问题

液力自动变速器(AT)的变矩器中为什么把泵轮布置在靠近变速器侧,涡轮布置在靠近发动机侧??

回答
你这个问题问得非常关键,它触及了液力变矩器设计的核心原理。其实,你对泵轮和涡轮的相对位置有个小小的误解,它们的布置顺序是这样的:

泵轮(也叫主动轮)布置在靠近发动机侧,涡轮(也叫从动轮)布置在靠近变速器侧。

这是一个非常重要的设计决策,背后有着严谨的物理和工程考量。让我来给你详细解释一下原因,尽可能地把话说得更透彻,也尽量让你感觉像是跟你老朋友聊天一样。

首先,我们得明白液力变矩器是个啥玩意儿,它里面到底在干嘛。

简单来说,液力变矩器就像是一个液体联轴器,它靠着液体的流动来传递发动机的动力到变速器。你可以想象它里面有两个风扇,一个对着另一个吹风,只不过这个“风”是液压油,而且吹得非常用力。

泵轮(主动轮): 这个轮子是直接由发动机曲轴驱动的。发动机转一圈,它就跟着转一圈,而且转速和发动机一样快。它就像是那个“吹风机”的电机,把发动机的能量转化为油液的动能。
涡轮(从动轮): 这个轮子是连接到变速器输入轴的。当泵轮里的油液冲到它上面时,它就会被带动着旋转,从而把动力传递给变速器。它就像是那个被风吹动的风扇。
导轮(涡轮),也叫静止叶轮: 这个家伙藏在泵轮和涡轮之间,它的作用非常关键。它有一套特殊形状的叶片,能把从涡轮出来、方向已经改变的油液,重新引导回泵轮,并且改变油液流动的方向,让它以更利于泵轮工作的方向进入泵轮。

现在,我们回到你的问题,为什么泵轮要靠近发动机,涡轮要靠近变速器呢?

这其实是基于动力传递的效率、结构紧凑性和一些物理原理的。

1. 动力传递的路径和效率:
发动机的输出: 发动机的动力是旋转动能。这个动能首先要被转化为油液的动能。泵轮作为“源头”,它直接接收来自发动机曲轴的动力。将泵轮放在最靠近发动机的位置,意味着动力从发动机到泵轮的传递路径最短,能量损失也最小。想象一下,如果泵轮离发动机很远,中间还需要通过长长的传动轴来驱动它,那中间的摩擦损耗会更大。
油液的流动: 泵轮旋转时,通过离心力的作用将油液甩出去,这些油液带着能量冲击涡轮叶片。这个能量传递的过程是一个循环。油液从泵轮高速出来,冲击涡轮,然后从涡轮出来,经过导轮的重新引导,再回到泵轮。如果泵轮在靠近发动机的位置,它将油液甩出,这些油液“带着能量”向着靠近变速器的涡轮运动。这样,从泵轮到涡轮的油液传递路径也是最直接的。

2. 结构紧凑性与集成化:
集成设计: 液力变矩器本身就是一个独立的模块,它通常集成在发动机和变速器之间。将泵轮放在靠近发动机的一侧,涡轮放在靠近变速器的一侧,是最符合整体布局的自然结果。发动机的飞轮通常会直接或通过短轴与变矩器的泵轮连接。而变矩器的涡轮则直接与变速器的输入轴连接。这种布置方式使得整个动力传递系统的结构更加紧凑,减少了零部件的数量和连接的复杂性。
驱动与被驱动的天然顺序: 发动机是动力源,它“驱动”变矩器。变速器是动力的“接受者”,它“被变矩器驱动”。从动力流动的逻辑顺序来说,驱动源(发动机)在前,被驱动的部分(变速器)在后,中间连接的就是变矩器。那么,变矩器里负责驱动的部分(泵轮)自然就应该在前面,负责被驱动的部分(涡轮)自然就应该在后面。

