第十一章 自動變速器

第十一章自動變速器

§11－1自動變速器綜述一.前言汽車的發(fā)展經(jīng)歷了三大革命：動力革命、傳動革命與控制革命。先進國家目前正處于控制革命階段，即自動控制階段。從各總成的單獨控制向動力傳動系統(tǒng)一體化綜合控制；從一般控制向智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制發(fā)展。

我國目前使用的汽車絕大多數(shù)仍為手動變速，手動變速汽車由于頻繁換擋的操作，易使駕駛員疲勞，影響行駛安全而不同的駕駛技術(shù)水平對車輛的燃料經(jīng)濟性、動力性、乘坐舒適性造成極大差異，所以自動變速是人們長期追求的目標，是車輛向高級階段發(fā)展的重要標志。我國汽車工業(yè)正處于發(fā)展和提高時期，隨著技術(shù)進步和人民生活水平提高，目前在國內(nèi)已經(jīng)形成年產(chǎn)140多萬輛轎車的生產(chǎn)能力，轎車年產(chǎn)量已超過60萬輛。隨著轎車進入家庭，非職業(yè)駕駛員越來越多，他們對簡化操作的要求日益迫切。因此目前我國自動變速器在轎車、城市客車、高級旅游客車、軍用車、重型載貨汽車及礦用車上已呈現(xiàn)越來越旺盛的需求。

二.自動變速技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)自動變速器種類很多，主要有液力自動變速器(AT)、電控機械式自動變速器(AMT)、無級自動變速器(CVT)。從技術(shù)發(fā)展角度看，關(guān)鍵是電子技術(shù)、電液控制技術(shù)和傳感技術(shù)。2．1液力自動變速器(AT)

它是將發(fā)動機的機械能平穩(wěn)地傳給車輪的一種液力機械裝置，以其良好的乘坐舒適性、方便的操縱性、優(yōu)越的動力性、良好的安全性奠定了在汽車

工業(yè)的主導(dǎo)地位。我國最早是在一汽生產(chǎn)的CA770紅旗轎車上裝備了自動變速器，但累計只生產(chǎn)了1283臺，尚不具有工業(yè)化生產(chǎn)的意義。1998年上海通用汽車公司(SGM)生產(chǎn)的用于別克轎車上的4T65E電子控制自動變速器正式下線，1999年開始批量生產(chǎn)并投放市場，率先在國內(nèi)將AT作為標準配置裝于轎車。1999年中日合資生產(chǎn)的本田雅閣轎車也正式投產(chǎn)，其AT為本田技術(shù)PAX型，它棄用行星齒輪，而選擇常嚙合平行軸式結(jié)構(gòu)，零件少、易制造是其長處，它采用了全電子直控式變速裝置，能使變速、燃油噴射以及巡航等控制相結(jié)合。與此同時，上海大眾的帕薩特B5、一汽大眾的捷達都市先鋒上裝備了自動變速器AG4-95。神龍公司也向市場投放了裝備進口的AL4智能型自動變速器的富康988“領(lǐng)導(dǎo)者”以及富康1.6L轎車。它采用了模糊控制理論和動力傳動系統(tǒng)綜合控制技術(shù)，實現(xiàn)了智能化控制，電子控制單元中有10種換擋規(guī)律，按需分別調(diào)用幾種換擋規(guī)律或同時或交替工作，共同控制變速器的

狀態(tài)。一汽大眾的奧迪A6高級轎車上作為選裝件的AT為Tiptronic型，在自動變速的基礎(chǔ)上可提供手動換擋功能。在自動模式下可直接轉(zhuǎn)到手動操作模式，以此來領(lǐng)略駕車的多種樂趣。北京吉普公司在切諾基越野汽車上小批量裝備了AW4自動變速器，現(xiàn)已達到1000多臺。至于城市客車(即公共汽車)頻繁起步換擋，變速器、離合器和制動器的使用頻率是—般車輛的10倍左右，勞動強度極大，即使是職業(yè)駕駛員也因受心理與生理所限，迫切要求使用自動變速器。國外是幾乎100％裝用，我國1995年首次在國產(chǎn)公共汽車上裝備了Allison自動變速器，遍及深圳、上海、廣州、南京等城市，其中深圳已占有40％。但效率低、難制造、成本高是AT的缺點，為此帶有變矩器的AT車幾乎都是電子控制，且?guī)в虚]鎖機構(gòu)，并擴大閉鎖范圍和縮短鎖止結(jié)合時間；閉鎖離合器分離時，能量損失大，必須利用適當?shù)幕羁刂埔愿纳苽鲃有?。完全閉鎖對提高燃料經(jīng)濟性直接有效，但防礙吸收振動和沖擊，所以從這個角度看也需與滑差

控制方式并用。提高燃料經(jīng)濟性的另一種手段是變矩器的高效率化，通過三維流體分析，使循環(huán)圓形狀、葉片角度、葉片負荷分布及導(dǎo)輪葉片形狀最優(yōu)化(見圖11－1)，由于帶有變矩器的汽車易于控制，所以適合各種高級控制方式。

圖11－1變矩器性能的提高為了降低成本，AT的小型化和減少零部件個數(shù)也成為課題，這就要求形成大規(guī)模生產(chǎn)。AT的經(jīng)濟規(guī)模至少應(yīng)在年產(chǎn)30萬臺以上，批量越大，價格才越低。2．2電控機械式自動變速器(AMT)AMT既具有液力自動變速器自動變速的優(yōu)點，又保留了原手動變速器齒輪傳動的效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、易制造的長處。它揉合了二者優(yōu)點，是非常適合我國國情的機電一體化高新技術(shù)產(chǎn)品。它是在現(xiàn)生產(chǎn)的機械變速器上進行改造的，保留了絕大部分原總成部件，只改變其中手動操作系統(tǒng)的換擋桿部分，生

產(chǎn)繼承性好，改造的投入費用少，非常容易被生產(chǎn)廠家接受。它的缺點是非動力換擋，這可以通過電控軟件方面來得到一定彌補。如上所述，雖然在客車上AT比較適合于高級旅游客車。而一般城市公共汽車在裝用進口的Allison自動變速器時，其價格每臺在13～17萬元左右，已大大超過與其配套的康明斯、玉柴等發(fā)動機的價格，難以接受。這也是國外如日野的蘭帶客車、ZF－Astromic、伊頓等重型載貨汽車多用AMT的原因。對于轎車，日本的ASKA轎車最早應(yīng)用AMT，近年來瑞典的SAAB、德國的BMW—M3、法拉利Fl等也裝用AMT，特別是大眾Lupo轎車(油耗2．99L／100km)已向人們證明，要想今后達到3L／100km的油耗目標，只有用AMT或MT(手動)，AT無法實現(xiàn)。在幾種自動變速揣中，AMT的性能價格比最高。在中低檔轎車、城市客車、軍用車輛、載貨車等方面應(yīng)用前景較廣闊。2．3無級自動變速器(CVT)

世界最早的無級自動變速器，因為受傳動橡膠帶強度所限制，難于推廣實用，直到1984年因VanDoone發(fā)明了金屬V型帶才獲新生。CVT速比光滑變化，無級傳遞扭矩，乘坐舒適，加速性好，燃料經(jīng)濟性高。但它的起動性能差，故需另加起動裝置，現(xiàn)在較多的CVT選液力變矩器為起動裝置，又稱雙無級自動變速器。目前它在自動變速器中僅占1％，其中90％在日本，10％在歐洲。日本Subaru、Nissan、Honda、意大利Fiat等在車上部分選用，CVT雖已開發(fā)多年，因設(shè)備更換量大、制造困難、價格也較高．故市場銷售一直在100萬臺/年中波動，上升趨勢不明顯。但因其理論上性能優(yōu)越，仍視為自動變速器的主要發(fā)展方向之一。我國尚處于起步階段，國外在1.5L以下小排量的轎車上應(yīng)用前景較好，日產(chǎn)公司在2L級的車上的CVT也開發(fā)成功。為了提高帶的傳動容量，帶寬增加為30mm(舊式為24mm)，9層鋼圈寬度擴大25％，同時采用了階段式高油壓系統(tǒng)。除上述的濕式金屬帶外，由樹脂和鋁合金等構(gòu)成的干式帶CVT被日本大發(fā)公司在新開發(fā)的汽車上采用，皮帶輪的連續(xù)變速的控制使用直流電動機。該變速器的特點是，起步時通過由定傳動比齒輪構(gòu)成的副傳動路線來傳遞動力，保證起步性能；當達到規(guī)定車速時，變換到由帶傳動所確定的主動力傳動路線，圖2所示為基本概念圖。半圓環(huán)式的無級變速器正在研究中，它是利用輸入／輸出圓盤和動力滾子間的剪切力傳遞動，通過滾于的傾斜連續(xù)地改變傳動化，期待該方式能傳遞更大扭矩。

