陈长庚（郑州科技学院车辆与交通工程系，河南 郑州 450064）



自动变速器的液力变矩器变矩原理研究

陈长庚
（郑州科技学院车辆与交通工程系，河南 郑州 450064）

摘要：汽车自动变速器中的液力变矩器，不仅能传递转矩，还能改变转矩。对于液力变矩器的变矩原理，目前汽车工程类图书中有三种不同的物理解释：导论的反作用力矩直接作用到泵轮说、涡轮说和同时作用到泵轮涡轮说。根据流体力学基本理论，分析工作轮转矩的生成机理和流体的输运性质，上述3种观点都不够准确严谨。通过对动量矩、欧拉涡轮机和转矩平衡三个方程的推导，简要论证了液力变矩器的变矩原理，以澄清基本概念。

关键词：自动变速器；液力变矩器；变矩原理

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.001

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

前言

流体机械从能量传递方向的角度，可分为动力机械（如涡轮机）和工作机械（如离心泵）两类。前者将能量从流体向机械部件传递，后者则将机械部件的机械能转换给流体。1925年，H.Rieseler研制出了采用液力变矩器和后置行星齿轮机构组成的自动变速器，成为所有传统式自动变速器系统的典型结构。汽车自动变速器中使用的液力变矩器，可看作是一涡轮机和一离心泵的组合体。它不仅能传递转矩，而且还能改变转矩。这主要是在结构上，液力变矩器除了同液力耦合器有泵轮、涡轮外，又增加了导论机构。对于液力变矩器的变矩原理，由于液体固有的粘性和易变形性，相对固体而言其运动形态更为复杂，所以学术界一般通过理论模型，建立流体运动方程，进行繁琐的数学推导，并结合实验与数值方法求解。工程界多以技术应用为目的，根据现有的理论成果，概括表述其物理作用，但观点有所不同。为此有必要根据流体力学的基本理论，深入研究液力变矩器的变矩原理，从而得出比较准确严谨的结论。

1、液力变矩器的液体运动

1.1液力变矩器的理论模型

由于液体固有的粘性和易变形性，相对固体而言其运动形态更为复杂，完全依靠理论分析方法解决问题相当困难。所以首先必须把所研究的对象简化为理想状态，即建立液力变矩器的理论模型：假设工作轮（泵轮、涡轮和导轮）叶片数为无穷多，于是流道中的液体形状与叶片形状一致，进出口处相对速度恰与叶片相切，且在进出口圆周上速度分布均匀；液体是无粘性的，不可压缩的，即不考虑液力损失：液体流动是定常的，流动参数如压力、速度和密度等，不随时间变化，液体质点的迹线与流线重合。

1.2液力变矩器的运动分析

液力变矩器的工作轮旋转时，其中的液体也被叶片带动一起旋转。液体在离心力作用下，从泵轮叶片內缘向外缘流动，使外缘压力升高。在正常情况下，泵轮转速总是大于涡轮转速，因此在泵轮与涡轮外缘处形成压力差。这样液体不仅随工作轮一起绕转轴作圆周运动（牵连运动），同时沿循环圆作循环流动（相对运动）。这种液体质点的牵连运动和相对运动合成为绝对运动，其流线形状是一个首尾相连的环形螺旋线。液体从泵轮叶片內缘流向外缘过程中，牵连速度和动能逐渐增大。而液体从涡轮外缘流向內缘过程中，则牵连速度和动能逐渐减小，因一部分动能转换成了涡轮的机械能对外输出了。液力变矩器在变矩工况时，导轮是固定不动的，无牵连速度。导轮进口处的液体绝对速度和相对速度相等，并等于涡轮出口处的绝对速度。由于假设工作轮叶片是连续排列的，流道中无液力损失，所以一工作轮出口处液体的绝对速度，应等于另一工作轮进口处的绝对速度。

