（车辆工程专业论文）汽车自动变速器故障动力流分析法的研究.pdf

江苏大学高校教师硕士学位论文 摘要 汽车电子控制自动变速器( 简称电控自动变速器) 是目前汽车上机、电、液 一体化程度较高的总成件。电控自动变速器结构复杂，拆装困难，故障成因多， 技术要求高，单次维修成本高，一次性成功率要求高，对设备的依赖度高是汽车 维修工作中的难点之一。如何提高自动变速器的故障分析准确率和故障修复率是 个较为迫切的问题。 在自动变速器的电子控制系统、机械、液压控制系统的故障中，以机械液压 系统的故障分析检修最为困难，针对这一难题，本文阐述了电控自动变速器的结 构和工作原理，对典型电控自动变速器的换档执行元件的位置、执行元件的工作 情况、动力流传递路线进行了详细分析。提出了针对自动变速器机械、液压系统 故障的电控自动变速器动力流分析法，详细阐述了该方法的分析过程，研究总结 出可采用动力流分析法的电控自动变速器典型故障。最后，通过维修站的故障实 例证明了动力流分析法的行之有效。 本文研究不仅为汽车维修技师提供电控自动变速器故障维修所必需掌握的 基本结构、工作原理和动力传递路线，同时，对汽车电控自动变速器机械、液压 系统中的常见故障分析提供了有针对性的解决办法。论文研究成果的应用，有利 于提高汽车电控自动变速器的维修效率和质量。 关键词：自动变速器，电子控制技术，动力流，故障，检修，拉维奈，辛普森 江苏大学高校教师硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t , e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e da a t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ( t h ea u t o m a t i c t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i cc o n t r 0 1 ) i s 叠h i g h l y - i n t e g r a t e da s s e m b t yp i e c eo fm e c h a n i c s ， e l e c t r i c i t ya n dl i q u i d i t ss t r u c t u r ei sc o m p l e x ，i ti sd i f f i c u l t yt od i s a s s e m b l ea n dh a r d t or e p a i r t h e r e f o r e ，h i g ht e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa r en e e d e d t h em a i n t e n a n c eo ft h e a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni so n eo ft h em o s td i f f i c u r i e si nt h em a i n t e n a n c eo ft h ec a r m a i n t e n a n c et e c h n o l o g yt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fw o r k , f i r s to fa 1 1d e p e n d so nt h e a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o no nt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ff a m i l i a r i t y , a tt h e s a m et i m ei ti sn e c e s s a r yt oh a v et h ea p p r o p r i a t em a i n t e n a n c et e c h n o l o g y , s k i l l e du s e o fs p e c i a ld e t e c t i o ne q u i p m e n t ，s k i l l e dw i t ht h es k i l l st oo p e r a t e f i r s t l y , t h i sa r t i c l ei n t r o d u c et h ec o n s t r u c t i o n sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e e l e c t r o n i c a l l y - c o n t r o l l e d a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，t h e nd e s c r i b et h ed r i v e f l o w a n a l y s i