概述
液力变矩器是自动变速器的关键部件，近年来，人们对其的关注和开发再度兴起。本白皮书探讨了液力变矩器在现代汽车变速器中的演变、优势和潜在应用。我们深入探讨了历史背景、早期液力变矩器面临的挑战以及技术进步如何解决这些问题。本文重点关注效率、性能和燃油经济性，强调了液力变矩器的回归如何重塑汽车变速器的格局。
介绍
一个多世纪前发明的液力变矩器一直被双离合器和无级变速器 (CVT) 等各种变速器技术所掩盖。然而，由于设计、材料和控制系统的进步，变矩器作为现代汽车变速器的一个组成部分正在取得令人瞩目的回报。
液力变矩器是一种液力偶合器，可将旋转动力从发动机传输到自动车辆的变速器。它是液力偶合器，因为它利用流体的力来传递动力，而不是齿轮或离合器。变矩器安装在发动机和变速器之间，其功能与手动变速器中的离合器相同。当车辆行驶时，液力变矩器可以使发动机与负载隔离，这意味着即使车辆停止时发动机也可以继续运行。液力变矩器是一个复杂的装置，但却是自动变速器的重要组成部分。它可以让变速箱平稳高效地换档，还有助于保护发动机免受损坏。
变矩器的工作原理
变矩器位于内燃机和变速箱之间。在自动变速箱的外壳内，可以识别三个主要部件：变矩器、周转（行星）变速箱和电液控制模块。内燃机的曲轴与变矩器机械连接。在该转换器内，发动机的动力以液力方式传输至变速箱。在变矩器保持解锁状态的情况下，输入（发动机）和输出（变速箱）之间不存在直接的机械连接。
图 1：变矩器结构
资料来源：x-engineer.org
变矩器本质上具有相当低的效率。这是由于其永久打滑，在工作流体（油）和机械部件（叶轮、涡轮和定子）之间产生大量摩擦。当速比接近 0 时，效率达到最低点，降至 10% 以下，但当速比徘徊在 0.85 左右时，效率达到顶峰，范围为 85% 至 90%。
为了提高变矩器的效率，采用了一种策略，当叶轮和涡轮之间的滑移保持相对最小时，变矩器被有效锁定。这一壮举是通过锁止离合器实现的，有助于叶轮和涡轮之间的机械连接。因此，这种布置消除了油和部件之间的任何进一步摩擦，从而允许发动机的动力以机械方式传输到变速箱。
锁止状态通常在较高档位（超过 2 档）或当车辆速度超过 20 公里/小时时发生。在换档过程中，锁止离合器被有意置于打滑模式，以有助于吸收传动系统振动。
图 2：变矩器 – 锁止离合器
资料来源：x-engineer.org
液力变矩器是大多数外摆线自动变速器 (AT) 中的主要耦合机构，同时也应用于某些无级变速器 (CVT) 中。其主要属性包括在发动机低速运转时发动机自动脱离传动系统、提供扭矩放大以及减轻振动（归因于动力传输的流体动力学性质）。
Data Bridge Market Research 分析，2022-2029 年预测期内变矩器市场复合年增长率为 5.20%，到 2022-2029 年预测期结束时预计价值可能达到 112.4 亿美元。
要了解有关该研究的更多信息，请访问 https://www.databridgemarketresearch.com/zh/reports/global-torque-converter-market
自动变速箱的历史
首创自动变速箱 (AT) 的先驱者是 Alfred Horner Munro。 Munro 是加拿大萨斯喀彻温省里贾纳人，他于 1921 年提出了第一个自动变速器的概念，并将其命名为“自动安全变速器”(AST)。这项开创性的发明于 1923 年正式获得专利。Munro 拥有加拿大蒸汽工程师的专业背景，在 AST 的设计中采用了利用气压而不是液压油的创新方法。然而，这种新颖的方法在发电方面确实存在明显的缺点。尽管存在这一限制，AST 仍展示了四种不同的前进齿轮比。值得注意的是，它没有倒档和停车机构。随着通用汽车将 AST 引入市场，这项开创性的发明获得了认可，并将其作为 1937 年至 1938 年间三款车型（奥兹莫比尔、凯迪拉克和别克）的可选升级版本。
通用汽车通过获取原型机和计划迈出了关键一步，标志着汽车历史上的重大进步。这预示着首款液压传动装置的推出，恰当地命名为“Hydra-Matic”。通用汽车于 1940 年开始生产，将 Hydra-Matic 作为奥兹莫比尔系列中的可选功能提供。这标志着一个具有里程碑意义的里程碑，因为它是第一款进行大规模生产的自动变速箱，在汽车领域树立了新的先例。
