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底盘教案05自动变速器

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教学目的与要求

了解自动变速器的基本组成和工作原理。

掌握液力变矩器的结构和工作原理。

掌握行星齿轮机构的结构和工作原理。

掌握复式行星齿轮机构的结构和工作原理

掌握自动变速器控制的各部件结构和工作原理。

掌握自动变速器换档过程和换档规律

本课重点与难点

行星齿轮机构的结构和工作原理

自动变速器控制的各部件结构和工作原理。

课堂进程

次序

内容

第一节概述（2课时）

第二节液力变矩器（2课时）

第三节行星齿轮机构（4课时）

第四节自动变速器控制系统（4课时）

第五节电子控制系统（4课时）

第六节自动变速器故障诊断与检修（2课时）

复习和布置思考题

10.

11.

12.

第五章自动变速器

第一节概述

●自动变速器优点

以往的汽车速度的控制均采用机械式变速器,就是变速变矩时,驾驶员通过操纵变速使变速器中的齿轮进行不同的组合，以增大或减小总发动机产生的扭矩，从而适应各种行驶条件。

在汽车换档时，驾驶员除了操纵变速杆外，还要交替踩离合器踏板和加速踏板。

这样一来，一旦路况复杂，驾驶员就易疲劳或发动机熄火。

自动变速器由于能实现自动变速、连续变转矩、换档时不中断动力传递等特点，并具有操作轻便、换档平稳、过载保护等优点。

此外，还可以减轻驾驶员的劳动强度，提高汽车行驶的机动性、安全性和越野性。

因此，现在越来越多的轿车甚至化车都装有自动变速器。

●自动变速器按控制原理分为液控液动式、电控液动式和电控机械式自动变速器。

按传动方式可分为普通齿轮型、行星齿轮型和链条型自动变速器。

汽车上普遍使用的是电控液动式行星齿轮型自动变速器。

按汽车的驱动方式又可分为FR车（发动机前置后轮驱动）自动变速器和FF车（发动机前置前轮驱动）自动变速器，由于在FF车中，发动机一般横向布置，因受到车辆宽度的限制，FF车的自动变速器其外形与FR车截然不同，特点是短而粗，如图5-1所示P92。

●自动变速器组成一般由变矩器、行星齿轮机构、液压控制系统、电子控制系统等组成。

●各部分基本构造和作用

一、变矩器

变矩器主要由外壳、泵轮、导轮、涡轮组成。

变矩器的外壳固定在发动机的飞轮上，把发动机的动力传给变矩器。

泵轮由变矩器外壳驱动，涡轮以花键与自动变速器的输入轴相连，泵轮把油液抛射到涡轮里，涡轮带动变速器。

导轮引导从泵轮抛向涡轮的油液，这样可使导轮在最大扭矩输出时保持固定。

二、行星齿轮机构

行星齿轮行构在自动变速器中其作用是提供不同的传动比。

通常一个单排的行星齿轮机构是由太阳轮、行星齿轮架、两个以上的行星齿轮和齿圈组成。

三、液压控制系统

液压控制系统是由各种滑阀组成。

它是自动变速器的重要组成部分，它可根据驾驶员和汽车行驶工况的要求，利用油液的压力使离合器和制动器在一定的条件下控制行星齿轮变速器的任一部件，从而达到行星齿轮机构自动地换档。

