自動變速器的液力變矩器變矩原理研究

陳長庚（鄭州科技學(xué)院車輛與交通工程系，河南 鄭州 450064）

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自動變速器的液力變矩器變矩原理研究

陳長庚
（鄭州科技學(xué)院車輛與交通工程系，河南 鄭州 450064）

摘要：汽車自動變速器中的液力變矩器，不僅能傳遞轉(zhuǎn)矩，還能改變轉(zhuǎn)矩。對于液力變矩器的變矩原理，目前汽車工程類圖書中有三種不同的物理解釋：導(dǎo)論的反作用力矩直接作用到泵輪說、渦輪說和同時(shí)作用到泵輪渦輪說。根據(jù)流體力學(xué)基本理論，分析工作輪轉(zhuǎn)矩的生成機(jī)理和流體的輸運(yùn)性質(zhì)，上述3種觀點(diǎn)都不夠準(zhǔn)確嚴(yán)謹(jǐn)。通過對動量矩、歐拉渦輪機(jī)和轉(zhuǎn)矩平衡三個(gè)方程的推導(dǎo)，簡要論證了液力變矩器的變矩原理，以澄清基本概念。

關(guān)鍵詞：自動變速器；液力變矩器；變矩原理

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.001

CLC NO.: U463.22Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-01-04

前言

流體機(jī)械從能量傳遞方向的角度，可分為動力機(jī)械（如渦輪機(jī)）和工作機(jī)械（如離心泵）兩類。前者將能量從流體向機(jī)械部件傳遞，后者則將機(jī)械部件的機(jī)械能轉(zhuǎn)換給流體。1925年，H.Rieseler研制出了采用液力變矩器和后置行星齒輪機(jī)構(gòu)組成的自動變速器，成為所有傳統(tǒng)式自動變速器系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。汽車自動變速器中使用的液力變矩器，可看作是一渦輪機(jī)和一離心泵的組合體。它不僅能傳遞轉(zhuǎn)矩，而且還能改變轉(zhuǎn)矩。這主要是在結(jié)構(gòu)上，液力變矩器除了同液力耦合器有泵輪、渦輪外，又增加了導(dǎo)論機(jī)構(gòu)。對于液力變矩器的變矩原理，由于液體固有的粘性和易變形性，相對固體而言其運(yùn)動形態(tài)更為復(fù)雜，所以學(xué)術(shù)界一般通過理論模型，建立流體運(yùn)動方程，進(jìn)行繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值方法求解。工程界多以技術(shù)應(yīng)用為目的，根據(jù)現(xiàn)有的理論成果，概括表述其物理作用，但觀點(diǎn)有所不同。為此有必要根據(jù)流體力學(xué)的基本理論，深入研究液力變矩器的變矩原理，從而得出比較準(zhǔn)確嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論。

1、液力變矩器的液體運(yùn)動

1.1液力變矩器的理論模型

由于液體固有的粘性和易變形性，相對固體而言其運(yùn)動形態(tài)更為復(fù)雜，完全依靠理論分析方法解決問題相當(dāng)困難。所以首先必須把所研究的對象簡化為理想狀態(tài)，即建立液力變矩器的理論模型：假設(shè)工作輪（泵輪、渦輪和導(dǎo)輪）葉片數(shù)為無窮多，于是流道中的液體形狀與葉片形狀一致，進(jìn)出口處相對速度恰與葉片相切，且在進(jìn)出口圓周上速度分布均勻；液體是無粘性的，不可壓縮的，即不考慮液力損失：液體流動是定常的，流動參數(shù)如壓力、速度和密度等，不隨時(shí)間變化，液體質(zhì)點(diǎn)的跡線與流線重合。