sm e t h o dt os o l v et h eu s u a lb r e a k d o w no ft h em e c h a n i c sa n dh y d r a u l i cs y s t e m o ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n a tl a s t ，t h ea r t i c l em a k eac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f t h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nd e f a u l t s t h i sa r t i c l ec a nh e l pa u t o m o t i v er e p a i rt e c h n i c i a n st oc o r r e c t l yu n d e r s t a n dt h e b a s i cs t r u c t u r eo ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o na n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，i ta l s o p r o v i d ee f f e c t i v es o l u t i o nt op r o b l e mo ft h em e c h a n i c a la n dh y d r a u l i cs y s t e m ，m a k e t h em e c h a n i c sb ea w a r eo ft h es o l i dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o ri m p r o v i n gt h eq u a l i t y o fm a i n t e n a n c es e r v i c e st oe f f e c t i v e l yi m p r o v et h es e r v i c eq u a l i t ya n dc u s t o m e r s a t i s f a c t i o n k e yw o r d s ：a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，e l e c t r o n i c c o n t r o l l e dt e c h n o l o g y , d r i v ef l o w , b r e a k d o w n ，s e r v i c e ，r a g v in g e a u x ，s i m p s o n i l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 口。 一躲砖孙闫 瞻蚋夕 指导教师签名： 力佑年p 月7 钿 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 8 一l l l 江苏大学高校教师硕士学位论文 第一章绪论 1 1 汽车自动变速器的发展及现状 汽车自动变速器的发展经历了一个很漫长的过程： 1 9 2 6 年别克汽车第一次将液力偶合器和手动变速器装在一起。尽管不是自 动变速器，但耦合器的优点已经显出来，在前进档上，发动机也可以怠速运转。 1 9 4 0 年美国奥兹莫比尔汽车上装上了第一台现代意义的自动变速器。这是 一种横置式的串联式行星齿轮机构的液压控制变速器，2 0 世纪5 0 年代起美国三 大汽车公司都已经开始批量生产自动变速器。 1 9 6 8 年法国雷诺第一次在自动变速器上使用了电器元件。 1 9 8 2 年丰田公司生产出第一台由微机控制的电控自动变速器，它家就是装 配在四缸佳美上的a 1 4 0 e 自动变速器。 1 9 8 4 年美国奥兹莫尔汽车上装上了t h m 4 4 0 - - t 4 美国的第一台电子控制的 自动变速器，到2 0 世纪8 0 年代末美国三大公司都分别推出了两种以上的电子控 制自动变速器。 1 9 9 2 年以前生产的电子控制自动变速器的执行器电磁阀最多的也只有 两个，一个控制变矩器锁止，一个控制d 位四挡的升降，在这一阶段电子控制 还处于辅助阶段。 1 9 9 2 年至1 9 9 4 年是电子控制变速器飞速发展的阶段。电磁阀特别是换挡电 磁阀数量的增加，使得换挡电磁阀不再依赖节气门油压和速度油压对d 位升挡 的控制。经济模式、运动模式、雪地驾驶模式这些控制模式的出现使汽车的驾驶 更加随心所欲。 1 9 9 5 年自动变速器发展基本成熟。之前的换挡电磁阀主要是控制d 位上各 挡的升降，1 9 9 5 年后某些变速器的换挡电磁阀能控制d 位各挡，手动挡，倒车 挡。所以被称为全电子控制自动变速器。 1 9 9 4 上海通用汽车公司正式投产4 t 6 5 e 变速器。