第5讲电子控制自动变速器.docx
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第5讲电子控制自动变速器
第5讲电子控制自动变速器
（ElectronicControlledTransmission）
5.1概述
汽车自动变速器经过70多年的发展，使汽车传动系统发生了革命性的变化。
自动变速器的采用，使汽车的驾驶变得方便，乘着舒适性大大提高。
因此，自动变速器广泛用于轿车、客车、大型公共汽车、越野车及重型牵引车上，尤其轿车上。
轿车自动变速器的装车率，日本高达78%，美国为70%，德国为62%，中国为24%。
自动变速器的发展和应用
汽车自动变速器的研究和应用可以追溯到20世纪30年代。
1939年美国通用汽车公司首先在其生产的奥兹莫比尔（Oldsmobile）轿车上装用了液力变矩器——行星齿轮组成的液力变速器，可谓之现代自动变速器的雏形。
20世纪40年代末50年代初，出现了根据车速和节气门开度自动控制换挡的液力控制换挡自动变速器，使自动变速器进入了迅速发展时期。
到1975年，自动变速器在重型汽车及公共汽车上的应用已相当普及。
自动变速器采用电子控制系统始于20世纪60年代中期。
法国雷诺（Renault）公司于1968年率先在自动变速器上使用了电子元件。
70年代中期，电子控制技术开始应用于汽车变速器，日本丰田汽车公司首先研制成功了世界上第一台电子控制变速装置，并在1976年实现了批量生产。
但由于这种电子控制自动变速器在控制精度和自由度方面效果并不十分理想，因此，包括日本在内的许多国家又把重要精力转向计算机控制变速器的研究和开发。
以计算机为控制核心的电子控制自动变速器迅速发展。
自1981年起，美国、日本等国家的一些汽车公司相继开发出各种微机控制的自动变速系统，如电子控制液力变矩式自动变速器、电子控制多级齿轮变速器等等。
电子控制自动变速器的真正飞跃发展是在1982年，这一年丰田公司将微机技术应用于电子控制变速器系统，实现了自动变速器的智能控制，首先应用于豪华型皇冠牌轿车上。
国产轿车中采用自动变速器最早的车型当属中国第一汽车集团公司生产的红旗CA770型三排座高级轿车。
一汽大众1998年底在国内首家推出批量生产的装用电控自动变速器的轿车捷达AT，该车采用德国大众（VW）原厂生产的第三代95型01M电控4挡自动变速器。
神龙汽车公司亦于1999年初展示了其装备自动变速器的富康988轿车。
近年来，随着我国轿车工业的快速发展，各轿车制造企业都推出了装有自动变速器的车型，可以断言，国产轿车普遍装用自动变速器的时代正在到来。
1．变速器的作用
变速器的作用就是根据不同的道路阻力情况进行变速变矩，并设置倒档和空档，以满足汽车的各种行驶条件。
根据变速器的控制方式不同，变速器分为手动变速器和自动变速器。
手动变速器是由司机直接控制的，主要由变速器传动机构（多对齿轮构成）和操纵机构构成。
目前各种中、低档汽车上所装的变速器多为手动有级齿轮变速器。
这种有级式变速器少则3~5档，多则8~10档的变速比（所谓变速器的档数是指前进档位数）。
我们知道，手动变速器在汽车起步以及行驶过程中，需要同时进行离合器操作和变速器操作。
在复杂的行驶工况下，驾驶员由于不能准确地换档，因此造成动力不足，油耗过大，甚至发动机熄火。
而且频繁的换档和加减油门使驾驶员易于疲劳，分散注意力，从而降低了行驶安全性。
即使很熟练的驾驶员能够及时换档，但由于传动比是有级的，因而也很难保证发动机在最佳工况下工作。
为了克服这些缺点，减轻驾驶员的劳动强度，并随着不同行驶条件选择最佳速度，以提高汽车的经济性，目前在汽车上多采用电控自动变速器。
2．自动变速器的优缺点
