低速区能自动变扭，传动效率随转速比的升高而降低，出现液力损失和功率损失，两轮的转速差可达4%～5%。为进一步提高和扩大变扭器的高效率范围，改善变扭器的使用性能(提高传动效率和降低燃料消耗)，在变扭器中加装单向自由轮和锁止离合器。 四、单向自由轮和锁止离合器 1.目的 为实现“自动变扭”和“自动偶合”的相互转换(在低速区为变扭器，在高速区为偶合器)，在导轮上装有单向自由轮或单向锁止离合器，使导轮在低速区时锁止，在高速区能顺时针转动，减小导轮背面通过油流对泵轮的反作用力，提高传动效率η扭。 2.单向自由轮 (1)作用 单向自由轮有滚柱斜槽式和楔块式两种(图11-9)，装在导轮固定的内圈和转动的外圈之间。冲击导轮的油液欲使导轮逆泵轮的旋转方向转动，滚柱或楔块锁止，导轮不动，产生反作用力矩(md)，起增扭作用。 图11-9 单向白由轮的构造和锁止原理(两种结构组合图) 1-楔块；2-滚柱 (2)作用原理 当涡轮转速高于偶合点转速时，油流冲击导轮背面，使导轮有顺顺泵轮旋转方向转动的趋势。如导轮固定，md与mb方向相反，k<1。而装有单向自由轮后，自由轮锁止作用解除，导轮可以顺时针方向自由转动，md=0，k=1，变扭器起偶合作用，η可达0.95。这样就扩大高效率区的范围。此种变扭器称为两相综合式，即变扭和偶合两个作用。 若单向自由轮打滑不能锁止，涡轮的液流将直接反向冲击泵轮，加大泵轮的阻力，使发动机负荷加大，严重时汽车将无力行驶。 2.锁止离合器 (1)作用 在涡轮前面加装一个液压控制的摩擦式离合器，用升压或降压控制的办法使离合器接合，将泵轮和涡轮连成一体(图11-10)，称为“三相综合式变扭器”，即变扭、偶合、锁止三个作用。 当汽车在良好路面上高速行驶时(60km/h以上)，将其接合，η=1；当汽车起步或在坏路上行驶时，将其分离，起自动变扭作用。 图11-10 锁止离合器 (2)控制机构 其控制机构多由电磁阀、锁止信号阀和锁止继动阀组成(参阅图11-31)，用来控制离合器的接合与分离。 3.单向自由轮的工作特点 单向自由轮不仅应用于变扭器中，在行星齿轮机构中也普遍采用(图11-11)，其工作特点 如下： (1)固定内圈，外圈转动时，逆时针转动锁止，顺时针转动自由。 (2)固定外圈，内圈转动时，逆时针转动自由，顺时针转动锁止。 图11-11 单向自由轮在行星齿轮机构中的应用 4.单向自由轮在行星齿轮机构中的应用 通过单向自由轮分别固定内、外圈，使可转动的内圈或外圈与行星齿轮机构三元件之一连接，其有下列作用： (1)在换档组合中，便于换档操作。 行星齿轮系统都是常啮齿轮，档位的转换是利用离合器或制动器作为执行元件，使行星齿轮机构改组来实现档位转换。换档中间须有空档过程，以便执行元件排油和充油，时间不超过1.5s。但行星齿轮机构在这极短的时间内处于自由状态，各元件的受力方向将发生变化，造成换档冲击，不能顺利换档。此时，单向自由轮能立即脱开或锁止与之相连的元件，保证换档顺利，无冲击(类似同步器的作用)。这样，液压操纵元件和油路系统大为简化。 (2)单向自由轮与液压执行元件(离合器或制动器)配合使行星齿轮机构改组来实现换档。 如单向自由轮可使行星齿轮机构的某一元件反转锁止或顺转锁止。也可实现在低速档滑行时反拖发动机，充分利用发动机制动。
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