1 9 9 8 年上海通用汽车公司 率先在国产的别克新世纪轿车上配置了4 t 6 5 e 自动变速器，紧接着长春一汽大 众在捷达王轿车上也推出了自动变速器，广州本田雅阁轿车、东风神龙富康轿车、 江苏大学高校教师硕士学位论文 东风风神轿车以及上海大众的帕萨特轿车都配置了自动变速器，另外长春一汽大 众推出的奥迪a 6 ，配置了手、自动混合控制的变速器，代表了较新的自动变速 器控制技术，目前，多款品牌汽车都陆续推出了手、自排一体的自动变速器。 1 2 汽车自动变速器维修的现状 汽车的保有量经过2 0 0 3 年井喷式的增长后，仍在持续不断地上升，以无锡 为例，截止2 0 0 7 年底，无锡汽车保有量达4 3 万余辆，而且平均每年以4 万辆左 右的速度增长，汽车消费的火爆带动了维修市场的繁荣。新车型层出不穷，科技 含量的不断提高，高、新技术产品和装置在汽车上得到了越来越多的使用和普及， 对汽车维修企业在提出了更高的技术要求。 汽车电子控制自动变速器( 简称电控自动变速器) ，是目前汽车上机、电、 液一体化程度较高的大总成件，结构复杂，很多零件重重叠叠、环环相扣地组装 在空间有限的变速器壳内，拆装困难。其工作原理和传动过程也很复杂，再加上 令人眼花缭乱迷宫式的油路，一直以来，被认为是汽车上最难弄懂的部分，给自 动变速器的检修也带来了一定的难度。 自动变速器工艺结构复杂，制造维修成本高、需要大量的专业设备和专业技 师才能完成维护和修复，以无锡为例，现实情况是：汽车维修企业中具有扎实理 论知识和丰富实际经验的维修人才不到两成。至2 0 0 7 年无锡市三类以上汽车维 修企业2 0 0 0 多家，其中一类企业仅4 9 家，二类企业7 0 余家，从业人员达1 0 0 0 0 余人，高中以下人员占一半左右，具有等级资格证书的占三分之一，但高级工不 到3 0 ，高级维修人员严重短缺，在这样的技术背景条件下，自动变速器的维修 是一个大难题。 欧美成熟市场自动变速器的维修方式是：购买厂家授权再制造总成：2 0 ； 购买或置换再制造总成：4 0 ；区域变速箱专业厂维修：3 0 ；维修厂自主维修： 1 0 。 国内4 s 店、服务站的自动变速器维修现状是：自主维修：2 5 ；拆车件置 换：5 以下；外包维修：4 0 以上；总成置换：3 0 。自动变速器的维护保养、 索赔、修理是各个制造厂家售后服务市场的重点项目之一，如果使用、维修不当， 会造成厂家及用户巨额损失。目前国内自动变速器市场容量并不大；拆车旧件的 2 江苏大学高校教师硕士学位论文 操作模式陷入困境；客户的一次性通过要求、质量要求、时间要求、价格要求比 以前增加。 自动变速器的单次维修成本高，一次性成功率、一年质量稳定性要求高，技 术复杂性极高，对设备的依赖度高，是个具有相当难度的工作。现代自动变速 器系统，除了自动变速器本身机械系统以外，还包括自动变速器控制单元、传感 器和执行器，组成了一个机电液一体化的系统。要求修理人员来说，即要熟悉机 械结构原理，又要熟悉电子控制原理，还要掌握自动变速器的工作原理，这样才 能准确无误地确诊自动变速器出现的故障，从而根本性地解决问题。 1 3 本课题研究的意义及内容 作者长期带领学生到各大汽车品牌“4 s 店进行生产实习，在实习指导的 过程当中，通过与管理层人员、维修技师( 工) 、顾客等多方面的交流和共同探 讨，发现电控系统的常见故障的检测维修可依赖于先进的电脑诊断仪，而机械、 液压控制系统的故障诊断分析存在较大的难度，为了解决这一难题，本文在分析 电控自动变速器的结构和工作原理的基础上，针对自动变速器机械、液压系统故 障难以诊断分析的问题，提出了采用动力流分析法。对汽车维修服务企业提高自 动变速器维修效率和质量有一定的指导作用。 论文工作的主要内容如下： ( 1 ) 汽车自动变速器结构与维修的发展和现状； ( 2 ) 汽车自动变速器结构、动作原理、动力传递路线分析； ( 3 ) 汽车自动变速器故障诊断的动力流分析法研究； ( 4 ) 动力流分析法的应用 撰写本文主要采用方法有： ( 1 ) 文献资料法：搜集与本课题有关的信息和资料，拓宽思路，为课题研 提供更为完善的方法。 ( 2 ) 行动研究法：在实习指导过程中及时了解有关自动变速器的维修 息，分析故障现象，发现并研究问题，提出解决办法。 3 江苏大学高校教师硕士学位论文 第二章自动变速器故障动力流分析法的基础知识 汽车自动变速1 1 】是指根据动力传动系统内、外部的状态及行驶工况的需求， 自动选择合适的传动比，调节或变换发动机动力输出性能，经济而方便地传送动 力，较好地适应外界负载与道路条件的需要。 自动变速器的故障1 2 】多为离合器、制动器、单向离合器这些换档执行元件的 故障。为了快速、准确地故障部位，必须熟悉被修变速器的结构与工作原理，方 能便于进行动力传递路线的分析。 2 1 自动变速器的基本组成与工作原理 2 1 1 自动变速器的组成 自动变速系统的发展经历了机械一液力控制阶段，发展成为计算机与电子自 动控制，并结合机械一液力传动技术完成传动变速过程的全自动控制系统。基本 构成如下1 3 1 ： 1 ) 液力变矩器 液力变矩器充当飞轮，以增加曲轴的转动惯量，并将发动机的输出扭矩增大后 传递给行星齿轮系统，在一定范围内可进行无级变速，具有一定的减速增扭作用。 