自动变速器的构造原理详解版ppt课件.ppt

第2章自动变速器的构造与工作原理 1 自动变速器具有自动变速 连续变扭矩 换挡时不中断动力传递 操作轻便 换挡平稳 过载保护 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货车都装有自动变速器 2 2 1自动变速器的总体构造 3 不同车型的自动变速器在结构上往往有很大的差异 但总体来说 主要包括 液力变矩器 齿轮变速器 油泵 控制系统 手控连杆机构 冷却系统 壳体等几个部分 4 一 液力变矩器 液力变矩器位于自动变速器的最前端 安装在发动机的飞轮上 它利用液力传动的原理 将发动机的动力传给自动变速器的输入轴 它具有以下作用 起到自动离合器的作用 传递或不传递发动机扭矩至变速器 减速增扭 5 实现无级变速 缓和冲击 驱动控制系统的油泵 起到飞轮的作用 使发动机转动平稳 6 二 齿轮变速器 它是自动变速器的主要组成部分 包括齿轮变速机构和换挡执行机构 常用的齿轮变速器主要有行星齿轮式和普通齿轮式两种 其作用是进一步扩大液力变矩器传递过来的转速 扭矩的变化范围 并使自动变速器具有空挡和倒挡 用以中断动力传递和实现倒车 7 三 油泵 油泵通常安装在液力变矩器之后 由飞轮通过液力变矩器壳直接驱动 为液力变矩器 控制系统及换挡执行机构的工作提供一定压力的液压油 8 四 控制系统 自动变速器的控制系统有液力式和电液式两种 液力式控制系统包括由许多控制阀组成的阀板总成以及液压管路 电液式控制系统除了阀板总成及液压管路之外 还包括电子控制单元 传感器 执行器及控制电路等 阀板总成通常安装在齿轮变速器下方的油底壳内 9 驾驶员通过操纵手柄改变手动阀的位置 控制系统根据手动阀位置 节气门开度 车速等因素 利用液压自动控制和电子自动控制原理 按照一定的规律控制齿轮变速器中的换挡执行机构的工作 实现自动换挡 它影响自动变速器的功能和性能 10 五 手控连杆机构 这些连杆机构为操纵手柄及其缆绳 加速踏板和节气门缆绳 操纵手柄它通过一根缆绳和一连杆机构与自动变速器连接 驾驶员通过操纵手柄可以选择行驶方式 11 12 位 停车挡 当操纵手柄位于该位置时 自动变速器将机械地锁止输出轴 使驱动轮不能转动 防止汽车移动 如图 所示 同时换挡执行机构使自动变速器处于空挡状态 该位置可以起动发动机 当操纵手柄移开该位置时 停车锁止机构即被释放 13 位 空挡位 当操纵手柄位于该位置时 换挡执行机构的动作和停车挡几乎相同 也是使自动变速器处于空挡状态 此位置可以起动发动机 此时发动机的动力虽经输入自动变速器 但只能使之空转 输出轴无动力输出 14 位 倒车挡 当操纵手柄位于该位置时 自动变速器中输入轴的转动方向与输出轴的转动方向相反 可以用于实现停车 15 位 前进挡 轿车自动变速器的操纵手柄位于该位置时 可以实现 个不同传动比的挡位 即 挡 挡 挡和超速挡 超速挡的传动比小于 操纵手柄位于该位置时 自动变速器的液力式或电液式控制系统能根据车速 节气门开度等因素的变化 按照设定的换挡规律 自动变换挡位 该挡位可用于在一般道路上行驶或小坡道行驶时采用 16 位 前进低挡 操纵手柄位于该位置时 自动变速器的控制系统将限制前进挡的变化范围 自动变速器只能在 挡 挡之间自动换挡 有的自动变速器 位置锁定在 挡 17 位 前进低挡 当操纵手柄位于该位置时 自动变速器的控制系统将限制前进挡的变化范围 