第十六章 汽車自動變速器

1、第十六章 汽車自動變速器 n汽車自動變速器即自動操縱式變速器。 n特點 q可根據(jù)發(fā)動機負荷和車速等工況的變化自動變換傳動系統(tǒng)的 傳動比 q使汽車獲得良好的動力性和燃油經(jīng)濟性 q有效減少發(fā)動機排放污染 q顯著提高車輛行駛的安全性、乘坐舒適性和操縱輕便性。 第一節(jié)概述第一節(jié)概述 n自動變速器的類型 q按傳動比變化方式可分為 有級式、無級式和綜合式； q按齒輪變速系統(tǒng)的控制方 式可分為液控液壓和電控 液壓式兩種。 自動變速器的類型 n按齒輪變速機構(gòu)分為 q平行軸式自動變速器：普通齒輪嚙合傳動，體積較 大，使用少 q行星齒輪式自動變速器：行星齒輪傳動，結(jié)構(gòu)緊湊、 體積小，使用多。 按控制方式分類 n液

2、控液力自動變速器 n電控液力自動變速器 概述概述 n自動變速器的組成 q 由液力變矩器、齒輪變速器、液力控制系統(tǒng)、電 子控制系統(tǒng)等幾部分組成。 n電控液力自動變速器的基本工作原理 q在手控制閥選定位置后，把各傳感器的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)?電信號輸入電子控制單元（ECU）。在換擋點， ECU向各執(zhí)行元件發(fā)出電信號，控制執(zhí)行機構(gòu)換擋 第一節(jié)概述第一節(jié)概述 n液力機械式自動變速器由液力傳動系統(tǒng)、機械式齒輪變速系統(tǒng)、 液壓操縱系統(tǒng)、液壓或電子控制系統(tǒng)組成。 第二節(jié)液力耦合器與液力變矩器第二節(jié)液力耦合器與液力變矩器 液力耦合器的結(jié)構(gòu)和工作原理液力耦合器的結(jié)構(gòu)和工作原理 一、液力耦合器一、液力耦合器 n采用液力耦合

3、器的優(yōu)缺點 q液力耦合器的優(yōu)點 q保證汽車平穩(wěn)起步； q衰減傳動系的扭轉(zhuǎn)振動； q防止傳動系過載； q顯著減少換檔次數(shù)。 n液力耦合器的缺點 q只能傳遞轉(zhuǎn)矩，不能改變轉(zhuǎn)矩大??； q不能取代離合器，使傳動系統(tǒng)縱向尺寸增加； q傳動效率較低。 二、液力變矩器 液力變矩器的工作原理 液力變矩器特性 n液力變矩器有兩個重要 的特性參數(shù)：液力變矩 器傳動比i和液力變矩器 變矩系數(shù)K，其定義如 下。 q液力變矩器傳動比 q液力變矩器變矩系數(shù) 經(jīng)過上述分析：經(jīng)過上述分析： n液力變矩器的輸出轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)渦輪的轉(zhuǎn)速變液力變矩器的輸出轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)渦輪的轉(zhuǎn)速變 化：具體為：化：具體為： q渦輪速度低：轉(zhuǎn)矩大于泵輪

4、轉(zhuǎn)矩；渦輪速度低：轉(zhuǎn)矩大于泵輪轉(zhuǎn)矩； q渦輪速度等于設(shè)定值：轉(zhuǎn)矩等于泵輪轉(zhuǎn)矩渦輪速度等于設(shè)定值：轉(zhuǎn)矩等于泵輪轉(zhuǎn)矩 q渦輪速度高：轉(zhuǎn)矩小于泵輪轉(zhuǎn)矩；渦輪速度高：轉(zhuǎn)矩小于泵輪轉(zhuǎn)矩； q渦輪速度等于泵輪速度：不傳遞轉(zhuǎn)矩。渦輪速度等于泵輪速度：不傳遞轉(zhuǎn)矩。 n液力變矩器能夠改變扭矩的原因是在泵輪和渦液力變矩器能夠改變扭矩的原因是在泵輪和渦 輪之間加入了導(dǎo)輪。輪之間加入了導(dǎo)輪。 結(jié)論：結(jié)論： n液力變矩器傳動比液力變矩器傳動比=1，連續(xù)可變；，連續(xù)可變； q液力變矩器轉(zhuǎn)矩隨著行駛工況自動的改變。液力變矩器轉(zhuǎn)矩隨著行駛工況自動的改變。 q渦輪的速度低：較大的轉(zhuǎn)矩，渦輪的速度低：較大的轉(zhuǎn)矩，0時的轉(zhuǎn)矩最大；