自动变速器能根据车辆的行驶速度和驾驶员踩下加速（油门）踏板的程度，自动地实现换档操纵，从而把驾驶员从选择变速器档位、操纵离合器，以及实施换档等一系列繁重的驾驶操纵中解放出来，并因此而保证了汽车的动力性，提高了行车的安全性，增加了驾驶和乘车的舒适性。
汽车自动变速器的主要作用就是自动改变驱动车轮的转速和转矩，使车轮倒向行驶或中断发动机与车轮之间的动力传递。
其优点归纳起来如下：
1）能根据行驶速度和加速踏板位置，自动选择最合适的档位；
2）消除了离合器操作和频繁的换档，使驾驶操作变得简单而省力，同时，也提高了行驶的安全性；
3）大大降低了汽车传动系的动载荷，使发动机和传动系相关零部件以及轮胎等的使用寿命大为提高；
4）在外载荷突然增大的情况下，可防止发动机过载而熄火，从而保护发动机，并减少排气污染；（发动机在怠速和高速运行时，排放的废气中CO或HC化合物的浓度较高。
而自动变速器的应用，可使发动机经常处于经济转速区域内运转，也就是在较小污染排放的转速范围内工作，从而降低了排气污染）
5）有效地、平稳地、持续地传递发动机所产生的扭矩，起步平稳，振动和噪声减少，提高乘坐舒适性。
自动变速器的缺点：
1）结构较复杂；
2）效率不够高。
3．自动变速器的分类
自动变速器根据控制方式的不同可分为：
液力自动变速器（AT）：
由液力变矩器、液压操纵系统和行星齿轮系统组成。
这种自动变速器换档控制是通过机械方式将车速和节气门开度信号转换成控制油压，并将控制油压加到换档阀的两端来控制换档阀的，进而改变离合器接通和切断的状态、制动器的油路，使工作液压进入这些执行元件中，操纵其动作，达到控制升档和降档的目的。
电控液力自动变速器（ECAT）：
与液力自动变速器不同的是，电子控制液力自动变速器是采用传感器监测车速和节气门开度，把所获得的信息转变为电信号输入到电脑，经ECU处理后，再输出给电磁阀，利用电磁阀控制油压回路，控制换档阀的位置，打开或关闭通往离合器和制动器的油路，操纵其动作，从而控制换档时机。
目前，应用仅靠液力控制的自动变速器正逐渐减少，ECAT已广泛普及，其原因为：
一是在液力控制式AT上，将车速转变成油压信号，而ECAT采用车速传感器，因此可更准确地测定车速；二是ECAT地液力换档阀内设有电磁阀，利用电子技术对汽车进行加速或者减速，因此可对车速进行精细的控制。
8.2电子控制自动变速器的控制原理
图4：
电控自动变速器控制原理
1．控制原理
电子控制自动变速器的控制原理如图4所示：
电子控制变速器通过各种传感器，将发动机转速、节气门开度、车速、发动机水温、自动变速器液压油温等参数转变为电信号，并输入电控单元（ECU）；ECU根据这些信号，按照设定的换档规律（根据存储器中存放的最佳换档规律，选择适当的档位和换档时刻），向换档电磁阀、油压电磁阀等发出电子控制信号；换档电磁阀和油压电磁阀再将ECU发出的电子控制信号转变为液压控制信号，阀板中的各个控制阀根据这些液压控制信号，控制换档执行机构的动作，从而实现自动换档。
电控自动变速器的存储器中存放着几种不同的换档规律（如最佳动力性、最佳经济性以及各种加速行驶时的最佳经济性、最佳排放质量等），可按驾驶员的意图调用相应的规律，实现最佳控制。
如正常行驶时可以按最佳燃油经济性规律换档，在具有足够动力的前提下，达到节油、提高舒适性、减少排气污染的目的；而需要爬坡、加速、超车时，可按最佳动力性规律换档，以保证最高的动力性。
8.3电控自动变速器的结构与工作原理
图6：
液力变矩器与发动机、变速器的连接示意图
自动变速器的结构很复杂，不同型号变速器的局部结构又有所不同，使得自动变速器的结构多样化。
所以我们要了解基本概念，掌握共性。
比如EAT是指液控式自动变速器的缩写，ECT是电子控制变速器的缩写（ElectronicControlledTransmission）。
