液力变扭器结构及工作原理
1. 液力变扭器的基本结构
液力变扭器的结构与液力偶合器基本相似，但在泵轮和涡轮之间加入一个固定不动的工作轮—导轮。液力变扭器主要由可旋转的泵轮和涡轮，以及固定不动的导轮等三个元件组成，主要零件如图所示，各工作轮用铝合金精密铸造，或用钢板冲压焊接而成。泵轮与变扭器壳连成一体，用螺栓固定在发动机曲轴后端的凸缘上或飞轮上，壳体做成两半，装配后焊成一体或用螺栓连接，涡轮通过从动轴与变速器的其它部件相连，导轮则通过导轮轴与变速器的固定壳体相连。所有工作轮在装配后，形成断面为循环圆的环状体。泵轮、涡轮和导轮是液力变扭器转换能量、传递动力和改变扭矩必不可少的基本工作元件。
2. 液力变扭器的工作原理
液力变扭器转换能量、传递动力的原理与液力偶合器基本相同, 其根本区别就在于液力变扭器增加了一个工作轮—导轮。发动机运转时, 带动液力变扭器的壳体和泵轮与之一同旋转，泵轮内的工作液在离心力的作用下，由泵轮叶片外缘冲向涡轮，并沿涡轮叶片流向导轮，再经导轮叶片流回泵轮叶片内缘，形成循环的液流。由于多了一个固定不动的导轮，在液体循环流动的过程中，固定不动的导轮给涡轮一个反作用力矩，从而使涡轮输出扭矩不同于泵轮输入扭矩，具有“变扭”功能。下面简述其变扭工作原理。
为了方便起见，用液力变扭器工作轮的展开图来说明液力变扭器的变扭工作原理。现沿循环圆的中间流线展开成一直线，于是泵轮B ，涡轮W 和导轮D 便成为三个沿展开直线顺次排列的环形平面，如图所示，从而使各工作轮叶片清楚地展现出来。
为了便于说明，现假设在液力变扭器的工作中，发动机的转速和负荷不变，即液力变扭器的泵轮转速n B 和扭矩M B 为常数。
1）在汽车起步之前
在汽车起步之前，涡轮转速n w =0，发动机通过液力变扭器的壳体带动泵轮旋转，并对工作液产生一个大小为M B 的扭矩，该扭矩即为液力变扭器的输入扭矩。液力变扭器内的工作液在泵轮叶片带动下，以一定的绝对速度v B 冲向涡轮叶片。绝对速度v B 是泵轮的圆周速度v B 1 和沿泵轮叶片的相对速度v B 2的合成速
度，因此时涡轮静止不动，液流沿涡轮叶片流出冲向导轮叶片，如图中箭头v w 所示，这即是液流质点在涡轮叶片的相对速度，也是液流质点的绝对速度，然后液流再沿固定不动的导轮叶片沿箭头V D 方向回到泵轮中。液流流经导轮叶片时，因受叶片作用，使液流的方向发生变化。以工作液作为研究对象，设泵轮，涡轮和导轮对液体的作用力矩分别为M B 、M w 和M D ，根据液流的力矩平衡条件，可得:
M w =M B +M D
由于工作轮对液流的作用力矩M w 与液流对工作轮冲击力矩M ’w 方向相反，大小相等，即M ’w =- M w ，故有:
M ’w =M B +MD
由上式可见，液流对涡轮的冲击力矩 M ’w （即输出力矩）大于泵轮输入力矩M B 。这是由于涡轮不但受来自泵轮液流冲击，而且受因导轮改变流向的液流的反作用力矩，所以液力变扭器起了增大力矩的作用，导轮反作用力矩的大小及方向都是随涡轮转速的变化而变化，故液力变扭值也随之变化。
2）在汽车起步之后
