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液力耦合器的結構與工作原理

液力耦合器安裝在汽車發動機和機械變速裝置之間,它們是由兩盒狀結構的泵輪和渦輪組成,利用液體在主、從動元件之間循環流動過程中動能的變化來傳遞動力。由于液體ATF在液力耦合器中作循環流動時,有受到任何其它附加外力,故發動機作用于泵輪上的轉矩與渦輪所接收并傳給從動軸的轉矩相等。

在介紹液力耦合器之前,必須首先了解液力耦合器的結構及其工作原理,這是學習變矩器工作原理的基礎。液力耦合器是一種液力傳動裝置,又稱液力聯軸器。在不考慮機械損失的情況下,輸出轉矩與輸入轉矩相等。它的主要功能有兩個方面,一是防止發動機過載,二是調節工作機構的轉速。

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一、液力耦合器的結構
液力耦合器安裝在汽車發動機和機械變速裝置之間,它們是由兩盒狀結構的泵輪3和渦輪4組成,它們都稱為工作輪,泵輪是主動元件,與外殼2成一體,通過傳動板與發動機曲軸1的凸緣相連;渦輪是從動元件,通過在鍵與耦合器渦輪輸出軸5連在一起旋轉,如圖3-3所示。泵輪和渦輪的殼體中沿半徑放射狀徑向排列著許多平直葉片,泵輪和渦輪相對而置,中間留有一定間隙約3~4mm,泵輪與渦輪裝合成一個整體后,其軸線斷面一般為圓形,在其內腔中充滿液壓油。
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圖3-3 液力耦合器結構示意圖
1-發動機曲軸 2-耦合器外殼 3-泵輪 4-渦輪 5-輸出軸


二、液力耦合器的工作原理
液力耦合器以工作液(ATF)作為傳動介質,利用液體在主、從動元件之間循環流動過程中動能的變化來傳遞動力。

當發動機帶動泵輪3旋轉時,ATF在泵輪葉片的帶動下一起旋轉,繞輸入軸和輸出軸的軸線作圓周運動。圓周運動產生離心力,ATF從泵輪中心向四周沿葉片方面甩出;在葉片與葉片組成的空間里,ATF就是從葉片內緣向葉片外緣流動,因此,葉片外緣處壓力較高,而內緣壓力較低,其壓力差取決于工作輪的半徑和轉速等參數。這樣,由曲軸輸入的機械能就轉變為ATF的動能和壓能。在ATF尚未進入渦輪4的時候,渦輪葉片外緣的液壓低于泵輪葉片外緣處的液壓,于是在此壓力差的作用下,ATF從泵輪流入渦輪。與此同時,ATF沖擊渦輪葉片,推動渦輪按泵輪同一方面旋轉,從而帶動液力耦合器的輸出軸轉動。這樣,ATF的動能和壓能又轉變為輸出軸的機械能。ATF推動渦輪旋轉后,順渦輪葉片從外緣流動內緣,再返回到泵輪的內緣,重復上述過程,如此不斷地循環流動,傳遞動力。

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從上述液力耦合器工作過程可以看出,在液力耦合器內部ATF同時具有兩種旋轉運動。其一,是隨同工作輪一起作繞工作輪軸線的圓周運動(牽速運動);其二,是經泵輪到渦輪,又從渦輪返回泵輪,重復循環,ATF沿工作腔循環圓作環流運動(相對運動),如圖3-4所示,故ATF的絕對運動是兩種旋轉運動的合成,運動方向是斜對著渦輪沖擊渦輪葉片的。這樣ATF在液力耦合器內部的流線是一條首尾相接的環形螺旋線。所以能量的轉換是ATF在耦合器內部空間螺旋運動中完成的。因此,液力耦合器實現傳動的必要條件是ATF在泵輪和渦輪之間有循環流動,而循環流動的產生是由于兩個工作輪轉速不等,使兩輪葉片的外緣處產生液壓差所致。轉遞差越大,壓力差也越大,則作用于渦輪葉片的力矩也越大;故液力耦合器在正常工作時,泵輪轉速總是大于渦輪轉速。如果二者轉遞相等,則液力耦合器不起傳動作用。
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圖3-4 液力耦合器工作示意圖



三、液力耦合器的特性
由于液體ATF在液力耦合器中作循環流動時,沒有受到任何其它附加外力,故發動機作用于泵輪上的轉矩與渦輪所接收并傳給從動軸的轉矩相等。即液力耦合器只起傳遞轉矩的作用,而不能改變轉矩的大小。

設泵輪轉速,渦輪轉速為,為液力耦合器的轉速比,則耦合器的傳動效率為:

(其中為耦合器的變矩比)


式中——傳動效率;——泵輪輸入功率;——渦輪輸出功率;——泵輪輸入轉矩;——渦輪輸出轉矩。

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圖3-5 液力耦合器特性曲線

因作用在耦合器上的泵輪和渦輪的轉矩相同,即,則
耦合器的效率評價它的經濟性能的指標,也就是說,液力耦合器的傳動效率等于其轉速比。渦輪與泵輪的轉速差越大,轉速比越小,傳動效率就越低。反之,轉速比越大,傳動效率越高。當發動機進入運轉并掛上了檔,而汽車尚未起步時,泵輪雖轉動而渦輪轉速為零,此時耦合器的效率為零。汽車剛起步時,渦輪轉速逐漸提高,渦輪對泵輪的轉速比增大,耦合器的傳動效率也隨之增高。理論上說,當渦輪轉速等于泵輪轉速時,效率為100%。實際上,如渦輪轉速等于泵輪轉速,則渦輪與泵輪葉片外緣處的液壓力將相等,從而使得耦合器內的循環流動停止,泵輪與渦輪間不再有能量傳遞,傳動效率為0。一般而言汽車用耦合器的最高效率可達97%左右,其效率曲線如圖3-5。


四、液力耦合器應用的不足
由于液力耦合器采用自動變速器油ATF作為傳動介質,泵輪與渦輪之間允許存在轉速差,因此液力耦合器能保證汽車起步和加速的穩定;能夠緩沖和衰減傳動系的扭轉振動扭轉振動

(轉動慣量對應于平動質量,轉動角度對應于平動位移,扭矩對應于平動載荷,轉速對應于平動速度,抗扭剛度對應于平動時的拉壓剛度;扭轉振動其實就是把轉角大小當作振動位移來建立振動方程。通常是當結構抵抗力的合力中心和外荷載的合力中心不重合的時候發生扭轉振動。),防止傳動系過載,延長發動機與傳動系各零件的使用壽命。但因耦合器不能改變所傳遞的轉矩大小,使得相應的變速機構需增加檔位。此外,由于液力耦合器不能使發動機與傳動系徹底分離,為解決換檔問題,在液力耦合器與變速器之間還須裝一個換檔用離合器。從而使得整個傳動系的重量增大,縱向尺寸增加。


二十世紀60年代英國生產的勞斯萊斯汽車,美國生產的奧茲莫爾汽車,蘇聯生產的吉姆汽車所用的自動變速器,都裝用過液力耦合器。但由于其上述缺點,近年來生產的汽車基本上不采用液力耦合器,而使用液力變矩器。

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