2 ) 齿轮变速系统 由于汽车行驶工况变化多样，液力变矩器的变矩、变速范围不能满足其工况 的要求，故必须加辅助变速系统，一般采用由二排或三排行星齿轮组成的行星齿 轮变速系统，即齿轮变速系统，来实现变速，速比的改变是通过以改变元件的主 从动关系和旋向而实现的。 3 ) 换档执行元件 包括换档离合器、制动器及单向离合器，其作用是改变行星齿轮中元件的主 从动关系或限制某个元件的运动，从而改变动力传递的方向和速比。 4 ) 液压操纵机构 由各种滑阀组成，接受自动变速器e c u 的指令，利用液压使换档执行元件 在一定的条件下起作用，使行星齿轮系统自动地换档。 5 ) 电子控制系统 4 江苏大学高校教师硕士学位论文 e c u 根据车速及负荷信号确定档位及换档点，输出换档指令，通过电磁阀 产生液压信号来控制换档阀的动作，实现自动换档过程。 6 ) 工作液 工作液作为介质传递液力变矩器的扭矩，控制液压控制系统和行星齿轮系统 中执行元件的动作，同时在自动变速器和散热系统之间循环流动，起润滑、清洗、 冷却作用，也起防尘作用。 7 ) 冷却、滤油装置 油液在传力过程中，因冲击和摩擦生热，又吸收一部分热量，油温升高，降 低了传动效率，因而必须利用油冷器使油液在水箱内部与冷却水或空气进行热量 交换，使油温保持在8 0 枷。滤油器及时将变速器工作中由于机件摩擦产生 的金属废料分离。 8 ) 壳体 壳体即变速器外壳，容纳变速器各部分的元件，并将其固定在发动机、传动 系和车身之间，同时也起散热和防尘作用。 2 1 2 自动变速器的基本工作原理 电子控制自动变速1 4 j 是车速传感器和节气门开度传感器将电信号输入自动 变速器e c u ， 由e c u 根据预先编制并存入存储器r o m 的换档程序，进行比较 运算，确定换档点和变矩器锁止离合器闭锁时间，向电磁阀发出控制信号，控制 电磁阀线圈电流的通断，再由电磁阀控制换档阀，对换档执行器的油路进行切换， 实现自动换档( 图2 1 ) 。 图2 1 自动变速器工作原理图 f i g 2 1p r i n c i p l em 叩o f t h ea t 由图2 1 可知，各换档阀的移动方向由电磁阀控制，而电磁阀线圈通电与否 由电子控制器e c u 控制，e c u 又是根据反映发动机负荷的节气门位置传感器和 5 江苏大学高校教师硕士学位论文 车速传感器输入e c u 的电信号，向电磁阀发出控制指令的吲 22 液力变矩器 22 1 液力变矩器的结构 液力变矩器嗍以液体作为介质，传递和增大来自发动机的扭矩。液力变矩器 出泵轮和涡轮，以及导轮三元件构成( 如图22 所示) 。三个工作轮上径向排列 着许多叶片，封装在充满a t f 的壳体中。 1 驱动轮；2 象轮；3 导轮及单向离台器；4 潮轮：5 锁止离合器总成；6 前壳体； 7 一焊接的教：8 一轴承 周2 , 2 液力变矩器 f 嘧2 2 t o r q 雌c o n v e r t e r 泵轮是变矩器的动力输入件，通常与变矩器壳成一体，随发动机一起旋转。 涡轮是液力变矩器的输出件，与行星齿轮轴连接。导轮安装在泵轮与涡轮中间 中间装有单向离合器，可单向旋转起到a t f 导向作用。 222 液力变矩器的工作原理 发动机运转时带动变矩器的壳体和泵轮与之一同旋转，泵轮内的油液在离心 力的作用下，由泵轮叶片外缘冲向涡轮并沿涡轮叶片流向导轮，再经导轮叶片 内缘，形成循环的液流。 设置导轮后，改变了回流油液的流向，使油液冲击泵轮叶片的背面，促使袈 轮旋转。于是，作用在涡轮上的转矩由发动机的输入转矩和回流油渣的转矩两部 分组成。可见，由于导轮的存在，涡轮上的输出转矩大干的发动机输入转矩。泵 轮与涡轮的转速差越大，回流冲击越厉害，则转矩增加越多；而且随着转速差的 缩小。增加转矩的作用越来越小。 江苏大学高校教师硕士学位论文 为了防止汽车高速时出现变矩器的输出扭矩小于输入扭矩的现象，在导轮和 固定轴之间安置了单向离合器。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；而在高速时，作用在导轮叶片的 扭矩不能增大。 2 2 3 锁止离合器的作用 交矩器是用液力来传递汽车动力的，而液压油的内部摩擦会造成一定的能量 损失，因此影响了传动效率。为提高汽车的传动效率，减少燃油消耗，现代轿车 的自动变速器采用带锁止离合器的综合式液力变矩器。 变矩器锁止离合器川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，提高汽车起步时和坏路上的加速性；在高速时，变矩器锁止离合器作用， 使软连接让位于直接的机械传动，提高传动效率，降低燃油消耗。 锁止离合器的主动盘即为变矩器壳体，从动盘是一个可作轴向移动的压盘，它 通过花键套与涡轮连接( 如图2 3 ) 。压盘背面( 如图2 3 右侧) 的液压油与变矩器 泵轮、涡轮中的液压油相通，保持一定的油压( 该压力称为变矩器压力) ；压盘左 侧( 压盘与变矩器壳体之间) 的液压油通过变矩器输出轴中间的控制油道与阀板总 成上的锁止控制阀相通。锁止控制阀由自动变速器电脑通过锁止电磁阀来控制。 