自動(dòng)變速器工作原理

1、如果您駕駛過配備自動(dòng)變速器的汽車，則應(yīng)該知道自動(dòng)變速器和手動(dòng)變速器之間有兩個(gè)主要區(qū)別：自動(dòng)變速器汽車上沒有離合器踏板。自動(dòng)變速器汽車上沒有換擋機(jī)構(gòu)。只要將變速器掛在前進(jìn)擋，其他所有操作都會(huì)自動(dòng)進(jìn)行。自動(dòng)變速器（與它的液力變矩器）和手動(dòng)變速器（與它的離合器）完成一模一樣的事情，但它們完成的方式完全不同。 自動(dòng)變速器的工作方式十分的神奇！自動(dòng)變速器位置在本文中，我們將詳細(xì)講述自動(dòng)變速器的原理。 首先您將了解整套系統(tǒng)的關(guān)鍵部件： 行星齒輪組。 然后，我們將告訴您變速器的裝配、控制裝置的工作原理，并討論在變速器的控制中涉及到的一些難點(diǎn)。與手動(dòng)變速器一樣，自動(dòng)變速器的主要工作是讓發(fā)動(dòng)機(jī)在較窄的轉(zhuǎn)速范圍下

2、運(yùn)行，并且提供較寬的輸出速度范圍。梅賽德斯-奔馳CLK自動(dòng)變速器如果沒有變速器，汽車將會(huì)只有一種傳動(dòng)比，而我們也只能選擇讓汽車以所需的最大速度行駛的那種傳動(dòng)比。 如果您想要的最大速度是130公里/小時(shí)，那么傳動(dòng)比應(yīng)類似于大多數(shù)手動(dòng)變速器中的三擋。您可能從來沒嘗試過僅用三擋來駕駛配備手動(dòng)變速器的汽車。 如果體驗(yàn)一下，您很快會(huì)發(fā)現(xiàn)在起動(dòng)時(shí)幾乎沒有加速感。高速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)出尖叫，轉(zhuǎn)速表會(huì)接近紅線。這樣的汽車很快就會(huì)磨損，以至于幾乎無(wú)法駕駛。因此，變速器使用齒輪，以便更有效地利用發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，從而保持發(fā)動(dòng)機(jī)在合適的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。手動(dòng)變速器和自動(dòng)變速器之間的關(guān)鍵不同在于：前者將不同組的齒輪分別鎖定到

3、輸出軸，以得到各種傳動(dòng)比；而在自動(dòng)變速器中，同一組齒輪就可得到所有不同的傳動(dòng)比，自動(dòng)變速器則是通過行星齒輪組來實(shí)現(xiàn)這一功能的。下面讓我們來了解行星齒輪組的工作原理。當(dāng)我們分解自動(dòng)變速器以了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其在相當(dāng)小的空間內(nèi)容納了各種各樣的部件。除了其他部件外，您還會(huì)看到：一套精致的行星齒輪組一組鋼帶，用于固定齒輪組的部件一組三個(gè)濕盤離合器，用于固定齒輪組的其他部件一套神奇的液壓系統(tǒng)，用于控制離合器和鋼帶一個(gè)大型齒輪泵，用于運(yùn)送變速器液力傳動(dòng)油我們關(guān)注的重點(diǎn)是行星齒輪組。 這個(gè)部件的大小與甜瓜相仿，它產(chǎn)生變速器所能生成的所有不同傳動(dòng)比。變速器內(nèi)的其他所有部件都是為了幫助行星齒輪組完成此工作