虽然自动变速器的结构复杂，但无论哪种自动变速器，都包括液力变矩器、行星齿轮系统、液压控制系统。
液控式和电控式自动变速器在换档控制系统方面有明显的差异。
电控自动变速器由液力变矩器、行星齿轮系统、液压控制系统和电子控制系统组成。
1．液力变矩器：
变矩器内部充满了自动变速器油，利用液体循环流动过程中动能的变化来传递动力。
变矩器安装在变速箱传动系的输入端，与变速箱的输入轴用花键连接起来。
它将发动机扭矩传给变速箱输入轴，或者把扭矩成倍增大之后再传递出去，同时液力变矩器还起着发动机飞轮的作用。
发动机的动力经液力变矩器传入行星齿轮变速器，实现发动机与变速器的“软“连接，从而大大减少传动机构的动载荷，延长发动机和变速器的使用寿命，同时在一定范围内实现无级变速（飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，其主要功用是将在做功行程中输入曲轴的动能一部分储存起来，用以在其他行程中克服阻力，保证曲轴的旋转角速度和输出扭矩尽可能均匀）。
2．行星齿轮系统
液力变矩器可以在一定范围内自动无级地改变转矩比和传动比，以适应行驶阻力的变化，但变矩系数小（2~4范围内），远远不能满足汽车使用工况的要求，同时再考虑到汽车倒退行驶的需要，因此必须与齿轮变速器组合使用，扩大传动比的变化范围（使转矩再增大2~4倍），才能满足汽车行驶的要求。
目前绝大多数自动变速器都采用行星齿轮系统与液力变矩器配合使用。
行星齿轮系统由行星齿轮机构和换档执行机构组成。
行星齿轮机构的作用是改变传动比和转动方向，即构成不同的档位。
换档执行机构则是实现档位的变换。
1）行星齿轮机构
单排行星齿轮机构由三元件——太阳轮、齿圈和装有行星齿轮的行星架组成，如图7。
齿圈又称齿环，制有内齿，其余齿轮均为外齿轮。
行星齿轮通过齿轮轴支承在行星架上。
整个行星齿轮机构装配好后，太阳轮位于中心，所有行星齿轮在与太阳轮啮合的同时还与齿圈内啮合（小齿轮转动时就象围绕太阳转动的行星一样，所以叫做行星齿轮）。
液力变矩器将发动机的动力传递给行星齿轮机构三元件之一，若另外两元件中的一件被固定，则动力由另一件输出。
通常齿圈采用制动器固定，太阳轮采用单向离合器固定，行星齿轮采用行星齿轮支架固定。
行星齿轮机构有多条动力传递路线，动力经不同路线传递可得到不同的传动比，动力传递路线取决于三元件的相对运动状态。
所以，行星齿轮变速系统传动比变换可通过分离与接合离合器或制动器而方便地实现，特别有利于动力换档或自动换档。
电子控制自动变速器一般由双行星排或三行星排组成（3档位有两个行星排，4档位有三个行星排），并广泛采用三自由度变速器。
图行星齿轮机构简图
图（a）所示的单行星排三元件的转速特性方程：
式中，nS、nR、nC分别为太阳轮转速、齿圈转速和行星架转速；α为行星排结构参数，α=ZR/ZS，ZR、ZS分别为齿圈和太阳轮齿数；通常取4/3<α<4。
3构件中任意两者之间均无固定的转速联系，必须加一个约束条件（用制动件使其一固定）或用离合器连接二者以同一转速旋转，才能获得确定的传动比。
同时，还可以看出方程的3个系数之和为0，这说明单行星排具有用离合器把其中任意两个元件闭锁，使行星排整体转动的特性。
这就是说，单行星排的输入与输出轴可实现减（超）速、等速或反转（倒挡），即两个前进一个倒车的3个排挡。
但实际使用中，轿车目前均多为4前1倒或5前1倒，6前1倒的自动变速器也即将投放市场。
大客车、军车、重型货车等所需挡位更多。
故实际行星齿轮变速器中是多个行星排的组合轮系，这时传动比可以通过解各个单行星排的运动方程及结构的约束方程所组成的联立方程组来得到。
如图8为辛普森（SIMPSON）行星齿轮变速系统——双排行星轮变速器的原理图。