2， l 一变矩器壳；2 一锁止离合器压盘；3 一涡轮；4 一泵轮；5 一变矩器轴套：6 一输出轴花键套； 7 一导轮 图2 3 带锁止离合器的综合式液力变矩器 f i g2 3t o r q u ec o n v e r t e rw i t hl o c k u pc l u t c h 自动变速器电脑根据车速、节气门开度、发动机转速、变速器液压油温度、 7 江苏大学高校教师硕士学位论文 操纵手柄位置、控制模式等因素，按照设定的锁止控制程序向锁止电磁阀发出控 制信号，操纵锁止控制阀，以改变锁止离合器压盘两侧的油压，从而控制锁止离 合器的工作。当车速较低时，锁止控制阀让液压油从油道b 进入变矩器，使锁 止离合器压盘两侧保持相同的油压，锁止离合器处于分离状态，这时输入变矩器 的动力完全通过液压油传至涡轮，如图2 嘶a ) 所示。 当汽车在良好道路上高速行驶，且车速、节气门开度、变速器液压油温度等 因素符合一定要求时，电脑即操纵锁止控制阀，让液压油从油道c 进入变矩器， 而让油道b 与泄油口相通，使锁止离合器压盘左侧的油压下降。由于压盘背面 ( 图中右侧) 的液压油压力仍为变矩器压力，从而使压盘在前后两面压力差的作 用下压紧在主动盘( 变矩器壳体) 上，如图2 4 秭所示，这时输入变矩器的动 力通过锁止离合器的机械连接，由压盘直接传至涡轮输出，传动效率为1 0 0 。 ( a ) 锁止离合器分离( b ) 锁j 卜离合器结合 1 一锁i 卜离合器压盘；2 一涡轮；3 一变矩器壳；4 一导轮；5 一泵轮；6 一变矩器输出轴； a 一变矩器出油道；b 、c 一锁止离合器控制油道 图2 4 锁止离合器- t 作原理示意图 f i g 2 4s k e t c hm a po ft h el o c k u pc l u t c hp r i n c i p l e 变矩器锁止离合器的作用条件是：汽车车速5 0k m h 或档位 3 档：汽车 的车轮制动器处于非作用状态；发动机的水温不低于规定值，通常为5 0 - - 6 0 * 0 ； 发动机的节气门开度不处于怠速状态。 8 江苏大学高校教师硕士学位论文 2 3 齿轮变速系统 液力变矩器虽能在一定范围内自动地、无级地改变扭矩比，适应汽车行驶阻 力的变化，然而由于它存在变矩能力与传动效率之间的矛盾，且变矩系数仅在 l 一3 之间，难以满足汽车实际使用的需要，为此在变矩器后面串联了齿轮变速系 统。常用的齿轮变速系统多数是行星齿轮变速系统，也有采用平行轴式齿轮变速 系统的。行星齿轮变速系统具有体积小，结构简单、操纵容易、变速比大等优点， 因而应用广泛。平行轴式齿轮变速系统目前只有日本本田公司使用，由于其使用 范围有限，在此不作赘述。 2 3 ，行星齿轮变速系统 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。简单行星齿轮机构呻3 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， 通常采用斜齿轮，以提高工作平稳性。 1 一太阳轮；2 一行星架；3 一行星轮；4 一齿圈 图2 5 单排行星轮结构 f i g 2 5p l a n e t a r yg e a rs t r u c t u r e 如图2 5 所示为一简单行星齿轮机构，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，这样被动件的转速、旋转方向就确定了。 江苏大学高校教师硕士学位论文 简单行星齿轮机构的运动特征归纳成下列几点： 1 ) 两个外齿轮相互啮合时，其转动方向相反。 2 ) 一个外齿轮与一个内齿轮相啮合时，其转动方向相同。 3 ) 小齿轮驱动大齿轮时，输出扭矩增大而输出转速降低。 4 ) 大齿轮驱动小齿轮时，输出扭矩减小而输出转速提高。 5 ) 若行星架作为被动件，则它的旋转方向和主动件同向。 6 ) 若行星架作为主动件，则被动件的旋转方向和它同向。 7 ) 在简单行星齿轮机构中，太阳轮齿数最少，行星架的当量齿数最多而 齿圈齿数则介于中间。( 注：行星架的当量齿数= 太阳轮齿数十齿圈齿数。) 8 ) 若行星齿轮机构中的任意两个元件同速同方向旋转，则第三元件的转速 和方向必然与前两者相同，即机构锁止，成为直接档。 实际上简单行星齿轮机构还有一个很重要的特征，即，允许同时两件作为主 动件输入，而被动件照样有唯一的输出，这是行星齿轮机构的个十分重要的特 征，而且在自动变速器上被广泛采用。 2 3 2 变速执行元件 行星齿轮机构若要实现传动比的变换或者输出轴旋转方向的变化，通常采用 的措施是改变主、被动件的关系，另一个措施是改变固定的元件，通过不同的组 合方式可获得不同的传动比和旋转方向。使传动比和旋转方向产生变化的元件称 为变速执行元件，它们分别是多片离合器、制动器( 制动箍带和伺服油缸) 、单 向离合器。其中前两种需要液压控制，而单向离合器是机械结构，固定旋转件仅 仅取决于旋转方向。 1 ) 多片式离合器 多片离合器的功能是进行动力切换，变速器的输入动力来自变矩器涡轮轴， 为了实现档位状态的变化，它可连接轴和行星排的某个元件，或将行星排的某两 个元件连在一起，成为一个整体转动。现代汽车中都采用多片式离合器，由离合 器鼓、离合器活塞、离合器毂、回位弹簧、弹簧座、一组钢片( 主动片) 、一组 摩擦片( 从动片) 、密封圈等组成，如图2 6 ( a ) 所示。 