第九章 自动变速器文档格式.docx

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如今很难比较手动和自动变速器的油耗究竟是谁高。

③减轻驾驶员操作时的劳动强度，提高行驶安全性。

随着轿车的普及，公路的高速化，酿成交通事故的机会也在增大。

社会的激烈竞争，造成人们的思想高度紧张，极易产生身体的疲劳，人们需要追求一种放松的作业环境，摆脱劳累和放松情绪。

自动变速器由于简化操作，具有自适应的控制功能，因此可将注意力集中于对外界情况的观察，提高了行驶安全性。

④自动变速器可以降低发动机排放的污染。

发动机变工况的使用，是造成发动机排放指标差的重要原因之一。

在手动变速器的汽车上，通过稳定发动机转速而频繁变更变速器档位是很难实现的。

但在自动变速器的汽车上，可把发动机转速稳定在低污染和低油耗的区域，通过变速器档位的自动变换来适应外界的路况变化。

尽管自动变速器的汽车具有许多优点，但是仍有一部分年轻人不喜欢使用自动变速器的朋，主要是起步加速不如手动变速器汽车来得快。

由于结构上的原因，拥有自动变速器的汽只能1档起步，而且加速需要时间，不如手动变速器汽车操作随心所欲。

二、液力变矩器自动变速器的种类

1．按汽车的驱动方式分

1）前置前驱动自动变速器（FF型或FWD型）

这种变速器仅使用在前轮驱动的轿车上,通常发动机呈横向布置。

由于这类变速器兼有驱动桥的功能，在变速器内部除了具有变速机构外，还装备了主减速器和差速器（这两个总成一般装备在驱动桥上），因此这种变速器又称变速驱动桥（Transaxle）。

这种变速器是一个输入口，两根输出轴。

其中变矩器和发动机曲轴在同一中心线上，而变速机构可以布置在同一中心线上，图7．l所示就是这类变速器。

它也可以布置在另一条和它平行的中心线上，通过传动链把变矩器输出轴和变速机构输人轴连接起来。

由于发动机横置可以使主减速器采用圆柱斜齿轮传动，避免使用螺旋伞齿轮，因此可以简化调整，共用一种润滑油。

但是德国大众的前轮驱动轿车，则比较多的采用发动机纵置的布置。

2）前置后驱动自动变速器（FR型或RWD型）

这种变速器仅使用在后轮驱动的轿车上，通常发动机呈纵向布置。

这类变速器内部仅有变速机构，主减速器和差速器均装备在后驱动桥上。

这种变速器具有一个输人口，一根输出轴，发动机曲轴中心线和变矩器、变速机构三者均在同一中心线上，变速器的外形呈细长状，如图7．2所示。

3）四轮驱动自动变速器（4WD型）

四轮驱动的轿车目前在国外是一种时尚，主要用于探险、越野和休闲旅游，这种轿车保有量正在逐步扩大。

该变速器具有三根输出轴，除了前轮驱动两根输出轴外，还附加后桥传动的输出轴，在变速器内部含有一个主减速器，两个差速器，一个是前轮的轮间差速器，另一个是前、后轴间差速器，其结构更为复杂。

2．按控制方式分

自动变速器控制档位变化的原理和传统手动变速器换档的规律相同。

传统手动变速器换档的规律：

驾驶员一是听发动机声音（发动机负荷）的大小，二是观察汽车车速，当发动机声音很大，同时又无法加速时，则驾驶员往往把档位由高档拨向低档。

结果发动机声音降低，车速也提高了。

目前自动变速器换档也同样遵循这样的规律，即根据换档的两个最主要的信g——发动机负荷（节气门开度）和汽车车速进行换档，称为双参数换档控制方法。

根据两个信号的采集和控制方式的差别，有以下三种控制方法。

1）液压控制

在液控的自动变速器中，采集发动机负荷大小的是节气门开度阀或真空压力调节器，通过这两个装置把发动机负荷大小转换成相应的油压，并且把该油压作用于换档阀的一端，采集汽车车速大小的是调速阀，通过该装置把汽车车速高低转换成相应的油压，并且把该油压作用于换档阀的另一端，换档阀两端的油压比较大小，决定换档阀的位置状态，从而决定变速器的升降档，20世纪80年代中期前生产的自动变速器绝大多数都属于液控式的自动变速器。