1.2液力變矩器的運(yùn)動分析

液力變矩器的工作輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，其中的液體也被葉片帶動一起旋轉(zhuǎn)。液體在離心力作用下，從泵輪葉片內(nèi)緣向外緣流動，使外緣壓力升高。在正常情況下，泵輪轉(zhuǎn)速總是大于渦輪轉(zhuǎn)速，因此在泵輪與渦輪外緣處形成壓力差。這樣液體不僅隨工作輪一起繞轉(zhuǎn)軸作圓周運(yùn)動（牽連運(yùn)動），同時(shí)沿循環(huán)圓作循環(huán)流動（相對運(yùn)動）。這種液體質(zhì)點(diǎn)的牽連運(yùn)動和相對運(yùn)動合成為絕對運(yùn)動，其流線形狀是一個(gè)首尾相連的環(huán)形螺旋線。液體從泵輪葉片內(nèi)緣流向外緣過程中，牽連速度和動能逐漸增大。而液體從渦輪外緣流向內(nèi)緣過程中，則牽連速度和動能逐漸減小，因一部分動能轉(zhuǎn)換成了渦輪的機(jī)械能對外輸出了。液力變矩器在變矩工況時(shí)，導(dǎo)輪是固定不動的，無牽連速度。導(dǎo)輪進(jìn)口處的液體絕對速度和相對速度相等，并等于渦輪出口處的絕對速度。由于假設(shè)工作輪葉片是連續(xù)排列的，流道中無液力損失，所以一工作輪出口處液體的絕對速度，應(yīng)等于另一工作輪進(jìn)口處的絕對速度。

2、液力變矩器變矩原理的3種觀點(diǎn)

2.1導(dǎo)輪反作用力矩直接作用泵輪說

“導(dǎo)輪的作用：渦輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，從渦輪甩出的油還有相當(dāng)大的能量，如果使這種能量再次撞擊泵輪的背面，可以增大扭矩，完成這一使命的就是導(dǎo)輪。要想使導(dǎo)輪將渦輪甩出的油高效地撞擊泵輪的背面，必須極其準(zhǔn)確精密地設(shè)計(jì)導(dǎo)輪、渦輪和導(dǎo)輪葉片的形狀及其定位?！盵1]

“位于泵輪和渦輪之間的定葉片，迫使液流返回到泵輪的輸入端，使發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過泵輪得到升高?！盵2]

這主要代表了當(dāng)代日本、德國等國家有關(guān)汽車類著作中的觀點(diǎn)。

2.2導(dǎo)輪反作用力矩直接作用渦輪說

“液流從渦輪沖向?qū)蜉?，?dǎo)向輪將受一扭矩。由于導(dǎo)向輪固定不動，它定以一個(gè)大小相等方向相反的反作用扭矩MA作用在渦輪上。這時(shí)渦輪所受的總的扭矩MT,將為兩個(gè)扭矩MA和MH的向量和?！盵3]

這種觀點(diǎn)最早來自前蘇聯(lián)。

2.3導(dǎo)輪反作用力矩同時(shí)作用渦輪和泵輪說

“由于導(dǎo)輪固定不動，所以自動變速器油會在導(dǎo)輪葉片作用下改變速度、方向，又重新回到泵輪，完成自動變速器油在泵輪、渦輪、導(dǎo)輪之間的不斷循環(huán)。在這個(gè)過程中，一方面由于自動變速器油從渦輪流向?qū)л啎r(shí)會對導(dǎo)輪產(chǎn)生一個(gè)沖擊力。故導(dǎo)輪也會通過自動變速器油對渦輪產(chǎn)生一個(gè)反沖擊力，此反沖擊力增加了渦輪上的扭矩；另一方面從導(dǎo)輪流回泵輪的自動變速器油改變了速度、方向，并作用于泵輪葉片的背部，推動泵輪葉片旋轉(zhuǎn)，又使泵輪扭矩增大?！盵4]顯然這種觀點(diǎn)是前兩種的綜合。

3、泵輪轉(zhuǎn)矩只由發(fā)動機(jī)輸入

3.1泵輪的動力源

液力變矩器外殼固定在發(fā)動機(jī)（內(nèi)燃機(jī)）曲軸后端的凸緣上。泵輪與外殼剛性連接，與曲軸一起旋轉(zhuǎn)。它是液力變矩器的主動元件，渦輪是從動元件。泵輪的機(jī)械能完全由發(fā)動機(jī)輸入。發(fā)動機(jī)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速決定著泵輪的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，此外沒有任何其它動力源。發(fā)動機(jī)在穩(wěn)定工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果節(jié)氣門開度（汽油機(jī)）或噴油量（柴油機(jī)）保持不變，與之機(jī)械連接的泵輪轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速也不可能改變。

