汽车液力变矩器的变扭矩原理
本章的要点
2.1汽车动力性能指数
2.2汽车驾驶力学基础
2.3汽车动力学分析
2.4汽车行驶附着条件
2.5装有液力变矩器的汽车的动力性能
2.6汽车动态测试
现代汽车大多装有一般活塞式内燃机，其外特性曲线如图2-33a所示。由于活塞式内燃机在低速时储备功率很小，如果不配备变速器，只能通过小坡度。为了适应汽车低速时的大储备功率，发动机的外特性应是等功率曲线，如图2-33b所示。
如果这两台发动机都没有变速器，同样的车辆质量，同样的最高车速，车辆的功率平衡图和驱动力-行驶阻力平衡图如图2-34所示。
从图中可以看出，虽然内燃机的最大功率与同等功率的发动机相同。而当车速较低时，内燃机车的储备功率很小，它所能提供的驱动力也很小。而同样功率发动机的汽车，在没有驱动轮对附着力的限制下，可以在低速下克服很大的坡度。因此，等功率发动机的特性曲线称为理想汽车发动机特性。为了克服内燃机特性的缺陷，一般汽车都装有有级变速器，使汽车具有接近同等功率发动机的驱动力和驱动力，从而提高汽车动力，如图2-35所示。当传动齿轮数无限增加，即采用无级传动，且无级传动的机械效率与有级传动相等时，内燃机可能始终工作在最大功率条件下，汽车的驱动功率始终相等，即与装有同等功率发动机的汽车具有相同的功率。
为了使发动机在任何车速下都能发出最大功率，CVT的传动比随车速的变化规律如下
其中是发动机发出最大功率时的转速(r/min)。
以上分析的假设是无级变速器的传动效率与普通齿轮变速器相同。事实上，前者的传动系统效率低于后者，因此CVT车辆的动力性能低于理想水平。
汽车中使用最广泛的无级变速器是液力变矩器。由于扭矩变化范围小，变矩器通常与三速或四速自动机械变速器串联使用。其实使用液力变矩器并不是为了提高汽车在好路面上的动力性能，而是为了操作方便，起步换挡平顺，发动机不易熄火。
变矩器的无量纲特性通常用于表征变矩器的特性(图2-36)。无量纲特性给出了变扭矩比、效率和泵轮扭矩系数随速比变化的规律。其中，扭矩比是涡轮输出扭矩与泵轮输入扭矩的比值。
(2-92)
变矩器转速比是涡轮转速与泵轮转速的比值。
(2-93)
传输效率是输出功率与输入功率的比值。
(2-94)
变矩器负载特性如下
(2-95)
式中:工作油的密度；是变矩器的有效直径；是泵的叶轮速度。水泵叶轮的扭矩系数是一个比例常数。
在液力变矩器的测试中，通过测量、和，可以求出泵叶轮的变扭矩比、速比、效率和扭矩系数。
泵叶轮的扭矩系数与速比的关系，表现了液力变矩器的“渗透性”，即泵叶轮的载荷变化与涡轮载荷的关系。液力变矩器的渗透性是由其结构决定的。
在任何速比下，叶轮扭矩系数恒定的液力变矩器称为“不可渗透”变矩器。根据公式(2-95)，不透水液力变矩器的叶轮扭矩与叶轮转速之间的关系只是一条抛物线(见图2-37)。
当发动机节气门全开或部分打开时，该曲线与扭矩曲线的交点决定了发动机的工作状态，即其转速。只要发动机的节气门保持不变，无论外界阻力和汽车的运动有什么变化，发动机的转速都会保持不变。也就是说，汽车行驶工况的变化只影响涡轮轴转速的变化，而载荷对泵轮转速没有影响。
对于“渗透式”液力变矩器，在发动机油门不变的情况下，汽车行驶阻力或行驶速度的变化不是一个定值。随着液力变矩器结构的不同，有时随速比的增大而单调减小；有时值会先增加，然后减少。
渗透式液力变矩器泵轮的扭矩曲线是一组曲线(图2-38)。在一定速比下存在一个值，确定泵轮的扭矩曲线。不同速比取值不同，确定了一组水泵叶轮扭矩曲线。这些曲线与发动机节气门全开或部分打开时的扭矩曲线的交点就是发动机的工作转速。比如在auto start中，涡轮转速= 0，即速比= 0，对应的泵轮扭矩系数为:如果节气门全开，发动机以该转速运转；在加速过程中，车速增加，涡轮转速增加，速比也增加。此时如果降低到，发动机转速为；如果汽车速度再次增加，并继续增加和减少，相应的发动机转速是。因此，可渗透的液力变矩器扩大了发动机运行的速度范围和相应的扭矩范围。
液力变矩器的渗透率用渗透率表示，其定义为
(2-96)
式中:和为涡轮不转动时泵叶轮的扭矩和扭矩系数；泵的转矩和叶轮的转矩系数都是偶合器工作时的状态，即变矩比。
如果是，则是不透水的液力变矩器；如果是的话，就是渗透式液力变矩器。普通汽车，其他车辆。
节气门全开时，变矩器的输出扭矩与输出转速的关系曲线称为变矩器的输出特性。显然，根据这个输出特性，就可以确定汽车的动力性能。利用图2-37和图2-38中发动机的外特性与液力变矩器在不同速比下的转矩曲线的交点，即节气门全开时发动机与液力变矩器的* *相同工作点，利用液力变矩器的无量纲特性和式(2-92)、(2-93)，可以得到液力变矩器的输出特性。图2-39显示了不透水液力变矩器的输出特性。图2-40显示了渗透式液力变矩器的输出特性。图上还画了曲线。