2、液力变矩器变矩原理的3种观点

2.1导轮反作用力矩直接作用泵轮说

“导轮的作用：涡轮旋转时，从涡轮甩出的油还有相当大的能量，如果使这种能量再次撞击泵轮的背面，可以增大扭矩，完成这一使命的就是导轮。要想使导轮将涡轮甩出的油高效地撞击泵轮的背面，必须极其准确精密地设计导轮、涡轮和导轮叶片的形状及其定位。”[1]

“位于泵轮和涡轮之间的定叶片，迫使液流返回到泵轮的输入端，使发动机的输出转矩通过泵轮得到升高。”[2]

这主要代表了当代日本、德国等国家有关汽车类著作中的观点。

2.2导轮反作用力矩直接作用涡轮说

“液流从涡轮冲向导向轮，导向轮将受一扭矩。由于导向轮固定不动，它定以一个大小相等方向相反的反作用扭矩MA作用在涡轮上。这时涡轮所受的总的扭矩MT,将为两个扭矩MA和MH的向量和。”[3]

这种观点最早来自前苏联。

2.3导轮反作用力矩同时作用涡轮和泵轮说

“由于导轮固定不动，所以自动变速器油会在导轮叶片作用下改变速度、方向，又重新回到泵轮，完成自动变速器油在泵轮、涡轮、导轮之间的不断循环。在这个过程中，一方面由于自动变速器油从涡轮流向导轮时会对导轮产生一个冲击力。故导轮也会通过自动变速器油对涡轮产生一个反冲击力，此反冲击力增加了涡轮上的扭矩；另一方面从导轮流回泵轮的自动变速器油改变了速度、方向，并作用于泵轮叶片的背部，推动泵轮叶片旋转，又使泵轮扭矩增大。”[4]显然这种观点是前两种的综合。

3、泵轮转矩只由发动机输入

3.1泵轮的动力源

液力变矩器外壳固定在发动机（内燃机）曲轴后端的凸缘上。泵轮与外壳刚性连接，与曲轴一起旋转。它是液力变矩器的主动元件，涡轮是从动元件。泵轮的机械能完全由发动机输入。发动机的负荷、转速决定着泵轮的转矩、转速，此外没有任何其它动力源。发动机在稳定工况运转时，如果节气门开度（汽油机）或喷油量（柴油机）保持不变，与之机械连接的泵轮转矩、转速也不可能改变。

3.2泵轮的受力分析

假定泵轮作定轴匀速旋转运动，泵轮叶片前面推动流道中液体一起同向（向前）运动。根据牛顿第三定律，则液体对泵轮叶片前面施加一个等值反向（向后）的反作用力。采用理论力学的动静法分析泵轮整体受力时，此反作用力矩应和发动机输入的转矩相平衡。当导轮反作用力作用在泵轮叶片背面时，就会通过叶片传递给前面的液体。此时液体对泵轮叶片前面的反作用力亦会相应增加，以抵消作用在叶片后面的导轮反作用力，维持原来的平衡状态。这样一来泵轮的转矩仍然是由发动机曲轴输入的转矩数值，实际上并没有另外增加。[5]

泵轮、涡轮转速差小时，从涡轮流出的液体冲击导轮叶片的背面而发生反射，随之在泵轮叶片前面形成涡流，阻碍液体的正常流动，造成能量损失，甚至起不到变矩的作用。因此，只有泵轮、涡轮二者转速差大时，液体才能从固定导轮叶片前面流出，冲向泵轮叶片背面与泵轮的转向同向，使液力变矩器（不是泵轮）进入变矩工况。

