双涡轮还有春天吗？ 详解装载机液力变矩器

【铁甲工程机械网原创】前几天阿翔写了一篇柳工发展史的文章《孕育新中国第一台装载机，说说柳工的前世今生》，在找柳工Z450装载机资料时发现这台装载机竟然是使用双涡轮液力变矩器，当时我还很嘚（sha）瑟（bi）地跟同事说，你看柳工在几十年前就已经使用双涡轮液力变矩器了，难怪这么牛！

同事跟看傻逼一样给我翻了一个白眼，说这玩意儿国外早不用了，卡特彼勒和小松的装载机现在使用的一直都是三元件单涡轮变矩器，然后还给我嘚啵嘚啵一大堆单涡轮液力变矩器的特点和优势！

好吧，一不小心又丢人了，还是得多读书呀。于是阿翔在查找了一些资料之后决心写这篇选题，给大家也科普一下单涡轮与双涡轮变矩器的那些事儿！

液力变矩器结构和原理

本着由浅入深的原则，也为了让基础不同的用户都能读懂这篇文章，阿翔就先从液力变矩器的结构和原理开始说起吧！

液力变矩器是由泵轮、涡轮和导轮组成的液力元件，装载机上的液力变矩器安装在发动机和变速箱之间，连接发动机的输出轴和变速箱输入轴，以传动油为工作介质，起到传递转矩、变速和变扭作用，还具备离合器的功能。

液力变矩器的工作原理可以用两个电风扇来形容。

左侧的电风扇通电工作时，风力会带动右侧风扇转动。而在液力变矩器里面，泵轮就相当于左侧的风扇，与发动机连接；涡轮就相当于右侧的电风扇，连接变速箱；而传动油就相当于流动的空气。

在工作时，发动机带动泵轮高速旋转，泵轮上的叶片搅动传动油，带动涡轮旋转。而导轮则在泵轮和涡轮之间，起到调整传动油流动方向的作用，让传动油在带动涡轮旋转后流回泵轮，如此循环。

液力变矩器的特点

了解了液力变矩器的结构和原理现在就可以说说它的一些特点了。

液力变矩器的输入轴与输出轴之间没有刚性连接，而是通过传动油来传输动力，可以消除冲击和振动，并且动力传输平稳，具备过载保护功能。

所以装载机在工作时可以跟自动挡汽车一样平稳起步，不会有换挡的冲击。并且在工作负荷瞬间增加是也不会对发动机有大的影响，不会导致熄火。

这些都是液力变矩器的优点，但是还有关键的一点我们还没提到，那就是液力变矩器的传动效率。离合器在全部啮合之后传动效率可以达到100%，但是液力变矩器的传动效率在工作过程中是曲线变化的。

我们先来了解几个液力变矩器的工作参数：

变扭比=涡轮输出转矩/泵轮输入转矩

转速比=涡轮转速/泵轮转速

传动效率=涡轮输出功率/泵轮输入功率

这液力变矩器的特性曲线，不知道大家能否看懂，阿翔再解释一下。

图中横坐标代表液力变矩器的转速比，左侧纵坐标代表变扭比K（变矩比），右侧纵坐标代表液力变矩器的传动效率。我们以装载机起步的过程为例来分析一下曲线的含义。

变矩比曲线K含义：随着涡轮转速的减小，变扭比逐渐变大。也就是说当装载机负载越大时，涡轮转速越小，转矩越大。装载机起步后涡轮转速逐渐升高，转矩逐渐降低。当变扭比为1时，涡轮转矩与泵轮转矩相同，这个点也叫作耦合点，此时的液力变矩器相当于液力耦合器。

效率曲线η含义：随着涡轮转速升高，液力变矩器的传动效率也逐渐升高，最高传动效率在85%左右，这个点一般在耦合点附近，之后变矩器的传动效率急剧下降。

所以这种液力变矩器的特点是涡轮中高转速区能够达到较大的转动效率，但是在低转速和高转速区传动效率较低，并且低效率的区域还比较广。

单涡轮变矩器与双涡轮变矩器

其实阿翔上面所说的就是单涡轮液力变矩器，因其由泵轮、涡轮和导轮三个元件组成，所以也被称为三元件液力变矩器。

而双涡轮变矩器则是增加了一个涡轮，也被称作四元件液力变矩器。中国第一台铰接式装载机柳工Z450上使用的便是双涡轮液力变矩器，目前国内的很多装载机上也使用了这种双涡轮液力变矩器。

双涡轮液力变矩器结构

双涡轮液力变矩器由一个泵轮、一个导轮、两个涡轮外加一个超越离合器组成，而超越离合器的作用便是将两个涡轮的输出自动整合到中间输出轴上。

双涡轮变矩器的 2 个涡轮分别与不同传动比的两对齿轮即超越离合器相连，将输入转矩传至输出轴。该变矩器由于单向离合器的作用，可以达到在起步和低速重载时 2 个涡轮同时工作以及高速轻载时第二涡轮单独工作的目的。

双涡轮液力变矩器优缺点

高传动效率区域宽：由于两个涡轮的配合工作，能在较大的转速比区间获得高传动效率。

变速箱档位数可减半：两个涡轮在超越离合器的作用下会随着负载的变化进行调整，相当于在变矩器内增加了一级变速器。还记得柳工Z450装载机吗，这台装载机的变速箱是两个前进挡和一个倒挡，通过双涡轮变矩器的作用相当于四个前进挡和两个倒挡。

最高传动效率低：双涡轮变矩器虽然高传动效率区间较大，但是最高传动效率只能达到82%左右，这是双涡轮变矩器最大的缺点。

阿翔总结：

从目前的技术条件来看，单涡轮液力变矩器会是未来的发展趋势，并且会结合汽车工业的液力变矩器技术进行改良。

工程机械的很多技术都是从汽车工业上演变过来的，自动挡的汽车很早以前就开始使用液力变矩器，而且技术非常成熟。并且汽车的液力变矩器一般都带锁止离合器，在涡轮高速区将涡轮与泵轮锁止，达到100%的传动效率。

双涡轮四元件的液力变矩器由于效率低的特点，在国外的装载机上几乎没有运用了，卡特彼勒和小松的装载机使用的就是带锁止离合器的单涡轮液力变矩器，但是这种结构在国内装载机上运用并不是很广泛。

并且由于我国第一代铰接式装载机柳工Z450便是采用双涡轮变矩器结构，制造技术相对而言比较成熟，市场占有率还很大，换代新技术还需要一段很长的时间。