自动变速器只能在 挡 挡之间自动换挡或只能保持在 挡 该位适用于陡坡或路况较差的道路上行驶时采用 18 2 加速踏板 加速踏板通过加速缆绳和节气门连接 加速踏板踩下的角度即节气门的开度被准确地传递到自动变速器 自动变速器根据节气门的开度来进行换挡控制和主油路压力控制 19 六 冷却系统 液力变矩器在传递动力的过程中 因传动效率低 从而使部分能量转换为液压油的热能 会使液压油的温度急剧升高 油温是影响自动变速器使用寿命的主要因素 油温过高 使油液变质 缩短使用寿命 保持正常的油温 从液力变矩器出来的液压油需经冷却后回油底壳或去润滑行星齿轮机构 油冷却器位于发动机前端水冷却器的附近 20 七 壳体 壳体是自动变速器的安装基础件 自动变动器的行星齿轮机构 执行机构 阀板总成 油泵等都是安装在壳体上 同时壳体上还加工有油道以及测压孔 另外壳体设有通风塞 以防止壳体内压力过高 21 2 2液力传动装置 22 汽车上所采用的液力传动装置有液力偶合器和液力变矩器 两者均是利用液体在循环流动过程中液流动能的变化来传递动力的 即动液传动 俗称液力传动 现代的汽车尤其是轿车上广泛采用了液力变矩器 23 一 液力偶合器 1 液力偶合器的结构 24 发动机曲轴凸缘上装有外壳 泵轮与外壳连接 或焊接 在一起 随曲轴一起转动 为液力偶合器的主动部分 与泵轮相对安装的涡轮 与输出轴连接在一起 为液力变矩器的从动部分 25 泵轮与涡轮里面有许多半圆形的径向叶片 两轮装合后的相对端面之间有 mm的间隙 其轴线断面的内腔共同构成圆形或椭圆形的环状空腔 此环状空腔称为循环圆 循环圆内充满了液压油 两轮的每两个相邻叶片之间形成液流通道 26 2 液力偶合器的工作原理 发动机曲轴驱动泵轮时 泵轮内部的液压油也被叶片带动一起旋转 使工作油液获得了绕轴线作圆周运动的能量 同时又产生了离心力 液压油沿泵轮叶片间的通道向外缘流动 此时 泵轮外缘液压油的压力高于内缘液压油的压力 如果此时充满液压油的涡轮处于静止状态 或者其转速低于泵轮的转速 则泵轮外缘液压油的压力就高于涡轮外缘液压油压力 27 泵轮内缘液压油的压力就低于涡轮内缘液压油的压力 由于泵轮和涡轮封闭在同一壳体内 于是被甩到泵轮外缘的液压油在压力差的作用下 冲入涡轮外缘 沿着涡轮叶片向内缘流动 再回到泵轮的内缘 而后又被泵轮再次甩到外缘并冲击涡轮的叶片 28 液压油就靠泵轮内产生的离心力而冲向涡轮 并在泵轮与涡轮之间作循环流动 于是就将在泵轮内获得的圆周运动的能量传给涡轮 驱动涡轮旋转而输出 29 在两轮中的液压油 除了随两轮沿其轴线转动外 还在循环圆内沿叶片作循环运动 如图 a所示 这两种运动的合成形成了一条首尾相接的环形螺旋线 如图 b所示 a b 30 作环流运动的液压油不断地把能量从泵轮传给涡轮 液压油将能量从泵轮传给涡轮的关键在于液压油作环流运动 而产生环流运动的条件是泵轮与涡轮之间存在转速差 31 转速差越大 液压油传递的扭矩越大 若两者转速相同 离心力相同 压力差等于零 循环圆的流动停止 此时液力偶合器不能起传递力矩的作用 32 液力偶合器的传动效率为涡轮轴上的输出功率Pw与泵轮上的输入功率Pb之比用 表示 Pw Pb w nw b nb 因 b w故 nw nb i式中nb 泵轮转速 nw 涡轮转速 i 液力偶合器的传动比 即输出轴转速与输入轴转速之比 33 说明液力偶合器的传动效率等于其传动比 