变矩器

变矩器是一种类型的流体联接转移了从旋转动力的原动机，如一个内燃机，到旋转驱动的负载。在配备自动变速器的车辆中，变矩器将动力源连接到负载。它通常位于发动机的挠性板和变速箱之间。手动变速器中的等效位置是机械离合器。

变矩器的主要特性是当输出转速很低时，它能够增加扭矩，从而允许从涡轮弯曲叶片流出的流体在与单向离合器锁定时从定子偏转，从而提供相当于一个减速齿轮。这是一种超越简单液力偶合器的特点，它可以匹配转速但不会增加扭矩，从而降低功率。

到目前为止，汽车变速器中最常见的变矩器形式是本文中描述的流体动力装置。也有广泛用于小型机器（如紧凑型挖掘机）的静液压系统。

还有用于无级变速器的机械设计，它们也具有增加扭矩的能力。它们包括基于摆锤的Constantinesco液力变矩器、Lambert摩擦齿xxx驱动传动装置以及带有膨胀滑轮和皮带传动装置的Variomatic。

• 汽车上的自动变速器，例如轿车、公共汽车和公路/非公路卡车。
• 货运代理和其他重型车辆。
• 船舶推进系统。
• 工业动力传输，如输送机驱动，几乎所有现代叉车、绞车、钻机、建筑设备和铁路机车。

在变矩器中至少有三个旋转元件：叶轮，由原动机机械驱动；驱动负载的涡轮机；和定子，它位于叶轮和涡轮之间，因此它可以改变从涡轮返回到叶轮的油流。经典的变矩器设计规定定子在任何情况下都不能旋转，因此称为定子。然而，实际上，定子安装在超越离合器上，这可以防止定子相对于原动机反向旋转，但允许正向旋转。

对基本的三元件设计进行了定期修改，特别是在需要高于正常扭矩倍增的应用中。最常见的是，它们采用多个涡轮机和定子的形式，每组都被设计为产生不同量的扭矩倍增。例如，别克Dynaflow自动变速箱是一种非换档设计，在正常情况下，仅依靠变矩器来增加扭矩。Dynaflow使用五元件转换器来产生推动重型车辆所需的大范围扭矩倍增。

虽然严格来说不是经典变矩器设计的一部分，但许多汽车变矩器包括一个锁止离合器，以提高巡航动力传输效率并减少热量。离合器的应用将涡轮机锁定在叶轮上，使所有动力传输都是机械的，从而消除了与流体驱动相关的损失。

变矩器具有三个操作阶段：

• 失速。原动机正在向叶轮供电，但涡轮无法旋转。例如，在汽车中，当驾驶员将变速器挂入档位但通过继续施加制动器阻止车辆移动时，将发生该操作阶段。在失速时，如果施加足够的输入功率，变矩器可以产生xxx的扭矩倍增（由此产生的倍增称为失速比）。当负载（例如，车辆）最初开始移动时，失速阶段实际上会持续一小段时间，因为泵和涡轮机速度之间会有很大的差异。
• 加速。负载正在加速，但叶轮和涡轮速度之间仍然存在较大差异。在这种情况下，变流器将产生比失速情况下所能达到的扭矩倍增的更少。倍增量将取决于泵和涡轮速度之间的实际差异，以及各种其他设计因素。
• 耦合。涡轮机已达到叶轮速度的大约90%。扭矩倍增已基本停止，变矩器的工作方式类似于简单的液力偶合器。在现代汽车应用中，通常在此操作阶段使用锁止离合器，该程序往往会提高燃油效率。

变矩器能够放大扭矩的关键在于定子。在经典的液力偶合器设计中，高滑动周期会导致从涡轮返回叶轮的流体流与叶轮旋转方向相反，从而导致显着的效率损失和大量废热的产生.在变矩器中的相同条件下，回流的流体将被定子重新导向，从而帮助而不是阻碍叶轮的旋转。结果是返回流体中的大部分能量被回收并添加到原动机施加到叶轮的能量中。该动作导致被引导至涡轮的流体质量显着增加，从而产生输出扭矩的增加。由于返回的流体最初沿与叶轮旋转相反的方向行进，定子将同样尝试反向旋转，因为它迫使流体改变方向，单向定子离合器阻止了这种效果。

与普通液力偶合器中使用的径向直叶片不同，变矩器的涡轮和定子使用成角度和弯曲的叶片。定子的叶片形状改变了流体的路径，迫使它与叶轮的旋转一致。涡轮叶片的匹配曲线有助于正确地将回流流体引导至定子，以便后者能够发挥作用。叶片的形状很重要，因为微小的变化都会导致转换器性能的显着变化。

