扭力转换器在自动变速箱中取代了什么?

内燃机技术
作者: Deniz Erkan
创建: 19 十月 2026

液力变矩器在单一壳体内完成离合器的三项任务:分离、柔和接合,并在起步时将发动机扭矩放大至最多2.5倍.

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变矩器是一种液动力传动装置,替代传统自动变速箱中的机械离合器,安装于发动机与变速箱之间;在车辆静止时平顺传递扭矩而不让发动机熄火,起步时将发动机产生的扭矩 1.8:1至2.5:1 的倍率放大,巡航时通过锁止离合器建立无损耗的机械连接.简而言之,它在一个壳体中同时完成离合器的三项任务:分离、平顺接合以及必要时放大扭矩.

要点

典型汽车变矩器的失速(stall)转速比 1.8:1至2.5:1 之间.
泵轮、涡轮和导轮三者共同产生扭矩放大效应;扭矩容量与直径的五次方成正比.
首个量产锁止离合器 1949年出现在Packard Ultramatic上;现代应用在1970年代末因燃油经济性压力而普及.
在离合器接合阶段,涡轮转速约为泵轮转速的 90%;剩余的滑差意味着热量和效率损失.
~64-72 km/h 区间内感受到的短暂抖动通常是锁止离合器接合时的颤振(shudder)迹象.

用什么替代离合器,以及为什么不是完全离合?

在手动变速箱中,驾驶员通过离合器踏板建立和切断发动机与变速箱之间的连接.而在自动变速箱中,完成这项工作的不是驾驶员,而是一个螺栓固定在发动机上(安装于飞轮或挠性板之上)的封闭"袋子":其中的油液将从发动机获取的旋转运动传递到变速箱输入轴.这种结构使挂挡的车辆在发动机熄火时能够静止;同时在发动机持续运转时,变速箱保持自由分离.

那么为什么用油液而不是干式离合器?因为机械离合器只要接触就要么完全锁止要么打滑——打滑时摩擦片会发热和磨损.而油液传动中不存在"接触"这个概念;滑差是设计的固有工作方式,并且自然地吸收发动机的振动.此外,简单的液力耦合器只能在略微降低扭矩的情况下传递动力.变矩器的独特之处在于,借助导轮可以在输出转速较低时放大扭矩;也就是说,它在转速低时迫使自己像一个自适应减速器一样工作.

电控自动变速箱之所以能独立于驾驶员的踏板做出决策,秘诀也在于此:变矩器提供了离合器无法企及的受控且安全的滑差窗口;变速箱不会在任何时刻遭遇意外的机械冲击.

泵轮、涡轮和导轮:扭矩如何被放大?

Stator, geri dönen akışkanın enerjisini yeniden yönlendirerek motorun torkunu çoğaltan sessiz zekadır.

变矩器有三个旋转/非旋转部件. 泵轮 (叶轮)与发动机相连,其工作方式类似于离心泵:旋转时将油液向外甩出,通过在中心形成真空来吸入新油液.被甩出的油液 撞击涡轮的 弧形叶片,改变方向,驱动涡轮旋转,将动力传递到变速箱输入轴.

真正的智慧隐藏在第三个部件中.从涡轮流出的流体沿发动机旋转方向的反方向运动;在一个简单的流体偶合器中,这部分回流的能量只会转化为热量. 导轮位于泵轮与涡轮之间,通过重新引导流体,以最佳角度将流体输送回泵轮.这样,回流流体的能量得以回收,输出扭矩在发动机产生的扭矩之上得到增加.从机械平衡的角度来说:从涡轮流出的流体冲击导轮,因此对导轮所固定的壳体施加一个反向扭矩;这一差值直接以扭矩增益的形式体现在输出端.

有两个细节在工程上至关重要.第一是叶片几何形状:涡轮和导轮采用倾斜的弯曲叶片,几何形状的微小变化会显著改变性能.第二是尺寸:变矩器的运动方程基于欧拉可追溯至18世纪的涡轮机械方程,由于特性与半径的5次方相关,扭矩容量在理论上与流体密度、转速的平方以及直径的五次方成正比.稍微增大直径,容量会增大得多.

导轮不能闲置也很重要:导轮安装在一个 单向离合器 上.起步和加速时,流体从后方推动它,导轮保持固定;进入偶合阶段后,流体压力减小,导轮开始自由旋转——而单向离合器则阻止其反向旋转.

三个工作阶段:失速、加速和偶合

分三个阶段解读变矩器的行为是最清晰的方式. 在失速阶段, 挡位已挂上,制动器将车辆固定,涡轮不转,但泵轮随发动机旋转;在足够的输入功率下,最大扭矩倍增在此获得,这一比率称为失速比.在汽车应用中,典型值为 1.8:1-2.5:1;而在工业、船用和重载用途的专用变矩器中,这一比率可达 5.0:1.失速时的总减速效果可能令人惊讶:2.46:1的变速器比率与2.2:1的失速比相结合,在完全停止时传递到车轮的总 倍率为 5.41:1;进入偶合阶段后,这一数字降至2.73:1.