4、。自動(dòng)變速器包含兩套完整的行星齒輪組，它們組合成一個(gè)部件。從左到右：齒圈、行星架、兩個(gè)太陽(yáng)輪所有行星齒輪組都有三個(gè)主要部件：太陽(yáng)輪行星齒輪和行星齒輪的齒輪架齒圈每種部件可以作為輸入、輸出，也可以保持不動(dòng)。當(dāng)各種部件擔(dān)任不同角色時(shí)，可相應(yīng)得到齒輪組的某一傳動(dòng)比。下面讓我們觀察單個(gè)行星齒輪組。變速器中的一個(gè)行星齒輪組包括一個(gè)72齒的齒圈和一個(gè)30齒的太陽(yáng)輪。通過該齒輪組，可以得到很多不同的傳動(dòng)比。輸入輸出不動(dòng)計(jì)算傳動(dòng)比A太陽(yáng)輪（S）行星架（C）齒圈（R）1+R/S3.4:1B行星架（C）齒圈 （R）太陽(yáng)輪（S）1 /（1+S/R）0.71:1C太陽(yáng)輪（S）齒圈 （R）行星架（C）-R/S-2.4:

5、1另外，將其中任何兩個(gè)部件鎖定在一起，都會(huì)將整個(gè)裝置鎖定在1:1齒輪減速比。 請(qǐng)注意，上面列出的第一個(gè)傳動(dòng)比是減速擋輸出速度比輸入速度慢。第二個(gè)是超速擋輸出速度比輸入速度快。最后一個(gè)又是減速擋，但輸出方向相反。從這個(gè)行星齒輪組還能得到其他幾種傳動(dòng)比，不過這幾種傳動(dòng)比與我們的自動(dòng)變速器相關(guān)。您可以從下面的動(dòng)畫中試驗(yàn)這幾種傳動(dòng)比：pluginspage=V ersion=ShockwaveFlash quality=highs rc= 與自動(dòng)變速器相關(guān)的不同傳動(dòng)比的動(dòng)畫單擊上表左邊的按鈕。因此，不需要嚙合或脫離任何其他齒輪，這組齒輪就可以產(chǎn)生所有不同的傳動(dòng)比。兩套這樣的齒輪組排成一行，就可以得到變

6、速器需要的四個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)倒擋。這個(gè)自動(dòng)變速器使用一組齒輪，這組齒輪稱為組合行星齒輪組。看似單個(gè)行星齒輪組，但實(shí)際上其運(yùn)行方式像兩個(gè)行星齒輪組組合在一起。該齒輪組具有一個(gè)始終作為變速器輸出的齒圈、兩個(gè)太陽(yáng)輪和兩組行星齒輪。下面我們來看看其中的一些部件：變速器中的齒輪如何組合在一起從左到右：齒圈、行星架、兩個(gè)太陽(yáng)輪下圖顯示了行星架中的行星齒輪。請(qǐng)注意，右邊的行星齒輪比左邊的行星齒輪位置低，并且它不與齒圈嚙合，而是與其他行星齒輪嚙合。只有左邊的行星齒輪與齒圈嚙合。行星架：請(qǐng)注意兩組行星齒輪。接下來，您可以看到行星架的內(nèi)部。較短的行星齒輪只與較小的太陽(yáng)輪嚙合，較長(zhǎng)的行星齒輪既與較大的太陽(yáng)輪嚙合，也與

7、較小的太陽(yáng)輪嚙合。行星架內(nèi)部：請(qǐng)注意兩組行星齒輪。下面的動(dòng)畫顯示了所有部件在變速器中是如何嚙合傳動(dòng)的。src=q uality=highp luginspage=V ersion=ShockwaveFlash type=application/x-shockwave-flash 移動(dòng)換擋桿，觀察動(dòng)力是如何通過變速器傳遞的。一擋在一擋中，較小的太陽(yáng)輪由液力變矩器中的渦輪順時(shí)針驅(qū)動(dòng)。行星架要逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，但被單向離合器（只允許順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)）固定，齒圈成為輸出。小齒輪有30齒，齒圈有72齒，因此，根據(jù)下方的圖表，傳動(dòng)比為：傳動(dòng)比=-R/S=-72/30=-2.4:1因此，旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)比是負(fù)的2.4:1，