四、电子控制系统

早期，全自动变速器是由液压系统控制的；现在许多自动变速器是由计算机控制的，即电子控制的自动变速器。

它是由电子控制单元、各种电磁阀、各种传感器及指示装置等组成。

电子控制自动变速器示意图如图5-4所示P94

第二节液力变矩器

一、变矩器的组成

变矩器是利用液体平稳地将发动机扭矩传递给变速器。

变矩器内部是一个环形装置，其中充满自动变速器油，位于发动机和变速器之间。

常用的汽车液力变矩器由泵轮、涡轮和导轮组成。

1、泵轮

泵轮在变矩器壳体内，许多曲面叶片径向安装在内。

在叶片的内缘上安装有导环，提供一通道使ATF流动畅通。

变矩器通过驱动端盖与曲轴连接。

当发动机运转时，将带动泵轮一同旋转，泵轮内的ATF依靠离心力向外喷出。

发动机转速升高时泵轮产生的离心力亦随着升高，由泵轮向外喷射的ATF的速度也随着升高。

2、涡轮

涡轮同样也是有许多曲面叶片的圆盘，其叶片的曲线方向不同于泵轮的叶片。

涡轮通过花键与变速器的输入轴相啮合，涡轮的叶片与泵轮的叶片相对而设，相互间保持非常小的间隙。

3、导轮

导轮是有叶片的小圆盘，位于泵轮和涡轮之间。

它安装于导轮轴上，通过单向离合器固定于变速器壳体上。

导轮上的单向离合器可以锁住导轮以防止反反向转动。

这样，导轮根据工作液冲击叶片的方向进行旋转或锁住。

二、变矩器的工作原理

1、变矩器的基本工作原理

2、自动变速器油（ATF）的流动

在变矩器旋转时，ATF先从泵轮流向涡轮，再由涡轮排出流入导轮，最后通过导轮回流至泵轮。

具体过程如下：

1）泵轮旋转时，离心力将ATF向外喷射而流入泵轮。

2）ATF进入泵轮后，在离心力的作用下推动涡轮叶片，使涡轮一同旋转。

3）涡轮旋转后，ATF由叶片导入涡轮中心部位。

因为涡轮叶片是呈曲线状，ATF流入涡轮和离开涡轮的方向将好相反。

4）ATF又从涡轮排出流入导轮。

5）导轮的叶片能使ATF油流动的方向再次相反，使ATF回流至泵轮的中心部位。

6）ATF回流至泵轮后再次推动泵轮叶片，促使泵轮旋转，从而放大转矩。

在液力变矩器中的ATF就是如同上述那样周而复始地反复循环。

3、变矩器的工作原理

当涡轮转动时，从涡轮流出的ATF有残留的动能，通过导轮加在泵轮上从而增大转矩。

泵轮与涡轮的转速相差越大，转矩增大也越快，当涡轮与涡轮的转速相差越大，转矩增大也越快。

当涡轮转速加快到与泵轮转速接近时，从泵轮叶片后表面流过的ATF变成从叶片前面流过，液动方向改变了。

当ATF从叶片后表面流动时，导轮由于单向离合器的作用在导轮轴上空转；而通过叶片前表面时，同样由于单向离合器的作用，导轮被单向离合器锁住在导轮轴上而转动。

导轮空转开始点称为耦合点。

开始空转后，变矩器就失去了变转矩的功能而只有液力耦合器合动力的功能，耦合点实际是变矩器功能的转折点，所以导分界线空转的范围称为耦合范围，导轮不空转的范围称为变矩器范围。

三、变矩器的性能

当发动机的转速（NE）和转矩（ME）一定，泵轮的转速（NB）和转矩（NB）也一定时，涡轮与泵轮之间的转矩比（K）、转速比（I）和传动效率（Л）三者的变化关系如下：