当涡轮输出力矩，经传动系传到驱动轮上所产生的驱动力足以克服汽车起步阻力矩时，汽车即起步并开始加速，因而与之相连的涡轮转速n w 也从零逐渐增加。在涡轮转动之后，液流在涡轮出口处不仅具有沿叶片方向的相对速度v w 2，而且具有沿圆周切线方向的牵连速度v w 1，所以，此时冲向导轮叶片的液流速度v w 是上述两者的合成速度。
假设泵轮转速不变，则液流在涡轮出口处相对速度v w 2 不变。在汽车起步之后，涡轮转速的变化，引起牵连速度v w 1的变化，冲向导轮叶片液流的绝对速度v w 将随涡轮转速n w 的增加，即随牵连速度v w 1的增加而逐渐向左倾斜，冲向导轮叶片的液流方向愈向左倾斜，导轮所受的冲击力愈小，导轮对液流反作用力矩也愈小，液力变扭器增扭值随之减少。这就说明，液力变扭器增扭值随涡轮转速的提高而减少。
当涡轮转速增大至某一数值时，涡轮出口处的液流绝对速度v w 方向与导轮叶片平行，即正好沿导轮叶片出口的方向，由于从涡轮流出的液流流经导轮后其流向不变，导轮对液流的反作用力矩为零，即M D =0，可以知道即涡轮的输出力矩等于泵轮对液流的作用力矩。在这种情况下，液力变扭器由变扭工况转化为偶合工况。
3）涡轮转速进一步增大
如果涡轮转速进一步增大，涡轮出口处液流绝对速度v w 方向将进一步向左倾斜，如图2-9所示。当涡轮转速超过前述偶合工况的转速时，液流便冲击到导轮叶片的背面，此时导轮对液流反作用力矩的方向与泵轮对液流的作用力矩的方向相反，即
M ’w =M B -M D ，故涡轮输出力矩反而小于泵轮输入力矩。
4）涡轮转速与泵轮转速相等时
当涡轮转速增大至与泵轮转速相等时，油液在循环圆中循环流动即停止，液力变扭器便失去传递动力的能力。
由以上分析，可以得到如下三点重要的结论：
其一，液力变扭器由泵轮（主动轮）、涡轮（被动轮）和导轮等三个工作轮组成，它们是转换能量，传递动力和变扭必不可少的基本元件。
泵轮—使发动机的机械能转换为液体能量；
涡轮—将液体能量转换为涡轮轴上的机械能；
导轮—通过改变液体的方向而起变扭作用。
其二，与液力偶合器一样，液力变扭器中液体同时绕工作轮轴线作旋转运动和沿循环圆作轴面循环运动，轴面循环按先经泵轮，后经涡轮和导轮，最后又回到泵轮的顺序，进行反复循环。
其三，液力变扭器效率随涡轮的转速而变化。
①当涡轮转速为零时，增扭值最大，涡轮输出扭矩等于泵轮输入扭矩与导轮反作用扭矩之和。
②当涡轮转速由零逐渐增大时，增扭值随之逐渐减少。
③当涡轮转速达到某一值时，涡轮出口处液流直接冲向导轮的出口处，液流不改变流向，此时液力变扭器变为液力偶合器，涡轮输出力矩等于泵轮输入力矩。
④当涡轮转速进一步增大时，涡轮出口处液流冲击导轮叶片背面，此时液力变扭器的涡轮输出力矩小于泵轮的输入力矩，其值等于泵轮的输入力矩和导轮的反作用力矩之差。
⑤当涡轮转速与泵轮转速相同时，液力变扭器失去传递动力的功能。
3. 液力变扭器的特性
液力变扭器的特性，可用几个与外界负荷有关的特性参数或特性曲线来评价。描述液力变扭器的特性参数主要有传动比、变矩系数、效率和穿透系数等，描述液力变扭器的特性曲线主要有外特性曲线、原始特性曲线和输入特性曲线，在此，仅就主要的特性参数和特性曲线作一介绍。
1）液力变扭器的特性参数
（1）传动比i W B
液力变扭器传动比i W B 是涡轮转速n w （输出转速）与泵轮转速n B （输入转速）之比，传动比用来描述液力变扭器的工况。其数学表达式为：