在加速阶段, 随着负载增加,泵轮与涡轮之间的转速差仍然很大;存在扭矩倍增,但低于失速值.在此区域内,流体从泵轮经导轮螺旋式流向涡轮的涡流占主导地位——这正是扭矩倍增达到峰值的工况.

进入偶合阶段的 条件是涡轮达到泵轮转速的约90%:泵轮转10圈时涡轮转9圈,即典型的约 1.11:1的滑差.此时扭矩倍增实际上已结束;流体的螺旋运动让位于两个叶轮共同旋转的 回转流 脱离并使定子进入自由旋转状态.扭矩倍增与效率之间存在明显的取舍关系:高失速比变矩器在接近耦合转速时效率更低.追求性能的人必须选择高倍增特性,追求经济性的人则必须选择打滑较少的特性.

锁止离合器:消除打滑的第二离合器

液力传动并没有什么超自然之处:打滑直接意味着效率损失和热量产生.变矩器内部的 锁止离合器(lock-up clutch) 正是因此而存在.在巡航时将涡轮与泵轮机械式直接锁止,使全部动力以机械方式传递;液力损失和热量产生随之消失,转速略有下降,通往车轮的动力路径也更加直接.

它的历史颇为有趣.最早的汽车应用可追溯到 Packard Ultramatic 变速箱, 1949 年:车辆达到巡航速度时即锁止,踩下油门或减速时则分离.20世纪50年代,一些Borg-Warner变速箱上也出现过这一设计,后来因成本和复杂性而被放弃.70年代中期,当优先考虑转向燃油效率时,这一理念重新回归;Chrysler于 1978年推出了现代版本.在技术出版物中,锁止变矩器在现代的广泛使用有时被定年于 1981年;这一差异源于首次应用与大规模普及分属不同时期.

如今的讨论则集中在标定上:尽早锁止在城市驾驶中可降低油耗,但代价是放弃变矩器的扭矩倍增优势.在高性能街车上,锁止通常并非经济性配件,而是确保强力变矩器在日常使用中具备实用性的关键因素.随着挡位数量增加,变矩器的倍增负担减轻,现代6–10挡自动变速箱中早期且频繁的锁止已成为标准;相比之下,传统自动变速箱在大部分驾驶过程中有意保持不锁止状态 - 而在CVT变速箱中,约8 km/s以上几乎始终处于锁止状态,因为那里的扭矩倍增工作本来就由变速器承担.

对驾驶特性的影响及常见故障模式

变矩器是决定自动变速箱特性的无名英雄.锁止离合器接合时提供平顺的工作表现;而在未锁止阶段,它通过油液吸收发动机的抖动和扭振.只是这种减振能力并非无限的:传动系统中的扭振是限制锁止时机过早的主要工程约束.当锁止离合器不打滑而是突然接合时出现的 stick-slip 行为,可能将振动扩散到整个传动系统 - 这正是破坏驾驶员舒适感的事件.

最常见的抱怨 是变矩器抖动(shudder):通常发生在 ~64–72 km/s 范围内,离合器锁止时感受到的短暂抖动.部分锁止状态下离合器以打滑而非完全接合的方式工作;磨损的离合器片以及脏污/变质的ATF是主要原因,多数情况下更换变速箱油即可解决问题.踩下油门或触碰刹车时故障症状消失是一个典型线索:变矩器解锁后打滑区域随之消失.实际上,锁止变矩器故障的真正根源往往并非变矩器本身;问题多出现在阀体、电子控制或锁止电磁阀中.

还存在更严重的故障模式:

过热: 在雪地或泥泞中前后摇晃试图脱困会让变矩器长时间处于失速状态;现代叶片几何设计通过在低转速下将流体速度降至最低来减小这一风险,但无法完全消除.
导轮离合器锁死: 导轮停止自由旋转后,变矩器在耦合阶段以极低的效率工作;油耗显著增加是典型的征兆.
导轮离合器断裂: 突然施加动力(例如启动时的neutral start等事件)可能折断单向离合器.

简史:变矩器如何造就自动挡?

变矩器在汽车领域的崛起始于第二次世界大战之后,得益于军用车辆上 Hydra-Matic 的使用经验. 1948年, Buick Dynaflow 开始以变矩器取代流体离合器;Dynaflow是一个大胆的设计,其单级变速完全依赖五元件变矩器来提供扭矩倍增.随后 1949 Packard Ultramatic 和 1950 Chevrolet Powerglide 相继问世:这两款两挡变速箱的扭矩倍增任务主要由变矩器承担.

20世纪50年代形成了均衡格局:基于Simpson复合行星齿轮组的BorgWarner三挡自动变速箱以及 Chrysler TorqueFlite,使变矩器成为自动变速箱不可或缺的部件.多元件变矩器的尝试(Buick Triple Turbine Dynaflow、Chevrolet Turboglide)因效率低下而被放弃,取而代之的是三挡变速箱加三元件变矩器的组合.那个时代GM还有一个有趣的细节: 可变角度导轮:急踩油门时导轮的攻角发生变化,牺牲效率以换取更大的扭矩倍增——这是当今自适应标定理念的机械鼻祖.