5、時的轉(zhuǎn)矩最大； q渦輪的速度高：較小的轉(zhuǎn)矩；渦輪的速度高：較小的轉(zhuǎn)矩；nw=nb，0； q渦輪速度高于渦輪速度高于nw1：輸出轉(zhuǎn)矩小于輸入轉(zhuǎn)矩，效率：輸出轉(zhuǎn)矩小于輸入轉(zhuǎn)矩，效率 低低 n液力變矩器同時具有液力耦合器保證汽車平穩(wěn)液力變矩器同時具有液力耦合器保證汽車平穩(wěn) 起步，衰減傳動系扭轉(zhuǎn)振動，防止系統(tǒng)過載的起步，衰減傳動系扭轉(zhuǎn)振動，防止系統(tǒng)過載的 特點特點 液力變矩器構(gòu)造 三元件綜合式液力變矩器 單向離合器 n滾柱式單向離合器的構(gòu)造和 工作原理 q導(dǎo)輪逆時針旋轉(zhuǎn)時，滾柱向 外座圈和內(nèi)座圈形成的楔形 槽的寬槽處滾動，滾柱與外 座圈（包括導(dǎo)輪）一起繞內(nèi) 座圈滾動。 q導(dǎo)輪順時針旋轉(zhuǎn)時，滾柱向 楔形

6、槽窄槽處滾動，從而阻 止外座圈（包括導(dǎo)輪）的滾 動。 作用是只允許導(dǎo)輪單向旋轉(zhuǎn)，不允許其逆轉(zhuǎn)。作用是只允許導(dǎo)輪單向旋轉(zhuǎn)，不允許其逆轉(zhuǎn)。 楔塊式單向離合器的構(gòu)造和工作原理 n楔塊式單向離合器的構(gòu)造和 工作原理 q楔塊式單向離合器的工作原 理是，內(nèi)座圈固定，當外座 圈順時針旋轉(zhuǎn)時，楔塊順時 針旋轉(zhuǎn)，L1L，楔塊 阻止外座圈旋轉(zhuǎn)。 三元件綜合式液力變矩器的特性 三元件綜合式液力變矩器的特性三元件綜合式液力變矩器的特性 耦合器效率耦合器效率 變矩器效率變矩器效率 工況轉(zhuǎn)換點工況轉(zhuǎn)換點 變矩器的效率：輸出功率與輸 入功率之比。 iik=1范圍內(nèi)：耦合器效率高 在變矩器狀態(tài)下最高效率為 92%，在耦合器狀

7、態(tài)下的高傳 動比區(qū)的效率可達96%。 四元件綜合式液力變矩器 n四元件綜合式液力變矩 器的特性是兩個變矩器 特性和一個耦合器特性 的綜合。 n四元件綜合式液力變矩 器比三元件液力變矩器 多了一個導(dǎo)輪，兩個導(dǎo) 輪分別裝在各自的單向 離合器上。 帶鎖止離合器的液力變矩器 n帶鎖止離合器液力變矩器的特 點是， q汽車在變工況下行駛時（如起 步、經(jīng)常加減速），鎖止離合 器分離，相當于普通液力變矩 器； q當汽車在穩(wěn)定工況下行駛時， 鎖止離合器接合，動力不經(jīng)液 力傳動，直接通過機械傳動傳 遞，變矩器效率為1。 第三節(jié)液力機械變速器第三節(jié)液力機械變速器 液力變矩器一般與齒輪變速器（有級式）共同組成，液力