转矩比（K）=I涡轮输出转矩/泵轮输出转矩=MW/MB

转速比（I）=I涡轮转速/泵轮转速=NW/NB<1

转速比I只能小于1（0.8-0.9最好）它不等常用齿轮式变速器传动比的倒数。

第三节行星齿轮机构

自动变速器是建立在齿轮原理基础上，而多数自动变速器是采用行星齿轮机构提供不同的传动比。

一、简单行星齿轮机构

1、行星齿轮的组成

简单行星齿轮机构如图5-9所示。

位于行星齿轮机构中心的是太阳轮，在太阳轮周围的是行星齿轮，这些行星齿轮由行星架定位支承，而且每个行星齿轮在各自独立的轴上转动。

行星齿轮与太阳轮和齿圈是常啮合的，齿圈位于行星齿轮机构的外层，行星齿轮与太阳轮是外齿轮啮合，行星齿轮与齿圈是外齿轮与内齿轮啮合。

行星齿轮的个数取决于变速器的设计负荷，负荷大时，可以用多个行星齿轮来承担。

2、行星齿轮系统传动承担。

小齿轮驱动大齿轮时，输出的转矩增大，转速降低。

大齿轮驱动小齿轮时，输出的转矩减小，转速升高。

两个外齿轮啮合时，转动方向相反。

一个外齿轮与一个内齿轮啮合时，转动方向相同。

太阳轮、齿圈和行星架三者齿数的多少关系是：

行星架>齿圈>太阳轮。

行星齿轮机构可以提供降速档、超速档、直接档、倒档和空档。

1）降速档

实现降速档可通过固定行星齿轮机构中的两种元件来实现，一种是固定太阳轮，另一种是固定齿圈。

固定太阳轮时，齿圈为主动件，行星架为从动件。

齿圈固定时，太阳轮为主动件，行星架为从动件。

2）超速档

实现超速档，只要将上述的两种情况中的主动件与从动件互换即可。

一种就是固定太阳轮时，行星架为主动件，齿圈为从动件。

另一种是固定齿圈时，行星架为主动件，太阳轮为从动件。

3）直接档

主动件与从动件被锁在一起从而形成直接档传动，输入转速等于输出转速。

4）倒档

将行星回固定，无论太阳轮为主动件或从动件，齿圈作为从动件或主动件，太阳轮的转动与齿圈的转动方向始终相反。

同样以齿圈为主动件，太阳轮为从动件可以实现超速转动的倒档。

5）空档

当行星齿轮机机构的所有元件都不受约束，可以自由转动时，则无论从那一个元件输入动力都不会有动力输出。

此时行星齿轮机构处于空档位置。

行星齿轮工作情况可用表5-1归纳如下：

状态

档位

固定部件

主动部件

从动部件

旋转方向

降速档

太阳轮

齿圈

行星架

相同方向

降速档

齿圈

太阳轮

行星架

相同方向

降速档

太阳轮

行星架

齿圈

相同方向

降速档

齿圈

行星架

太阳轮

相同方向

倒档位

行星架

太阳轮

齿圈

相反方向

状态

档位

固定部件

主动部件

从动部件

旋转方向

倒档位

行星架

齿圈

太阳轮

相反方向

直接档

没有

任意两个

第三元件

同向同速

空档位

没有

不定

不转动

二、复合式行星齿轮机构

目前，复合式行星齿轮机构有辛普森式齿轮机构、拉威那式行星齿轮机构和在辛普森式齿轮机构的基础上再加上一套单排行星齿轮机构。

1、复合式行星齿轮机构类型

1）辛普森式齿轮机构

辛普森式（SIMPSON）齿轮机构是由公用一个太阳轮的两组行星齿轮、两个齿圈和两个行星架组成。

如图5-14P100所示。

它是目前应用最为广泛的一种复合式行星齿轮机构。

2）拉威那式齿轮机构

拉威那式齿轮机构是由一小一大两个太阳轮、三个长行星齿轮和三个短行星齿轮组成的两组行星齿轮，一个共用行星架和一个共用齿圈组成。

如图所示P100

拉威那式齿轮机构有一些胜过辛普森式齿轮机构的优点，主要是结构紧凑和由于相互啮合的齿数较多，因此传递的转矩较大；缺点是结构较复杂，工作原理难理解。

2、辛普森式齿轮机构

1）空档

如图P101所示

2）第一降速档

变速器换入第一降速档时，发动机的转矩通过变矩输入变速器的输入轴，输入轴与前齿圈连接在一起转动。

此时，前齿圈驱动前行星齿轮，前行星齿轮又驱动太阳轮，因为行星架被固定，所以太阳轮驱动后行星齿轮，后行星齿轮最后驱动与输出轴连接在一起的后齿圈转动，如图所示P101。

这一传动路线是一个降速前进档，传动比一般为2.5:

1-3.0:

1。

3）第二降速档

变速器换入第二降速档时，发动机的转矩通过变矩器输入变速器的输入轴，输入轴与前进圈连接在一起转动，前齿圈驱动前行星齿轮，因为太阳轮被固定，则前行星齿轮又围绕着太阳轮公转。

如图所示P101

4）直接档

当变速器处于直接档时，发动机的转矩通过变矩器转入变速器的输入轴，输入轴与前齿圈连接在一起转动，由于太阳轮与前齿圈锁住，所以同时也驱动太阳轮。

因为太阳轮和前齿圈同向同速转动，所以前行星架被锁在前两者之间被迫一起转动。

如图P102所示。

5）倒档位

由于前齿圈与太阳轮锁在一起，发动机的转矩通过变速器输入轴传递给太阳轮使其转动，太阳轮又驱动后行星齿轮转动。

由于后行星架被固定，后行星齿轮只有自转，因此后行星齿轮驱动后齿圈后，转动方向将好相反，如图所示P102。

一般倒档的传动比为2.5:

1-2.0:

1。

1）自动变速器结构

2）D-1档传动路线

当汽车以D-1档位行驶时，其动力传动路线如下：

动力→液力变矩器→超速传动输入轴→超速行星架→由于O/D直接离合器（CO）结合和O/D档单向离合器（F0）锁定，使超速太阳轮与行星架锁在一起故转速相同，超速齿圈也以同一转速转动。

3）D-2档传动路线

传动路线如下：

即前部的传动比为1:

1→中间轴→此时前进档离合器（C1）结合，使前行星齿圈顺时针转动→2档制动器（B2）作用和1号单向离合器（F1）锁住前后太阳轮→前齿圈驱动前进星齿轮→前行星架顺时针转动→输出轴。

如图所示P104。

4）D-3档传动路线

传动路线如下：

5）D-4（O/D档）档传动路线

传动路线如下：

动力→液力变矩器→超速传动输入轴→超速行是架顺时针转动→O/D档制动器（BO）作用，使超速太阳轮固定→此时超速行星齿轮自传→超速齿圈顺时针转动（增速）→中间轴→此时前进档离合器（C1）和直接档离合器（C2）都结合→前行星齿圈和太阳轮都顺时针转动→行星架也以同样转速转动→输出轴，如图5-25所示P1

第四节自动变速器控制系统

液压控制系统主要有油泵、主油道调压阀、手控制阀、节气门阀、调速阀、换档阀、强制低档阀、减压阀、蓄压器、旁通阀、单向阀等，如图5-29所示。

P106

一、各部件结构与原理

1、液力油泵

1）作用

液力油泵主要将ATF输送到液力变矩器，润滑行星齿轮装置，并对液压控制系统提供工作压力。

2）结构与工作原理

液力油泵有齿轮式、转子式和叶片式几种类型。

如图5-30所示P106。

常用的是齿轮油泵。

无论何种类型的油泵都是由固定部分的壳体、变矩器驱动的主动部分（内转子）和被动部分（外转子）等组成。

3）注意事项

（1）具有自动变速器的汽车不能进行推车启动。

其原因是发动机不工作时，液力油泵不泵油，变速器内无控制油流。

即使在D档或R档上，输出轴仍然是空转，发动机无法被启动。

2、多片式离合器

1）作用

2）结构与工作原理

多片离合器由壳体（液压油缸、前组制动轮）、油缸活塞、摩擦片和复位弹簧等组成。

如图所示P108。

它是液压控制执行元件，特点是：

径向尺寸小、湿式柔和接合、传递转矩较大。

3）故障

自动变速器中的离合器主从动片是易损件，操作不当或漏油，行驶中打滑是常见的故障。

3、制动器

1）作用

就是在自动变速器中用来控制行星齿轮机构中的任一元件，改变齿轮传动的组合而实现变速。

2）结构与工作原理

自动变速器中的制动器有多片式和带式两种

多片式：

结构和原理同多片式离合器。

特点是接合时平顺性好，少量间隙无需调整；汪足是轴向尺寸较大。

目前，许多变速器均采用这种形式的制动器。

带式：

由制动带、油缸、活塞和调整件组成，如图所示P109所示，其调整点多在带支撑端，可在外部或拆下油底调整。

调整方法是将螺钉旋紧后，再松开2-3圈，带与鼓的间隙即为合适。

带式制动器的特点是轴向尺寸小，工作的平顺性差，控制油路中多配有缓冲器。

4、主油路调压阀

1）作用

作用定量液力油泵的自动变速器，当油泵把液力油输送到变速器液压系统时，输出的液压会随着发动机的转速增加而升高，过高的油压可能引起油泵停转。

2）结构与工作原理

如图所示P109

液力油泵工作时，液力油被送往变矩器，油压升高。

当主油路调压阀中的阶梯滑阀上部的压力与下部的压力、弹簧弹力不平衡时，就可打开或关闭排油孔，通过旁通泄油，保证油压稳定。

阶梯滑阀上下两端是通过手控制阀分别施加两个独立的外来压力，控制其压力的升高或降低，达到调节主油路油压的高低满足工作的需要。

5、速度控制阀

1）作用