其信号采集和控制方式都采用机械和液压的方法。

2）电子控制

20世纪80年代后期由于汽车电子控制技术的发展，特别是电喷发动机的广泛使用，出现了计算机的控制技术，电子传感器的大量使用，不少的工况信息相互间可以共享。

在电控自动变速器中，换档的最主要信号仍然是发动机负荷和汽车车速两个信号,但是反映发动机负荷大小是节气门位置传感器或进气歧管绝对动传感器，这两个传感器都借用自电控友动机，反映汽车车速的是车速传感器。

电子传感器把采集的发动机负荷和车速信号转换成电压和电流传送给电脑，电脑接受信息后，与存储在内部的程序加以比较，并给执行换档的电磁阀发出通、断点的指令，实现升降档位的变化。

在电控的自动变速器中，信号的采集应用了电子传感器，而控制方法依靠电脑（ECU）

3）半电子控制

在自动变速器中具有逻辑控制的装置，不仅仅是档位变化的控制装置，在其他一些压力调节器中同样涉及逻辑控制的问题。

例如自动变速器要求液压系统主回路压力能够随着发动机的负荷增大而随之增大。

在有些自动变速器中，换档控制已实现了电子化，而压力调节器的控制方法仍采用机械或液控的方法，这种电子与机械混合的控制方法称为半电子控制。

目前大量的自动变速器采用这种控制方法，例如通用汽车公司生产的4T60E属于半电子控制，他的档控制实现电子化，而主回路压力调节则采用真3．按机械变速器的传动方式分

1）行星齿轮机构传动（共轴式传动）

这种传动方式在自动变速器中占主导地位，具有结构紧凑、传递平稳等众多优点，绝大多数自动变速器都采用这种传动方式。

有关行星齿轮机构传动原理方法在后面章节中有详细介绍，因此不再赘述。

2）平行轴齿轮机构传动

在手动变速器中广泛采用这种传动方式。

它的优点是结构简单，维修保养方便。

这种变速器的换档的方法和手动变速器一样，由人力拨动啮合套变换成多片离合器自动接合或释放。

目前采用这种传动方式的唯独日本本田公司。

广州本田雅阁轿车配置的就是这一种自动变速器，如图7．3所示。

它的换档信号仍然是发动机负荷和汽车车速。

通过以上的简单介绍，可以看出液力变矩器式的自动变速器主要由下列总成部件组成：

①液力变矩器；

②机械变速器和变速的执行元件；

③机械操纵及联动机构；

④液压控制和执行元件；

⑤电子控制装置、电子传感器和执行元件。

空压力调制器。

通用汽车公司最新推出的4T65E则是全电子控制的。

第二节偶合器和变矩器

偶合器和变矩器的结构特征

一、偶合器

液力偶合的原理可以用两个风扇来说明，如图8．l所示。

通电转动的风扇带动空气流动，

冲击在对置的静止（不通电）的风扇的叶片上。

空气流动的能量推动了对置的风扇叶片，因此能量从一个风扇传递到另一个风扇上了。

尽管这种偶合的效率很低，但事实告诉人们，两个相互间没有刚性连接的叶轮，同样可以进行能量的传递。

它是一种“软连接”能量传递方式。

为了提高两叶轮间传递效率，人们就把两叶轮安装在一个密闭的容器中，让两叶轮对置的间隙尽可能减少，并在其中充满液压油，其中一个叶轮由发动机曲轴直接驱动，称之为泵轮，而另一个被动的叶轮则作为输出，称之力涡轮，如图8．2所示。