8、機械變速器。 原因： 1.液力變矩器的變矩系數(shù)較小，不能滿足汽車的需要； 2.過大的變矩系數(shù)影響液力變矩器的效率； 注意： 與液力變矩器配合使用的一般是行星齒輪變速器（軸線旋轉(zhuǎn) 式）但也有采用軸線固定式的。 原因： 行星齒輪變速箱結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大，可以用較小齒輪實 現(xiàn)較大傳動比，傳動效率高，機構(gòu)運動平衡，抗振能力強。 液力機械變速器液力機械變速器 n原因？： q液力變矩器的變矩系數(shù)較小，不能滿足需要；過大的變矩系數(shù) 影響液力變矩器的效率； n液力變矩器一般與齒輪變速器（有級式）共同組成， 液力機械變速器。 n注意： q 與液力變矩器配合使用的一般是行星齒輪變速器（軸線旋轉(zhuǎn) 式），也有采用軸

9、線固定式的。 行星齒輪變速箱結(jié)構(gòu)緊湊， 承載能力大，可以用較小齒輪實現(xiàn)較大傳動比，傳動效率高 行星齒輪機構(gòu) 行星行星 齒輪齒輪 中心中心 齒輪齒輪 行星行星 架架 齒圈齒圈 組裝組裝 圖圖 周轉(zhuǎn)輪系 n部件定義 q中心輪（太陽輪）： 1.3 q系桿（轉(zhuǎn)臂或行星架）： 2 n分類 q按自由度數(shù) n差動輪系(F=2) n行星輪系(F=1) q按構(gòu)件數(shù) n2KH型 n3KH型 周轉(zhuǎn)輪系（按自由度分類） 行星輪系 差動輪系 周轉(zhuǎn)輪系分類（按構(gòu)件數(shù)） 2KH型 3KH型 周轉(zhuǎn)輪系傳動比計算 z z zz zz H H H H H 1 3 21 32 3 1 3 1 13 行星齒輪變速箱計算 z z zz

10、 zz i H H H H H 1 3 21 32 3 1 3 1 13 中心輪：1太陽輪：t 系桿：H行星架：j 中心輪：3齒圈：q z z t q jq jt 行星齒輪變速箱 n運動計算 tjq tqj K z z 0)1 ( nnn jqt KK n標注說明： t太陽輪q齒圈j行星架 K行星排特性系數(shù) 單行星排運動分析 n標注說明： t太陽輪q齒圈j行星架 K行星排特性系數(shù) 0)1 ( nnn jqt KK 太陽輪制動 n齒圈輸入、行星架輸出 0 1 t q j K i K n n n 0)1 ( nnn jqt KK 輸入輸出 太陽輪制動 n行星架輸入、齒圈輸出 0 1 t j q K

11、 i K n n n 0)1 ( nnn jqt KK 輸入輸出 齒圈制動 n太陽輪輸入、行星架輸出 0 1 q t j iK n n n 0)1 ( nnn jqt KK 輸入輸出 齒圈制動 n行星架輸入、太陽輪輸出 0 1 1 q j t i K n n n 0)1 ( nnn jqt KK 輸入輸出 行星架制動 n太陽輪輸入、齒圈輸出 0 j t q iK n n n 0)1 ( nnn jqt KK 輸入輸出 行星架制動 n齒圈輸入、太陽輪輸出 0 1 j q t i K n n n 0)1 ( nnn jqt KK 輸入輸出 采用閉鎖離合器將任意兩構(gòu)件相連 1i 輸入輸出 0)1 (