速度阀是由变速器输出轴驱动的控制装置。

它传感车速，并向阀体

输送升档或降档的油压信号，基本上是由速度阀根据车速，控制变速器的换档点和换档特性。

2）结构与工作原理

如图所示P110

速度阀体上有一个或两个重块和弹簧力控制的阀。

当汽车静止时，速度阀体上的主油路进口被关闭，不起作用。

当汽车行驶后，速度阀开始转动，使重块在离心力的作用下移动滑阀，这样调整了主油路油压，并进入速度油压回路输送到换档阀。

线轴滑阀式和单向球阀式都有大小两个重块和弹簧，大的初级重块在低速时向外移动，而小的次级重块在高速时才向外移动。

6、节气门阀

1）作用

节气门阀是利用节流原理，产生与节气门开度成正比的油压，它与

速度控制油压共同控制换档阀，实现自动换档。

2）结构与工作原理

节气门阀按其操纵方式分为机械式和真空式。

机械式是通过拉杆、拉索压缩其弹簧来操纵滑阀，控制油压稳定。

如图所示P110

当踩下加速踏板时，机械或真裕装置打开节气门阀产生油压，节气门油压直接作用在调压阀上。

此时，使调压阀保持在关闭泄油口位置，并使油压升高。

由于主油路油压升高使施力装置压紧，使升档延迟，当松开加速踏板时，节气门阀产生的油压下降，主油路油压也随之下降。

当事速降至特定值时，主油路油压进一步下降引起降档。

7、手动换档阀

手动换档是一个通过选档杆联动装置操纵的滑阀。

当人工使选档杆位于前进档（D）或倒档（R）时，手动换档阀把主油路油压输送到相应执行机构的油路中。

当使选档杆位于空档（N）时，控制油路被封闭，如图所示P111

8、强制低档阀

强制低档阀就是在额外需要增加转矩时实现强制降档。

如节气门迅速打开时，节气门阀油压也急剧升高，并且被输送到强制低档阀，这时迫使强制低档阀打开出口，使主油路油压作用到换档阀上，此时换档阀的弹簧弹力、强制低档阀和节气门阀油压共同作用在换档阀的一侧，使共移动到降档位置，实现强制快速换档。

电控变速器常用由加速踏板联动装置上的开关操纵电磁阀实现强制降档。

当节气门开度增大时，由开关打开电磁阀，增大节气门阀油压而迫使立即降档。

9、蓄压器

蓄压器主要用于缓冲换档时油压的冲击。

如图所示P112

二、液压系统换档过程分析

2、典型液压油路图与换档过程分析

240L型自动变速器的液压操作系统由液压泵、两个油压调节阀、节气门阀、中间复合或离心调速器、手动阀、三个换档阀、多个辅助阀及蓄压器、超速档电磁阀等组成。

下简要介绍变速器在主要档位时，油路的工作情况。

执行元件工作与档位的关系可见表5-2。

表中的CO、BO与图中的C3、B4相当（后文中用括号标出图中元件）

A-

手柄位置

档位

换档执行元件

〇

手柄位置

档位

换档执行元件

〇

倒档

〇

停车

〇

空档

〇

三、自动换档规律

自动换档规律就是自动变速器根据车辆速度和载花荷（节气门开度）自动变换档位。

换档规律用换档图来表示，换档图的横坐标用变速器输出轴转速或车速表示，以每分钟转速或每小时公里数为单位；纵坐标用发动机节气门开度表示，以百分比为单位。

图中任何一点，都是由节气门开度和车速大小所决定工作点，也称为换档点。

采用换档图时检查换档点是否符合行驶期间自动变速器正确换档规律，可以对变速器进行道路试验和故障诊断，因此换档图对自动变、速器故障检修十分重要。

为四档自动变速器的换档规律图。

图中实线分别为1棣升至2档、2档升至3档、3档升至4档（超速档OD）的拒贿档时刻曲线即升档曲线。

图中的两条双点划线，右边的一条为锁止离合器锁止线，车速超过该线所处位置时锁止离合器锁止；左边的一条为锁止离合器解除线，当车速对于该线所处位置的值时，锁止合离合器的锁止解除。