这种仅有两个叶轮，只能进行扭矩传递的偶合装置称为偶合器。

虽然偶合器只能传递扭矩，但“软连接”给汽车带来多方面的好处。

①在没有附加其他机械操纵装置的情况下，能够通过它平稳地切断和接通发动机和驱动轮之间的动力传递，能够很好地适应汽车平稳起步的要求。

②“软连接”可以通过液体为介质，吸收传动系统的冲击和振动，延长零部件的寿命和减少噪声。

基于上述优点，至今在有些越野车和特种车辆上还广泛采用偶合器。

在保留偶合器优点的基础上，又诞生了液力变矩器，它不仅能够传递扭矩，而且还能增大扭矩。

二、变矩器

液力变矩器的三个基本部件是泵轮、涡轮和导轮（如图8．3所示）。

变矩器壳体用螺栓与发动机飞轮连接在一起。

壳体又和泵轮焊接在一起。

因此，壳体与泵轮随发动机转动，作为发动机的动力输人。

泵轮的叶片冲焊在壳体上。

当泵轮转动时，在离心力的作用下，液体被从中央甩到泵轮的边缘。

液力偶合的下一步连接是涡轮。

液体从泵轮外缘甩出，撞击到涡轮的外边缘。

涡轮和泵轮相似，在其内部有叶片。

液体撞击涡轮叶片边缘，冲击力使涡轮转动。

机械变速器的输人轴用花键与涡轮相连，当涡轮和输人轴旋转时，动力输入到机械变速器。

液力偶合允许汽车在运行时制动。

当车轮制动器锁止驱动轴时，变速器内部旋转的部件以及输入轴和涡轮也同时被锁止。

然而，液力偶合和直接的机械连接（手动的离合器）不同，发动机飞轮和变矩器壳体及泵轮依旧在旋转。

这时在偶合的泵轮和涡轮之间的油液上，建立了一个“剪切”的动作，使变矩器油温迅速上升。

过热会对变矩器和自动变速器造成损害，这也就是前面提到的，为什么在十字路口长时间等待红灯或者堵车情况下，建议把预选杆置于“N”档位的原因，尽量减少出现变矩器的“制动转矩”。

变矩器新增了一个导轮，它介于泵轮和涡轮之间，导轮通过中间的单向离合器内花键和固定轴相连，固定轴与变速器壳体连接，它允许导轮在一个方向自由旋转，而在另一个旋转方向则锁止。

增加导轮的目的，是为了使变矩器在某些工况下具有增大扭矩的功能。

导轮的叶片通常由铝合金浇铸而成，其叶片呈斜面。

三、变矩器输出扭矩增大原理

前面提到的液力偶合器，只有两个叶轮是不能够实现增大扭矩功能的。

导轮的引人使发动机扭矩的增大成为可能。

这样，液力偶合器就成了变矩器。

图8．4所示为在变矩器中三个叶轮间液体的流动关系。

当液体离开泵轮冲击涡轮时，把液体能量传递给涡轮并使其转动，与此同时流经涡轮的液体从中间流出，撞击导轮叶片的正面（此时单向离合器锁止），液体受到导轮正面叶片的阻挡而产生液体折射，具有方向性的液体返回到泵轮叶片上，而这种具有方向性的液体起到了帮助发动机转动泵轮的作用。

流动的液体对导轮产生的作用力矩，可以使变矩器的输出扭矩提高两倍甚至更多。

但是必须注意，变矩器扭矩增大值并不是一个恒定值，扭矩增大值和汽车的车速有关。

当汽车处于起步状态，变矩器具有最大的扭矩增大值，通常可达1．8－2．5倍，随着车速的提高，扭矩增大值逐渐下降，当涡轮和泵轮转速之比达到0．8－0．85左右时（即所谓的偶合点），变矩器的扭矩增大值就变成一倍，当车速继续增大时，仍维持这个数值。

一旦变矩器出现输人和输出扭矩相同的情况，实际上变矩器就变成了偶合器。

图8．5所示显示了变矩器的特性曲线。

从中可以看到，变矩器的运行具有双重特征，在偶合点之前（即低速时），变矩器具有扭矩增大功能，而达到偶合点后，不再具有扭矩增大功能，变成了偶合器。

变矩器的扭矩输出特性，能够适应汽车使用要求，当汽车起步时，驱动轮需要较大的扭矩，而高速行驶时仅需要较小扭矩。

四、变矩器中的导轮设置单向离合器的原因

前面已提到汽车处在低速时，变矩器中来自涡轮的液体冲击在导轮的正面，使变矩器的输出扭矩得以增大，但随着车速逐渐提高，来自涡轮的液体逐渐偏离作用在导轮叶片正面的方向，变矩器的输出扭矩也随之下降，当涡轮和泵轮转速之比达到偶合点时，涡轮喷射的液体作用到导轮的背面，一旦出现这种情况，经导轮折射的液体返回给泵轮，反而成了泵轮旋转的阻力，将会出现输出扭矩低于输人扭矩的状况，这违背了变矩器具有扭矩增大的初衷。

