第二章 现代车辆与行走机械采用的四种传动技术
——四种传动技术的基本特点之纯机械传动
“无论是液力传动、电力传动还是静液压驱动装置，其中都必然包含了或多或少的机械传动元素，或者说只是在原本的纯机械传动系统中的某一个或几个环节中由于加入了液力、电力或液压功率传输元件而成为了新的传动方式。其中的主要差异出现在那些能够改变传动比和变矩比的环节。”
本期继续王意教授《车辆与行走机械的静液压驱动》一书第二章的研读之旅，欢迎您同我们一起来学习了解四种传动技术之一：液力传动
液力传动的传动链
与机械传动基本相同
液力传动的传动链与机械传动基本相同，只是使用由液力变矩器（图2-4）、动力负荷换挡变速箱及相应的控制装置组成的液力变速装置取代了纯机械传动中的主离合器和手动变速箱系统。
图2-4 综合式液力变矩器的基本结构和工作原理[3]
1-泵轮 2-涡轮 3-导轮 4-超越离合器 5-输入轴 6-输出轴 7-超越离合器支座
图中变矩器的泵轮1与输入轴5相联，输入轴5通常与发动机的飞轮输出端联接。涡轮2与输出轴联接，导轮3则通过一个单向超越离合器（自由轮）套接在与变速箱壳体固定的空心支座上。这3个叶轮封闭于一个充油的公共壳体内同心旋转。泵轮出口输出的油流经涡轮和导轮的叶片后回到泵轮入口重复循环，在循环过程中油流携带从泵轮吸收的动能，再推动涡轮旋转，涡轮出口的油流被固定的导轮叶片阻挡偏转，由此所产生的反作用力叠加在涡轮的叶片上而增大了涡轮的输出转矩。因此变矩器具有使输出转矩大于输入转矩的功能，当然在输出转矩的增加的同时伴随着转速的下降和部分能量损失。
图示综合式液力变矩器的导轮由于超越离合器的作用，在输出转速超过某一值、同时油流作用于导轮上的转矩方向发生逆转之后会由固定静止状态转为自由旋转，此后变矩器即转为只有泵轮和涡轮的液力耦合器工况，特点是不再有变矩器增大转矩的作用，却能随输出转速的继续提高，在输入输出转速差（滑差）较小，亦即输出转速接近输入转速的工况区具有高于变矩器工况的传动效率。
液力变速装置中的核心元件变矩器的工作原理基于液体动能的转化，而基本上没有涉及液体势能的变化。发动机的动力拖动变矩器中的泵轮，通过工作介质（液力传动油）将动力以流体动能形式传输给封闭于同一壳体内的涡轮。由于泵轮、涡轮及其间的导轮的共同作用，变矩器能在一定范围内根据负荷大小自动调节输出转速及扭矩，自身的变矩比可达3以上。在其输出端后置的机械变速箱有2~4个挡即可覆盖大多数车辆与行走机械所需的总变矩范围，但必须保留倒挡齿轮组。广义的液力传动装置也以液力耦合器取代主离合器的机械变速箱的形式出现，如我国早年从前苏联进口的“吉姆”轿车、德国Fendt公司的大中型拖拉机等。但液力耦合器本身没有变矩能力，只能作为柔性结合、隔离振动和防止过载的“离合器”使用，以起到改善启动性能和抑制冲击载荷以保护动力传动装置的作用。其基于滑差方式的变速功能在输出转速较低的区段效率很差，通常都需要配合机械闭锁离合器工作。在行走机械领域现在已很少有单独使用液力耦合器作为调速元件的事例，然而液力耦合器却是现代多相式综合变矩器中的重要组成部分，也广泛应用于大型车辆用的缓速器中。
双变液力传动装置
的发展和改进
由变矩器和机械变速箱组成的又被称为“双变”的液力传动装置（图2-5）的发展和改进曾经在这两个“变”上都有体现。
图2-5 由变矩器和行星齿轮装置构成的液力变速箱
a) 带后置行星排的液力变速箱(ZF)
b) 、c) 带有前置和后置行星排的液力机械功率分流变速箱（Still和Voith）
为了提高变矩器的变矩比和高效区范围，人们曾经研制和试验过带有多组叶轮以及超越离合器和闭锁离合器的结构十分复杂的多元多相综合变矩器，甚至考虑过在运转中可调叶轮叶片角度和可充放油的系统。但实践证明使用结构过分复杂的变矩器往往得不偿失。因此现代车辆用的主流液力变矩器，大多只是在高输出转速范围内可转化为液力耦合器的两相综合变矩器和设有用以闭锁泵轮及涡轮之间转差的离合器，对于变矩器本身的改进着重于以三维流场技术优化叶轮的设计及提高加工精度减少流体泄漏等方面，而较少采用更复杂的多相系统。对于整个液力变速装置性能的改进则似乎更多地着眼于后置或前置的机械变速箱以及功率分流技术方面。
现有的液力传动装置配置的机械变速箱很少采用滑动齿轮或同步器之类的简单换挡机构，而大都装用了湿式液压离合器控制的负荷换挡系统，因为变矩器不能像人工操作的主离合器那样使输入的功率流与传动齿轮副完全分离。但按其操纵方式仍有人工控制换挡和自动换挡两种。