8、這意味著輸出方向與輸入方向相反。但輸出方向與輸入方向?qū)嶋H上相同這就是兩組行星齒輪的奧秘。第一組行星齒輪與第二組嚙合，第二組行星齒輪帶動(dòng)齒圈，這種組合引起反向。可以看到，這還使較大的太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)。但由于離合器已松開，因此較大的太陽(yáng)輪能以與渦輪相反的方向（逆時(shí)針）自由旋轉(zhuǎn)。二擋為了獲得二擋所需的傳動(dòng)比，變速器的操作十分巧妙。它的運(yùn)作就像兩個(gè)行星齒輪組通過一個(gè)公共的行星架相互連接。行星架的第一級(jí)實(shí)際上使用較大的太陽(yáng)輪作為齒圈。 因此，第一級(jí)包括太陽(yáng)輪（較小的太陽(yáng)輪）、行星架和齒圈（較大的太陽(yáng)輪）。輸入是較小的太陽(yáng)輪、齒圈（較大的太陽(yáng)輪）由制動(dòng)帶固定，輸出是行星架。對(duì)于這一級(jí)，由于太陽(yáng)輪作為輸入，行星架

9、作為輸出，齒圈固定，因此公式為：1+R/S=1+36/30=2.2:1較小的太陽(yáng)輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，行星架就轉(zhuǎn)動(dòng)2.2圈。 在第二級(jí)，行星架作為第二個(gè)行星齒輪組的輸入，較大的太陽(yáng)輪（不動(dòng)）作為太陽(yáng)輪，齒圈作為輸出，因此傳動(dòng)比為：1/(1+S/R)=1/(1+36/72)=0.67:1為得到二擋的整體減速比，我們將第一級(jí)乘以第二級(jí)：2.2x0.67，得到1.47:1減速比。這聽起來有點(diǎn)古怪，但的確有效。三擋多數(shù)自動(dòng)變速器三擋的傳動(dòng)比為1:1。您會(huì)記得在上一節(jié)中提到我們要得到1:1的輸出，所需做的只是將行星齒輪三個(gè)部件中的任意兩個(gè)鎖定在一起。對(duì)于本齒輪組的排列，甚至更簡(jiǎn)單所需做的只是嚙合離合器，將每個(gè)太

10、陽(yáng)輪鎖定到渦輪。如果兩個(gè)太陽(yáng)輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)，行星齒輪會(huì)鎖住，因?yàn)樗鼈冎荒芊聪蛐D(zhuǎn)。這便將齒圈鎖定到行星齒輪，使得所有部件作為一個(gè)整體旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生1:1的傳動(dòng)比。超速擋按照定義，超速擋的輸出速度比輸入速度快。它的速度會(huì)提高，正好與減速擋相反。在本變速器中，嚙合超速擋會(huì)一次完成兩件事情。如果您閱讀過液力變矩器工作原理，可能已經(jīng)了解了鎖定液力變矩器。為了提高效率，某些汽車有一個(gè)鎖定液力變矩器的機(jī)構(gòu)，以便發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出直接傳遞到變速器。在本變速器中，嚙合超速擋后，連接到液力變矩器外殼的軸（通過螺栓固定到發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪）會(huì)通過離合器連接到行星架。較小的太陽(yáng)輪空轉(zhuǎn)，較大的太陽(yáng)輪被超速擋制動(dòng)帶固定。沒有任何部件連

11、接到渦輪，僅有的輸入來自變矩器外殼。我們回到圖表，這次以行星架作為輸入、太陽(yáng)輪固定、齒圈作為輸出。傳動(dòng)比=1/(1+S/R)=1/(1+36/72)=0.67:1因此，發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)三分之二圈，輸出裝置就旋轉(zhuǎn)一圈。如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 轉(zhuǎn)/分（RPM），則輸出速度為3000RPM。這使得在保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢的同時(shí)，汽車可以以高速行駛。倒擋倒擋和一擋極為類似，但由液力變矩器渦輪驅(qū)動(dòng)的不是較小而是較大的太陽(yáng)輪，較小的太陽(yáng)輪反向空轉(zhuǎn)，行星架被倒擋制動(dòng)帶固定到外殼上。 因此，根據(jù)上一頁(yè)的公式，傳動(dòng)比為：傳動(dòng)比=-R/S=72/36=2.0:1這樣，本變速器中，倒擋的傳動(dòng)比略小于一擋的傳動(dòng)比。傳動(dòng)比本