离合器活塞安装在离合器鼓内，它是一种环状活塞，由活塞内外圆的密封圈 保证其密封，从而和离合器毂一起形成一个封闭的环状液压缸，并通过离合器内 1 0 江苏大学高校教师硕士学位论文 圆轴颈上的进油孔和控制油道相通。钢片和摩擦片交错排列，两者统称离合器片， 摩擦片内圈有花键齿，可轴向移动，并可与毂连成一体。钢片与毂相连，可使鼓 与毂一体运动。摩擦片两面均为摩擦系数较大的铜基粉末冶金层或合金纤维层。 离合器工作过程如图2 6 ( b ) 所示，当需要离合器连接主、从动件时，来自 控制阀的油液进入离合器液压缸，油压推动活塞克服弹簧的弹力将钢片和摩擦片 相互压紧在一起，利用两者问的摩擦力连接两元件，此时，离合器处于接合状态。 当需要断开两元件时，液压系统解除液压油从油孔排出。此时，钢片与摩擦片相 互分开两者无压紧力，离合器处于分离状态。 ( a ) ( b ) 卜离合器鼓；2 一挡圈、3 一密封圈：4 一离合器活塞；5 一回位弹簧；6 一弹簧座；7 一# 环；8 一钢 片：9 一摩擦片；1 0 一挡圈；1 2 - j l - 推轴承：1 3 - 离合器毂：1 4 - 行星齿轮变速器输人轴；1 5 - 油 道：1 6 一单向阀；1 7 一前行星排行星架；1 8 一行星齿轮变速器输出轴 图2 6 多片式离合器 f i g 2 6m u l t i p l a t ec l u t c h 江苏大学高校教师硕士学位论文 2 ) 单向离合器 单向离合器的作用是依靠单向锁止原理来发挥固定或连接作用，其固定和连 接也只能单方向。常见型式有：滚柱斜槽式和楔块式两种，如图2 7 所示。 滚柱式单向离合器利用弹簧把滚柱固定在离合器内外座圈之间适当位置。外 座圈的内表面有若干个凸轮状缺口，滚柱在弹簧力作用下，使其介于内座圈和缺 口表面之间，当某一座圈固定，而另一座圈以一定方向转动时，滚柱楔紧在缺口 滚道的狭窄端，则旋转座圈也锁止。当该座圈朝相反方向旋转时，滚柱朝缺口滚 道较宽端运动，滚柱和缺口滚道无楔紧趋势，该座圈能自由转动。如图2 7 ( a ) 所示。 楔块式单向离合器包括内外座圈和介于座圈间的8 字形的金属楔块。当其中 一个座圈固定，而另一座圈往某一方向旋转时，其结果使8 字形楔块竖起，楔紧 内外座圈表面，则旋转座圈锁止。当该座圈以相反方向旋转，使楔块倒下，没有 楔紧内外座表面的趋势，那么该座圈可以自由转动。如图2 7 ( b ) 所示。 ( a ) 滚柱式单向离合器( b ) 凸块式单向离合器 卜轮毂：2 一轮鼓；3 一滚柱；4 一弹簧；5 一凸块 图2 7 两种形式的单向离合器 f i g2 7t w ot y p e so f t h eo n e - w a yc l u t c h 3 ) 制动器 行星齿轮机构中的三大构件，都允许自由旋转，但为了要实现某一档位的变 1 2 江苏大学高校教师硕士学位论文 换，需要把其中的一件加以固定，承担该任务的就是制动器。其主要形式有片式 和带式两种9 j 。片式制动器的结构与多片式离合器大致相同，只需将离合器鼓换 成变速器壳体即可，在此不再赘述。 带式制动器由制动箍带和伺服油缸组成，如图2 8 所示，该图反映了该装置 的工作原理。 释放 作用 卜轮毂旋转；2 一制动带；3 一轮毂；4 、伺服油缸 图2 8 制动带和伺服油缸 f i g2 8b e l tb r e a ka n ds e r v oc y li n d e r 制动带是一种围绕在制动鼓外面可收拢的制动组件。每个制动鼓与行星齿轮 机构的某一元件连成整体，锁止制动鼓就是固定行星齿轮机构的一个构件。制动 带是衬有半金属或有机摩擦材料的简单挠性金属带。当伺服油缸给制动带作用力 时，制动带箍紧制动鼓，行星齿轮机构某一构件的旋转也随之被固定。为了释放 制动带，作用在伺服活塞上的液压油通过控制阀改变液体的流动方向，和回油道 相通，伺服活塞在回位弹簧力的作用下回到初始位置，制动带释放。 2 3 3 行星齿轮变速器 自动变速器中的行星齿轮机构是由两排或三排以上的简单的行星齿轮机构 组成的，可组成具有适当传动比的变速器，通常具有三个前进档或四个前进档及 一个倒档。常见的有：拉维奈行星齿轮机构和辛普森行星齿轮机构。 1 ) 拉维奈行星齿轮机构 江苏大学高校教师硕士学位论文 图2 9 所示为拉维奈三档1 0 3 行星齿轮机构的结构图，它由双排的行星齿轮 机构组成具有大、小两个太阳轮、三个长行星轮和三个短行星轮并共用同一 行星架，仅有一个齿圈并和输出轴连接。齿圈为输出元件，大小太阳轮和行星 架为驱动元件。它的前排是一个简单行星齿轮机构，而后排则是一个双行星轮 的齿轮机构。 b 2 卜输入轴；2 一第二太阳轮：3 一主太阳轮；4 一第二行星轮；5 一主行星轮；6 一行星架；7 一齿圈； 8 一输出轴；c 卜前多片离合器；c 2 一后多片离合器；b i - 前制动带；b 2 - 后制动带；f i - 单向离 合器 图2 9 拉维奈行星齿轮结构示意图 f i g 2 9r a g v i n g e a u xp l a n e t a r yg e a rs k e t c hm a p 该机构的变速执行元件有五件，前多片离合器c l ，后多片离合器c 2 ，前制 动带b l ，后制动带b 2 ，单向离合器f 1 。