该变速器在同一轴上有前后两个单行星排，两行星排由一公共的空心太阳轮相连，该太阳轮与两行星排的行星轮啮合，这种双排行星轮变速器具有三个前进档和一个倒档，常装在前置发动机后驱动（FR）的汽车上。
若在上述三档自动变速器中再加一个超速行星排，即构成四档自动变速器，可以进行超速传动，使传动比小于1。
如图9是四档行星轮变速器的原理图，超速行星排在FR车辆中装于液力变矩器与三档行星轮变速器之间，而在前置发动机前驱动（FF）车辆中装于三档行星轮变速器之后。
超速行星排主要由一个行星排、用于夹持太阳轮的超速制动器B0、连接太阳轮和行星轮架的超速离合器C0超速单向离合器F0组成，动力由超速行星排内齿圈输入，传至超速行星轮架。
丰田A43DE自动变速器就采用这种四档行星轮变速器。
图9：
四档行星齿轮变速器超速传动原理图（FR车辆）
C0—超速离合器；B0—超速制动器；F0—超速单向离合器
2）换档执行机构
行星齿轮变速器中的所有齿轮都处于常啮合状态，其档位变换必须通过以不同方式对行星齿轮机构的基本元件进行约束（即固定或连接某些基本元件）来实现，能对这些基本元件实施约束的机构，就是行星齿轮变速器的换档执行机构。
即根据自动变速器控制系统的命令放松或固定行星齿轮机构的某个元件，通过改变动力传递路线得到不同的传动比。
行星齿轮变速器换档执行机构包括换档离合器、换档制动器和单向离合器。
（1）换档离合器：
连接轴和行星齿轮机构的旋转元件，诸如将行星齿轮变速器的输入轴和行星排的某个基本元件连接，或将行星排的某两个基本元件连接在一起，使之成为一个整体转动。
采用的是多片湿式结构，通常由离合器鼓、活塞、回位弹簧、钢片与摩擦片组、离合器毂及密封圈组成。
离合器鼓与输入轴相连、离合器毂与输出轴相连，如图所示：
图多片离合器原理图
1—单向阀；2—密封圈；3—输入轴；4—活塞；5—离合器鼓；6—密封圈；7—钢片；8—摩擦片；9—卡环；10—离合器毂；11—回位弹簧
（2）换档制动器：
是将行星轮变速器中某一元件（太阳轮、行星轮架或齿圈）固定，使其不能转动，构成新的动力传递路线，换上新的档位，得到新的传动比。
它和换档离合器一样由液压操纵。
换档制动器通常有两种形式：
一种是湿式多片制动器，其结构与上述湿式多片离合器相同，不同点是离合器连接两个转动构件并传递动力，而制动器连接的一个是转动机件，另一个是固定不动的变速器壳体，作用是刹住转动机件，使其不能转动。
换档制动器的另一型式是带式制动器。
带式制动器的结构如图所示，由制动带及其伺服装置（控制液压缸）组成。
制动带开口的一端支承在与变速器壳体固连的支座上，另一端与伺服装置相连。
带式制动器平顺性差，衬片磨损不均，故近来湿式多片制动器应用较多。
湿式多片制动器在工作原理上，它与湿式多片离合器结构类似，仅钢片为固定不动。
图3.16湿式多片制动器
1—回位弹簧；2—活塞；3—密封圈；4—摩擦片；5—钢片；6—齿圈；7—行星架；8—行星齿轮；9—太阳轮
（3）单向离合器：
利用其锁止来防止行星齿轮机构中的某一部件朝某一方向转动，但无法锁止，同时还允许该部件朝相反的方向转动。
行星轮变速器中单向离合器的作用是确保平顺地无冲击换档。
除了用于行星齿轮机构外，在液力变矩器的导轮处也装有这种纯机械的单向离合器。
单向离合器常用的是滚柱斜槽式[如图（a）]和楔块式[图（b）]所示
图3.17单向离合器
A向—自由状态；B向—锁紧状态
1—外圈；2—滚柱；3—回位弹簧；4—内圈；5—楔块
3）行星齿轮变速器的基本工作原理
如图是我国生产的红旗CA770高级轿车的自动变速器结构示意图，它具有两个前进档（低速档和直接档）、一个倒档。
发动机的动力由曲轴、变矩器联接盘驱动变矩器泵轮，经液力传动，从涡轮输出至行星齿轮变速器。