i W B =nw /n B
（2）变矩系数K
液力变扭器变矩系数K 是涡轮扭矩M w 和泵轮扭矩M B 之比，变矩系数用来描述液力变扭器改变输入扭矩的能力。其数学表达式为：
K =M w /M B 由上节变扭器原理分析可知，变矩系数K 是随涡轮转速n w ，或者说是随传动比i W B 而变化的。K >1时，称为变扭工况，当K =1时，称为偶合工况。当涡轮转速n w =0，即传动比i W B =0时，这种工况相当于汽车起步之前，故称为失速工况（也称为起动工况，或制动工况），在此工况下变矩系数为最大（K 值一般
为1. 9～5左右）。目前，汽车常用液力变扭器的变矩系数约2～
2. 3左右。
（3）效率η
液力变扭器效率η是涡轮轴输出功率N w 与泵轮输入功率N B 之比。其数学表达式为：
η=N w /N B
因为功率等于转速与扭矩的乘积，上式可改写为：
η=N w /N B
=M w n w /M B n B
=Ki w B
由上式可见，液力变扭器的效率等于变矩系数与传动比的乘积。
（4）液力变扭器的穿透性
液力变扭器的穿透性是指变扭器和发动机共同工作时，在油门开度不够的情况下，变扭器涡轮轴上的载荷变化对泵轮扭矩和转速（即发动机工况）影响的性能。具体地说，在上述情况下，若涡轮轴上扭矩和转速出现变化而发动机工况不变时，这种变扭器称为是不可透的，反之则称为是可透的。汽车自动变速器上采用的液力变扭器是可透的，当涡轮因负荷增大而转速下降时，传动比随之下降，从而使发动机的负荷也增大。
液力变扭器结构及工作原理
1. 液力变扭器的基本结构
液力变扭器的结构与液力偶合器基本相似，但在泵轮和涡轮之间加入一个固定不动的工作轮—导轮。液力变扭器主要由可旋转的泵轮和涡轮，以及固定不动的导轮等三个元件组成，主要零件如图所示，各工作轮用铝合金精密铸造，或用钢板冲压焊接而成。泵轮与变扭器壳连成一体，用螺栓固定在发动机曲轴后端的凸缘上或飞轮上，壳体做成两半，装配后焊成一体或用螺栓连接，涡轮通过从动轴与变速器的其它部件相连，导轮则通过导轮轴与变速器的固定壳体相连。所有工作轮在装配后，形成断面为循环圆的环状体。泵轮、涡轮和导轮是液力变扭器转换能量、传递动力和改变扭矩必不可少的基本工作元件。
2. 液力变扭器的工作原理
液力变扭器转换能量、传递动力的原理与液力偶合器基本相同, 其根本区别就在于液力变扭器增加了一个工作轮—导轮。发动机运转时, 带动液力变扭器的壳体和泵轮与之一同旋转，泵轮内的工作液在离心力的作用下，由泵轮叶片外缘冲向涡轮，并沿涡轮叶片流向导轮，再经导轮叶片流回泵轮叶片内缘，形成循环的液流。由于多了一个固定不动的导轮，在液体循环流动的过程中，固定不动的导轮给涡轮一个反作用力矩，从而使涡轮输出扭矩不同于泵轮输入扭矩，具有“变扭”功能。下面简述其变扭工作原理。
为了方便起见，用液力变扭器工作轮的展开图来说明液力变扭器的变扭工作原理。现沿循环圆的中间流线展开成一直线，于是泵轮B ，涡轮W 和导轮D 便成为三个沿展开直线顺次排列的环形平面，如图所示，从而使各工作轮叶片清楚地展现出来。