12、變速器有四個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)倒擋。下面讓我們來總結(jié)一下傳動(dòng)比、輸入和輸出：擋位輸入輸出固定傳動(dòng)比一擋30齒太陽(yáng)輪72齒齒圈行星架2.4:1二擋30齒太陽(yáng)輪行星架36齒齒圈2.2:1行星架72齒齒圈36齒太陽(yáng)輪0.67:1二擋總計(jì)1.47:1三擋30齒和36齒太陽(yáng)輪72齒齒圈1.0:1超速擋行星架72齒齒圈36齒太陽(yáng)輪0.67:1倒擋36齒太陽(yáng)輪72齒齒圈行星架-2.0:1閱讀了上述內(nèi)容后，您大概想知道不同的輸入裝置是如何連接和斷開的，其實(shí)這些裝置是通過變速器內(nèi)部的一系列離合器和制動(dòng)帶完成的。接下來，我們將了解這些離合器和制動(dòng)帶如何工作。離合器和制動(dòng)帶在本變速器中，嚙合超速擋后，連接到液力變矩器外殼

13、的軸（通過螺栓固定到發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪）會(huì)通過離合器連接到行星架。較小的太陽(yáng)輪空轉(zhuǎn)，較大的太陽(yáng)輪被超速擋制動(dòng)帶固定。沒有任何部件連接到渦輪，僅有的輸入來自變矩器外殼。為了將變速器轉(zhuǎn)到超速擋，必須通過離合器和制動(dòng)帶連接和斷開許多部件。行星架通過離合器連接到液力變矩器外殼。較小的太陽(yáng)輪通過離合器從渦輪斷開，使其能夠空轉(zhuǎn)。較大的太陽(yáng)輪通過制動(dòng)帶固定到外殼，使其無(wú)法旋轉(zhuǎn)。每次換擋都觸發(fā)一系列類似的操作，只不過嚙合與脫離的離合器和制動(dòng)帶不同。下面讓我們觀察一下制動(dòng)帶。在本變速器中，有兩副制動(dòng)帶。變速器中的制動(dòng)帶實(shí)際上是鋼帶，纏繞在齒輪系的截面上，連接到外殼，它們通過變速器殼內(nèi)的液壓缸驅(qū)動(dòng)。其中一個(gè)副制動(dòng)帶在上

14、圖中，您可以在變速器的外殼中看到其中一條制動(dòng)帶。齒輪系已移除，金屬桿連接到活塞，而活塞驅(qū)動(dòng)制動(dòng)帶。此處可以看到驅(qū)動(dòng)制動(dòng)帶的活塞。在上圖中，您可以看到驅(qū)動(dòng)鋼帶的兩個(gè)活塞。通過一組氣門傳送到氣缸的液壓使活塞推動(dòng)鋼帶，將這個(gè)齒輪傳動(dòng)系的部件固定在外殼中。變速器中的離合器有一點(diǎn)復(fù)雜。在本變速器中有四個(gè)離合器，每個(gè)離合器都是由增壓過的液壓油驅(qū)動(dòng)，這些液壓油進(jìn)入到離合器內(nèi)的活塞中。當(dāng)彈簧確保當(dāng)壓力下降時(shí)，離合器松開。下面您可以看到活塞和離合器鼓。請(qǐng)注意活塞上的橡膠密封圈當(dāng)保養(yǎng)變速器時(shí)，它是要更換的部件之一。變速器中的一個(gè)離合器下圖顯示的是離合器摩擦材料和鋼片的交互層。摩擦材料在內(nèi)部用花鍵連接，從這里鎖定到