3.2泵輪的受力分析

假定泵輪作定軸勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，泵輪葉片前面推動流道中液體一起同向（向前）運(yùn)動。根據(jù)牛頓第三定律，則液體對泵輪葉片前面施加一個(gè)等值反向（向后）的反作用力。采用理論力學(xué)的動靜法分析泵輪整體受力時(shí)，此反作用力矩應(yīng)和發(fā)動機(jī)輸入的轉(zhuǎn)矩相平衡。當(dāng)導(dǎo)輪反作用力作用在泵輪葉片背面時(shí)，就會通過葉片傳遞給前面的液體。此時(shí)液體對泵輪葉片前面的反作用力亦會相應(yīng)增加，以抵消作用在葉片后面的導(dǎo)輪反作用力，維持原來的平衡狀態(tài)。這樣一來泵輪的轉(zhuǎn)矩仍然是由發(fā)動機(jī)曲軸輸入的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值，實(shí)際上并沒有另外增加。[5]

泵輪、渦輪轉(zhuǎn)速差小時(shí)，從渦輪流出的液體沖擊導(dǎo)輪葉片的背面而發(fā)生反射，隨之在泵輪葉片前面形成渦流，阻礙液體的正常流動，造成能量損失，甚至起不到變矩的作用。因此，只有泵輪、渦輪二者轉(zhuǎn)速差大時(shí)，液體才能從固定導(dǎo)輪葉片前面流出，沖向泵輪葉片背面與泵輪的轉(zhuǎn)向同向，使液力變矩器（不是泵輪）進(jìn)入變矩工況。

所以上述第一種“撞擊泵輪的背面，可以增大扭矩”的觀點(diǎn)不夠準(zhǔn)確，容易引起誤解，并違背了能量守恒與轉(zhuǎn)換定律。

4、液力傳遞過程不可逆

4.1流體的輸運(yùn)性質(zhì)

根據(jù)流體的物理性質(zhì)，如果物質(zhì)由于某種原因處于非平衡狀態(tài)，那么系統(tǒng)會通過某種機(jī)理，產(chǎn)生一種自發(fā)的過程，使之趨向一個(gè)新的平衡。流體這種由非平衡態(tài)轉(zhuǎn)向平衡態(tài)時(shí)物理量的傳遞性質(zhì)，統(tǒng)稱為流體的輸運(yùn)性質(zhì)。流體的這種性質(zhì)主要指動量輸運(yùn)、能量輸運(yùn)和質(zhì)量輸運(yùn)。例如，當(dāng)流體各層間速度不同時(shí)，通過動量傳遞使速度趨向均勻；當(dāng)流體各處溫度不均勻時(shí)，通過能量傳遞使溫度趨向均勻；當(dāng)流體各部分密度不相同時(shí)，通過質(zhì)量傳遞使密度趨向均勻。流體的這種輸運(yùn)性質(zhì)，從微觀上看，其發(fā)生是通過分子的熱運(yùn)動及分子的相互碰撞；從宏觀上看，它們分別表現(xiàn)為粘滯、導(dǎo)熱和擴(kuò)散現(xiàn)象。

與固體、剛體比較，流體無一定的形狀，易變形，既具有一定的流動性，通常液體還存在有自由表面。所有流體質(zhì)點(diǎn)之間均可發(fā)生規(guī)律不同的相對運(yùn)動。每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)的物理量均可隨時(shí)間作連續(xù)變化。流體的熱力學(xué)特性（如密度、可壓縮性、狀態(tài)方程等）、輸運(yùn)特性（如粘性等）和運(yùn)動特性（如平移、旋轉(zhuǎn)等），都與固體、剛體有本質(zhì)的區(qū)別。理論力學(xué)中以剛體為研究對象的某些推理，如力的可傳性在流體力學(xué)中有其局限性。流體的能量輸運(yùn)和質(zhì)量輸運(yùn)是標(biāo)量輸運(yùn)，動量輸運(yùn)是矢量輸運(yùn)。流體本身的輸運(yùn)性質(zhì)決定了這三種輸運(yùn)過程均為不可逆過程。[6]