各档的工作情况及动力传递路线如下，注意图中只画出了结构的上半部分，与其对称的下半部分被省略。
空档：
直接档离合器14处于分离状态，低档制动带6和倒档制动带7都松开。
此时两排行星齿轮机构的各元件均不受约束，可以自由转动，故行星齿轮变速器不能传递动力，即处于空档位置。
低速档：
离合器14分离，倒档制动带7松开，低速制动带6抱紧其制动鼓，使前行星排的太阳轮13固定不动。
由轴16输入的动力，一部分从前排齿圈12经行星架传给后排行星轮，另一部分直接经后排太阳轮11传到后排行星轮，两部分混合汇合后由后行星排齿圈9输出。
该档的传动比即为变速器第一轴16与第二轴10的转速之比。
直接档：
制动带6和7均放松，离合器14结合。
前排太阳轮13与第一轴16和前排齿圈12连成一体，因在一个行星排中，有两个基本元件被连成一体，则第三个元件也被连接，即行星架被联锁，整个行星排以相同的速度旋转，又因行星架8是前后共用的，后排太阳轮又与前排齿圈一体，故后排太阳轮与行星架同速，后排行星齿轮机构也被联锁。
第二轴10与后排齿圈9以花键相连，因此，第一轴与第二轴便成一体转动，传动比为1。
倒档：
低档制动带松开，离合器分离，倒档制动带7收紧，则倒档制动鼓和行星架8即被固定。
此时，前排太阳轮13可自由转动，前排行星齿轮机构不起传动作用。
动力由第一轴16输往后排太阳轮11。
因行星架固定，故动力由后排齿圈9输出，而旋转方向与太阳轮相反，即得倒档。
传动比iR=z9/z11=2.39。
自动变速器的总传动比（即行星齿轮变速器第二轴输出转矩与变矩器泵轮输入转矩之比）为液力变矩器的变矩系数K与行星齿轮变速器传动比i的乘积。
其中变矩系数K的变化是无级的，而行星齿轮变速器的传动比i是有级的。
因此这种变速器是部分无级变速器。
图：
红旗CA770轿车自动变速器各档传动路线a）空档b）低速档c）直接档d）倒档
3．液压控制系统
自动变速器能根据驾驶员踩下加速踏板的程度（即发动机负荷的大小）和车辆行驶速度的高低，自动实现换档，而担负按发动机负荷和行车速度高低控制自动变速器工作的就是液压控制系统（自动变速器的自动控制是靠液压控制系统来完成的）。
液压控制装置与行星齿轮系统并联安装在自动变速器内，一般都位于行星齿轮系统下方。
液压控制系统是液力自动变速器的核心部分，它根据变速杆的位置，将发动机载荷（油门开度）和汽车的车速信号转变为“信号”，根据这些信号，将液压施加于行星齿轮离合器和制动器上，自动控制离合器的分离或接合，制动器的制动或释放，以根据各种行驶条件自动变换动力传动路线，变换传动比，自动变换档位。
此外，它还向液力变矩器和润滑油路供油。
简单说来，液压控制系统主要起到传递、控制、操纵、冷却和润滑等功能。
液压控制系统主要包括供油、手动选档、参数调节、换档时刻控制、换档品质控制等部分组成。
1．供油部分：
供油部分包括供油泵、油滤清器、主油路调压阀、第二调压阀、节温器等。
供油泵和主油路调压阀是液压控制系统的动力源。
油泵一般位于液力变矩器和行星齿轮系统之间，由液力变矩器驱动。
主调压阀是根据节气门开度和换档杆位置的变化，将油泵油压调节至规定值，形成稳定的工作液压，它是自动变速器内最基本、最重要的压力，因为它用于操纵自动变速器内所有离合器、制动器的动作；同时它也是自动变速器内所有其它控制压力的压力源。
第二调压阀也称为变矩器补偿压力调节阀，其作用是调节供给液力变矩器和各摩擦副润滑的油压，且当发动机停止转动时，关闭液力变矩器的油路，防止大量ATF（液压油）从液力变矩器外流，以保证下次起动工作时正常传递转矩。
2．手动选档部分：
包括手控制阀和手控制阀拨板。
手控制阀由换档杆操纵，作用是利用滑阀的移动，实现控制油路的转换，即根据换档位置将液压油转换到“P”、“R”、“N”、“D”、“2”或“L”的油路。