12、 nnn jqt KK 雙行星排傳動 n對于復(fù)雜行星傳動機構(gòu)，其自由度F可按下式 計算 lmF 2 u式中m參加作用的行星排數(shù)； l參加作用的行星排構(gòu)件之間的連接 數(shù)。 雙行星排傳動 n知道復(fù)雜行星傳動的自由度后，即可確定為實現(xiàn)確定 的傳動所需接合的摩擦元件數(shù)。 n對于雙行星排，可取l2，取F1時，摩擦元件數(shù)為 1。設(shè)行星排的特性系數(shù)分別為，則可實現(xiàn)的傳動方 案數(shù)為N180。以下舉例。 雙行星排傳動(舉例) n如右圖所示，輸 入為第一行星排 太陽輪，輸出為 第二行星排太陽 輪，第一行星排 行星架、齒圈分 別和第二行星排 太陽輪、行星架 相連。可列等式 為： 輸入輸出 雙行星排傳動(舉例) 可列

13、等式為：t太陽輪q齒圈j行星架 0 1 0 1 22222 11111 nKnKn nKnKn jqt jqt 0 2 21 21 n nn nn q jq tj 式中又有： 可得最終傳動比 K KKK n n i t t 2 212 2 1 1 1 輸入輸出 雙行星排傳動(舉例) KKK n n i j t 212 2 1 1 輸入輸出 最終傳動比 復(fù)合式行星齒輪機構(gòu)的工作原理 n辛普森式 復(fù)合式行星齒輪機構(gòu)的工作原理 n拉威挪（Ravigneaux） 式 q結(jié)構(gòu)緊湊，所用構(gòu)件少， 相互嚙合的齒較多，可傳 遞較大轉(zhuǎn)矩，但結(jié)構(gòu)較復(fù) 雜，傳動效率略低。 行星齒輪變速箱運動計算過程 n計算各行星排

14、特性系數(shù) n分析操縱元件 n分解行星排 n求出操縱元件組合時各種傳動比 n求出總傳動比 行星齒輪變速箱運動計算舉例 行星齒輪變速箱運動計算舉例 行星齒輪變速箱運動計算舉例(一) Z1結(jié)合 0) 1( n k n k njqt 行星排如圖所示 輸入為行星架，輸出 為齒圈 1 0 1 1 k k n n i n q j t 行星齒輪變速箱運動計算舉例（一） L1結(jié)合 0) 1( n k n k njqt 行星排如圖所示 輸入為行星架，輸出 為齒圈 1 n n i nn q j tj 行星齒輪變速箱運動計算舉例（二） L2結(jié)合 行星排如圖所示 工作行星排為第三 行星排。 nt=nq 輸入為齒圈，輸出

15、 為行星架 1 n n i j q 0) 1( n k n k njqt 行星齒輪變速箱運動計算舉例（二） Z2 結(jié)合 行星排如圖所示，工作行 星排為第二、三行星排。 輸入為太陽輪，輸出為第 三行星排行星架。 0) 1( n k n k njqt 1 11 1 1 1 2 1 1 10 201 101 32 32 3 3 3 3 2 32 3 3 2 3 32322 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 kk )k)(k( n n i n )k( k kk n n k n nnnnn )( n )k( n k n )( n )k( n k n j t jt tq qjttq jqt jqt

16、式有：代入 式得：由、又 、 行星齒輪變速箱運動計算舉例（二） Z3 結(jié)合 行星排如圖所示，工作行 星排為第三行星排。 輸入為太陽輪，輸出為行 星架。 0) 1( n k n k njqt 1 01 0 3 3 k n n i n )k( n n j t jt q 行星齒輪變速箱運動計算舉例（二） Z4 結(jié)合 行星排如圖所示，工作行 星排為第三、第四行星排。 輸入為第三行星排太陽輪， 輸出為第三行星排行星架。 0) 1( n k n k njqt 43 3 3 3 43 3 3 4 3 3 4 3 34344 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 1 01 1 ) 1( 0) 1( 2 0