15、其中一個(gè)齒輪；鋼片在外部用花鍵連接，從這里鎖定到離合器殼。在大修變速器時(shí)，也要更換這些離合器片。離合器片通過軸上的通道為離合器提供壓力，可以在任何時(shí)刻用液壓系統(tǒng)來激發(fā)那些離合器和制動(dòng)帶。如果汽車掛駐車擋鎖住變速器不讓它旋轉(zhuǎn)似乎很簡(jiǎn)單，但實(shí)際上對(duì)這種裝置有一些復(fù)雜的要求：汽車在斜坡上時(shí)，必須能脫離嚙合（汽車的自重施加在機(jī)構(gòu)上）。即使換擋桿沒有與齒輪對(duì)齊，您也必須能夠接合此機(jī)構(gòu)。一旦接合，某個(gè)部件必須阻止換擋桿彈出和脫開。要達(dá)到所有這些要求的機(jī)構(gòu)相當(dāng)精妙，接下來讓我們首先觀察其中的一些部件。變速器的輸出：方形槽口被駐車制動(dòng)器機(jī)構(gòu)嚙合，保持汽車靜止。駐車制動(dòng)器裝置嚙合輸出裝置上的齒，從而保持汽車靜止

16、。變速器的該部位鉤住驅(qū)動(dòng)軸。因此，如果該部位不旋轉(zhuǎn)，汽車不會(huì)運(yùn)動(dòng)。駐車制動(dòng)器機(jī)構(gòu)穿過變速器的空殼，如同汽車駐車時(shí)那樣。從上圖中，您看到駐車裝置凸出到齒輪所在的殼體中。請(qǐng)注意它有錐形邊緣，這有助于在斜坡上駐車時(shí)，將駐車制動(dòng)器脫離嚙合由于錐角的存在，汽車的重力可幫助將駐車裝置推出位置。此桿驅(qū)動(dòng)駐車機(jī)構(gòu)。此桿連接到一根由車中的換擋桿所操縱的拉線。駐車機(jī)構(gòu)頂視圖當(dāng)換擋桿置于駐車擋時(shí)，該桿推動(dòng)彈簧緊靠小的錐形襯套。如果駐車裝置已對(duì)齊，從而可以落入輸出軸齒輪部分中的一個(gè)槽口，那么錐形襯套會(huì)向下推動(dòng)駐車裝置。如果該裝置是在輸出軸的某個(gè)高點(diǎn)上對(duì)齊，那么彈簧將推動(dòng)錐形襯套，但換擋桿只有在汽車稍微移動(dòng)并且齒正確對(duì)

17、齊時(shí)才會(huì)鎖入位。這就是為何有時(shí)候在你掛到駐車擋且松開制動(dòng)踏板之后，汽車會(huì)移動(dòng)很小距離的原因它必須滾動(dòng)少量距離，從而使得輪齒對(duì)齊，駐車裝置落入適當(dāng)?shù)奈恢?。一旦安全駐車，襯套將壓住換擋桿不動(dòng)。所以即使汽車在坡上，換擋桿也不會(huì)彈出駐車擋。汽車上的自動(dòng)變速器必須完成很多任務(wù)，您可能沒有意識(shí)到它的運(yùn)行方式如此之多。 例如，以下是自動(dòng)變速器的一些功能：如果汽車位于超速擋（在四速變速器上），變速器將根據(jù)車速和節(jié)氣門踏板位置，自動(dòng)選擇齒輪。如果您緩慢加速，則換擋速度會(huì)比您在節(jié)氣門全開狀態(tài)下加速的換擋速度要低。如果您把加速踏板踩到底，變速器將降到下一個(gè)較低擋。如果您將選擋桿移到某個(gè)低擋，只要車速對(duì)于這一擋來說不