手控阀通过连杆机构与驾驶室内的变速器选档杆连接，驾驶员操纵选档杆可带动手控阀移动。
3．参数调节部分：
主要是节气门压力调节器（简称节气门阀），作用是根据节气门开度产生加速踏板控制液压，并将此控制液压加在1-2档、2-3档、3-4档三个换档阀（变速阀）的一端。
当节气门开度变大时，加速踏板控制液压升高。
4．换档时刻控制部分：
主要是换档阀组成。
在电子控制系统变速器中，换档阀根据电子控制器确定的换档点及换档信号工作，进行自动换档。
5．换档品质控制机构：
其作用是控制换档过程，使升降档更加平稳、柔和、无冲击，防止产生大的动载荷。
一般是在液压通道上增加蓄能减振器、缓冲阀、定时阀、执行力调节阀等。
4．电子控制系统
电子控制系统由传感器、电子控制器和执行机构3部分组成，如图10为丰田A140E四档自动变速器的电控系统方框图。
此外，系统还具有自诊断功能与失效安全保护功能。
传感器：
节气门位置传感器：
安装在发动机节气门体上并与节气门联动，作用是测量发动机节气门的开度，使电脑适时了解发动机负荷，以此作为换档的一个主要依据。
车速传感器：
用于监测自动变速器输出轴转速，再通过电脑转换为车速信号，作为换档的另一个主要依据。
其工作原理是：
电子控制自动变速器分别通过节气门位置传感器和车速传感器，将发动机节气门开度和车辆行驶速度转变为各自传感器输出的电信号，连同其他反映汽车各总成和系统工作情况的传感器信号一起，送到电子控制系统的电子控制单元（ECU）。
然后，输入信号与事先存储在电子控制单元中的程序进行比较，并由电子控制单元向相应的若干个电磁阀发出指令，接通或切断流向换档阀的液压，使执行机构各离合器和制动器的动作得到控制，从而精确地控制换档时机和锁止离合器的工作，并使自动变速器的换档更趋平稳。
由于计算机能存储与处理多种换档规律，电液式控制系统不仅可以按汽车行驶的需要选择相应的档位，而且还能实现更复杂更合理的控制，可得到更理想的燃油经济性和动力性。
此外，电液式控制系统还可简化液压系统，提高控制精度和反应速度，并可实现与整车其他控制系统的匹配，如发动机控制、巡航控制等。
因此，现在，几乎所有的轿车自动变速器都采用电液式控制系统。
图10：
A140E自动变速器的电控系统方框图
8.4自动变速器的正确使用
为充分发挥自动变速器的性能，防止因使用操作不当而造成早期损坏，驾驶装有自动变速器的汽车时，应注意以下事项。
（1）在用操纵手柄挂挡时，不要踩下加速踏板；挂上挡后，也不要立即猛踩加速踏板。
否则也容易使变速器中的离合器、制动器受损。
（2）要挂R位或P位时，一定要在汽车停稳以后进行。
否则，会损坏变速器中的换挡执行元件或停车锁止机构。
（3）通过操纵手柄将挡位从D位移至S位或L位时，这实际上是手动的“强制降挡”控制。
因此，除了前面所说的不要在车速较高时从D位换入S位或L位，以免损坏换挡执行元件外，换入低挡后，不要猛踩加速踏板，以免发动机转速过高，并造成变速器中的摩擦片磨损加剧和自动变速器油温度过高。
（4）在驾驶时，如无特殊需要，不要将操纵手柄在D位、S位、L位之间来回拨动。
特别要禁止在行驶中将操纵手柄拨入N位或在下坡时用空挡滑行。
否则，由于发动机怠速运转，自动变速器内由发动机驱动的油泵出油量减少，而自动变速器内的齿轮等零件在汽车的带动下仍作高速旋转，这样这些零件会因润滑不良而损坏。
（5）要严格按照标准调整好发动机怠速，怠速过高或过低会影响自动变速器的使用效果。
怠速过高，会使汽车在挂挡起步时产生强烈的冲力；怠速过低，在坡道上起步时，若松开制动后没有及时加大节气门，汽车会后溜，增加了坡道上起步的操作难度。
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