液力耦合器与液力变矩器

4.2.1 液力耦合器

1.液力耦合器的结构和工作原理

液力耦合器主要由泵轮、涡轮和耦合器外壳等部件组成。其中泵轮与发动机曲轴相连，涡轮与从动轴相连，泵轮和涡轮之间没有机械连接关系，二者之间靠液体流动来传递动力。液力耦合器的工作原理可以用水泵带动水轮机转动、一个风扇通过气流带动另一个风扇转动的原理加以理解，如图4-3所示。

图4-3 液力耦合器工作原理解释

液力耦合器以工作液ATF(液力机械变速器油的缩写)作为传动介质，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动力。发动机带动泵轮旋转时，ATF在泵轮叶片的带动下一起旋转，绕输入轴和输出轴的轴线作圆周运动。圆周运动产生离心力， ATF从泵轮中心向四周沿叶片方向甩出;在叶片与叶片组成的空间里，ATF从叶片内缘向叶片外缘流动。因此，叶片外缘处压力较高，而内缘处压力较低，其压力差取决于工作轮的半径和转速等参数。这样由曲轴输入的机械能就转变为ATF的动能和液压能。在ATF尚未进入涡轮的时候，涡轮叶片外缘的液压低于泵轮叶片外缘处的液压，于是在此压力差的作用下，ATF从泵轮流入涡轮。与此同时，ATF冲击涡轮叶片，推动涡轮与泵轮同方向旋转，从而带动液力耦合器的输出轴转动。这样ATF的动能和液压能又转变为输出轴的机械能。ATF推动涡轮旋转后，顺涡轮叶片从外缘流向内缘，再返回到泵轮的内缘，如此不断地循环流动传递动力。

从上述液力耦合器工作原理可以看出，在液力耦合器内部，ATF同时具有两种旋转运动:其一是随同工作轮一起作绕工作轮轴线的圆周运动(牵连运动);其二是经泵轮到涡轮，又从涡轮返回泵轮，重复循环，ATF沿工作腔循环圆作环流运动(相对运动)。ATF的绝对运动是两种旋转运动的合成，运动方向是斜对着涡轮冲击叶片的。这样ATF在液力耦合器内部的流线是一条首尾相接的环形螺旋线。所以，能量的转换是ATF在耦合器内部空间螺旋运动中完成的。因此，液力耦合器实现传动的必要条件是ATF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，使两轮叶片的外缘处产生压力差所致。转速差越大，压力差也越大，则作用于涡轮叶片的力矩也就越大。故液力耦合器在正常工作时，泵轮转速总是大于涡轮转速。

2.采用液力耦合器的优点

(1)保证汽车平稳起步。

(2)衰减传动系统的扭转振动。

(3)防止传动系统过载。

(4)显著减少换挡次数。

3.采用液力耦合器的缺点

(1)只能传递转矩，不能改变转矩大小。

(2)不能取代离合器，使传动系统纵向尺寸增加。

(3)传动效率较低。

4.2.2 液力变矩器

1.液力变矩器的组成、工作原理和特性

1)液力变矩器的组成

液力变矩器主要由泵轮、涡轮、导轮和变矩器外壳等部件组成，与液力耦合器的最大区别是增加了导轮。图4-4所示为其组成，图4-5所示为其示意图。

图4-4 液力变矩器的组成

图4-5 液力变矩器示意图

2)液力变矩器的工作原理

依据液流方向将工作轮按泵轮→涡轮→导轮展开，得到图4-6。液力变矩器的工作原理如图4-7所示。

图4-6 液力变矩器工作轮展开示意图

液力变矩器的工作原理如下:

(1)当n W=0时，M'W=MD+MB，涡轮受力大于泵轮;

(2)随着n W的增加，u增加，使v的方向改变，当涡轮流出的液流正好沿导轮出口方向冲向导轮时，MD=0，MW=MB;

(3)随着n W的继续增加，u增加为u＇，v的方向改变为v＇，MW=MB-MD;

(4)当n W=n B时，工作液在循环圆中的循环流动停止，将不能传递动力。

3)液力变矩器特性

液力变矩器有两个重要的特性参数，即液力变矩器传动比i和液力变矩器变矩系数K，如图4-8所示。

图4-7 液力变矩器工作原理示意图

图4-8 液力变矩器特性(n B=常数)

(1)液力变矩器传动比:。

(2)液力变矩器变矩系数:。

2.几种典型液力变矩器

1)三元件综合式液力变矩器

三元件综合式液力变矩器即由泵轮、涡轮和导轮三个主要元件组成的液力变矩器，如图4-9至图4-12所示。

其中单向离合器作用是只允许导轮单向旋转，不允许其逆转。单向离合器的构造如图4-13所示。

图4-9 液力变矩器的组成

图4-10 泵轮的构造

图4-11 涡轮的构造

图4-12 导轮的构造

图4-13 单向离合器的构造

滚柱式单向离合器的构造和工作原理(图4-14):导轮逆时针旋转时，滚柱向外座圈和内座圈形成的楔形槽的宽槽处滚动，滚柱与外座圈(包括导轮)一起绕内座圈滚动;导轮顺时针旋转时，滚柱向楔形槽窄槽处滚动，从而阻止外座圈(包括导轮)的滚动。

图4-14 滚柱式单向离合器的构造和工作原理

楔块式单向离合器的构造和工作原理(图4-15):内座圈固定，当外座圈顺时针旋转时，楔块顺时针旋转，L1＜L，外座圈可相对楔块和内座圈旋转;反之，当外座圈逆时针旋转时，楔块逆时针旋转，L2＞L，楔块阻止外座圈旋转。

图4-15 楔块式单向离合器的构造和工作原理

单级双向三元件综合式液力变矩器的特性如图4-16所示。

图4-16 单级双向三元件综合式液力变矩器特性

2)四元件综合式液力变矩器

四元件综合式液力变矩器比三元件综合式液力变矩器多了一个导轮，两个导轮分别装在各自的单向离合器上，如图4-17所示。

图4-17 四元件综合式液力变矩器示意图

在传动比i＜i K=1(变矩系数K=1时的传动比)范围内，液力变矩器的效率高于液力耦合器。当i＞i K=1，ηb下降，而ηa却继续增高。

综合式液力变矩器在低速时按液力变矩器特性工作，而当传动比达到i K时，转为按液力耦合器特性工作，从而扩大了高效率的范围。

3)带锁止离合器液力变矩器

带锁止离合器液力变矩器的特点是:汽车在变工况下行驶时(如起步、经常加减速)，锁止离合器分离，相当于普通液力变矩器;当汽车在稳定工况下行驶时，锁止离合器接合，动力不经液力传动，直接通过机械传动传递，变矩器效率为1。