圖11－2干式帶CVT的動力傳動

§11－2液力變矩器

一.前言通常AT均由液力變矩器、輔助變速器與自動換擋控制系統(tǒng)這三大部分組成。本文僅闡述液力變矩器(HydraulicTorqueConvener簡稱TC)，它是通過工作輪葉片的相互作用，引起機械能與液體能的相互轉(zhuǎn)換來傳遞動力，通過液體動量矩的變化來改變轉(zhuǎn)矩的傳動元件，具有無級連續(xù)改變速度與轉(zhuǎn)矩的能力，它對外部負載有良好的自動調(diào)節(jié)和適應(yīng)性能，從根本上簡化了操作；它能使車輛平穩(wěn)起步，加速迅速、均勻、柔和；由于用液體來傳遞動力進一步降低了尖峰載荷和扭轉(zhuǎn)振動，延長了動力傳動系統(tǒng)的使用壽命，提高了乘坐舒適性和車輛平均行駛速度以及安全性和通過性。二.液力變矩器的工作原理液力傳動裝置的基本形式為液力偶合器與液力變矩器。液力偶合器工作原理如圖11－3所示，兩臺對置的風(fēng)扇，圖11－3液力偶合器工作原理

電機使A旋轉(zhuǎn)，氣流帶動B也旋轉(zhuǎn)起來，為了有效傳遞動力，將空氣改為液體，使二風(fēng)扇間距盡可能小并且使兩者閉合起來，以免能量散失，這就是今天的偶合器。液力變矩器結(jié)構(gòu)上與偶合器的區(qū)別是在泵輪P與渦輪T之間增加了單向離合器P和固定在殼體上的導(dǎo)輪D(見圖11－4)。液體在各工作輪(P、T與D)組成的閉合的循環(huán)流道內(nèi)傳遞動力，發(fā)動機帶動泵輪旋轉(zhuǎn)，其離心力使液體在泵輪中向半徑大的方向流動封閉的循環(huán)圓迫使液體沖進渦輪，推動葉片轉(zhuǎn)動，以驅(qū)動汽車。為了提升渦輪上的轉(zhuǎn)矩，一般葉片是空間曲面，使液體離開渦輪時，方向與流入渦輪時的方向相反，以產(chǎn)生盡可能大的動量矩，從而提供最有效的轉(zhuǎn)矩傳遞。導(dǎo)輪的作用是再將液體回流至泵輪，且使流動方向再次反向。液體回流至泵輪后，圖11－3液力偶合器工作原理

推動其葉片的后表面，促使泵輪旋轉(zhuǎn)，故在來自發(fā)動機扭矩的基礎(chǔ)上，再加上從導(dǎo)輪回流動扭矩，將合成的扭矩傳遞至渦輪。即：

(1)式中，TP、TT、TT分別為泵輪、渦輪及導(dǎo)輪上的作用轉(zhuǎn)矩。根據(jù)動量矩定理可求出葉輪與液體的作用扭矩T：

(2)

式中，M、Q為液體的質(zhì)量與流量；Vu1、Vu2：為液體在葉輪進口與出口的絕對流速的周圓分速度；R1、R2為葉輪人口與出口的半徑；為液體密度。圖2所示是最簡單也是最常用的單級三元件工作輪，按式(2)分別為：

(3)因循環(huán)圓內(nèi)無葉片區(qū)的動量矩不變：即如將方程(3)中三式相加，同樣可得式(1)的結(jié)果，正是由于導(dǎo)輪的引入，才使渦輪上轉(zhuǎn)矩提高，它是屬于扭轉(zhuǎn)變換器范疇，又兼有轉(zhuǎn)速變速器的功能，在汽車上已取代了偶合器。

圖11－4液力變矩器的工作原理

三.液力變矩器性能3．1變矩系數(shù)K

液力變矩器是以液體的動能來傳遞能量的，在泵輪與渦輪之間的轉(zhuǎn)速差大時，渦輪旋轉(zhuǎn)所形成的反壓力小，則從泵輪處流人渦輪的流速高，循環(huán)圓中的流量也大，則渦輪上的扭矩也隨之增大。顯然，當渦輪不動時(nT=0)，循環(huán)流量達到最大(Qmax)，渦輪上扭矩也增至最大(TTmax)。從而，表征其增大倍數(shù)的變矩系數(shù)K：

(4)失速變矩系數(shù)K-0也將達到最大，對轎車通常在1.6～2.4之間。為了具有可比性，一般用渦輪轉(zhuǎn)速nT與泵輪轉(zhuǎn)速nP之比?(稱為速比，?＝nT／nP)來代替nT描述K的變化。對汽車上常用的向心渦輪式(即指進圖11－5液力變矩器原始特性曲線

口半徑大于出口半徑的渦輪)變矩器，隨渦輪轉(zhuǎn)速nT增加，如果泵輪以不變轉(zhuǎn)速nP旋轉(zhuǎn)，Δn=nP－nT是越來越小，則流量Q也下降，所以圖11－5中K=?(?)是單調(diào)下降函數(shù)，

直至nT=nP時，Δn=0，Q也隨之為零，則變矩器傳遞的能量也停止，K=0。故對液力變矩器，要正向驅(qū)動，就應(yīng)使nP>nT，一般速比?可以工作到0.98左右。這種不需要控制，就能根據(jù)外界負荷變化自動改變其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的性能，非常接近于理想牽引特性，其良好的自動適應(yīng)性，對于各種運輸車輛都是十分重要的。3．2效率η

(5)效率性能是指變矩器在傳遞能量過程中損失的變化，用η=?(?)來表示。它是具有極大值的拋物線：在失速點時，泵輪雖有功率輸人，但因nT=0而使η=0；隨nT增大，流量也逐漸下降，與其平方成正比的通流(摩擦)損失而隨之不斷下降，從而效率不斷提高，在計算工況點?*(附近)各葉輪液流均無沖擊地進入人口，從而使效率η*值達到最高；速比再增加時，雖然通流損失仍在下降，但沖擊損失又繼續(xù)增加，使η下降。當達到最大速比?max=0時，Q=0，無功率輸出，η再次為0，損失的分布見圖圖11－6。由于汽車經(jīng)常在大速比工

工況下作，為了克服這一缺陷，故將導(dǎo)輪通過單向離合器后再與殼體相連。設(shè)計中使速比?大于變矩系數(shù)K=1的速比?m點時，用液流的反向作用使導(dǎo)輪可自由轉(zhuǎn)動，使液力變矩器轉(zhuǎn)變?yōu)榕己掀鞴r，故當?>?m以后的范圍，理論上效率ηm=?，從而使最高效率可達到0.95～0.97，提高了車輛的燃料經(jīng)濟性。這圖11－6液力變矩器流通和沖擊對效率的影響種不同的工作狀態(tài)稱為相，故今為二相；而置于泵輪與導(dǎo)輪或?qū)л喤c導(dǎo)輪之間的渦輪數(shù)稱為級；工作葉輪又稱為元件。在現(xiàn)代轎車上采用最多的是單級三元件二相形式，對二相或多相又稱綜合式液力變矩器。

η是變矩器性能中最重要的參數(shù)，決定著結(jié)構(gòu)的發(fā)展與設(shè)計理論的改進。對η=?(?)的變化，因轎車常在高速比下工作，所以為了提高最高效率ηmax，寧可適當降低K0。對越野車輛，行駛工況復(fù)雜，則希望效率不低于80％，所對應(yīng)的速比范圍dP=?P2/?P1

大一些較好，η=?(?)應(yīng)先有該車型的變矩器工況的概率分布，才能有準確的結(jié)論。另一種高效率化的途徑是通過三維流體分析，循環(huán)圓形狀、葉片角度、葉片負荷分布及導(dǎo)輪葉片形狀的最優(yōu)化等，來進一步提高變矩器自身效率。1978年克萊斯勒公司為了更進一步提高效率，突破了過去閉鎖僅用于公共汽車與載貨汽車的限制，首次對轎車變矩器也進行了閉鎖，并取得了成功。近來，對閉鎖利用適當?shù)幕羁刂?，證明也可改善效率。3．3透穿(負荷)性能C

透穿性能是指變矩器渦輪軸上轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化時，是否影響泵輪軸上轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也相應(yīng)變化的能力。通常以能容系數(shù)C=?(?)表示(見圖11－5)，C為：(6)也有用力矩系數(shù)λP來描述的，則C=λPρgD5，ρ為液體密度，D是變矩器循環(huán)圓有效直徑。如越大，則C越大，即傳遞相同功率時，變矩器的尺寸越小，負荷能力強。而dC/d?值則反映透穿性能。dC/d?=0，變矩器為非透穿，即外部負荷TT及速度nT變化不會影響到泵輪與發(fā)動機的工況，發(fā)動機僅受油門開度的控制，顯然，這可充分保護發(fā)動機；轎車上多用正透穿，即dC/d?<0，起步時，TP0工作在發(fā)動機大轉(zhuǎn)矩處，隨nT增加，nP向發(fā)動機大功率工況移動，從機的性能。有時在低速比區(qū)會有一些dC/d?>0的負透穿，而后很快就轉(zhuǎn)為正透穿(見圖11－7)，這種混合透穿也是可以采用的，但在車輛中不采用dC/d?>0的負透穿。透穿能力也可用透穿系數(shù)T表示：