4.2導(dǎo)輪的反作用力特性

假設(shè)液力變矩器液體系統(tǒng)中總能量一定，可列出液體沿流線流動的伯努利方程：

液力變矩器屬于液力傳動，它是在開放的流道中利用旋轉(zhuǎn)的曲面葉片，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸和液體間的動量交換，故又稱為動液傳動。液體從渦輪流入導(dǎo)輪時(shí)，碰到靜止的固體壁面邊界（葉片），其速度瞬間降為0，于是原來由速度決定的動能立即轉(zhuǎn)變成以動壓力體現(xiàn)的壓力能。與液力變矩器外殼連接的導(dǎo)輪葉片，作為外力的支點(diǎn)對液體界面產(chǎn)生很大的反作用力。這種反作用力只能作用在與導(dǎo)輪葉片接觸的液體表面上，在流體力學(xué)中稱為表面力，又稱為短程力。相對于宏觀尺度而言，這種力的有效作用距離是一個(gè)很小的量。它僅僅是在很薄一層液體中發(fā)生相互作用，隨著間距增大短程力急劇減小為0。因此它不可能逆液體流線方向，再傳回到渦輪上。

由此可見上述第2種觀點(diǎn)是不可能實(shí)現(xiàn)的。既然第3種觀點(diǎn)是前2種觀點(diǎn)的綜合，自然也是站不住腳的。

5、液力變矩器的變矩原理

5.1動量矩方程

根據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo)的積分形式動量方程，適用于流體的直線或一般曲線運(yùn)動。在流體機(jī)械中， 如果流動方式是以在一局部區(qū)域內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為主，工作目的是為了轉(zhuǎn)換能量，分析方法采用動量矩形式更為方便。將流體系統(tǒng)(system)的動量和作用力對轉(zhuǎn)軸取矩，先得到關(guān)于系統(tǒng)的動量矩方程：

再利用雷諾輸運(yùn)公式，可得到對固定不變形的控制體(CV)、控制面(CS)的流體動量矩方程：

流體定常流動時(shí)，動量矩隨體導(dǎo)數(shù)中的當(dāng)?shù)仨?xiàng)為零，只有遷移項(xiàng)，即動量矩方程為：

設(shè)流體系統(tǒng)定軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩為M，重力和表面力對坐標(biāo)原點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩為，

5.2歐拉渦輪機(jī)方程

式中：ρ為流體密度，Q為流體的體積流量，v?1、v?2分別為渦輪機(jī)葉輪內(nèi)外緣流體絕對速度的切向分量，1r、r2分別為葉輪內(nèi)外緣半徑。

歐拉渦輪機(jī)方程適用于流體的理想狀態(tài)。凡是旋轉(zhuǎn)式流體機(jī)械，無論是動力機(jī)械（如渦輪機(jī)）或是工作機(jī)械（如離心泵），均滿足歐拉渦輪機(jī)方程。不同的是渦輪機(jī)葉片從流體介質(zhì)中汲取能量，通過轉(zhuǎn)軸將機(jī)械能輸出，故M<0，即流體所受的轉(zhuǎn)矩方向與葉輪旋轉(zhuǎn)角速度方向相反；而離心泵類把轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能通過葉片傳遞給流體介質(zhì)，故轉(zhuǎn)矩M>0，即控制體內(nèi)流體所受的轉(zhuǎn)矩方向與葉片旋轉(zhuǎn)角速度方向相同。[7]

5.3轉(zhuǎn)矩平衡方程

根據(jù)上列歐拉渦輪機(jī)方程，設(shè)發(fā)動機(jī)在穩(wěn)定工況下，液力變矩器液體系統(tǒng)在工作輪內(nèi)完成一個(gè)循環(huán)，具體分析液體速度在循環(huán)圓內(nèi)的變化特征，可推導(dǎo)出液體作用在各工作輪上的轉(zhuǎn)矩公式。設(shè)泵輪、渦輪和導(dǎo)輪的轉(zhuǎn)矩分別為MB、MW和MD：，則