18、是太快，變速器就會(huì)降擋。 如果車速太快，它將等到車慢下來，然后降擋。如果您將變速器掛到二擋，那么，除非您移動(dòng)換擋桿，否則即使變速器完全停止也不再降擋或升擋。您之前可能已看到過類似的東西，這的確是自動(dòng)變速器的大腦，它管理所有這些功能，甚至還有更多功能。您所看到的通道將變速器油引到變速器中的所有不同部件。澆鑄到金屬中的通道是一種高效的流體引導(dǎo)工具，如果沒有它們，您將需要很多軟管來連接變速器的各種部件。接下來，我們將討論液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。然后，我們?cè)賮碛^察它們是如何一起工作的。自動(dòng)變速器有一個(gè)精妙的泵，稱為齒輪泵。這個(gè)泵通常位于變速器的蓋中，它從變速器底部的貯槽中抽取變速器油并供應(yīng)到液壓系統(tǒng)。此外

19、，它還供應(yīng)變速器的冷卻器和液力變矩器。自動(dòng)變速器的齒輪泵泵的內(nèi)部齒輪連在液力變矩器的殼上，因此它與以發(fā)動(dòng)機(jī)相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。內(nèi)部齒輪帶動(dòng)外部齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，變速器油從月牙形一側(cè)的貯槽抽出，被推到另一側(cè)的液壓系統(tǒng)。調(diào)速器是一個(gè)聰明的閥，它可以告訴變速器汽車的速度。它連接到輸出裝置，因此汽車運(yùn)動(dòng)越快，調(diào)速器旋轉(zhuǎn)就越快。調(diào)速器內(nèi)部是一個(gè)彈簧加載閥，它的打開程度與調(diào)速器旋轉(zhuǎn)速度成正比，即調(diào)速器旋轉(zhuǎn)越快，閥打開程度越大。變速器油從泵通過輸出軸供應(yīng)到調(diào)速器。車速越快，調(diào)速器打開程度越大，它允許通過的液體壓力就越大。調(diào)速器為正確換擋，自動(dòng)變速器必須了解發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載狀況。它通過兩種不同方式做到這點(diǎn)。某些

20、汽車有一個(gè)簡(jiǎn)單的拉線連桿，連接到變速器中的節(jié)氣閥。加速踏板踩下的越多，施加給節(jié)氣閥的壓力就越大。另一些汽車則使用真空調(diào)節(jié)器，向節(jié)氣閥施加壓力。真空調(diào)節(jié)器感知總管壓力，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載加大時(shí)，總管壓力便下降。換擋桿連接到手動(dòng)閥。根據(jù)所選的齒輪，手動(dòng)閥供應(yīng)抑制相應(yīng)齒輪的液壓回路。例如，如果換擋桿位于三擋，它會(huì)供應(yīng)防止超速擋嚙合的回路。換擋閥將液壓供應(yīng)到離合器和制動(dòng)帶，以嚙合各個(gè)齒輪。變速器的閥體包含數(shù)個(gè)換擋閥，換擋閥確定何時(shí)從一個(gè)擋位換擋到下一個(gè)擋位。例如，1到2換擋閥確定了何時(shí)從第一擋換到二擋。換擋閥通過來自一側(cè)調(diào)速器的液體加壓，節(jié)氣閥則通過另一側(cè)的調(diào)速器加壓，它們共同由泵來供應(yīng)液體，將液體引到兩個(gè)回路之一，以控制汽車以哪個(gè)擋位運(yùn)行。換擋回路如果汽車飛快加速，換擋閥將延遲換擋；反之，如果汽車緩慢加速，將在較低的速度下?lián)Q擋。接下來讓我們討論一下當(dāng)汽車緩慢加速時(shí)的情形。隨著汽車速度提升，來自調(diào)速器的壓力逐漸累積。 這使得換擋閥超壓，直到一擋回路關(guān)閉，二擋回路打開。 由于汽車在節(jié)氣門略微打開的情況下加速，因此節(jié)氣閥無(wú)法對(duì)換擋閥提供