而传动比随两轮的转速差变化 汽车起步时 nw为零 也就等于零 此时虽然涡轮轴上获得的扭矩最大 但无功率输出 在汽车起步加速过程中 nw逐渐升高 也随之升高 但传递的扭矩在减小 且 永远无法达到100 34 缺点由于液力偶合器不能改变扭矩的大小 它虽能使汽车平稳起步 加速 减少传动系的冲击载荷 但结构复杂 成本高 效率低 而且不能完全切断动力 必须装有离合器才能平顺换挡 所以很少采用 35 二 液力变矩器 1 液力变矩器的结构变矩器由泵轮 涡轮和导轮三个基本元件以及外壳组成 36 各工作轮用铝合金精密铸造 或用钢板冲压焊接而成 泵轮与变矩器外壳连成一体 用螺栓固定在发动机曲轴后端的凸缘上 壳体做成两半 装配后焊成一体 有的用螺栓连接 涡轮通过从动轴与传动系的其他部件相连 导轮则固定在不动的套管上 所有工作轮在装配后 形成断面为循环圆的环状体 37 2 液力变矩器的工作原理 液力变矩器的工作原理可以用两台电风扇作形象描述 一台电风扇接通电源就像变矩器中的泵轮 另一台电风扇不接电源就像变矩器中的涡轮 将两台电风扇对置 当接通电源的电风扇旋转时 产生的气流可以吹动不接电源的风扇使其转动 这样两个电风扇就组成了偶合器 它能够传递扭矩 但不能增大扭矩 38 如果添加一个管道 空气就会从后面通过管道 从没有电源的电风扇回流到有电源的电风扇 这样会增加有电源电风扇吹出的气流 在液力变矩器中 导轮起到了这种管道的作用 39 变矩器起动时 从泵轮喷射出的自动变速器油ATF流入静止的涡轮中形成环流 当泵轮转速增高时 环流作用使涡轮的扭矩增大 涡轮开始缓慢地旋转 并逐渐加快 缩小了泵轮的转速差而提高了传动效率 此时是没有导轮的情况 相当于液力偶合器 当在泵轮和涡轮中安装了导轮后 当涡轮转动时 从涡轮流出的自动变速器油ATF有残留的动能 通过导轮加在泵轮上从而增大扭矩 40 泵轮与涡轮的转速差越大 扭矩增大也越快 液力变矩器之所以能起变矩作用 就是由于结构上比液力偶合器多了一个导轮 在自动变速器油ATF循环流动的过程中 固定不动的导轮给涡轮一个反作用力矩 使涡轮输出的扭矩不同于泵轮输入扭矩 41 3 综合式液力变矩器 图 6所示为一种典型轿车用综合式液力变矩器 它与液力变矩器的区别在于导轮是用单向离合器与固定的套管相连 42 43 单向离合器也称单向超越离合器或自由轮机构 常见的单向离合器如图2 7所示 它由外座圈 内座圈 滚柱和不锈钢叠片弹簧组成 外座圈与导轮以铆钉或花键相连 内座圈与固定套管以花键相连 固定套管固定在自动变速器壳体上 因此内座圈是固定不动的 外座圈的内表面有若干偏心的圆弧面 叠片将滚柱压向内 外座圈之间滚道比较狭窄的一端 从而将内外两座圈楔紧 44 当涡轮转速较低 由于涡轮与泵轮相对安装 油液按顺时针方向从涡轮流出冲击导轮叶片的正面 力图使导轮按顺时针方向 虚线箭头所指 转动 此时 滚柱被楔紧在滚道 45 当涡轮转速上升到一定值时 液流冲击导轮的背面 使导轮相对于内座圈按逆时针方向 实线箭头所指 转动 滚柱被挤向滚道宽的一端 单向离合器外座圈松开 导轮成为自由轮 与涡轮作同向旋转 液流不再有反作用力矩 此时 液力变矩器相当于只有泵轮和涡轮工作 如同液力偶合器一样 这种可以转入液力偶合器工况工作的液力变矩器称为综合式液力变矩器 46 47 液力变矩器效率 b与液力偶合器效率 a随传动比i变化的规律如图 8所示 48 在传动比i i 1 变矩系数 