为了便于说明，现假设在液力变扭器的工作中，发动机的转速和负荷不变，即液力变扭器的泵轮转速n B 和扭矩M B 为常数。
1）在汽车起步之前
在汽车起步之前，涡轮转速n w =0，发动机通过液力变扭器的壳体带动泵轮旋转，并对工作液产生一个大小为M B 的扭矩，该扭矩即为液力变扭器的输入扭矩。液力变扭器内的工作液在泵轮叶片带动下，以一定的绝对速度v B 冲向涡轮叶片。绝对速度v B 是泵轮的圆周速度v B 1 和沿泵轮叶片的相对速度v B 2的合成速
度，因此时涡轮静止不动，液流沿涡轮叶片流出冲向导轮叶片，如图中箭头v w 所示，这即是液流质点在涡轮叶片的相对速度，也是液流质点的绝对速度，然后液流再沿固定不动的导轮叶片沿箭头V D 方向回到泵轮中。液流流经导轮叶片时，因受叶片作用，使液流的方向发生变化。以工作液作为研究对象，设泵轮，涡轮和导轮对液体的作用力矩分别为M B 、M w 和M D ，根据液流的力矩平衡条件，可得:
M w =M B +M D
由于工作轮对液流的作用力矩M w 与液流对工作轮冲击力矩M ’w 方向相反，大小相等，即M ’w =- M w ，故有:
M ’w =M B +MD
由上式可见，液流对涡轮的冲击力矩 M ’w （即输出力矩）大于泵轮输入力矩M B 。这是由于涡轮不但受来自泵轮液流冲击，而且受因导轮改变流向的液流的反作用力矩，所以液力变扭器起了增大力矩的作用，导轮反作用力矩的大小及方向都是随涡轮转速的变化而变化，故液力变扭值也随之变化。
2）在汽车起步之后
当涡轮输出力矩，经传动系传到驱动轮上所产生的驱动力足以克服汽车起步阻力矩时，汽车即起步并开始加速，因而与之相连的涡轮转速n w 也从零逐渐增加。在涡轮转动之后，液流在涡轮出口处不仅具有沿叶片方向的相对速度v w 2，而且具有沿圆周切线方向的牵连速度v w 1，所以，此时冲向导轮叶片的液流速度v w 是上述两者的合成速度。
假设泵轮转速不变，则液流在涡轮出口处相对速度v w 2 不变。在汽车起步之后，涡轮转速的变化，引起牵连速度v w 1的变化，冲向导轮叶片液流的绝对速度v w 将随涡轮转速n w 的增加，即随牵连速度v w 1的增加而逐渐向左倾斜，冲向导轮叶片的液流方向愈向左倾斜，导轮所受的冲击力愈小，导轮对液流反作用力矩也愈小，液力变扭器增扭值随之减少。这就说明，液力变扭器增扭值随涡轮转速的提高而减少。
当涡轮转速增大至某一数值时，涡轮出口处的液流绝对速度v w 方向与导轮叶片平行，即正好沿导轮叶片出口的方向，由于从涡轮流出的液流流经导轮后其流向不变，导轮对液流的反作用力矩为零，即M D =0，可以知道即涡轮的输出力矩等于泵轮对液流的作用力矩。在这种情况下，液力变扭器由变扭工况转化为偶合工况。
3）涡轮转速进一步增大
如果涡轮转速进一步增大，涡轮出口处液流绝对速度v w 方向将进一步向左倾斜，如图2-9所示。当涡轮转速超过前述偶合工况的转速时，液流便冲击到导轮叶片的背面，此时导轮对液流反作用力矩的方向与泵轮对液流的作用力矩的方向相反，即
M ’w =M B -M D ，故涡轮输出力矩反而小于泵轮输入力矩。
4）涡轮转速与泵轮转速相等时
当涡轮转速增大至与泵轮转速相等时，油液在循环圆中循环流动即停止，液力变扭器便失去传递动力的能力。
由以上分析，可以得到如下三点重要的结论：