圖11－7液力變矩器的各種透穿性能1．負透穿2．混合透穿3．非透穿4．正透穿

(7)式中，C0、Cm分別為失速及轉(zhuǎn)入偶合器工況時的能容系數(shù)。一般T=0.9～1.15時為非透穿，T>1.15為正透穿，T<0.5為負透穿。全面評價性能時，應(yīng)考慮幾種典型工況：起步工況、最高效率工況、高效區(qū)工況和轉(zhuǎn)入偶合器工況等，大體上有10個指標，限于篇幅不再評述。但必須知道上述三大性能間是存在著相互制約的關(guān)系。如K0增大，T將下降，η*、?*、?m、C0也均變小；反之，則升高。故確定指標時，一定要全面衡量。四.液力變矩器與發(fā)動機的匹配一臺性能良好的發(fā)動機和一臺性能出色的變矩器，如匹配不當，并不能獲得卓越的汽車性能。為此，如圖7所示，應(yīng)做好共同工作。4．1發(fā)動機與變矩器共同工作的輸入特性從式(6)變矩器的負荷性能知，泵輪力矩TP=CnP2，選定一個速比?，就可以從原始特性曲線(圖11－5)上找出相應(yīng)的C?，則TP?=C?nP2可求，泵輪特性曲線是一簇通過原點的拋物線。這些就是對發(fā)動機的加載特性，故再以相同的坐標比例把發(fā)動機的特性畫在一起，它與發(fā)動機扭矩的交點，即為其共同工作點，一系列交點構(gòu)成的扇形面積為其共同工作的輸入特性。以下述原則判其優(yōu)劣：圖11－8發(fā)動機與液力變矩器以及車輛的共同工作

a最高速比工況?max=0.95～0.98所確定的TP?max。是應(yīng)通過發(fā)動機的最大功率點PeP，以使功率得到充分發(fā)揮。對于帶閉鎖的變矩器，則此要求不嚴格，因為PeP，通過閉鎖仍可得到發(fā)揮。

b．共同工作區(qū)應(yīng)覆蓋發(fā)動機的最佳燃料經(jīng)濟性工作區(qū)，以便汽車節(jié)油行駛(見圖11－8)。c.

起步工況?=0的TP0拋物線最好通過發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩點Tem附近。轎車為了提高乘坐舒適性與降低起步噪聲，還特意使Tp0向發(fā)動機低轉(zhuǎn)速區(qū)移動，這樣也使起動電機的起動力矩降低，且避免起步前的蠕動?？赏ㄟ^改變有效直徑D等辦法，來調(diào)整共同工作區(qū)的大小及所處位置，同時滿足上述要求是困難的，通常保證主要的再兼顧其它要求。4．2發(fā)動機與變矩器共同工作的輸出特它指發(fā)動機與變矩器匹配的輸出轉(zhuǎn)矩TT、功率PT，比油耗geT和發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne、泵輪轉(zhuǎn)速nP與渦輪轉(zhuǎn)速nT之間的關(guān)系。根據(jù)輸人特性，再運用TT=-KTP，nT=?nP，geT=ge/η等式計算，并以nT為橫坐標，其它參數(shù)為縱坐標，同樣可得一簇TT=?(nT)負荷拋物線，geT=?(nT)的等油耗線，即為共同工作的輸出特性。它是進行汽車牽引計算的基礎(chǔ)。其優(yōu)劣的判別與輸入特性類同，亦不再贅述。圖11－9為各種特性曲線之間的關(guān)系和共同工作點求得的過程。

圖11－9發(fā)動機與液力變矩器共同工作框圖4．3匹配由于汽車的類型很多，使用條件也極其復(fù)雜，具體應(yīng)參見表11－1。表11－1匹配原則汽車形式及透穿性系數(shù)的范圍

閉鎖型液力變矩器綜合型液力變矩器

載貨汽車和公共汽車（T≈1）

nP0=(0.8～0.9)neM

nP0=(0.55～0.75)neM

轎車

T>2時nP0=(0.6～0.8)neMnP0=(0.6～0.7)neMT<2時nP0=(0.7～1.1)neMnP0=(0.7～1.1)neM公共汽車

T>2時nP0=(1.3～1.6)neMnP0=(1.0～1.4)neM

T<2時nP0=(1.4～1.7)neM載貨汽車

T>2時nP0=(1.4～1.7)neMnP0=(1.2～1.6)neM

T<2時nP0=(1.5～1.8)neM

對公共汽車，美國Allison公司有專用的SCAAN分析系統(tǒng)，以保證動力性、燃料經(jīng)濟性、平順性、通過性等各項指標的最佳組合。德國ZF公司也有其自己的規(guī)定。此外，表1是對非增壓發(fā)動機而言，對廢氣渦輪增壓的發(fā)動機，不具備非增壓發(fā)動機加速時的反應(yīng)靈敏性，圖11－10不同類型內(nèi)燃機特性與液力變矩器的匹配則nP0應(yīng)大于0.65neP(圖11－10b)；增壓的中冷發(fā)動機的特點是最大轉(zhuǎn)矩Tem的轉(zhuǎn)速高，則nP0應(yīng)大于0.75nP0(圖11－10c)；而高增壓發(fā)動機，其轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增大上升快，且在最高轉(zhuǎn)速nemax范圍內(nèi)達到最大轉(zhuǎn)矩值，則應(yīng)選透穿性小的變矩器，以獲得狹窄的泵輪特性曲線，nP0應(yīng)大于0.91nP0(圖11－10d)。

調(diào)整匹配的途徑(即調(diào)節(jié)能容)可從式(6)分析：

TP=CnP2=λP?ρgD5?nP-2

(8)a．改變有效直徑D，它是5次方關(guān)系，影響也大，故是首選方案。

b．改變力矩系數(shù)λP

，一般是通過改變泵輪或?qū)л喌某隹诮铅翽2或βD2來實現(xiàn)，它影響小屬于微調(diào)，只用于匹配已基本上滿足要求時，以達到最佳匹配。也有轉(zhuǎn)動葉片的方法，它可使各工況下都能獲得理想匹配。

c．采用功率分流，一路經(jīng)變矩器傳遞，另一路經(jīng)機械傳動的雙流液力機械傳動，也屬于改變λP范疇。

d．在發(fā)動機與變矩器中間設(shè)中間傳動?eP=ne/nP，顯然，這是改變nP的辦法，它是二次方關(guān)系，效果也明顯，但要增加中間傳動，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

e．改變密度ρ，因潛力很小很少采用。根據(jù)上述原則，不同的發(fā)動機就要有不同的匹配，這是很不經(jīng)濟的，實際上也無此必要。通常是以變矩器的系列化來解決，即首先規(guī)定一些標準有效直徑D，以保證該系列能適應(yīng)的功率范圍，然后在每一種尺寸基礎(chǔ)上，通過改變泵輪或?qū)л喌某隹诮?，又可與其匹配若干功率及轉(zhuǎn)速的規(guī)格，這就是系列化。它與提高變矩器效率同等重要，國外變矩器的專業(yè)廠系列化程度都很高。

§11－3液力變矩器的閉鎖與滑差控制

一.概述液力變矩器(TC)的性能優(yōu)越，但最大的缺陷是效率低，為了降低裝用液力變矩器汽車的油耗，而采用了閉鎖(LU)，它是指在液力變矩器的泵輪與渦輪之間，安裝一個可控制的離合器，當汽車的行駛工況達到設(shè)定目標時，控制離合器將泵輪與渦輪鎖成一體，液力變矩器隨之變?yōu)閯傂詸C械傳動，其目的是：

a.提高傳動效率。閉鎖后消除了液力變矩器高速比工況時效率的下降，理論上閉鎖工況效率為1，從而使高速比工況效率大大提高(見圖11－11陰線區(qū))。

b．閉鎖后功率利用好，也提高了汽車的動力性。

c．由于效率的提高，液力變矩器轉(zhuǎn)為熱散失的無效功下降，也減少了發(fā)動機風(fēng)扇的功率消耗。圖11－11液力變矩器特性與閉鎖

由于a與c的原因，閉鎖就可減少燃油消耗4％～8％，實際上早在1953年就有此項專利，只因當時油價便宜而忽視了它，但1967年能源危機以來，對其才日趨重視?？墒沁^去人們認為閉鎖降低了乘坐舒適性，只適用于公共汽車、載貨汽車的觀念直到十多年后才被打破。1978年克萊斯勒公司在轎車上首圖11－12變矩器離合器的閉鎖與解鎖