装有液力变矩器的汽车的动力性能与液力变矩器的有效直径d密切相关。当d值减小时，泵叶轮的(抛物线)扭矩曲线将变得更加平缓。因此，由泵轮扭矩曲线和发动机扭矩曲线的交点确定的发动机扭矩转换器的相同工作点必须处于较高的速度和较低的扭矩。换句话说，汽车在高速时获得的驱动力很大，而在低速时获得的驱动力很小。
对于不透水的液力变矩器，改变有效直径d可以使发动机处于节气门全开时的转速。此时，如果变矩器的传动效率不变，驱动轮在不同的车速下总能获得最大的驱动力。但实际上，液力变矩器的传动效率在不同的速比下差别很大。只有当涡轮转速在一个小的区域时，变矩器才能具有高效率。当开始加速或克服较大坡道阻力时，涡轮转速和对应的速比都很小，变矩器处于低效率状态，所以虽然发动机发出最大功率，但驱动轮上的驱动功率还不如发动机转速较低时，相当于转速比较高、传动效率较高时。所以考虑到液力变矩器传动效率的变化，最好能提高各种转速下的驱动力，包括起步加速，发动机能在不同转速下工作。换句话说，变矩器应该是可渗透的。
为了获得最佳的动力性能，在选择液力变矩器的有效直径和透明度时，发动机转速应该从开始逐渐增加到最大动力转速。当原始启动对应的速比为0时，发动机转速为0，其扭矩为0，驱动力最大。对应高车速，发动机功率为。为了降低噪音，舒适车往往选择较低的发动机转速。
在选择有效直径和渗透率时，还应考虑燃油经济性和发动机磨损。不仅是渗透性变矩器，不渗透性变矩器也要使发动机转速向低速方向移动。装有不可渗透变矩器的货车通常在发动机节气门全开时以90%的速度工作。
在加速过程中，随着涡轮转速的增加，涡轮扭矩逐渐减小。这时，涡轮扭矩等于泵轮扭矩(见图2-41和图2-42)。速比进一步增大，效率急剧下降，液力变矩器处于不利的工作状态。因此，现代液力变矩器在使用时，将液力变矩器转为液力耦合器的工作状态，或者用锁止离合器将泵轮与涡轮锁止，动力直接传递给传动轴。
液力耦合器的传动效率，即液力耦合器的传动效率随着车速的提高和速比的增大而增大。
图2-42显示了液力耦合器的无量纲特性。
图2-43显示了速比改变到液力耦合器工作状态后，集成式液力变矩器的无量纲特性。当汽车从原地起步时，涡轮转速即速比最大，随着的增大，液力变矩器的效率以比液力耦合器快得多的速度增加，达到最大值后又再次降低。但当> 1时，其效率始终高于液力耦合器。当=1时，变矩器的效率等于液力耦合器的效率。此时，变矩器切换到液力耦合器。当它再次增加时，液力耦合器的效率继续增加，而液力变矩器的效率迅速降低。集成式液力变矩器的输出特性如图2-43所示。
为了进一步提高燃油经济性，有些液力变矩器在= L时直接锁住泵轮和损坏的车轮，之后动力会直接传递到后面，液力变矩器的效率接近100%。所以在那之后，车子的动力和燃油经济性都得到了提升。图2-44显示了带锁止装置的液力变矩器的输出特性。
因此，综合液力变矩器或带锁止离合器的液力变矩器防止了高速区传动效率的降低，从而提高了汽车的动力性能和燃油经济性。
利用液力变矩器的输出特性，液力变矩器后传动装置的传动比为=；将转速和传动效率代入式(2-2)和式(2-22)，即可得到汽车的行驶图。
需要指出的是，液力传动过程消耗了一部分发动机功率，这部分功率往往不计入传动效率的计算中。根据行驶图可以确定汽车的爬坡度、加速度和最大速度。
对于装有不透水液力变矩器的汽车，汽车加速时发动机转速保持不变，转动质量换算系数不变；普通车采用渗透式液力变矩器，> 1，但比手动挡的数值小很多，粗略计算还是可取的。
图2-45所示为装有综合液力变矩器和双速机械变速器的汽车行驶简图。当挂低档时，由于液力变矩器的传动比和速比I增大，变矩器效率提高，使驱动力大于高档。图中虚线是这款车三速有级变速器的驱动力曲线。从这两组曲线的对比可以看出，由于液力变矩器的效率较低，装有一体化液力变矩器变速器的汽车在高速时的动力性能并没有得到改善，只有在极低转速的行驶区域，其驱动力才大于一般的有级变速器。但由于汽车从零速开始(有级变速器只有在一定速度后才能提供驱动力，零速时必须依靠离合器打滑来传递驱动力)，所以起步平顺柔和，没有冲击。就带锁止离合器的液力变矩器来说，高速时驱动力与一般齿轮变速器相当，所以动力性能还是可以提升的。
装有液力变矩器的汽车，可以产生很大的驱动力，低速平稳行驶。这对在松软地面或雪地上行驶的通过性具有重要意义。
由液力变矩器和行星机械变速器组成的液力自动变速器，因其优良的驾驶便利性而受到驾驶员的喜爱。