作用在导轮叶片正面的液体，随着涡轮转速提高逐渐转向叶片背面，是液力变矩器固有的特征，它是由变矩器结构所决定的。

为了防止汽车高速时出现变矩器的输出扭矩小于输人扭矩的现象，在导轮和固定轴之间安置了单向离合器。

当在低速时，作用在导轮叶片正面的液体通过单向离合器锁止使导轮固定，产生增大扭矩的效果。

当在高速时，作用在导轮叶片的扭矩不能增大。

图8．6所示反映了单向离合器和导轮之间的装配关系。

变矩器导轮的单向离合器在使用过程中，作用在导轮背面的液体通过单向离合器的超越（释放），使导轮自由旋转，此时变矩器实际上变成了偶合器，它只能传递力矩。

单向离合器是比较容易损坏的部件，但变矩器又是不可拆卸的总成，因此只能根据故障的现象来判断，如果单向离合器失效表现为在两个方向都能自由旋转，则反映出汽车低速时加速性能减弱；

如果失效表现为两个方向都锁止，则反映出汽车高速时动力不足。

自动变速器的失速试验，也可以反映变矩器的单向离合器的失效状况。

五、变矩器锁止离合器（TCC）

偶合器和变矩器都属于“软连接”机构，它们具有许多优点。

但是这种连接装置也存在明显缺点，高速状态时，泵轮和涡轮之间会产生较大的滑转现象，传动效率大幅度下降，特别反映在偶合点之后，图8．5显示的效率曲线说明了这种情况。

长期以来，配置自动变速器的轿车油耗高的主要症结就在于此。

锁止离合器的作用：

当汽车行驶阻力小时

　　发动机转速较高，此时不需要增扭，锁止离合器将变矩器的泵轮和涡轮锁住，可以提高传动效率，能节油5%左右。

在汽车行驶阻力大时

　　发动机转速降低，此时锁止离合器分离，实现增扭。

变矩器锁止离合器的主要功能是：

在汽车低速时，利用变矩器低速扭矩增大的特性，提高汽车起步和坏路的加速性；

在高速时，变矩器锁止离合器作用，使液力偶合（“软连接”）让位于直接的机械传动（“硬连接”），提高传动效率，降低燃油消耗。

变矩器的锁止离合器有一个压盘，当通上压力油时，发动机和变速器就成为刚性连接。

低速时，扭矩需要增大，因此液力偶合起作用。

然而，当车速到达变矩器不能实现增大扭矩时（通常大于时速50km／h左右），锁止离合器作用，液力偶合作用失效。

图8．7为变矩器锁止离合器的结构图，在变矩器壳体和涡轮之间的压盘用花键与涡轮轮我连接，并允许压盘在涡轮轮载上轴向运动。

环状的摩擦材料粘在压盘前端面上，处于锁上状态时，压力油作用在压盘的背面，通过摩擦材料和壳体端部接触，由此建立了发动机和变速器的刚性连接。

处于刚性连接时，为了吸收传动系的振动和冲击，在压盘总成上设置了多个扭振弹簧和窗口，敷设阻尼材料，压盘和壳体接合过程中，会产生很大的冲击力和振动，通过扭振弹簧的变形加以吸收，在这种状态下，压盘总成上的主、被动盘之间将会产生较大转角的变化。

当解除锁止时，来自控制阀的压力油进人压盘的正面，推动压盘移动，解除摩擦材料和壳体接触，同时该压力油从活塞外缘和壳体内圆的缝隙中进人叶轮的腔内，此时变矩器恢复了液力偶合状态。