次成功開發(fā)閉鎖離合器，可節(jié)油4％～6％現(xiàn)在各種轎車上的液力變矩器均已推廣應(yīng)用，不僅閉鎖范圍擴大，有滑差控制的離合器也在興起。二.閉鎖原理與控制2．1閉鎖原理以廣州雅閣為例(圖11－12a)，閉鎖壓力油從油道，進人離合器2的右邊，而其左邊的油經(jīng)油道5回流，兩邊的壓力差使裝于渦輪軸花鍵上活塞左移，直至變矩器殼與鎖止離合器之間的油被排出，使渦輪與泵輪穩(wěn)定地鎖在一起；為了彌補液力變矩器的阻尼作用，吸收發(fā)動機扭轉(zhuǎn)振動的減振器都裝有減振彈簧3；離合器分離時，油道5進壓力油，油道4泄油。上海通用SGMBuick的閉鎖結(jié)構(gòu)見圖11－12b。最近雙面型的大容量閉鎖離圖11－13液力變矩器新型雙面閉鎖離合器合器也已問世(圖11－13)，不僅大大提高了傳遞轉(zhuǎn)矩，其滑差性能與響應(yīng)性能也優(yōu)于單面閉鎖離合器。富康液力變矩器的閉鎖離合器也是雙面型，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。它實質(zhì)上是液力擋與機械擋之間的轉(zhuǎn)換，故有在何點閉鎖為佳的問題，從理論上講，閉鎖點?c定在轉(zhuǎn)入偶合器工況點?m好，該點變矩器系數(shù)K=1，既保證充分利用變矩器的自適應(yīng)長處，又減少了因閉鎖而造成的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的突變；但也有為了擴大高效率范圍在變矩器最高效率η*對應(yīng)的速比?*閉鎖；還有將閉鎖點設(shè)在?*與?m之間的；另外也有少數(shù)將閉鎖點定在大于?m的，以縮小閉鎖時的轉(zhuǎn)速差(Δn＝nP-

nT=nP(1-?c)。對于以提高效率為主要目的的城市大客車、載貨汽車、軍用汽車等，可將閉鎖點定在?*附近；而轎車還需兼顧舒適性，則以?m附近為宜。2．2控制規(guī)律2．2．1單參數(shù)控制

a．渦輪轉(zhuǎn)速nT控制根據(jù)閉鎖點?c，再由液力變矩器與發(fā)動機共同工作時的轉(zhuǎn)速nP，計算出nTC=?cnP。為了保證車輛加速、爬坡或壞路行駛等需要，以及為了提高換擋品質(zhì)，還要在其需要時能迅速解鎖。為了避免頻繁閉鎖、圖11－14閉鎖離合器的控制規(guī)律解鎖，必須設(shè)定解鎖的轉(zhuǎn)速nT小于nTC，這稱為閉鎖－解鎖轉(zhuǎn)速差(ΔnT=nTC–nT)。該型式多用皮托管控制，結(jié)構(gòu)簡單實用，但它因無油門參與控制(圖11－14a)，致使合理的?c只能按某一油門開度來獲取nP，從而不能保證其它油門開度均有好的動力性與燃油經(jīng)濟性。

b．車速控制這是屬于高擋閉鎖方案，可避免低擋范圍內(nèi)頻繁閉鎖，減少由此引起的沖擊與磨損，它在城市客車上有采用(圖11－14b)。c．擋位控制高擋閉鎖，其作用與車速控制相似。如圖11－12所示雅閣液力變矩器，當換擋桿在D4而變速器處于第2、3或4擋工作時，可以閉鎖；而換擋桿在D3而變速器處于第3擋工作時，才可閉鎖。2．2．2雙參數(shù)控制

a.按速比?c控制實質(zhì)是由泵輪轉(zhuǎn)速nP與渦輪轉(zhuǎn)速nT兩個參數(shù)同時控制，它可克服單參數(shù)nTC的缺陷，使各油門開度下都在合理要求閉鎖點閉鎖(圖11－14c)。b．渦輪轉(zhuǎn)速nT與油門開度α控制不同油門開度下閉鎖點的nT不同，這不僅使閉鎖點合理(圖11－14d)，而且結(jié)構(gòu)上也易于實現(xiàn)。

c．車速ν與油門開度α控制它與b的區(qū)別僅在于油門開度一定時，只有當車速到達某值才閉鎖；可以實現(xiàn)高擋閉鎖而低擋不閉鎖(圖11－14e)，是目前轎車常用的控制。三.滑差控制完全閉鎖對提高燃油經(jīng)濟性直接有效，故其閉鎖范圍在不斷擴大；但它妨礙吸收振動和沖擊，特別是低速時，即使二段式的減振器也很難將其衰減。而且過低速比閉鎖，當車輛快速制動時，還可能導(dǎo)致發(fā)動機熄火，故在變矩器工況與全閉鎖工況間增加過渡的滑差控制(見圖11－15)?，F(xiàn)以豐田A541E自動變速器的液壓控制油路為例(見圖11－16)說明其原理。主油路來油壓力P，經(jīng)次級調(diào)節(jié)閥調(diào)制為Psec用以控制離合器的閉鎖、滑差與分離等狀態(tài)。開圖11－15閉鎖離合器的滑差控制

圖11－16豐田A541E液壓控制油路

關(guān)電磁閥控制閉鎖繼電器閥處于兩種狀態(tài)：它在打開位置時，Psec至閉鎖離合器接合一側(cè)，而離合器分離側(cè)的油壓由閉鎖閥控制；線性電磁閥壓力、離合器的接合壓力與分離壓力都作為閉鎖控制閥的先導(dǎo)壓力。據(jù)此，接合壓力與分離壓力之間的壓力差，就代表了液力變矩器離合器的轉(zhuǎn)矩容量。該調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力差控制能力高，甚至次級調(diào)節(jié)壓力Psec有變化時，也不影響轉(zhuǎn)矩容量。故它可以實現(xiàn)全閉鎖控制或各種程度滑差控制。它在半閉位置時，Psec進入離合器的分離側(cè)，接合側(cè)立即泄油，離合器分離。其電控系統(tǒng)見圖11－17。

圖11－12所示的雅閣液力變矩器的離合器，通過圖11－18所示的控制流程圖，根據(jù)兩個獨立的閉鎖控制閥A與B和節(jié)氣門開度也能實現(xiàn)離合器的完全分離、部分滑差、一半閉鎖、完全閉鎖和周期閉鎖等各種閉鎖程度的控制。

圖11－17電控系統(tǒng)圖也有汽車公司用粘性聯(lián)軸節(jié)作為減振器來實現(xiàn)滑差控制(見圖11－19)的，當其產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差時，所傳遞轉(zhuǎn)矩Tv可用下式計算：

圖11－18雅閣自動變速器的控制流程圖(9)式中，μ為動力粘度，是油溫t與剪切速度Δω,的函數(shù)；λ為片間間隙；r1、r2為傳動片的內(nèi)徑與外徑；n?為內(nèi)片數(shù)，因為變矩器中r1與r2不為常數(shù)，可取r1、r2近似的尺寸分成n?組，?＝1，2……從上式可見滑差Δω就能自動調(diào)節(jié)所傳遞的轉(zhuǎn)矩大小。

圖11－19粘性減振器

四.特殊應(yīng)用4．1功率分流奧迪OIF與OIK自動變速器(AT)其閉鎖離合器C3不在變矩器內(nèi)，而是在變速器中(見圖11－20)，且其工作由換擋閥控制。當在第1、2擋和倒檔時，離合器分離，液力變矩器工圖11－20OIF和OIK自動變速器1．變扭器2．扭轉(zhuǎn)減振器C1．前進離合器C2．倒擋制動器C3．鎖止離合器B1．2擋制動器B2．低擋及倒擋制動鼎B3.2擋強制制動器F1．1擋單向超越離合器F2．2擋單向超越離合器工作；第3擋時C1與閉鎖離合器C3接合，但這時是實現(xiàn)功率分流(60％的動力經(jīng)C3以機械傳動方式經(jīng)過變速器，40％動力仍由液力變矩器傳遞)以提高效率，又保留液力變矩器的優(yōu)點；第4擋時C3仍保持接合，這時發(fā)動機動力才全部經(jīng)C3的機械傳動工作，即實現(xiàn)上述閉鎖功能。福特AOD液力自動變速器(AT)也是采用此方式工作，以實現(xiàn)在較大的工作范圍內(nèi)減少變矩器的液力損失又提高了傳動效率，改善了燃油經(jīng)濟性。4．2CVT閉鎖對CVT無級自動變速器，現(xiàn)在多用液力變矩器作為起步裝置，故亦有閉鎖問題。如圖11－21a所示，它比在上述AT中的閉鎖范圍要擴大很多，增加了陰線面積，這是由于CVT也具有自動變速功能，它所需要液力變矩器幫助的，主要僅在于起步工況；為了提高燃油經(jīng)濟性，故擴大了閉鎖范圍。此外，它為了適應(yīng)駕駛員的要求，增加了快速踏下加速踏

圖11－21CVT閉鎖與解鎖控制規(guī)律板時可解除閉鎖狀態(tài)功能，即dα／dt值越大，越提前解除閉鎖，恢復(fù)以液力無級變速(TC)與機械無級變速(CVT)串聯(lián)工作，以實現(xiàn)最佳的加速性能。§11－4液力自動變速器(AT)的典型結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢

一.概述液力變矩器的無級變速性能雖然很好，但從經(jīng)濟性考慮它不能完全滿足車輛改變速度和變化動力兩方面的要求，故需與齒輪傳動串聯(lián)或并聯(lián)，以擴大其傳動比與高效率工作范圍。齒輪傳動有旋轉(zhuǎn)軸式(行星齒輪系)與定軸式兩種。雖然，人們熟悉的定軸式機械變速器工藝性好、成本低，但由于行星齒輪傳動易于實現(xiàn)自動化、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，特別是其具有與液力變矩器可實現(xiàn)功率分流的長處，故目前AT中多為此型。顯然機械傳動在AT中屬于輔助地位，故又稱其為輔助變速器，這樣完整的AT是由3部分組成(圖11－22)：液力變矩器、輔助變速器、自動換擋控制系統(tǒng)。圖11－22CA774液力自動變速器1.制動器B12.離合器C23.離合器C14.前行星排5.后行星排6.制動器B27.單向離合器F二.行星傳動行星傳動類型很多，最簡單的是由太陽輪S、齒圈R、行星架C和支架上自由行星齒輪P組成(圖11－23)。2．1行星傳動運動學(xué)如圖11－23a所示，給整個行星排附加一個與行星架轉(zhuǎn)速nc大小相等方向相反的牽連速度，對構(gòu)件的相對速度不變，則行星排變?yōu)槎ㄝS式傳動，可得：…(10)式中，nS、nC分別為太陽輪轉(zhuǎn)速和齒圈轉(zhuǎn)速；zS、zR分別為太陽輪齒數(shù)和齒圈齒數(shù)；α為行星排結(jié)構(gòu)參數(shù)，α=zR/zS，通常取4／3≤α≤4。

由式(10)得單行星排3元件的轉(zhuǎn)速特性方程：…(11)式(11)是三元一次齊次方程，三個未知數(shù)清楚地反映了單排是二自由度機構(gòu)，這正是其與一自由度定軸式不同之處。3構(gòu)件中任意兩者之間均無固定的轉(zhuǎn)速聯(lián)系，必須加一個約束條件(用制動件B使其一固定，n＝0)或用離合器C聯(lián)結(jié)二者以同一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，才能獲得確定的傳動比?g。同時，還可以看出方程的3個圖11－23行星齒輪機構(gòu)簡圖

系數(shù)之和為零，這說明單行星排具有用離合器把其中任意兩個元件閉鎖，使行星排整體轉(zhuǎn)動的特性。這就是說單行星排的輸入與輸出軸可實現(xiàn)減(超)速、等速或反轉(zhuǎn)（倒擋），即兩個前進一個倒車的3個排擋。但實際使用中，即使轎車目前均多為4前1倒或5前1倒，6前1倒的自動變速器也即將投放市場。大客車、軍車、重型貨車等所需擋位更多。故實際行星齒輪變速器中是多排行星輪系的組合，這時傳動比?g可以通過解各個單行星排的運動方程及結(jié)構(gòu)的約束方程所組成的聯(lián)立方程組來得到。對太陽輪經(jīng)過兩個相互嚙合的行星輪才與齒圈相連的雙行星排（圖11－23d和圖11－23e），在行星架不轉(zhuǎn)時，因太陽輪與齒圈旋轉(zhuǎn)方向相同，故在式(11)中，以“－α”代人即可。其α可應(yīng)用范圍比單行星排擴大了，且能以較少的齒輪組成變速器排擋。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難加工，裝配精度要求更高。

仍以單行星排為例，在穩(wěn)定的等速工況下，不計摩擦損失分析其3元件的內(nèi)部理論轉(zhuǎn)矩。由行星輪的平衡條件(圖11－24)，得到各力之比為：2．2行星傳動動力學(xué)圖11－24行星輪受力平衡圖

…(12)而3個力的作用半徑很容易推出為：則可知3元件的理論轉(zhuǎn)矩關(guān)系式為：

…(13)…(14)2．3行星傳動效率由于行星傳動一般既傳遞牽連功率(行星架)，又傳遞相對功率，甚至還有功率循環(huán)，故在獲得同樣傳動比時，選擇不同組合方案，其效率值可能相差很大，所以要對其十分重視。效率計算時假設(shè)：

a．行星輪系的牽連損失小，只計與相對運動有關(guān)的齒輪嚙合損失。

b．齒輪嚙合損失，整體旋轉(zhuǎn)效率為1，一對外嚙合齒輪效率為0.97～0.98，內(nèi)嚙合取0.98～0.99，則相對的運動效率：單行星排ηPS=0.95～0.97；雙行星排ηPD=0.92～0.97。齒輪傳動中轉(zhuǎn)速無損失，其效率反映在力矩傳遞中，行星變速器在某擋傳動比為?時，其效率公式為：…(15)式中，為該擋傳動比為?時，輸入軸?至輸出軸o的整體行星輪系效率；ηiBu為該擋時，輸人軸?傳至制動件B時的該段行星輪系效率，對單行星排太陽輪主動時u“取“+”，太陽輪被動時u取“－”，但對多排組成的復(fù)雜輪系，需進一步判斷功率流向，可用虛位移原理推導(dǎo)u的判別式：…(16)>0為“＋”，<0為“－”。

三.行星齒輪變速器換擋執(zhí)行機構(gòu)因為所有齒輪是處于常嚙合狀態(tài)，其擋位變換不同于手動變速器用移動撥叉變速，它是以對行星機構(gòu)的基本元件進行約束來實現(xiàn)。通常有離合器、制動器和單向離合器3種執(zhí)行機構(gòu)組成，具有連接、固定或鎖止功能，使變速器獲得不同傳動比，從而達到換擋的目的。3．1離合器其作用是連接二元件成為一體，采用的是多片濕式。通常由離合器鼓、活塞、回位彈簧、鋼片與摩擦片組、離合器轂及密封圈組成。離合器液壓缸內(nèi)的離心油壓，在接合時影響壓緊力和儲備系數(shù)，分離時影響徹底分離，是設(shè)計中難點。過去是利用圖11－25離心平衡式與通常的離合器對比

單向閥中球的離心力，其效果不理想。最近出現(xiàn)了離心平衡離合器室結(jié)構(gòu)(圖11－25)取代了過去的單向閥，它消除了隨離合器鼓轉(zhuǎn)速變化而引起的附加離心壓力，保證了換擋過程的質(zhì)量。富康自動變速器中已采用了這種最新的結(jié)構(gòu)。3．2制動器

其作用是使所控制元件固定不轉(zhuǎn)，常用帶式與片式兩種。對帶式制動器(圖11－26)，當活塞作用力方向與制動鼓旋轉(zhuǎn)方向相同時，其制動力矩Tb為：…(17)式中，μd為帶與鼓之間的摩擦系數(shù)；θ為制動帶襯面的接觸角。注意，反轉(zhuǎn)時摩擦力對操縱力起阻抗作用，同方向是反方向效果的倍，故要避免反旋向作用。它雖結(jié)構(gòu)簡單、軸向尺寸短，但平順性差，襯片磨損不均。故近來片式制動器應(yīng)用較多，它與離合器結(jié)構(gòu)類似，僅鋼片為固定不轉(zhuǎn)片。因其摩擦面積大，轉(zhuǎn)矩容量大，且反作用圖11－26帶式制動器元件不產(chǎn)生徑向集中反力，并易于通過增減摩擦片數(shù)來實現(xiàn)系列化。3．3單向離合器(OWC)圖11－27單向離合器1.外環(huán)2.滾柱3.彈簧4.內(nèi)環(huán)5.楔塊它與制動器不同之處是以單向鎖止原理來實現(xiàn)固定或連接作用。傳遞轉(zhuǎn)矩容量大，空轉(zhuǎn)時摩擦小，且無需控制機構(gòu)，工作完全由與之相連的元件的方向控制，瞬間即可接合或分離。自動切斷或接通變速時轉(zhuǎn)矩，從而保證平順無沖擊換擋，且簡化了液壓控制系統(tǒng)。常用的是滾柱斜槽式和楔塊式(圖11－27)。一個時期以來為了提高換擋品質(zhì)，在AT中的單向離合器數(shù)越來越多，反而使結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，從而促使人們在電控軟件技術(shù)上來達到換擋平順的目的，故現(xiàn)取消與減少單向離合器的趨勢又已形成。四.幾種典型的三自由度行星變速器4．1自由度W