人工换挡的带有定轴式或行星式变速箱的液力传动装置没有设置轴间转速差测定反馈等系统，仍需驾驶员以“人在闭环中”的方式进行控制并依赖其操作经验，但此类液力传动装置的成本较低，至今仍大量应用于叉车、装载机、推土机等低速工业车辆和工程机械上。
液力自动变速箱主要采用行星齿轮式机械变速装置，“自动”系指它装用了许多转速和压力传感器和控制元件以判断实时的工况。驾驶员只需通过加速踏板给出加速或减速的意愿，变速箱即可在按事先设定的最佳的换挡时机自动换挡。引入车载计算机管理系统和相应软硬件后，更使其具备了按照不同工况和不同控制目标函数（例如最大加速性能、最优节能效果等）乃至驾驶员的不同偏好来调整和设置变速模式和换挡时机的“智能”。
在所谓“手自一体”式轿车变速箱中，可以在人工控制和自动控制两种操纵方式之间进行切换，而换挡的执行器则是相同的。此处的手动换挡方式是为满足人们驾车的某种操作乐趣和在极端情况下应急干预传动状态所设置。
液力自动变速箱现已十分广泛地应用于以轿车、公交车和坦克装甲车辆为代表的各种高速车辆。它的发展趋势之一是变矩器后面的机械变速箱中的档位数目在不断增加，从早期的3~4个挡发展到了今天的7 ~8个甚至更多的挡位。分档的细化有助于提高传动装置的适应性特别是舒适性，但却显著增加了结构的复杂性。过多的搅油零部件的设置在很大程度上抵消了更精细匹配发动机特性所获得的降低油耗的收益，甚至已经令人产生了一种滥用控制功能资源，人为拔高竞争“卖点”的感觉。而且它的发展方向最终又和机械无级变速和双离合器DSG等技术发生了交叉。很多人对于超出实用要求的过度配置已开始厌倦，正期待着一些更为简约高效的变速装置的理性回归。
采用可转化工况的带闭锁离合器和超越离合器的多相综合型变矩器，可在较大程度上改善液力传动在高速区的效率；利用与机械传动相契合的功率分流技术也可提高整个液力机械传动装置的效率、增大变矩系数或构成能在液力传动与纯机械传动之间互相切换的复合传动系统。这些技术在车辆与行走机械领域中都已相当成熟和普及。本书第十三章所要专门介绍的静液压机械分流技术和当前讨论甚多的电力机械功率分流技术，乃至更为热门的油电混合动力技术，在很多方面都利用了液力机械功率分流技术的基础和经验。
基于叶轮式机械原理的液力变矩器对于工况的参数匹配相当严格，所以液力传动中的变矩器参数都是与发动机，大多数情况下还要与变速箱一起配套设计的，至少是要按照发动机的特性进行选型。这表明这种传动装置更适合于较大批量的产品装用。液力传动结构紧凑，功率密度高，能够覆盖的功率范围较大，制造工艺成熟，适用于需要经常变速、负荷变化较剧烈的各种大中功率的工程机械、重型汽车、军用车辆（坦克、装甲车等）、市内公共汽车以及要求操作简单舒适的小轿车上。
液力传动的基本特征之一是具有输出转速随负荷（车辆的推进力或牵引力）的增大而自动下降这样一种较“软”的特性。其优点是在某些工况下具有接近于恒功率的输出特性，并在输出端完全陡转失速时限制输入端的转矩载荷，从而能够有效地防止发动机过载并因之减轻了驾驶员的操控负担，对于越野车辆和土方作业机械尤其有用。
但其变矩比受输入转速影响很大，只有在最高的输入转速下才能达到最大的输出转矩，输出转速较低区段的效率下降明显，这种特性使它与能独立于负荷状态主动调节传动比的严格意义上的无级变速装置尚有较大的差异，并因之不适于要求作业中既能较大范围地调节速度，又能按照所调定的速度值稳定行驶的车辆与行走机械，典型的如农业拖拉机、振动压路机和大部分自走式收获机械，这些机械都没有采用液力传动装置。
在风机、水泵等叶轮机械的传动系统中，有时可以利用液力传动的调速能力通过改善与负荷的匹配而具有节能效果。但液力耦合器和变矩器本身却并没有储存和再利用能量的功能。
注：以上内容引用或改编自王意先生著作《车辆与行走机械的静液压驱动》化学工业出版社，2014
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多挡位“手自一体”轿车，同时设置自动变速和手动变速的目的有哪些，它们的换挡执行机构是否相同？
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注：以上内容引用或改编自王意先生著作《车辆与行走机械的静液压驱动》化学工业出版社，2014
原文始发于微信公众号（波克兰液压）：王意教授带你遨游静液压知识殿堂
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