17、20) 1( 10) 1( kk n n i n kk n n k n n k n nnnnn n k n k n n k n k n j t jt jq jq qtjjq jqt jqt 則 ）（ 式有：代入 得： 式有：代入 、又 行星齒輪變速箱總傳動比 L1 Z1 L2 Z2 Z3 Z4 i1 i2 i3 i4 i5 i6 i7 i8 8個理論 檔位， 六進二 退 液力變矩器與行星齒輪變速器組成的液力機械自動變速器 u01M型自動變速器由帶鎖止離合器的單級雙向三元件液力變矩器、可自動換檔的拉威挪式行 星齒輪機構(gòu)兩部分組成，是液力機械式變速器。 u該變速器共有7個檔位，4個前進檔、1個倒檔

18、（R）、1個空檔（N）、1個駐車檔（P）。 液力機械變速器的總傳動比 n總傳動比為：液力變矩器的變矩系數(shù)K與齒輪變速器的傳動比i 的乘積。I=K*i n傳動比越大，液力機械變速器的所傳遞的轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)速越低， 這點與機械變速箱是一致的。 n因為液力變矩器的變矩系數(shù)在一定的范圍內(nèi)可以連續(xù)變化，配 合上機械變速機構(gòu)后，液力機械變速器的傳動比在幾個區(qū)間內(nèi) 是連續(xù)變化的，稱之為部分無級變速器。 液力變矩器與固定軸線式齒輪變速器組成的液力機械自動變速器 n廣州本田轎車采用的MAXA 型自動變速器，由帶鎖止離 合器的液力變矩器、固定軸 線式的常嚙合斜齒輪機械變 速器、液壓控制系統(tǒng)和電子 控制系統(tǒng)4部分組成

19、。 帶鎖止離合器的液力變矩器、換檔離合器和全同步變速器組成的液力機 械變速器 n國外重型貨車和工程車輛上 開始采用由WSK系統(tǒng)與全同 步多檔變速器（46檔）組 成的液力機械變速器。 n所謂WSK系統(tǒng)系統(tǒng)是由鎖止離合 器、變矩器、滑行單向離合 器和換檔離合器組成的“變 矩器換檔離合器系統(tǒng)”的 德文縮寫。 第四節(jié)自動變速器的操縱機構(gòu)第四節(jié)自動變速器的操縱機構(gòu) n液控式（全液壓）操縱機構(gòu) q動力源（供油系統(tǒng)） 自動變速器油（簡稱ATF）是含有多種特殊添加 劑的混合油液。 液壓泵可以采用內(nèi)嚙合的齒輪泵或轉(zhuǎn)子泵，其結(jié)構(gòu)和工 作原理與發(fā)動機潤滑系統(tǒng)中的機油泵相同。液壓泵除了向控制 裝置、執(zhí)行裝置供應(yīng)壓力油

20、以實現(xiàn)換檔外，還向液力變矩器供 應(yīng)工作油液，向行星齒輪變速器供應(yīng)潤滑油。 執(zhí)行裝置 n換檔離合器 q寶來、捷達王轎車均采用濕式多片換檔離合器作為換檔執(zhí)行裝置。 這種換檔離合器因位于變速器內(nèi)部，徑向尺寸受到嚴格限制，而傳 遞的轉(zhuǎn)矩又很大，故做成多片式。 換檔制動器 n換檔制動器最常見的結(jié)構(gòu)形式有片式和帶式兩種。片式換檔制動器的 工作原理與多片濕式換檔離合器基本相同。由于片式制動器較帶式制 動器工作平順，故目前在轎車自動變速器中應(yīng)用較多。 帶式換檔制動器 n將內(nèi)側(cè)粘有摩擦材料的鋼帶卷繞在制動鼓外表面上，故又稱外束帶式 制動器。它由制動鼓、制動帶、推桿、活塞等元件組成。制動帶的一 端固定在自動變速器