变矩器两种状态的实现，是通过改变进人变矩器液体的流动方向完成的（如图8．8所示）。

必须指出，作用在压盘正面和背面的油压，是两种差别很大的油压，前者是低压（释放）而后者则为高压（锁止）。

目前，国外现代轿车上都配置了这种结构的变矩器，包括上海通用公司生产的别克新世纪、广州本田公司生产的本田雅阁等国产轿车的变矩器都采用这种结构。

别克新世纪还配置另一种粘液式的锁止离合器．它以硅油作为介质，操作方式和L述相同，它的

优点是压盘和壳体接触时显得更柔和、平稳。

它取消了压盘上的扭振弹簧，代替它的是硅油离

合器，但存在少量的滑转现象。

刚性连接使传递扭矩的效率得以提高，它消除了液力偶合所产生的一部分滑转，而成为直接的机械连接。

另外，刚性连接不会像液力偶合那样使变矩器油温快速上升。

为了防止变矩器在液力偶合过程中的温升，采取以下两种措施。

①变矩器内部的液体必须体外循环流动。

②变矩器液体在体外循环回路中，必须设置油冷却器装置。

图8．9所示说明了它们之间的装配关系，从变速器壳体上引出两根管子，其中一根管子内的液体来自变矩器，和散热器上的油冷却器一端相连，油冷却器另一端则通过另一根管子连接到壳体上，然后重返油底壳或者作为润滑用油。

为了保证变矩器充满液体，并具备一定的压力，通常在体外循环回路设置了单向阎。

如果体外循环回路出现单向间堵塞故障，将会使变矩器油温迅速上升，严重影响正常使用，因此定期清洗体外循环回路中的污垢十分必要。

8．5变矩器锁止离合器的作用条件

早期的液控自动变速器的变矩器也配置锁止离合器，但它是一种简单离心式的锁止离合器，离合器组件的内孔花键和涡轮轴相连，离合器组件的外边缘有若干离合器蹄铁，每块蹄铁表面都有摩擦材料的衬片，随着涡轮转速和离心力的增大，离合器蹄铁向外甩动并与变矩器壳体的内圆表面接触。

这样，来自发动机的一部分动力通过外壳一摩擦蹄铁一离合器组件传递给涡轮轴，当涡轮转速很高时，离合器完全锁止，液力偶合不起作用，成了直接的机械传动。

早期离心式的锁止离合器传递了一个信息，即锁止离合器应该在汽车高速状态起到锁止作用。

涡轮转速愈高，锁止效果愈好。

上述液力控制式锁止离合器的出现，可以彻底解决离心式离合器存在的锁止效果完全依赖涡轮转速的问题。

同时还要解决在车轮制动器作用时，发动机扭矩会骤然增大，将会引起压盘摩擦材料和壳体内端面严重打滑的现象。

频繁发生打滑，严重影响锁止离合器的使用寿命，油温上升，磨粒的增加也会影响自动变速器液压油的使用。

因此，当车轮制动器作用时，处于锁止状态的离合器必须迅速释放。

锁止离合器还需解决和发动机水温相关的问题，原本锁止离合器和发动机水温并没有直接联系，但在前面部分已提到两个问题：

首先变矩器内的液体需要体外循环，并且要经过设置在散热器上的油冷却器，液体的热量很大部分靠散热器中循环水带走，变矩器中的油温直接和发动机水温相关联；

第二，当变矩器锁止离合器作用时，液力偶合作用失效，叶轮间的介质“剪切”不存在，油温迅速下降，从而引起发动机水温下降，过低的水温会影响发动机的正常使用，因此锁止离合器作用前，控制发动机的水温是必要的。