上述已指出單行星排為二自由度，即要實現(xiàn)一個擋位時，僅需控制一個換擋執(zhí)行機構(gòu)即可，CA770即為二自由度(圖7a)。但如需多排組合實現(xiàn)多擋變速時，仍用二自由度則相同擋數(shù)時，將需更多行星排，導(dǎo)致質(zhì)量重、體積大。故目前多為三自由度的行星機構(gòu)，它可減少行星排，由于要給定兩個運動后才有穩(wěn)定輸出，其執(zhí)行機構(gòu)比二自由度增多。通常有兩種途徑獲得三自由度：

a．串聯(lián)式三自由度變速器(串聯(lián)兩個二自由度機構(gòu))，因兩個機構(gòu)連接時減少了一個自由度，故：

W=W1＋W2－1＝2＋2－1＝3(18)b．換聯(lián)式三自由度行星變速器，即換聯(lián)主動或被動件，換前自由度為W?，換后增加了一個自由度，則：

W=W?十1＝2十1＝3 (19)目前車輛中三自由度行星變速器主要有4類：即辛普森(Simpson)式、拉維娜式、CR-CR式及Willson式。4．2辛普森結(jié)構(gòu)這是以發(fā)明者Simpson工程師命名的結(jié)構(gòu)，如圖11－28所示，其結(jié)構(gòu)特點是由兩個完全相同齒輪參數(shù)的行星排組成。優(yōu)點：齒輪種類少、加工量少、工藝性好、成本低；以齒圈輸入、輸出，強度高，傳遞功率大；無功率循環(huán)，效率高；組成的元件轉(zhuǎn)速低，換擋平穩(wěn)；雖然是三自由度的變速器，每次換擋需操縱兩個執(zhí)行機構(gòu)，但因安排合理，實際僅需更換一個執(zhí)行機構(gòu)(圖11－28表)。故從40多年前發(fā)明迄今，一直廣泛為世界各國所采用。我國的CA774(圖11－28b)、通用公司的THMl25C、日產(chǎn)3N71B等均是這種結(jié)構(gòu)。以CA774為例，求各擋的傳動比：其α1＝α2＝α＝zR/zS=62/68；輸入轉(zhuǎn)速ni輸出轉(zhuǎn)速為no；求?1：

第l排： (20)第2排： (21)從輔助構(gòu)件知：nS1=nS2，nC2=nR2=no；從執(zhí)行機構(gòu)知：ni=nR1，nC2=0，聯(lián)解并消去nS，則： (22)同理按上述方法可求：?2＝1.45。C1與C2均接合，使?3＝1，從圖11－28b表中可看出：圖11－282擋與3擋的Simpson結(jié)構(gòu)

a此變速器倒檔通過C2換聯(lián)了主動件，故屬換聯(lián)主動件的三自由度；

b．雖為三自由度，但實際每換一次擋，僅操縱一個執(zhí)行機構(gòu)。為了進一步提高換擋品質(zhì)，圖11－28c由2擋換3擋時，釋放制動制動器B1與接合離合器C1的交換應(yīng)及時，否則C1接合過早，使各元件間會產(chǎn)生運動干涉；B1釋放太快，則使發(fā)動機出現(xiàn)空轉(zhuǎn)、轟響，且使換擋沖擊增加。為提高換擋品質(zhì)，在B1與太陽輪元件之間又串聯(lián)了一個單向離合器F2，可使換擋平順，但為了在需要時2擋能產(chǎn)生發(fā)動機制動，又增設(shè)了制動器B3，這樣使結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。為進一步提高燃料經(jīng)濟性和降低噪聲，車輛向多擋化發(fā)展，4擋自動變速器已成為轎車的標準裝備，具前后行星排除用一個輔助構(gòu)件相連外，其它完全獨立，形成具有5個獨立元件(上述為4個獨立元件)的辛普森機構(gòu)，故可用增加一個執(zhí)行機構(gòu)的辦法(離合器或制動器)即實現(xiàn)4擋(圖11－29)。Hydra-Matic700-R4、R4A-EL都是采用該結(jié)構(gòu)。尺寸小、質(zhì)量輕是其特點。也有在原3擋辛普森結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上用積木構(gòu)成法，加一個參數(shù)與前兩排一樣的行星排來增擋。Benz、豐田A40D、AllisonAT-540、日產(chǎn)K-R80等都是這種結(jié)構(gòu)，所加的行星排可前置或后置，以實現(xiàn)超速或降速運動，又可有4種方案(圖11－30)。圖11－30增加行星排的Simpson結(jié)構(gòu)4．3拉維娜(Rarigneavx)結(jié)構(gòu)它是由一個單行星排與一個雙行星排組合而成的復(fù)合式行星機構(gòu)，共用一行星架、長行星輪和齒圈，故它只有4個獨立元件(圖11－31)。其特點是：構(gòu)成元件少、轉(zhuǎn)速低、結(jié)構(gòu)緊湊、軸向尺寸短、尺寸小、傳動比變化范圍大、靈活多變、適合FF式布置。圖11－31拉維娜結(jié)構(gòu)圖11－31的改進型式是在輸入軸和后太陽輪之間增加一個離合器C和單向離合器F，既改善了換擋品質(zhì)，又能在2擋、3擋實現(xiàn)發(fā)動機制動。在改進的拉維娜3擋變速器輸出軸和行星架之間增加一個離合器C，就可變?yōu)?擋變速器，采用這種型式的有福特、馬自達、奧迪等轎車。亦可用增加制動器B3的辦法達到4擋變速(圖11－32)，福特AOT型、奧迪OIF與OID型均為此結(jié)構(gòu)，且第3擋時采用功率分流方案，60％發(fā)動機功率通過機械傳動，40％通過液力變矩器傳遞，第4擋變矩器閉鎖，以提高效率。ZF4HP18型也與此相同。圖11－32有功率分流的拉維娜結(jié)構(gòu)當然也可在其后加一個行星排來獲得4擋，它可使執(zhí)行元件少一個，用何種方案合適，需從成本、結(jié)構(gòu)緊湊與復(fù)雜性、生產(chǎn)繼承性等方面全面考慮。我國捷達、帕薩特選裝的AG4(圖11－33)僅用3個離合器、2個制動器和1個單向離合器，同樣也實現(xiàn)了4擋變速，使結(jié)構(gòu)簡化。但這畢竟是十幾年前的產(chǎn)品，將被JATCO公司的FDO型所代替。§11－5電控機械式自動變速器(AMT)

一.概述電控機械式自動變速器是在傳統(tǒng)手動齒輪式變速基礎(chǔ)上改進的。結(jié)構(gòu)簡單，保留了干式離合器與手動變速器的絕大部分總成部件，只改變其中手動操作系統(tǒng)的換擋桿部分，改為自動控制機構(gòu)，有電－液、電－氣和全電3種控制方式，圖11－43為當今采用最多的電控－液動系統(tǒng)。它生產(chǎn)繼承性好，改造投入費用少，易于被生產(chǎn)廠接受，是揉合了AT與MT(手動)兩者優(yōu)點的機－電－液一體化高科技產(chǎn)品。圖11－43AMT的基本結(jié)構(gòu)

起步與換擋是控制功能的主要內(nèi)容，基本思想從圖11－43可知，駕駛員通過加速踏板和操縱桿向計算機傳遞控制信號，大量的傳感器時刻掌握著車輛的行駛狀態(tài)，計算機按存儲于其中的最佳程序：動態(tài)三參數(shù)最佳換擋規(guī)律、離合器模糊控制規(guī)律、發(fā)動機供油自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律等，對發(fā)動機供油、離合器的分離與接合、以及變速器換擋三者的動作與時序?qū)崿F(xiàn)最佳匹配，從而獲得優(yōu)良的燃料經(jīng)濟性與動力性能以及平穩(wěn)起步與迅速換擋的能力。其性能／價格比高，是非常適合我國國情的自動變速器。

2．1組成圖11－44是我們自行設(shè)計的電子控制單元框圖。ECU由電源、CPU與存儲器、輸入電路與輸出電路幾部分組成。因各類傳感器的增多，使輸入電路也大為復(fù)雜，既有脈沖還有模擬、接點輸入。而輸出也增加了發(fā)動機供油控制，坡上輔助起動裝置（HAS）等電路：

二.電子控制單元ECU

圖11－44ECU的控制單元框圖

2．2控制軟件2．2．1變速控制各種最佳換擋規(guī)律存儲于微機，然后根據(jù)兩參數(shù)或三參數(shù)控制換擋。駕駛員干預(yù)的意圖主要依靠踩加速踏板，必要時也可以通過選擇器。

2．2．2離合器控制

a．為了補償離合器片的磨損，需查明離合器部分接合的起點，它是離合器控制的重要參考點。

b．車輛起步與換擋時離合器的接合控制。

c．離合器的分離控制。

d．

二次離合(相當于手動換擋的兩腳離合器)

控制。

離合器的接合過程：它是根據(jù)離合器的最佳接合規(guī)律確定目標接合行程的時間歷程，即離合器的接合速度Vc，它是由節(jié)氣門開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速及離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩特性等參數(shù)控制。在采樣周期T0內(nèi)，如果執(zhí)行機構(gòu)要求的目標接合行程r與實際接合行程χ間有誤差e，為了減小或消除其誤差，則采用比例－積分PI型調(diào)節(jié)器對電磁閥進行脈寬調(diào)制作自動校正，脈沖寬度為： (23)式中，Kp、K1為比例與積分常數(shù)；e為控制信號。根據(jù)值確定兩個不同放油流量電磁閥的工作脈寬(見圖11－45)。

圖11－45離合器行程的脈寬控制

2.2.3發(fā)動機供油控制

電噴發(fā)動機用間斷供油與延遲點火實現(xiàn)對供油的控制，它可分為3個邏輯特性：發(fā)動機起動、加速控制和換擋時的控制。

換擋時的控制主要是對其轉(zhuǎn)速的控制，目的是使其適應(yīng)新的輸入軸轉(zhuǎn)速，從而減少換擋后離合器接合的沖擊，以提高換擋平順性；測出發(fā)動機轉(zhuǎn)速與變速器轉(zhuǎn)速的差異，即可對發(fā)動機進行控制，例如升擋時，需發(fā)動機降速。