在发生扭矩倍增的失速和加速阶段，定子由于其单向离合器的作用而保持静止。然而，随着变矩器接近耦合阶段，从涡轮返回的流体的能量和体积将逐渐减小，导致定子上的压力同样减小。一旦进入耦合阶段，返回的流体将反转方向，现在沿叶轮和涡轮的方向旋转，这种效果将试图正向旋转定子。此时，定子离合器将松开，叶轮、涡轮和定子都将（或多或少）作为一个整体转动。

不可避免地，流体的一些动能会因摩擦和湍流而损失，从而导致转换器产生废热（在许多应用中通过水冷消散）。这种效应通常称为泵送损失，在失速条件下或接近失速条件时最为明显。在现代设计中，叶片几何形状将低叶轮速度下的油速降至最低，这允许涡轮长时间停转而过热的危险很小（例如，当配备自动变速器的车辆在交通信号灯处或在交通拥堵时停车时仍然在齿轮）。

变矩器无法达到xxx的耦合效率。经典的三元件变矩器的效率曲线类似于∩：失速时效率为零，通常在加速阶段提高效率，而在耦合阶段效率低。转换器进入耦合阶段时的效率损失是定子产生的湍流和流体流动干扰的结果，如前所述，通常通过将定子安装在单向离合器上来克服。

即使有单向定子离合器的好处，转换器在耦合阶段也无法达到与同等尺寸的液力耦合器相同的效率水平。一些损耗是由于定子的存在（即使作为组件的一部分旋转），因为它总是会产生一些吸收功率的湍流。然而，大部分损失是由弯曲和成角度的涡轮叶片造成的，它们不像径向笔直的叶片那样吸收流体质量的动能。由于涡轮叶片几何形状是变矩器倍增扭矩能力的关键因素，因此在扭矩倍增和耦合效率之间进行权衡是不可避免的。在汽车应用中，市场力量和政府法令要求稳步提高燃油经济性，

转换器产生的xxx扭矩倍增量在很大程度上取决于涡轮和定子叶片的尺寸和几何形状，并且仅在转换器处于或接近运行的失速阶段时产生。对于大多数汽车应用，典型的失速扭矩倍增比范围为1.8:1至2.5:1（尽管别克Dynaflow和雪佛兰Turboglide中使用的多元素设计可以生产更多）。专为工业、铁路或重型船用电力传输系统设计的专用转换器能够实现高达5.0:1的乘法。一般而言，在xxx扭矩倍增和效率之间存在折衷——高失速比转换器往往在低于耦合速度时效率相对较低，而低失速比转换器往往提供较少可能的扭矩倍增。

变矩器的特性必须与动力源的扭矩曲线和预期应用仔细匹配。改变定子和/或涡轮的叶片几何形状将改变扭矩失速特性以及装置的整体效率。例如，飙车自动变速器通常使用经过改进的转换器来产生高失速速度，以提高离线扭矩，并更快地进入发动机的功率带。公路车辆通常使用较低的失速变矩器来限制热量的产生，并为车辆的特性提供更​​坚固的感觉。

曾经在一些通用汽车自动变速器中发现的设计特征是可变螺距定子，其中叶片的攻角可以根据发动机速度和负载的变化而变化。这样做的效果是改变转换器产生的扭矩倍增量。在正常攻角下，定子使转换器产生适度的倍增量，但效率更高。如果驾驶员突然打开油门，阀门会将定子节距切换到不同的攻角，以牺牲效率为代价增加扭矩倍增。

一些变矩器使用多个定子和/或多个涡轮机来提供更大范围的扭矩倍增。这种多元件转换器在工业环境中比在汽车变速器中更常见，但汽车应用如别克的TripleTurbineDynaflow和雪佛兰的Turboglide也存在。别克Dynaflow利用其行星齿轮组的扭矩倍增特性与用于低速档的变矩器相结合，绕过xxx个涡轮机，随着车速的增加仅使用第二个涡轮机。这种布置不可避免的权衡是效率低下，最终这些变速器被停产，取而代之的是具有传统三元件变矩器的更高效的三速装置。还发现变矩器的效率在非常低的速度下xxx。

如上所述，变矩器内的推进损失会降低效率并产生废热。在现代汽车应用中，这个问题通常可以通过使用锁止离合器来避免，该离合器将叶轮和涡轮机物理连接起来，有效地将转换器转变为纯机械耦合。结果是没有打滑，并且几乎没有功率损失。

锁定原理的xxx个汽车应用是Packard于1949年推出的Ultramatic变速器，它在巡航速度下锁定转换器，在踩下油门以快速加速或车辆减速时解锁。1950年代生产的一些Borg-Warner变速箱中也出现了此功能。由于其额外的复杂性和成本，它在随后的几年中失宠。在1970年代后期，锁止离合器开始重新出现以响应提高燃油经济性的需求，现在几乎在汽车应用中普遍使用。