变矩器锁止离合器上述的作用条件，只有在电控自动变速器上，通过电子传感器的控制方式才能够实现。

尽管锁止离合器的作用条件，在各种轿车上有所不同，但下列的几点基本上；

都在执行：

①汽车处在高速（50km／h）或者位于3档以上的档位；

②汽车的车轮制动器处于非作用状态；

③发动机的水温不低于规定值，通常为50－600C；

④发动机的节气门开度不处于怠速状态，位置传感器必须有最小的电压输出。

变矩器内部设置了锁止离合器后，在扩大了功能的同时，故障率也相应增加，提高了维修费用。

变矩器是不可拆装的总成，通常采用总成更换的方法也必须予以改进。

目前在国外已开展对变矩器维修采用切割焊缝一维修保养一重新焊接一动平衡的维修方法，这样可以降低用户的维修费用。

第三节行星齿轮变速机构

一、简单的行星齿轮机构的特点

１、行星齿轮机构机构传动的基本原理

自动变速器的变速机构建立在齿轮传动原理基础上，它包括齿轮和轴以及为变速器提供各种传动比的变速执行元件多片离合器。

制动箍带和伺服油缸、单向离合器等部件。

行星齿轮机构在绝大多数的自动变速器中被广泛使用，但日本本田公司的变速机构采用平行轴斜齿轮布置。

变速机构可以提供不同的传动比，在整个驱动范围内，为汽车的动力性和经济性的提高创造了条件。

齿轮传动的变速器的传动比都是有级的，传动比可以由驾驶员手动选择或由液压控制系统通过变速执行元件的作用和释放自动选择。

简单（单排）的行星齿轮机构是变速机构的基础，通常自动变速器的变速机构都由两排或三排以上行星齿轮机构组成。

简单行星齿轮机构包括一个太阳轮、若干个行星齿轮和一个齿轮圈，其中行星齿轮由行星架的固定轴支承，允许行星轮在支承轴上转动。

行星齿轮和相邻的太阳轮、齿圈总是处于常啮合状态，通常都采用斜齿轮以提高工作的平稳性（如图9．l所示）。

图9．2表示了简单行星齿轮机构，位于行星齿轮机构中心的是太阳轮，太阳轮和行星轮常啮合，两个外齿轮啮合旋转方向相反。

正如太阳位于太阳系的中心一样，太阳轮也因其位置而得名。

行星轮除了可以绕行星架支承轴旋转外，在有些工况下，还会在行星架的带动下，围绕太阳轮的中心轴线旋转，这就像地球的自转和绕着太阳的公转一样，当出现这种情况时，就称为行星齿轮机构作用的传动方式。

在整个行星齿轮机构中，如行星轮的自转存在，而行星架则固定不动，这种方式类似平行轴式的传动称为定轴传动。

齿圈是内齿轮，它和行星轮常啮合，是内齿和外齿轮啮合，两者间旋转方向相。

行星齿轮的个数取决于变速器的设计负荷，通常有三个或四个，个数愈多承担负荷愈大。

简单的行星齿轮机构通常称为三构件机构，三个构件分别指太阳轮、行星架和齿圈。

这三构件如果要确定相互间的运动关系，一般情况下首先需要固定其中的一个构件，然后确定谁是主动件，并确定主动件的转速和旋转方向，结果被动件的转速、旋转方向就（确定了。

下面分别讨论三种情况。

①见图9．3（a），齿圈固定，太阳轮为主动件且顺时针转动，而行星架则为被动件。

太阳轮顺时针转动，则行星轮应为逆时针转动，但由于齿圈固定，因此行星轮要逆时针转动只有行星架同时实现顺时针转动方可实现，结果行星轮不仅存在逆时针自转，并且在行星架的带动下，绕太阳轮中心轴线顺时针公转。

在这种状态下，就出现了行星齿轮机构作用的传动方式，而且被动件行星架的旋转方向与主动件同方向。

在这里，太阳轮是主动件而且是小齿轮，被动件行星架没有具体齿数的传动关系，因此定义行星架的当量齿数等于

太阳轮和齿圈齿数之和。

这样，太阳轮带动行星架转动仍属于小齿轮带动最大的齿轮，是一种减速运动且有最大的传动比。

②见图9．3（b），太阳轮固定，行星架为主动件且顺时针转动，齿圈为被动件。

当行星架顺时转动时，势必造成行星轮的顺时针转动，结果行星轮带动齿圈顺时针转动。

在这里，主动件行星架的旋转方向和被动件齿圈相同。

由于行星架是一个当量齿数最大齿轮，因此被动的齿圈以增速的方式输出，两者间传动比小于1。

③见图9．3（C），行星架固定，太阳轮为主动件且顺时针转动，而齿圈则作为被动件。

由于行星架被固定，则机构就属于定轴传动，太阳轮顺时针转动，行星轮则逆时针转动，而行星轮