當轉(zhuǎn)速相差仍很大時，轎車和中、輕型貨車常等待其自然降速，或通過同步器達到同步換擋；但對重型貨車而言，因這部分慣量大，等待時間太長(超過通常的換擋時間0.8s～1.0s)，則對離合器主動片進行制動，制動器的響應(yīng)時間T由下式確定：(24)式中，n為同步轉(zhuǎn)速差值；e為控制信號。

該方法收到了很好的效果，使達到同步的時間降為0.5s。當然，用發(fā)動機制動等方法也能收到同樣效果。在降擋時，如果轉(zhuǎn)速差超過變速器同步容量允許值時，就需要進行兩次離合器的操作，發(fā)動機再相應(yīng)升速，以提高離合器主動片的轉(zhuǎn)速，達到快速方便換擋的目的。

三.執(zhí)行機構(gòu)雖然如前所說控制機構(gòu)有3種形式，由于氣體的體積可壓縮性，換擋速度變慢，但對于有氣源的車輛可以不用再為AMT增加能源、調(diào)壓與蓄能器等設(shè)備，使成本降低是其優(yōu)點；而全電形式雖在價格、質(zhì)量上有優(yōu)勢，但調(diào)整困難，還不太適合大量生產(chǎn)。

故目前用得最多的仍是電－液執(zhí)行機構(gòu)，它不僅可用于高扭矩范圍，有最快的換擋速度而且與其它液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)最佳配合(如與液力變矩器的匹配)，此處僅介紹電控－液壓執(zhí)行機構(gòu)(見圖11－46)。

圖11－46AMT的液壓系統(tǒng)1.液壓泵2.壓力繼電器3.蓄能器

4.電磁閥5.離合器液壓缸

3．1離合器的執(zhí)行機構(gòu)

它是單桿型單動液壓缸，由電磁閥V1、V3、V4控制，它們按需要有直徑各不相同的節(jié)流孔，以滿足最大接合速度；再將V3、V4組合，并由ECU進行脈寬調(diào)制，便可得到小于Vcmax的任意速度。工作模式有：分離、保持分離、接合以及保持接合等4種。

a．分離電磁閥V1開放,V3、V4關(guān)閉，壓力油進入液壓缸5使離臺器分離，這是為防止發(fā)動機熄火，而正常換擋需要。

b．保持分離V1、V3、V4均關(guān)閉，缸內(nèi)油壓封閉，液壓缸活塞不遠動，出臺措保持分離。

c．接合V1關(guān)閉，V3、V4分別或同時工作，由ECU對其進行脈寬調(diào)制，即脈沖越寬，接合速度越快，由傳感器將其實際行程反饋給ECU，如與要求的最佳接合規(guī)律不一致，則進行修正，以配合汽車起步、換擋等。d．

保持接合

以保證確實在新?lián)跷恍旭偂?/p>

3．2變速器的執(zhí)行機構(gòu)有平行式與相互正交兩種，后者稱X－Y換擋器，它們各有3個停止位置，組成矩陣方式(見圖4右下方)。對5個前進擋1個倒擋的AMT而言。采用正交比平行式可節(jié)省兩個活塞缸，因而結(jié)構(gòu)簡單、緊湊

對于插入了選擋動作的換擋，其時間會比平行式略長，其液壓缸是單桿型復(fù)動式，用二位三通控制油路，可使活塞正確可靠停于3個位置；其運動通過內(nèi)部桿件傳至撥叉換擋與手動變速器相同?，F(xiàn)以1擋換2擋為例說明其過程：先分離離合器，同時發(fā)動機收油；這時ECU指令換擋閥V5、V6同時進液壓油，摘下1擋進入空檔N1R；接著ECU又指令V7、V8進液壓油，使桿從N1R進入N23位置；擋位信號接通，表示選擋到位后；換擋閥V6繼續(xù)通油，而換擋閥V5放油，從而換入2擋；換擋開關(guān)接通，ECU令離合器接合，發(fā)動機自適應(yīng)地恢復(fù)供油

3．3發(fā)動機執(zhí)行機構(gòu)

對于電噴發(fā)動機，AMT與其共享資源，用CAN總線通訊使其在換擋時，按要求收油或加油，并使發(fā)動機點火延遲以提高換擋品質(zhì)與降低污染。

圖11－47本田自動變速器1．變矩器2．中間軸第1擋齒輪3.

中間軸第3擋齒輪4．第1軸第3擋齒輪5.第3擋離合器6.第4擋離合器7.第1軸第4擋齒輪8．第1軸倒擋齒輪9.倒擋惰輪10.第1軸惰輪1l.第1軸12.中間軸第2擋齒輪13.中間軸惰輪14.停車齒輪15.中間軸16.停車鎖17.第2軸18.第2軸惰輪19. 中間軸倒擋齒輪20. 第2軸第2擋齒輪21.倒擋接合套22.中間軸第4擋齒輪23.伺服閥24.第2擋離合器25.第1擋離合器26第2軸第1擋齒輪27.單向離合器28.第1擋固定離合器29.主減速器齒輪30油泵

四.平行軸式液力自動變速器

該自動變速器不用行星齒輪而用常嚙合平行軸式的獨特結(jié)構(gòu)，它基本上類似于手動變速方式，但從圖11－47看出用多片濕式離合器的分合代替了干式離合器與撥叉換擋，故可稱為改進型AMT。該結(jié)構(gòu)雖然在原蘇聯(lián)Бела3與我國的SH380重型礦用車均有采用，但由于它體積較大，能用于轎車上的還僅日本本田公司一家(見圖11－47)。

同理，為了提高換擋品質(zhì)，在1擋正向傳動路線中，不僅第1擋離合器C25接合，還用了單向離合器F27，但為了能利用發(fā)動機制動，在1擋反向傳動的路線中采用1擋固定離合器C28接合

其余各擋的控制都反映在表11－2中，也說明了平行軸是一自由度的特點。

表11－2本田自動變速器換擋執(zhí)行機構(gòu)工作規(guī)律

最近，本田也采用了沒有單向離合器的4擋自動變速器(見圖11－48)，它是利用離心油壓解除機構(gòu)、全直接控制和換擋邏輯控制機構(gòu)代替了單向離合器F27與固定離合器C28的功能，使變速器縮短22mm，零部件數(shù)減少76個，從而使結(jié)構(gòu)更進一步小型化。

圖11－48本田新型自動變速器

由于該結(jié)構(gòu)無需切斷動力換擋，而執(zhí)行機構(gòu)又類同于AT，故該形式從整體來說，已屬于AT范疇。

§11－6無級變速器CVT

一.概述駕駛靈活、低油耗和低噪聲要求變速器擋位越多越好，這種思想的進一步延伸．就是無級變速。無級變速傳動(ContinuouslyVariableTransmission，簡稱CVT)指無級控制速比變化的變速器。它能提高汽車的動力性、燃料經(jīng)濟性，駕駛舒適性，行駛平順性。電控的CVT可實現(xiàn)動力傳動系統(tǒng)的綜合控制，充分發(fā)揮發(fā)動機特性。

表11－3無級變速器的種類

無級變速器

機械式

流體式

電動式

帶傳動式

牽引傳動式

膠帶式金屬帶式鏈帶式園環(huán)、曲面或圓錐環(huán)式圓板式行星滾筒式滾珠式其它液力式液壓式無級變速器的種類很多(見表11－3)。液力式即液力變矩器，其優(yōu)良品質(zhì)已在第一節(jié)中闡述，它是迄今世界上占主導(dǎo)地位的無級變速器。

a．液壓式

它與液力傳動同屬流體傳動，具區(qū)別在于：它是依靠液體壓能的變化來傳動或變換能量，是用工作腔的容積變化進行工作的。液壓元件主要是液壓泵與液壓馬達，有液壓車輪馬達與液壓驅(qū)動軸兩種。它的優(yōu)、缺點除與液力式類同外，還有液壓元件不適應(yīng)汽車高轉(zhuǎn)速、高負荷和轉(zhuǎn)速變化頻繁、振動大等不利的工作條件，故僅在推土機、裝載機上有所應(yīng)用，汽車上應(yīng)用較少。

b.電動式

內(nèi)燃機作為動力裝置的優(yōu)點很多，但在部分負荷時效率低并產(chǎn)生有害排放而導(dǎo)致了電傳動的發(fā)展。為了適應(yīng)與給定的電動機匹配，有的用單速變速器(與異步電動機共同廠作)，有的需兩擋以上(與永磁同步電動機配合)，而有的則要多擋(與直源串繞電動機匹配)，以達到設(shè)計的性能。