这项创新的变革性影响远远超出了汽车领域。1942 年，在第二次世界大战期间，汽车厂的重点从制造汽车转向生产军用坦克和车辆。值得注意的是，这些军用机器配备了 Hydra-Matic 变速箱，凸显了这项技术进步在各种情况下的适应性和重要性。
战争结束后，对配备 Hydra-Matic 变速箱的车辆的需求大幅增长。这是一个以这种传输技术高度普及为特征的时代。至此，通用汽车四分之三的汽车销量都采用了 Hydra-Matic 选项，这进一步巩固了其巨大的成功及其对汽车行业的深远影响。
图 3：配备 Hydra-Matic 变速箱的 M-5 Stuart 坦克
来源：汽车服务专家
1948 年，别克的 Dynaflow 标志着第一款带有液力变矩器的液压变速器，拥有两个前进档和倒档。变矩器的扭矩倍增使 2 速设置非常有效。 Packard 于 1949 年推出了 2 速 Ultramatic，随后于 1950 年推出了通用汽车的巅峰成就 Power Glide。Power Glide 仍然是主导力量，仍然用于顶级燃油和 1/4 英里赛车，并通过针对最佳比赛的修改而得到支持应用。
图 4：通用汽车 Power Glide AT
博格华纳 (Borg Warner) 取得了重大进展，推出了首款配备锁止式变矩器的 3 速自动变速箱。这一突破发生在 20 世纪 50 年代中期。在此期间，包括宾利、林肯、福特和斯图贝克等知名品牌在内的众多主要汽车制造商都将通用汽车的 3 速自动液压变速箱作为标准选择。
如今，汽车变速器已发展到包含多达 11 种速度的齿轮系。这些先进的变速器集成了一系列复杂的技术，包括电子控制电磁阀、变速传感器和计算机控制系统。无级变速器 (CVT) 是一个值得注意的例子，其特点是模拟自动变速器属性的液压链条驱动配置。此外，现代变速箱包括各种动力传动系统配置，例如前轮驱动、全轮驱动、变速驱动桥、分动箱和 4x4 变速箱，进一步反映了汽车工程的复杂多样性。
图 5：CVT 变速箱
Data Bridge Market Research 分析称，2021 年无级变速器市场价值为 198 亿美元，预计到 2029 年将达到 315.6 亿美元，2022 年至 2029 年的预测期内复合年增长率为 6.00%。市场价值、增长率、细分市场、地理覆盖范围、市场参与者和市场情景等洞察，数据桥市场研究团队策划的市场报告包括深入的专家分析、进出口分析、定价分析、生产消费分析和杵分析。
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其他类型的传输
自动手动变速箱 (AMT) 是一种自动变速箱系统，采用执行器和车载计算机根据发动机转速识别适当的换档。对于 AMT，使用选择杆来指定所需的驱动模式。一旦激活，驾驶员可以轻松地采取轻松的驾驶姿势，因为 AMT 会自动管理离合器接合和换档。 AMT 操作通常可提供无缝体验，尽管在升档和降档操作期间自动转换档位时可能会感觉到轻微的明显震动。
图 6：手自一体变速箱 – AMT
无级变速器（CVT）代表了自动变速器的更现代的迭代。在这种变速器变体中，齿轮比根据车辆的速度进行连续调整。这种适应性是通过由皮带互连的两个锥形滑轮实现的。皮带根据速度、车辆重量、倾斜和下降等因素决定的必要传动比，通过收缩或扩张来改变其直径。 CVT 的特点在于其卓越的效率。即使车辆以各种速度行驶，它也会努力保持一致的发动机每分钟转数 (RPM)。这种无缝适应不同条件的能力为 CVT 赢得了最佳效率的声誉。
直接换档变速箱 (DSG) 或双离合变速箱 (DCT) 是一种先进的变速箱系统，采用两个离合器实现无缝自动换档。齿轮分为两组：奇数齿轮（1、3、5）和偶数齿轮（2、4、6），每个齿轮由不同的离合器控制。这种配置有效地减少了功率损失，使其与 AMT 和手动变速箱等变速箱区分开来，因为齿轮保持预先啮合状态，并在达到必要的齿轮转数后可快速展开。
DSG/DCT 变速箱以其精致高效的性能而脱颖而出。该技术主要应用于高端车辆，实现平稳运行和最佳效率的和谐结合。
变矩器的优点
扭矩转换器的缺点
液力变矩器虽然具有多种优点，但也存在某些缺点：
现代变矩器
传统上，Powerglide、Turbo 350/400 和 C4 等变速箱都遵循传统的非锁止配置。在这些系统中，转换器被设计为流体耦合机构，包括涡轮、泵和定子等基本部件。锁止式变速器最初的诞生目的是为了提高整体效率。在此背景下，嵌入变矩器内的离合器通过流体压力启动，这一过程由螺线管精心调节。