其一，液力变扭器由泵轮（主动轮）、涡轮（被动轮）和导轮等三个工作轮组成，它们是转换能量，传递动力和变扭必不可少的基本元件。
泵轮—使发动机的机械能转换为液体能量；
涡轮—将液体能量转换为涡轮轴上的机械能；
导轮—通过改变液体的方向而起变扭作用。
其二，与液力偶合器一样，液力变扭器中液体同时绕工作轮轴线作旋转运动和沿循环圆作轴面循环运动，轴面循环按先经泵轮，后经涡轮和导轮，最后又回到泵轮的顺序，进行反复循环。
其三，液力变扭器效率随涡轮的转速而变化。
①当涡轮转速为零时，增扭值最大，涡轮输出扭矩等于泵轮输入扭矩与导轮反作用扭矩之和。
②当涡轮转速由零逐渐增大时，增扭值随之逐渐减少。
③当涡轮转速达到某一值时，涡轮出口处液流直接冲向导轮的出口处，液流不改变流向，此时液力变扭器变为液力偶合器，涡轮输出力矩等于泵轮输入力矩。
④当涡轮转速进一步增大时，涡轮出口处液流冲击导轮叶片背面，此时液力变扭器的涡轮输出力矩小于泵轮的输入力矩，其值等于泵轮的输入力矩和导轮的反作用力矩之差。
⑤当涡轮转速与泵轮转速相同时，液力变扭器失去传递动力的功能。
3. 液力变扭器的特性
液力变扭器的特性，可用几个与外界负荷有关的特性参数或特性曲线来评价。描述液力变扭器的特性参数主要有传动比、变矩系数、效率和穿透系数等，描述液力变扭器的特性曲线主要有外特性曲线、原始特性曲线和输入特性曲线，在此，仅就主要的特性参数和特性曲线作一介绍。
1）液力变扭器的特性参数
（1）传动比i W B
液力变扭器传动比i W B 是涡轮转速n w （输出转速）与泵轮转速n B （输入转速）之比，传动比用来描述液力变扭器的工况。其数学表达式为：
i W B =nw /n B
（2）变矩系数K
液力变扭器变矩系数K 是涡轮扭矩M w 和泵轮扭矩M B 之比，变矩系数用来描述液力变扭器改变输入扭矩的能力。其数学表达式为：
K =M w /M B 由上节变扭器原理分析可知，变矩系数K 是随涡轮转速n w ，或者说是随传动比i W B 而变化的。K >1时，称为变扭工况，当K =1时，称为偶合工况。当涡轮转速n w =0，即传动比i W B =0时，这种工况相当于汽车起步之前，故称为失速工况（也称为起动工况，或制动工况），在此工况下变矩系数为最大（K 值一般
为1. 9～5左右）。目前，汽车常用液力变扭器的变矩系数约2～
2. 3左右。
（3）效率η
液力变扭器效率η是涡轮轴输出功率N w 与泵轮输入功率N B 之比。其数学表达式为：
η=N w /N B
因为功率等于转速与扭矩的乘积，上式可改写为：
η=N w /N B
=M w n w /M B n B
=Ki w B
由上式可见，液力变扭器的效率等于变矩系数与传动比的乘积。
（4）液力变扭器的穿透性
液力变扭器的穿透性是指变扭器和发动机共同工作时，在油门开度不够的情况下，变扭器涡轮轴上的载荷变化对泵轮扭矩和转速（即发动机工况）影响的性能。具体地说，在上述情况下，若涡轮轴上扭矩和转速出现变化而发动机工况不变时，这种变扭器称为是不可透的，反之则称为是可透的。汽车自动变速器上采用的液力变扭器是可透的，当涡轮因负荷增大而转速下降时，传动比随之下降，从而使发动机的负荷也增大。