純電傳動雖有零污染與低噪聲的突出優(yōu)點，但貯存于電池中的可用能量行駛范圍有限，除在高能鎳、鈉、鋰基等電池及燃料電池方面繼續(xù)研究外；也有采用內(nèi)燃機與電源的復(fù)合驅(qū)動方案，起步或加速時使用電動機作輔助動力，改善加速性能；在城市行駛時可多用電驅(qū)動，以克服內(nèi)燃機污染嚴重的問題；而在郊區(qū)以外，則多用內(nèi)燃機與傳統(tǒng)驅(qū)動方式配合行駛。這種復(fù)合驅(qū)動既利用了一種能源具有高功率的優(yōu)勢，又發(fā)揮了另一種能源有良好的貯能容量，在汽車減速和制動時可回收能量。

c.機械式

因為是通過摩擦傳遞扭矩，故總有打滑的危險。進而在接觸面產(chǎn)生高溫而磨損。它經(jīng)歷百余年的改進、提高，目前也僅金屬帶或鏈帶式及牽引環(huán)式有實用價值。

二.機械式無級變速器

2．1帶傳動式(BeltDrive)用撓性的帶或鏈與帶輪的摩擦力傳遞動力。人們首先應(yīng)用的是橡膠帶式，它裝用于DAT公司的微型轎車及Volvo340系列轎車上，但因傳遞功率容量低，而被橡膠與金屬帶、金屬帶及鏈帶等形式所取代。其中又以VDT(Vandoorne’sTransmission)的金屬帶最為成功。除這類濕式帶外，最近由樹脂和鋁合金等構(gòu)成的干式帶也問世。它用直流電機控制，其特點是：起步由定傳動比的齒輪，即副傳動路線來傳遞動力，保證起步性能；當達到規(guī)定車速時，再變換到由帶傳動確定的主傳動路線(見圖11－2)。

圖11－49VDT－CVT傳動組成與工作簡圖1.油泵2a.主動工作輪不動部分2.主動工作輪可動部分3.主動輪液壓控制缸4.離合器5.發(fā)動機飛輪6.從動工作輪可動部分7.中間減速器8.主減速器與差速器9.金屬傳動帶10.從動輪液壓控制缸

2．1．1組成與工作原理VDT是目前已投產(chǎn)的CVT，其組成與工作原理如圖11－49所示，發(fā)動機動力5經(jīng)起步裝置4傳至CVT的主動工作帶輪(2、2a),再由關(guān)鍵部件——V型金屬帶9將動力傳遞到被動工作帶輪(6、6a)，最后動力經(jīng)減速器7、主減速器與差速器8到達車輪。車輛行駛時，當主、被動工作帶輪的可動部分通過控制高壓油使其按需要作軸向移動時，改變了主、被動輪的工作半徑比，從而實現(xiàn)了外界對汽車的變速要求。

2．1．2關(guān)鍵部件

a.金屬傳動帶

由幾百片(現(xiàn)已達400多片)V型金屬推片(元件)和兩組金屬環(huán)組成高柔性的金屬帶(見圖11－50)，每個金屬V型塊厚度為1.4mm～2.2圖11－50V型金屬帶傳動帶1.金屬推片2.金屬環(huán)

mm，在兩側(cè)工作輪擠壓力作用下。推擠前進來傳遞動力。兩邊的金屬環(huán)由多層薄鋼帶、厚度為0.18mm的帶環(huán)疊合而成．在傳動中正確引導(dǎo)金屬元件的運動。

較薄的厚度對減少運轉(zhuǎn)噪聲十分重要。較多的元件與帶輪接觸，降低接觸面壓力，還可允許其表面偶爾出現(xiàn)一兩個損壞，亦有利耐久性提高。這種帶的特點是使帶輪可以以最小的卷繞半徑工作，速比工作范圍大，轉(zhuǎn)矩傳遞容量高。

b.鏈式CVT鏈式CVT是帶的另一種型式(見圖11－51)，類似自行車的鏈條，它由3部分組成：內(nèi)聯(lián)接片、壓板聯(lián)接片和連接它們的浮動銷，銷相互滾動．使鏈條在彎曲時圖11－51鏈式CVT傳動(a)鏈傳動(b)鏈與輪之間接觸的形狀

摩擦力小，且具柔性。銷的表面被沖壓成如圖11－51b所示，以使其與輪的接觸隨旋轉(zhuǎn)半徑的減小而從上移到下，使鏈表面保持磨損穩(wěn)定。鏈輪表面的沿輪向凸起是防止鏈因摩擦因數(shù)下降而打滑。鏈可不必有固定周節(jié)，從而消除純音色，有利于降低噪聲。它比帶簡單價廉。

它是以剛性轉(zhuǎn)動體接觸的摩擦力傳遞動力，形式多樣，其中以Toroidal最優(yōu)，簡稱牽引環(huán)式(見圖11－52)。它具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能，且能從正轉(zhuǎn)過渡到反轉(zhuǎn)，因此它無需前進離合器和正反轉(zhuǎn)運動的切換機構(gòu)。但其接圖11－52牽引環(huán)式的幾何關(guān)系

2．2牽引傳動式(TractionDrive)觸剛體間接觸壓力大，要特殊的粘性很高的潤滑油，利用油膜在金屬表面之間形成高的牽引系數(shù)μ來傳遞動力，故提高接觸疲勞壽命和彎曲壽命，以及開發(fā)出粘性高、牽引系數(shù)大的潤滑油是其能否進入市場的關(guān)鍵問題；它的特點是可提高傳遞扭矩的容量。

三.CVT控制

3.1力學(xué)模型從圖11－53，可獲得發(fā)動機轉(zhuǎn)矩Te直接傳至輸入軸p時與輸出軸s上的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

（25）圖11－53CVT力學(xué)模型

式中，Is為轉(zhuǎn)換到CVT輸出軸s上等效的汽車轉(zhuǎn)動慣量；Te為與CVT匹配的發(fā)動機目標轉(zhuǎn)矩；Tlc為CVT系統(tǒng)損失的轉(zhuǎn)矩，

；為轉(zhuǎn)化至CVT輸出軸s上的汽車行駛阻力矩。

即（27）因，在輪與帶之間無滑動的條件下：

（26）則

，也就是說駕駛員雖然主觀上希望快加速(即)，猛踩油門，從而反映在d?/dt變化太大，反而使汽車減速，這是CVT控制中特別要注意之處.

從式(27)可知：

(28)式(28)說明，在變速過程中d?/dt不能變化太大，如

(29)以圖11－54所示速比變化控制規(guī)律為例．從行駛狀態(tài)的發(fā)動機曲門開度α與車速V的控制規(guī)律，可方便得知CVT相應(yīng)的速比與?發(fā)動機的轉(zhuǎn)速ne。例如圖中當前車速ν1及發(fā)動機油門開度10°的狀態(tài)下，要加速超車，猛踩油門踏圖11－54CVT的速比控制規(guī)律

板至節(jié)氣門全開，速比由?1變?yōu)?2(即向大速比?low變化)．發(fā)動機轉(zhuǎn)速也從ne1猛升至ne2這樣就可能要出現(xiàn)式(29)的情況，

d?/dt太大而使汽車反而出現(xiàn)負加速(減速)，尤其對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩Te小的汽車，更應(yīng)小心，不要使油門開度α過大，dα/dc變化太快，以免適得其反，抬起油門踏板減速，亦要放慢速度，特別是隨之是制動時，即從制動到最大速比?low，對速比變化同樣要求也嚴。

3.2控制原理

CVT的控制是靠兩個帶輪的軸向夾緊力實現(xiàn)的，一個帶輪的夾緊力保證了傳遞的力矩容量Te，而另一個帶輪位置則決定了所需的傳動速比?（見圖11－55）。即由式?jīng)Q定的被動輪夾緊力，即Fs保證力矩柞量，而由主動輪的夾緊力Fp決定的位置，實現(xiàn)所期望的速比。它的控制方法有壓力控制、流量控制、位置控制與協(xié)調(diào)控制等。由于主、被動帶輪之間是通過金屬帶的約束作用，使CVT系統(tǒng)才得以保持平衡，所以在變速過程中被動帶輪的壓力Ps控制，和對主動帶輪的速比控制具有耦合效應(yīng)。為此，電子控制單元ECU根據(jù)要保證傳遞的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩Te，對被動輪確定所需施加的軸向夾緊力Fs，從而確定所需的夾緊力比Fp*/Fs，才得以實現(xiàn)Te、?狀態(tài)下所要求的主動輪的平衡點的壓力Pp*，據(jù)此與目前的實際控制壓力Pp比較。如果ΔP=Pp－Pp*=0，則系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，達到了所要求的Te、?狀態(tài)而穩(wěn)定行駛（見圖11－56），即d?/dt＝0，否則，則需按其影響因素，以式(30)對速比變化繼續(xù)進行控制(詳圖11－56速比變化速率的確定

見3.3.2速比控制部分)，直至d?/dt＝0為止，達到系統(tǒng)平衡。

這樣，將主、被動輪相互耦合的控制問題轉(zhuǎn)化為兩個單一目標的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)(即軸的夾緊控制)和位置伺服系統(tǒng)(即速比控制)，簡化了控制問題，實現(xiàn)了CVT關(guān)鍵技術(shù)——系統(tǒng)平衡。

(30)4.3控制機構(gòu)總體上與普通自動變速