所以上述第一种“撞击泵轮的背面，可以增大扭矩”的观点不够准确，容易引起误解，并违背了能量守恒与转换定律。

4、液力传递过程不可逆

4.1流体的输运性质

根据流体的物理性质，如果物质由于某种原因处于非平衡状态，那么系统会通过某种机理，产生一种自发的过程，使之趋向一个新的平衡。流体这种由非平衡态转向平衡态时物理量的传递性质，统称为流体的输运性质。流体的这种性质主要指动量输运、能量输运和质量输运。例如，当流体各层间速度不同时，通过动量传递使速度趋向均匀；当流体各处温度不均匀时，通过能量传递使温度趋向均匀；当流体各部分密度不相同时，通过质量传递使密度趋向均匀。流体的这种输运性质，从微观上看，其发生是通过分子的热运动及分子的相互碰撞；从宏观上看，它们分别表现为粘滞、导热和扩散现象。

与固体、刚体比较，流体无一定的形状，易变形，既具有一定的流动性，通常液体还存在有自由表面。所有流体质点之间均可发生规律不同的相对运动。每个流体质点的物理量均可随时间作连续变化。流体的热力学特性（如密度、可压缩性、状态方程等）、输运特性（如粘性等）和运动特性（如平移、旋转等），都与固体、刚体有本质的区别。理论力学中以刚体为研究对象的某些推理，如力的可传性在流体力学中有其局限性。流体的能量输运和质量输运是标量输运，动量输运是矢量输运。流体本身的输运性质决定了这三种输运过程均为不可逆过程。[6]

4.2导轮的反作用力特性

假设液力变矩器液体系统中总能量一定，可列出液体沿流线流动的伯努利方程：

液力变矩器属于液力传动，它是在开放的流道中利用旋转的曲面叶片，实现转轴和液体间的动量交换，故又称为动液传动。液体从涡轮流入导轮时，碰到静止的固体壁面边界（叶片），其速度瞬间降为0，于是原来由速度决定的动能立即转变成以动压力体现的压力能。与液力变矩器外壳连接的导轮叶片，作为外力的支点对液体界面产生很大的反作用力。这种反作用力只能作用在与导轮叶片接触的液体表面上，在流体力学中称为表面力，又称为短程力。相对于宏观尺度而言，这种力的有效作用距离是一个很小的量。它仅仅是在很薄一层液体中发生相互作用，随着间距增大短程力急剧减小为0。因此它不可能逆液体流线方向，再传回到涡轮上。

由此可见上述第2种观点是不可能实现的。既然第3种观点是前2种观点的综合，自然也是站不住脚的。

5、液力变矩器的变矩原理

5.1动量矩方程

根据牛顿第二定律推导的积分形式动量方程，适用于流体的直线或一般曲线运动。在流体机械中， 如果流动方式是以在一局部区域内的旋转运动为主，工作目的是为了转换能量，分析方法采用动量矩形式更为方便。将流体系统(system)的动量和作用力对转轴取矩，先得到关于系统的动量矩方程：

再利用雷诺输运公式，可得到对固定不变形的控制体(CV)、控制面(CS)的流体动量矩方程：

流体定常流动时，动量矩随体导数中的当地项为零，只有迁移项，即动量矩方程为：

设流体系统定轴旋转时的转矩为M，重力和表面力对坐标原点的转矩为，

5.2欧拉涡轮机方程

式中：ρ为流体密度，Q为流体的体积流量，vϑ1、vϑ2分别为涡轮机叶轮内外缘流体绝对速度的切向分量，1r、r2分别为叶轮内外缘半径。

欧拉涡轮机方程适用于流体的理想状态。凡是旋转式流体机械，无论是动力机械（如涡轮机）或是工作机械（如离心泵），均满足欧拉涡轮机方程。不同的是涡轮机叶片从流体介质中汲取能量，通过转轴将机械能输出，故M<0，即流体所受的转矩方向与叶轮旋转角速度方向相反；而离心泵类把转轴的机械能通过叶片传递给流体介质，故转矩M>0，即控制体内流体所受的转矩方向与叶片旋转角速度方向相同。[7]