从这组线可以看出，此种自动变速器只有在超速档时，变速器才能实施锁止。

电控自动变速器和液近代自动变速器换档规律的不同点是，液控自动变速器换档规律图是连续变化的曲线，而电控自动变速器由于模拟节气门开度的电参数是阶梯变化的信号，因此换档规律图也是阶梯性变化曲线，如图5-49所示。

P125

自动变速器电控系统一般由电子控制单元、速度传感器、节气门位置传感器、各种电磁阀、各种开关及指示装置等构成（图5-50）P125

一、控制原理

发动机工况信号由水温传感器、节所门开度传感器等提供；车速信号由1号车速传感器、2号车速传感器提供：

开关信号由空挡起动开关、超速（O/D）开关等提供。

这些信号进入ECU，CPU将这些信号与ROM中预先设定的最佳档位比较而确定档位参数，由输出电路输送到某档电磁阀线图，完成变速工作。

即根据车速、加速度、换档等有关车辆行驶状态各种信号的检测，通过计算机综合控制发动机转矩和自动变速器的离合器系统配合油压，而实现汽车极其平稳的变速。

二、部件功能

1、节气门位置传感器

节气门位置传感器根据节气门的开度输出电压信号，它是由电位器和微动开关、外壳等构成。

电位器包括电阻片及装在轴上可转动的电刷，微动开关包括怠速触点等。

节气门位置传感器的芯轴与节气门销轴在同一轴线上，二者用凸块或刚性联轴节连接，因此节气门位置传感器与节气门同步转动。

节气门开度与电位器电刷的位置同步变化，从电刷输出的电压信号与节气门开度成正比。

节气门位置传感器常见故障有：

线路故障；传感本身故障；传感器安装调整不当。

这些故障将导致发动机的怠速过高或不稳，加速性能变坏。

2、水温传感器

它由外壳及热敏电阻等构成，其作用是检测冷却水温，当冷却水温低于80℃时，停止超速档变速和锁定系统强制解除。

在ECU插座的THW端所测得的电压值为0.3-0.8V时,就可以判断冷却水温为80℃左右，当传感器开路时，电压值为5V，短路时为0V，这两种情况均为故障状态。

水温传感器的检查，可将其从机体上拆下，放入冷水中，万用用表测量其电阻，再将冷水加热，电阻值变化应符合表5-3。

如电阻不随温度变化或差值较大时，应予更换。

3、车速传感器

它由磁铁、笛簧开关组成。

笛簧开关是由小玻璃管内装有两个细长的触头构成，触头由强磁性材料制成，受玻璃管外磁极的控制，有时触头互相吸引而闭合，有时互相排斥而打开，从而形成了开关作用。

车速传感器检查：

顶起汽车一边车轮（驱动轮），并使车轮转动，用万用表检查传感器二只线端间的电阻，应该间歇出现通路和断路，对于三只线端的速度传感器，将第1脚接蓄电池正极，第2脚接负极，用万用表检查第2脚和第3脚间电阻，应间歇出现通路和断路。

4、空档起动开关

它是检测变速档位置的传感器，在组合仪表板的速度表上利用传感器的信号显示P、R、N、D的位置，也可以利用传感器的信号实现保护八月，即只有在P档或N档才能起动发动机工作。

5、模式选择开关

这是供驾驶人员依据换档和锁定时，选择功率方式之用。

6、制动灯开关

它可检查制动踏板是否被踏下

7、超速（O/D）开关

它可控制车辆进入或脱离超速档。

8、电磁阀

由电磁线圈、铁心、阀体、阀杆、弹簧等组成，其结构如图所示。

P128铁心与阀体连成一体，当电磁阀通电时，吸动铁心、阀杆移动改变油的通道。

电磁阀的检查：

用万用表检查电磁阀的电阻值，正常值为11-15（丰田），21-24（三菱）；接通12V电源，检查其动作是否灵活，可在电源通断时听到滑阀移动的声响。

密封性检查：

1号和2号电磁阀用低压空气检查，不应漏气；3号电磁阀用490KPA压缩空气检查，再通12V电压时不应漏气。

压力控

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