式中：MB、MW、MD分別為泵輪、渦輪和導(dǎo)輪的轉(zhuǎn)矩，v?B、v?W、v?D分別為泵輪、渦輪和導(dǎo)輪葉片出口處的絕對速度，rB、rW、rD分別為泵輪、渦輪和導(dǎo)輪中間流線出口處作用半徑。

因?yàn)橐还ぷ鬏喅隹谔幰后w的絕對速度，等于另一工作輪進(jìn)口處液體的絕對速度，故將以上MB、MW和MD三式相加，即得到液力變矩器各工作輪轉(zhuǎn)矩平衡方程：

由于MB>0、MD>0、MW<0，

所以

此方程也可用理論力學(xué)平面匯交力系的平衡方程直接導(dǎo)出，其結(jié)果互相印證。

6、結(jié)論

上述轉(zhuǎn)矩平衡方程證明：液力變矩器之所以起變矩作用，是有固定導(dǎo)輪的參與。當(dāng)從渦輪流出的液體沖向?qū)л喨~片時(shí)，與變矩器殼相連的導(dǎo)輪，作為外力矩的支點(diǎn)，給予液體附加的反作用力矩MD，它和泵輪給予液體的轉(zhuǎn)矩MB加在一起，傳給了渦輪，使渦輪獲得轉(zhuǎn)矩MW，顯然MW>MB。當(dāng)泵輪、渦輪轉(zhuǎn)速差小時(shí)，導(dǎo)輪便在單向離合器上自由轉(zhuǎn)動，外力矩支點(diǎn)隨之消失，出現(xiàn)MW=MB，這相當(dāng)于液力變矩器的耦合工況。我們也可用動量傳遞概念解讀液力變矩器變矩原理：來自渦輪的液體沖擊導(dǎo)輪時(shí)，因葉片靜止不動使液體發(fā)生反射增加了流動速度（動量），進(jìn)入泵輪后又與泵輪內(nèi)液體原有的旋轉(zhuǎn)速度（動量）合成，共同作用到渦輪上，遂增大了渦輪內(nèi)液體的流動速度（動量），并以動量矩的形式轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩輸出。由歐拉渦輪機(jī)方程可知，導(dǎo)輪的反作用力矩等于液體出口處與進(jìn)口處動量矩的變化。通過導(dǎo)輪的液體并不產(chǎn)生任何機(jī)械功，其動量的增加不過是在總機(jī)械能守恒前提下能量的相互轉(zhuǎn)換而已。液力變矩器雖能在一定范圍內(nèi)自動無極地改變轉(zhuǎn)矩比和傳動比，但變矩系數(shù)不夠大，難以滿足汽車行駛的要求。故在汽車上廣泛采用液力變矩器與行星齒輪變速器的組合。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的輸入與輸出間的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩差，即使普通齒輪式變速器，同樣也必需提供一個(gè)附加的反作用力矩，它是直接來自變速器殼。[9]

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The Study on the Torgue Principle of hydraulic torque converter of Automatic Transmission

Cheng Changgeng
( Vehicle and Traffic engineering departmant of Zhengzhou University of Science and Technology, Henan Zhengzhou 450064 )

Abstract:Hydraulic torque converter of Automatic Transmission does not only can convey torgue, but also can transfer torgue. At present, there is three kinds of physics interpretaions in the books of automotive engineering published for the Torgue Principle of hydraulic torque converter: one is that reaction torgue of guide wheel affects directly pump blade, another is turbo, and the third is pump blade and turbo. In the light of hydrodynamics theory, the analysis of generation mechanism of torgue of rolling wheel, transmission properties, the three interpretaions above are not very accurate and rigorous. This paper briefly demostrates the torgu principle to make the basic concept clear by means of deriving three equations of torque and angular momentum, Euler turbine and torgue balance.

Keywords:Automatic Transmission; hydraulic torque converter; torgu principle

中圖分類號：U463.22

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-01-04

作者簡介：陳長庚，高級工程師，就職于鄭州科技學(xué)院，主要研究方向：汽車排放控制與納米應(yīng)用技術(shù)。