在采用锁定功能的旧变速器中，其激活通常仅限于四档。该机制涉及使用离合器接合将变矩器锁定到输入轴，从而有效消除任何潜在滑动。这种干预产生了切实的好处，例如提高燃油经济性和降低变速器温度。
然而，当代的进步重新定义了景观。现代传输模型与这些传统方法显着不同。锁止功能的实施已经发展到早在二档时就开始接合的程度。与之前的迭代不同，这些现代单元中的离合器是逐步激活的，有利于转换器的有效耦合。当车辆到达三档或四档时，锁止机构完全接合。这种复杂的进展使得转炉的液压方面在操作的后期阶段实际上已经过时了。
与手动变速器离合器相比，液力变矩器内的多片离合器的耐用性引发了人们的质疑。湿式离合器通常更耐用，适当的调校对其使用寿命至关重要。专业调校可以延长离合器的使用寿命，以适应车辆的使用情况。然而，应避免施加过大的压力，以防止过早磨损和变矩器变形。钢坯前盖加固了锁定区域，以抵消动力应用过程中的弯曲。
变矩器中的多个或单个离合器的选择取决于发动机扭矩水平。锁止离合器的容量取决于摩擦系数、锁止表面尺寸、活塞力和锥角等因素。离合器表面的数量直接影响扭矩容量。 Circle-D 提供一盘、三盘和五盘离合器选项，允许用户根据自己的驾驶需求选择合适的配置。这种适应性确保了根据个人驾驶需求量身定制的最佳转换器性能。
定子位于变矩器的核心，在影响效率和失速速度方面发挥着关键作用。其设计直接影响这些特性。其主要功能是将传动液从涡轮重新输送回泵，最终实现扭矩的倍增。随着时间的推移，技术和先进制造实践的进步导致定子设计发生显着变化。
定子技术的发展是显而易见的，从原始设备 (OE) 定子过渡到目前使用五轴 CNC 机械加工的全加工坯料定子。这一转变带来了显着的性能提升。通过利用跨平台的各种 OE 选项（例如 245mm、258mm 和 265mm），可以进行有针对性的调整以实现卓越的性能结果。多年来，这种专业知识使得设置得以完善。此外，将计算流体动力学 (CFD) 纳入工程流程有助于推动定子设计的最新进展。
2018 年，Circle-D Specialties 作为高性能变矩器制造领域的老牌企业，通过集成计算流体动力学 (CFD) 软件迈出了变革性的一步。此次采用标志着一个重大转变，使公司能够设计创新组件并彻底改变其方法。
CFD 软件的引入不仅促进了新变速箱产品的创建，而且使 Circle-D 能够重新评估旧设备，寻求改进途径。该技术允许在不依赖车辆物理测试的情况下设计定子和转换器，这证明了其潜力。
虽然 CFD 软件在行业中并不新鲜，但传统上一直受到通用汽车和福特等主要汽车制造商的青睐。值得注意的是，Circle-D 等售后实体越来越多地采用它，并利用它进行虚拟调校。这种方法简化了开发流程，降低了研发成本并加速了产品发布。
通过使用该软件，Circle-D 深入了解压力分布、变矩器耦合过程中的流体动力学以及从两速到 10 速的一系列变速箱的扭矩倍增。
虽然在撰写本文时主要用于 10 速变矩器，但 Circle-D 计划重新审视其整个变矩器系列，旨在通过软件驱动的改进来优化扭矩倍增。该软件的潜力在于能够更好地控制扭矩倍增，促进有针对性的力应用和实时数值分析。
从传统的试错方法到模拟驱动的见解的转变标志着该行业的重大进步，并有可能改变游戏规则。 CFD 软件的结合将为 Circle-D 在先进变矩器技术方面提供竞争优势。
图 7：CFD 软件
来源：Power Automedia
高性能汽车中的变矩器
探索变矩器在高性能自动变速箱中的重要作用及其对加速和驾驶乐趣的影响
液力变矩器在自动变速器领域中起着至关重要的作用，当应用于高性能车辆时，其重要性更加突出。为了追求卓越的加速度、响应能力和令人兴奋的驾驶体验，高性能汽车依靠先进的液力变矩器将发动机动力有效地传输到变速箱，最终转化为车轮运动。
了解液力变矩器在高性能变速箱中的复杂作用对于理解有助于这些车辆提供迷人驾驶感觉的技术基础至关重要。
变矩器功能的核心在于其能够实现从发动机到变速箱的无缝动力传输。当发动机产生扭矩时，它会引起液力变矩器内的流体流动。这种流体运动充当将旋转力传递到变速器的管道，促进车辆的运动，避免任何震动或突然的过渡。在高性能汽车中，不间断的动力传输至关重要，液力变矩器在确保平稳驾驶体验方面发挥着关键作用，尤其是在快速加速和换档期间。