其作用如下： 前多片离合器c l 作用：把来自输入轴( 涡轮轴) 的输入动力接到后排主太 阳轮。 后多片离合器c 2 作用：把来自涡轮轴的输入动力接到前排第2 太阳轮。 前制动带b 1 作用：固定第2 太阳轮不动，结果第2 行星轮围绕第2 太阳轮 外缘转动，行星齿轮机构作用。 后制动带b 2 作用：固定行星架不动，结果行星轮仅作为过渡轮，它绕自己 轴线转动。 单向离合器f l 作用：固定行星架不动，使单向离合器在逆时针转动时有自 行锁止的功能。它具有后制动带作用时的同样功能。 1 4 江苏大学高校教师硕士学位论文 德系车上较多采用了这一类型的齿轮变速器，如z f 公司的5 h p 1 9 型5 档自 动变速器n 订( 大众公司的服务名称为0 1 v ) 大量配备在奥迪a 6 、a 4 和帕萨特b 5 等车型上。5 h p - 1 9 型自动变速器行星齿轮机构与换挡执行元件的布置如图2 1 0 所示，其行星齿轮机构由一个主行星齿轮组( 拉维奈式行星齿轮组) 和一个次行 星齿轮组( 简单的单排单级行星齿轮机构) 组合而成，其构件包括小中心齿轮、 大中心齿轮、共用内齿圈、前行星架后接太阳轮和后行星架( 最终输出端) 。换 挡执行元件包括4 个片式离合器a 、b 、e 、f 和3 个片式制动器c 、d 、g 和1 个 单向离合器f f 。 图2 1 0z f s h p - 1 9 型自动变速器结构示意图 f i g 2 1 0p l a n e t a r yg e a rs k e t c hm a po fz f 5 h p 一1 9 上图中各换档执行元件的作用为： 离合器a ：驱动大中心齿轮； 离合器b ：驱动小中心齿轮； 离合器e ：驱动前行星齿轮； 离合器f ：驱动后接中心齿轮； 制动器c ：固定小中心齿轮； 制动器d ：固定前行星架； 制动器g ：固定后接中心齿轮； 单向离合器f f ：单向固定前行星架 2 ) 辛普森f 1 2 l 三档行星齿轮机构 这种著名的行星齿轮机构以设计发明者h w s i m p s o n 工程师命名，从2 0 世纪4 0 年代至今广泛采用于世界各国的汽车自动变速器中，它的特点是由两个 齿轮参数完全相同的行星排组成，见图2 1 l 。整个机构有齿圈，六个相同的行 1 5 江苏大学高校教师硕士学位论文 星轮和一个供两个行星排合用的加长太阳轮( 故又称共同太阳轮行星齿轮机构) ， 它的前行星架和后齿圈为同一构件，并且和输出轴连接。该机构可组成三个前进 档和一个倒档。 图2 1 i 辛普森行星齿轮机构 f i g2 11s i m p s o np l a n e t a r yg e a rs e t 辛普森行星齿轮机构设置了五个变速执行元件：c 1 前多片离合器，c 2 后多片 离合器、b 1 前制动带，b 2 后制动带、f 1 单向离合器。五个变速执行元件的作用 效果如下。 c l 前多片离合器作用：把来自涡轮输出轴的动力接通至太阳轮。 c 2 后多片离合作用：把来自涡轮输出轴的动力接通至前排齿圈。 b l 前制动器作用：固定太阳轮。 b 2 后制动器作用：固定后行星架。 f l 单向离合器作用：固定后行星架。 3 ) 辛普森式四档行星齿轮变速器 2 0 世纪8 0 年代后，越来越多的轿车自动变速器采用了辛普森式四档行星齿 轮变速器u 引，其最高档4 档是传动比小于1 的超速档。这种自动变速器在辛普森 式三档变速器原有的双排行星齿轮机构的基础上再增加一个单排行星齿轮机构， 用三个行星排组成四个前进档的行星齿轮变速器。 其优点是除了能降低汽车燃油消耗外，还可以使发动机经常处于较低转速的 运转工况，以减小运转噪声，延长发动机的使用寿命。 7 1 6 江苏大学高校教师硕士学位论文 卜输入轴；2 一超速行星排；3 一中间轴；4 一前行星排；5 一后行星排；6 一输出轴； c o ：直接档离合器；c 1 ：倒档及高档离合器：c 2 前进档离合器；即：超速档离合器；b 1 ： 2 档制动器；b 2 ：低档及倒档离合器；b 3 ：2 档强制制动器；f 0 ：直接档超越离合器；f 1 ： 低档单向离合器；f 2 2 档单向离合器 。 图2 1 2 四档辛普森式行星齿轮机构 f i g 2 1 2s i m p s o np l a n e t a r yg e a rs e tw i t hf o u r - s h i f t 这种四档变速器是在原辛普森式三档行星齿轮变速器的主要结构和大部分 零部件的基础上，另外再增加一个单排行星齿轮机构和相应的换档执行元件来产 生超速档。这个单排行星齿轮机构称为超速行星排，装在行星齿轮变速器的前端， 如图2 1 2 所示。其行星架是主动件，与变速器输入轴连接；齿圈则作为被动件， 与后面的双排辛普森行星齿轮机构连接。超速行星排的工作由直接多片离合器 c o 和超速制动器b o 来控制，c o 用于将超速行星排的太阳轮和行星架连接， b o 用于固定超速行星排的太阳轮。根据行星齿轮变速器的变速原理，当b o 放松、 c o 接合时，超速行星排处于直接传动状态，其传动比为l 。当b o 制动，c o 放松 时，超速行星排处于增速传动状态，其传动比小于1 。 