3. 关于导轮的作用(加深理解):
你可能会好奇,如果油液从涡轮出来后直接流回泵轮,会发生什么?如果没有导轮,这些油液的流向可能并不理想,甚至会阻碍泵轮的旋转,降低效率。
导轮的作用就是把从涡轮出来的、已经改变了方向的油液,通过它特殊的叶片设计,重新调整油液的流向,让它以一个最佳的角度进入泵轮。这样做的目的有两个:
增加扭矩: 当车辆起步或低速时,发动机转速不高,但需要很大的驱动力。这时候,导轮会因为与油液的相互作用而产生一个反作用力,这个反作用力会叠加到涡轮上,从而“放大”发动机的扭矩,这就是液力变矩器最神奇的地方——变矩作用。
提高效率: 在高速巡航时,导轮会因为油液的冲击而自己旋转起来,并且保持与泵轮相似的转速。这样,油液回流泵轮的阻力会减小,传递效率也更高。
而导轮的位置恰好在涡轮之后,正好处于油液回流的必经之路上,它的设计和布置也与泵轮和涡轮的相对位置息息相关。

总结一下,将泵轮布置在靠近发动机侧,涡轮布置在靠近变速器侧,是为了:

最小化从发动机到变矩器内部驱动部分(泵轮)的动力传递损失。
实现最直接、最高效的油液能量传递路径,从泵轮到涡轮再到导轮,最终回到泵轮。
配合液力变矩器的整体结构设计,使动力总成更加紧凑和集成化。
确保导轮能够有效地引导油液回流,从而实现变矩器的变矩和高效传递功能。

这就像是你在给一个人递东西,你当然是把东西(能量)从自己手里(发动机)递出去,交给那个要接东西的人(变速器)。而变矩器内部的泵轮和涡轮就是负责这个“递”和“接”过程的。

希望我解释得够清楚,也尽量避免了那些机器味儿太浓的说法。有什么不明白的,咱们继续聊!

网友意见

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谢军火妹邀。

虽然现在的工作距离动力总成远了一些,毕竟还是车辆专业的学生,来强答一波吧。

液力变矩器的原理就类似于两个对置的电风扇,一个电风扇接电源主动,吹动空气推动另一个电风扇叶片转动,这样动力就通过流体(空气)从左边电风扇的传递到右边。

从YouTube搬运一个视频过来,这里面比较好的讲了液力变矩器的原理,以及为什么变矩器的泵轮要布置远离发动机而涡轮在发动机侧。

液力变矩器工作原理 https://www.zhihu.com/video/1440470990501961728


以下是视频截图,首先泵轮靠近发动机侧(PREVIOUS DESIGN)从结构上是可行的,没有看到不可行的理由

然后说如果现行的设计,涡轮更靠近曲轴,加上涡轮左侧那个轴承能够更好的保持轴线对中。我觉得这个YouTube视频里面的理由有些牵强,在左下角的那个泵轮靠近曲轴的设计中,也完全可以讲涡轮的轴做长,通过轴承传在泵轮的里面,也达到简支的效果,避免悬臂造成的不对中。


然后我进一步想锁止离合器的问题,发现也没有定性的理由让其保持现行的反装设计,并且顺手画了一张灵魂画作设计图。

泵轮在发动机侧的灵魂设计图

这个问题可以和知友们进一步探讨,我现在的感觉是,没有定性的原因,只有定量的原因,可能效率更高,可能结构可靠性更好,可能更便于维修,可能更适合液压油路的设计。

还有一个可能的原因是现行设计的涡轮侧靠近曲轴飞轮,这块的位置相对比较宽裕,飞轮处通常是呈一个圆端面平面的,有利于壳体和锁止离合器的放置空间,这样泵轮侧的可以做的更紧致一些,也不用做成圆端面这样浪费空间。

在我们看汽车里面各种机械结构的时候,有一点可以感受到,就是这些结构都是经过千锤百炼的设计和改进的,演化成了现在这样,在一些基础研究和革命性应用(如材料,电控技术等)突破之前,可能已经是当时技术和成本限制下的最优方案了。

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实际AT变速器(液力自动变速器),我年轻的时候看到这个知识点,都觉得很神奇。不用刚性连接,不用皮带,也不用大小齿轮,也不用共一个轴,就这么一边转啊转,就能通过流体把动力传给另外不接触的一边。

就如同一个电扇一样,对着另外一个不通电的电扇转悠,就可以两个电扇一起转。

工作原理:

泵轮提供能量(泵轮和壳体一体,与发动机输出端刚性相连,接受发动机的动力),使得内部油液旋转(液力变矩器内充满油液),油液的旋转使得内部的涡轮旋转,涡轮的花键接着变速器的动力输入轴。

再上一张图,可能就看得更清楚了,发动机的动力出来,传送到壳体上,因为壳体和泵轮是连接一体的两面。

泵轮旋转后,通过油液带动涡轮,最后把动力传递到变速器。这种柔性的动力传递,也就是AT变速箱的低速蠕行保持平顺的原因了,因为AT变速箱基本在低速时候的动力都是由油液传递的,没有刚性连接,自然就基本没有抖动了。

再上一个更细节的图片,之所以叫泵轮,就是它提供给涡轮旋转的动力,如同两把电扇的那个转动的电扇一样……其中的定子对泵轮泵回来的变速器油起导向作用。

之所以题主问这个问题,估计还是对结构不熟悉,因为从爆炸图看,发动机的动力好像是先穿过涡轮,再到达泵轮,这样看上去就觉得很别扭,离变速器近的泵轮怎么比离发动机近的涡轮先从发动机接受动力,按照动力依次贯穿,不应该是离发动机更近的涡轮接受到发动机动力吗?

但实际泵轮和壳体就是一体的密封结构,两个把里面的定叶轮,涡轮,锁止离合器给夹在了一起,发动机转轴带动壳体转动的时候,因为泵轮和壳体相连(焊接为一个密封鼓状),发动机的动力输出轴带动两者同步旋转,泵轮带动腔体内的油液旋转产生油液扭矩,从而带动了涡轮,然后通过涡轮的中心花键把扭矩传递给了变速箱。这样设计集成度高,空间利用率高。

如果要强行把涡轮从这个密封环境(泵轮、壳体密封腔体)弄出来,放在泵轮的左边。

那么从左到右的顺序变成涡轮,定叶轮,泵轮,锁止离合器,壳体。

发动机的动力给到壳体带动泵轮旋转,但是这个时候涡轮已经不在泵轮和壳体的密封腔体里了,要让泵轮带动涡轮转,就又得在所有零件外面加个罩子,让油液在里面循环,导致整个液力变矩器体积增大。而且原本锁止离合器是用来锁住涡轮(离合器通过摩擦盘的花键与涡轮连接),如果涡轮跑到最左边,那锁止离合器也要跟过去,但是如果放进泵轮和涡轮间,又会影响定叶轮的功能。我想了半天,现有的结构的确就是最优的,体积能做到最小,而且工艺也最简单。

哪怕最后通过设计解决上述问题,但工序增多,体积增大,成本增加,好好的集成一体化的简单构造也弄得复杂许多,那是何苦呢。


最后说下AT变速箱的改善。

AT变速箱,一般在低速时候,动力由液力传递,但是这个因为两者柔性连接,到了较高速度时,油液旋转得快,损失的绝对能量就越多(发热厉害),绝对没有刚性连接那样有效传递动力。

所以在变速箱油发热厉害,转速过高的情况下,变速器里面的锁止离合器就会发挥作用,跳过液力连接,实现直接传动,提高燃油经济性。

但还是因为AT变速箱,在低速行驶时候的动力传递是柔性的,动力损失较多,所以导致了油耗比刚性传递偏高。后期各家企业为了保障AT变速箱的柔顺同时,也为了追求燃油性,纷纷开发了自己的技术。

如马自达的6AT变速箱,开发了全速域锁止技术,也就是不仅仅是在发动机高速旋转的时候,锁止离合器发挥作用,而是要在绝大部分速度的时候,甚至低速的时候,就要让锁止离合器参与进来,当然,如果强行这样做,在省油的同时,必然会导致顿挫感。

为了提高燃油经济性,同时减少顿挫,马自达把锁止离合器由单片转成了多片。多盘式锁止离合器的锁止范围达到82%,比传统的锁止离合器的锁止范围50%-60%要高许多。

同时马自达对润滑油场进行了优化,液力变矩器小型化,还加入了减震器。为了提高油压精度的控制,马自达将机械部件和电控零件高度集成。以上种种,使得马自达的AT变速箱在低速时候能保持AT的柔顺蠕动,还能有效降低油耗。

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