液力变矩器的一个显着优点是无需在自动变速器中使用传统的手动离合器。对于高性能汽车来说，瞬间换档对于获得最佳性能至关重要，带有液力变矩器的自动变速箱可以提供快速而精确的换档，而无需驾驶员直接干预。这一属性不仅增强了便利性，而且使驾驶员能够专注于驾驶体验，特别是在高速或激烈驾驶条件下。
变矩器包含失速比，该失速比决定车辆静止时发动机的最大扭矩输出速度。在高性能应用的背景下，调整失速比成为优化发射特性的关键。微调该比率可确保发动机在车辆开始移动时精确地达到峰值扭矩，从而有助于加速加速和卓越的起步性能。
现代高性能变矩器经常集成锁止离合器。这些离合器以更高的速度接合，在发动机曲轴和变速器输入轴之间建立机械连接，有效减轻液力耦合效应。锁止离合器激活后，变矩器的工作方式类似于发动机和变速器之间的直接机械连接，从而抑制功率损失并提高整体效率。事实证明，这在持续高速行驶、节省燃油和优化车轮动力传输方面尤其有利。
在高性能车辆通常面临的苛刻驾驶条件下，液力变矩器在传动系统内的温度调节中发挥着至关重要的作用。变矩器内变速箱油的循环有助于发动机冷却并散发变速箱本身的热量。这种高效的冷却机制在避免过热和保持稳定的性能方面发挥着关键作用，特别是在激烈的驾驶环境下，例如赛道比赛或穿越具有挑战性的地形的激烈驾驶。通过保持理想的工作温度，变矩器有助于提高变速箱的耐用性和可靠性，延长其使用寿命并在较长时间内保持最佳性能。
与手动变速器相比，变矩器在齿轮比方面具有一定程度的适应性。这种适应性使高性能车辆能够在各种驾驶条件下表现出色。无论是从静止状态快速加速还是高速无缝巡航，变矩器都可以让变速箱优化档位选择，以匹配所需的驾驶结果。
某些高性能车辆利用了发射控制系统中液力变矩器的潜力。起步控制通过调节发动机功率和车轮滑移来优化静止位置的加速。通过管理启动过程中的扭矩传递，变矩器可确保高效的牵引力获取，促进令人印象深刻的加速指标并提高启动一致性。
虽然液力变矩器通常与传统自动变速器相关，但它们也在双离合变速器 (DCT) 中发挥作用。在特定的 DCT 配置中，集成了液力变矩器，以增强低速驾驶性能和舒适性。这种混合动力方法结合了变矩器的平稳性和用户友好性，以及双离合变速器的快速换档和效率。因此，配备 DCT 的高性能车辆可以兼具两者的优势。
配备变矩器的现代汽车
新款 M3 在英国上市，配备 ZF 8HP 自动变矩器，目前已是第三代，自 2009 年推出以来一直在稳步发展。消除所有内部机械差异以及两者之间的关键区别（或任何基于液力变矩器的变速器）和 DCT 或手动变速器的区别在于，扭矩通过液力偶合器、液力变矩器而不是通过一个或多个离合器从发动机传输到齿轮组
同样，梅赛德斯-AMG C63 S、保时捷 911 Carrera S 和捷豹 F-Type R 也采用了液力变矩器变速箱，这表明液力变矩器的许多缺点和问题已经得到解决，并且将会看到液力变矩器的使用率上升。收养。
结论
总之，液力变矩器在高性能汽车领域的复兴标志着汽车行业的显着范式转变。本白皮书深入探讨了这种看似古老的技术复兴背后的多方面原因，并阐明了它在现代高性能车辆背景下提供的微妙优势。该液力变矩器在动力输出、平稳性和效率之间实现无与伦比的平衡的能力吸引了工程师和爱好者的注意。
随着性能需求的不断发展，液力变矩器通过与混合动力和电气化动力总成的无缝集成，证明了其适应性，进一步巩固了其在不断变化的汽车领域的相关性。它的复兴不仅是对传统的致敬，也是对推动行业前进的创新精神的证明。
变矩器的复兴强调了这样一个事实：创新并不总是需要放弃成熟的技术。相反，它强调了重新构想和完善现有解决方案以应对当代挑战的智慧。尖端工程技术与永恒的扭矩转换原理的融合，为令人兴奋、高效和先进的性能车辆的新时代铺平了道路。
随着汽车制造商不断尝试创新的变速器设计，液力变矩器的复兴提醒我们，过去可以为未来提供宝贵的见解。它在性能领域的回归是历史与进步如何交织在一起的胜利故事，塑造了一种兼具传统与创新的驾驶体验。最后，液力变矩器的回归是一个引人注目的案例研究，它展示了旧技术如何在现代独创性的帮助下重新焕发活力，在追求汽车卓越的过程中开辟出一个突出的利基市场。
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