当行星齿轮变速器处于l 档、2 档、3 档或倒档时，超速行星排中的超速制 动器b o 放松，直接多片离合器c o 接合，使超速行星排处于传动比为l 的直接传 动状态，而后半部分的双排行星齿轮机构各换档执行元件的工作和原辛普森式三 档行星齿轮变速器在1 档、2 档、3 档及倒档的工作完全相同。来自变矩器的发 动机动力经超速行星排直接传给后半部的双排行星齿轮机构，此时行星齿轮变速 器的传动比完全由后半部的双排行星齿轮机构及相应的换档执行元件来控制。当 1 7 江苏大学高校教师硕士学位论文 行星齿轮变速器处于超速档时，后半部的双排行星齿轮机构保持在3 档的工作状 态，其传动比为l ；而在超速行星排中，由于超速制动器肋产生制动，直接多 片离合器c o 放松，使超速行星排处于增速传动状态，其传动比小于l ( 该传动 比即为该行星齿轮变速器在超速档时的传动比) 。 目前还有不少自动变速器采用了改进型辛普森行星齿轮机构，由于其内部没 有单向离合器，使变速器的结构紧凑、质量轻、且换挡零件数目减少，使拖滞损 耗降低，传动效率增高，如4 h p - 1 6 自动变速器u 刮采用的双排辛普森行星齿轮机 构，即后排行星架与前排齿圈为一体；后排齿圈与前排行星架为一体，是动力输 出端：前、后排两个太阳轮独立。 叫， f ：制动器f ；d ：制动器d ；c ：制动器c ；e ：离合器e ；b ：离合器b 图2 1 34 h p 一1 6 自动变速器结构示意图 f i g 2 1 3s k e t c hm a po f4 h p 一1 6a t 换档执行元件元件的作用为： 离合器b ：驱动后排太阳轮； 离合器e ：驱动后排行星架前排齿圈 制动器c ：固定后排太阳轮； 制动器d ：固定后排行星架前排齿圈； 制动器f ：固定前排太阳轮。 2 4 自动变速器的控制系统 自动变速器中各换档执行元件的工作与否受控于液体介质的流动方向和压 力，即液压控制系统。而液体介质的流动方向和压力又受控于电控系统中阀体的 1 8 江苏大学高校教师硕士学位论文 作用。 2 4 1 液压控制系统 液压控制系统由油泵和控制阀体等到组成。液压系统的动力源一油泵由变矩 器泵轮驱动，除了向控制机构供给压力油以实现换档外，还向液力变矩器提供油 液进行冷却和补偿，同时向行星齿轮提供油液进行润滑。控制阀体包括主油路调 压装置、换档信号装置、换档阀和手动阀、换档品质控制装置、变矩器控制装置 等。 1 ) 油泵 油泵的作用是：向液力变矩器、控制系统、换档执行机构和需要润滑的摩擦 副供给润滑液。油泵通常安装在变矩器后端并由其驱动。 出 1 一油泵进油；2 一油泵出油；3 一前盖：4 一导轮固定轴；5 一泵体；6 一驱动凸缘；7 一从动 轮：8 一主动轮；9 一月牙型隔离块；1 0 一从动齿；l l 一主动轮 图2 1 4 内啮合齿轮泵结构原理图 f i g 2 1 4i n n e r m e s h e dg e a rp u m ps k e t c hm a p 在轿车自动变速器中，最常用的油泵是内啮合齿轮泵，如图2 1 4 所示，其 中一个是内齿轮而另外一个是外齿轮，两齿轮的接合区域形成了月牙状的空腔， 由此也叫月牙泵。齿数少的外齿轮带动齿数多的内齿轮转动，内外齿轮部分啮合。 当外齿轮转动时，内外齿轮不断地进入和脱离啮合。当轮齿脱离啮合时，在齿轮 间产生低压，从而在月牙型油泵入口处形成真空，则油底壳的油液在大气压力的 推动下，进入油泵的月牙状的容积腔内。当齿轮转动时，在齿轮和月牙型腔内充 满了油液，油液在齿轮的带动下，沿着壳体不断地向出口运送。当液体位于出口 处时，由于在这个位置上两齿轮刚好进入啮合状态，轮齿之间的间隙逐渐变小， 因此使油液的压力逐渐随之增高，迫使油液从出口处排出，不断流向变速器的液 1 9 江苏大学高校教师硕士学位论文 压回路。 2 ) 主油路调压阀 主油路调压阀的作用1 5 1 是根据汽车行驶车速和节气门开度的变化，自动调 节流向各液压系统的油压，以保证各液压系统油压稳定。 主油压1 6 1 是自动变速器内最基本、最重要的油压，是自动变速器内所有离 合器、制动器的工作油压，也是自动变速器所有其他控制油压的压力源。主油压 过高，会造成所有档位都有换档冲击；主油压过低，会造成所有离合器、制动器 打滑：没有主油压，自动变速器为空档，汽车无法行驶。 主调压阀 l 一主滑阀；2 一副滑阀；3 一弹簧 图2 1 5 主调压阀的i ：作原理 f i g 2 1 5p r i n ci p l eo f t h em a i np r e s s u r ev a l v e 主调压阀的结构如图2 1 5 所示。前进档时，主调压阀- n 是油泵油压，另 一侧是节气门油压和调压弹簧，当油泵油压大于节气油压和调压弹簧时，主调压 阀下移，进入泄油状态，油泵油压降低后，节气门油压和调压弹簧又推动阀体上 移，停止泄油。主调压阀就是通过不断的保压、泄压，把油泵的油压调节成离合 器和制动器的工作油压一主油压。调压弹簧的预紧力是固定的，所以，前进档时 主油压的高低由节气门油压控制，节气门油压越高，主油压就越高。同时，节气 门油压也与车速有关，所以也受车速的影响，车速升高时，主油压适当降低，以 达到节油和减轻油泵负荷的作用。 江苏大学高校教师硕士学位论文 3 ) 节气门阀 节气门阀受发动机加速踏板控制，随节气门开度