5.3转矩平衡方程

根据上列欧拉涡轮机方程，设发动机在稳定工况下，液力变矩器液体系统在工作轮内完成一个循环，具体分析液体速度在循环圆内的变化特征，可推导出液体作用在各工作轮上的转矩公式。设泵轮、涡轮和导轮的转矩分别为MB、MW和MD：，则

式中：MB、MW、MD分别为泵轮、涡轮和导轮的转矩，vϑB、vϑW、vϑD分别为泵轮、涡轮和导轮叶片出口处的绝对速度，rB、rW、rD分别为泵轮、涡轮和导轮中间流线出口处作用半径。

因为一工作轮出口处液体的绝对速度，等于另一工作轮进口处液体的绝对速度，故将以上MB、MW和MD三式相加，即得到液力变矩器各工作轮转矩平衡方程：

由于MB>0、MD>0、MW<0，

所以

此方程也可用理论力学平面汇交力系的平衡方程直接导出，其结果互相印证。

6、结论

上述转矩平衡方程证明：液力变矩器之所以起变矩作用，是有固定导轮的参与。当从涡轮流出的液体冲向导轮叶片时，与变矩器壳相连的导轮，作为外力矩的支点，给予液体附加的反作用力矩MD，它和泵轮给予液体的转矩MB加在一起，传给了涡轮，使涡轮获得转矩MW，显然MW>MB。当泵轮、涡轮转速差小时，导轮便在单向离合器上自由转动，外力矩支点随之消失，出现MW=MB，这相当于液力变矩器的耦合工况。我们也可用动量传递概念解读液力变矩器变矩原理：来自涡轮的液体冲击导轮时，因叶片静止不动使液体发生反射增加了流动速度（动量），进入泵轮后又与泵轮内液体原有的旋转速度（动量）合成，共同作用到涡轮上，遂增大了涡轮内液体的流动速度（动量），并以动量矩的形式转化为转矩输出。由欧拉涡轮机方程可知，导轮的反作用力矩等于液体出口处与进口处动量矩的变化。通过导轮的液体并不产生任何机械功，其动量的增加不过是在总机械能守恒前提下能量的相互转换而已。液力变矩器虽能在一定范围内自动无极地改变转矩比和传动比，但变矩系数不够大，难以满足汽车行驶的要求。故在汽车上广泛采用液力变矩器与行星齿轮变速器的组合。为了实现运动转换而产生的输入与输出间的转速或转矩差，即使普通齿轮式变速器，同样也必需提供一个附加的反作用力矩，它是直接来自变速器壳。[9]

参考文献

[1][日]出射忠明编 郝长文等译.汽车构造图册[M]. 长春：吉林科学技术出版社 香港万里机构联合出版,1996.

[2][德]BOSCH汽车工程手册（第三版[M].魏春源译 .北京:北京理工大学出版社,2009.

[3]吉林工业大学 清华大学合编 .汽车构造[M].北京：机械工业出版社,1965.

[4]秦海滨主编 .汽车底盘电控技术[M]. 大连：大连理工大学出版社,2007.

[5]日本自动车技术协会编 中国汽车工程学会组译.汽车工程手册1 [M].北京:北京理工大学出版社,2010.

[6]周光埛,严宗毅.许世雄等编著.流体力学（第二版） [M].北京:高等教育出版社,2003.

[7]丁祖荣,单雪雄,姜楫编著.流体力学[M].北京:高等教育出版社,2003.

[8]吉林工业大学汽车教研室编.汽车设计[M]. 北京:机械工业出版社,1981.

[9][德]Harald Naunheimer 宋世佳 龚宗祥等译.汽车变速器理论基础的选择、设计与应用 [M].北京:机械工业出版社,2014.

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

中图分类号：U463.22

文献标识码：A

文章编号：1671-7988（2016）05-01-04

作者简介：陈长庚，高级工程师，就职于郑州科技学院，主要研究方向：汽车排放控制与纳米应用技术。