21、殼體上，另一端與控制油缸的推桿相連接。不制 動時制動帶與制動鼓之間有一定間隙，此間隙可用調(diào)整螺釘調(diào)整。 換檔信號系統(tǒng) 換檔閥系統(tǒng) 強制換檔閥 n在某些自動變速器中還裝有 強制降檔閥，其作用是在節(jié) 氣門全開或接近全開時，將 自動變速器強制降低一個檔 位，以保證高速行駛的汽車 超車時獲得良好的加速性能。 換檔品質(zhì)控制裝置 n換檔品質(zhì)控制裝置的作用換檔品質(zhì)控制裝置的作用是保證換檔過程平順柔和、無沖擊。它包 括油路中的緩沖閥、限流閥、斷流解鎖閥、單向節(jié)流閥和節(jié)流孔等。 濾清冷卻系統(tǒng) n濾清冷卻系統(tǒng)包括冷卻器和濾清器。 n變矩器工作時，相當大一部分能量轉(zhuǎn)化成熱量，致使工作液溫度 升高。而變矩器的油路與液

22、壓操縱系統(tǒng)和機械變速器的潤滑油路 是相通的。 n為保證變矩器的效率和變速器的操縱系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)正常工作， 應(yīng)控制工作液溫度在一定范圍內(nèi)。因此，在發(fā)動機散熱器下儲水 箱內(nèi)設(shè)有冷卻器。 n變矩器內(nèi)的部分工作液從導(dǎo)輪與渦輪之間的間隙流出，經(jīng)導(dǎo)輪固 定套管與變速器第一軸之間的環(huán)形油道流過冷卻器，得到冷卻或 加溫后，再經(jīng)過濾清器流入機械變速器的潤滑油道。 第四節(jié)自動變速器的操縱機構(gòu)第四節(jié)自動變速器的操縱機構(gòu) n電子控制單元電子控制單元（ECU）根據(jù) 傳感器傳來的電信號電信號，即車 速和發(fā)動機負荷等參數(shù)轉(zhuǎn)變 的電信號，按照設(shè)定的換檔 程序?qū)@些信號進行比較計比較計 算算，作出是否需要換檔的判 斷。 n當需

23、要換檔時，通過電磁閥電磁閥 操縱液壓的換檔閥操縱液壓的換檔閥去控制執(zhí) 行裝置的油路，實現(xiàn)換檔。 傳感器 n節(jié)氣門位置傳感器是將 測得的節(jié)氣門開啟角度 轉(zhuǎn)換成電信號輸入給 ECU，以作為控制自動 變速器換檔的依據(jù)。 傳感器 n車速傳感器安裝在自動 變速器輸出軸附近，用 以測量輸出軸轉(zhuǎn)速，是 電磁感應(yīng)式的轉(zhuǎn)速傳感 器。 執(zhí)行器 n開關(guān)式電磁閥通常用來 控制換檔閥和變矩器鎖 止離合器油路的開啟或 關(guān)閉。 執(zhí)行器 電控式操縱系統(tǒng)的優(yōu)點 n因電控單元（ECU）能存儲與處理多種換檔規(guī)律，所以可按車輛行駛需 要選擇合適的換檔規(guī)律，故可實現(xiàn)更合理、更復(fù)雜的控制，以獲得更理 想的燃油經(jīng)濟性； n由于簡化了液壓系統(tǒng)，從而使結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕； n控制精度高、反應(yīng)快且動作準確； n如需要變更換檔規(guī)律或參數(shù)時，只要改變控制程序和某些電子元件的型 號規(guī)格就可滿足要求，而無須更換系統(tǒng)中的零件，故適應(yīng)性強，開發(fā)周 期短； n便于整車的控制系統(tǒng)(如發(fā)動機控制、巡航控制、牽引控制、制動系統(tǒng)控 制等)集成，控制系統(tǒng)兼容性好。 第五節(jié)金屬帶式無級自動變速器第五節(jié)金屬帶式無級自動變速器 n金屬帶式無級變速器是由金屬帶、主 動工作輪、從動工作輪、液壓泵、起 步離