时的传动比 范围内 液力变矩器的效率高于液力偶合器 当i i 1 b下降而 a却继续增高 综合式液力变矩器即在低速时按液力变矩器特性工作 而当传动比达到iK时 转为按液力偶合器特性工作 从而扩大了高效率的范围 如图2 8上实线所示 变矩系数 随传动比变化的曲线 49 4 带锁止离合器的液力变矩器 因液力变矩器的涡轮和泵轮之间存在转速差和液力损失 液力变矩器的传动效率不如机械传动效率高 50 故采用液力变矩器的汽车在正常行驶时的燃油经济性较差 为提高变矩器在高传动比工况下的效率可采用带锁止离合器的液力变矩器 如图2 9所示 51 这种由液压油操纵的锁止离合器的主动盘即为变矩器的壳体 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 52 压盘右侧的液压油与液力变矩器泵轮 涡轮中的液压油相通 压盘左侧的液压油通过液力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 53 锁止控制阀由自动变速器电子控制单元通过锁止电磁阀来控制 54 55 56 自动变速器电子控制单元根据车速 节气门开度 发动机转速 液压油温度 操纵手柄位置 控制模式等因素 按设定的锁止程序向锁止电磁阀发出控制信号 操纵锁止控制阀 改变压盘两侧的油压 从而控制锁止离合器的工作 锁止离合器的控制 57 当满足锁止条件时 锁止控制阀让液压油从油道B进入 使压盘两侧保持相同的油压 锁止离合器处于分离状态 动力由液压油传给涡轮 如图2 10a所示 58 当满足锁止条件时 锁止控制阀让液压油从油道 进入液力变矩器 而让油道 与泄油口相通 使压盘在左 右两侧压力差的作用下压紧在主动盘上 如图 10b所示 59 这时 输入液力变矩器的动力通过锁止离合器的机械连接 由压盘带动涡轮输出 液力变矩器中因泵轮和涡轮的转速相同不起液力传动作用 故传动效率为100 提高了燃油的经济性 60 61 62 63 2 4行星齿轮装置 64 液力变矩器虽能在一定范围内自动地 无级改变扭矩和转速比 缺点 存在传动效率低的缺点 且变矩范围最多只能达到 倍 难以满足汽车实际使用要求 因此 它在自动变速器中的主要作用是使汽车起步平稳 并在换挡时减缓传动系的冲击载荷 汽车上采用液力变矩器与齿轮变速器串联组成的液力机械传动 齿轮变速器的作用是使扭矩 转速再扩 倍的变化范围 同时实现倒挡和空挡 65 自动变速器中采用的齿轮变速器有普通齿轮式和行星齿轮式两种 目前 绝大多数轿车自动变速器中的齿轮变速器为行星齿轮式 只有少数车型采用普通齿轮式 66 1 行星齿轮机构的组成 最简单的行星齿轮机构由一个太阳轮 一个内齿圈 一个行星架及若干个行星齿轮组成 一般称为单排行星齿轮机构 太阳轮 齿圈和行星架是行星排的三个基本构件 并且它们具有公共的固定轴线 一 行星齿轮机构结构与工作原理 67 行星齿轮机构安装于行星架的行星齿轮轴上 与齿圈和太阳轮两者啮合 行星齿轮既可绕行星齿轮轴自转 又可在齿圈内行走 绕太阳轮公转 如图2 12所示 这种运动方式 有两个自由度 图2 12行星齿轮机构1 齿圈 2 行星齿轮 3 行星架 4 太阳轮 68 按齿轮排数的不同 行星齿轮机构分为单排行星齿轮机构和多排行星齿轮机构 图2 13a为单排行星齿轮机构 图2 13b为多排行星齿轮机构 它由几个单排行星齿轮机构组成 自动变速器中的行星齿轮变速器采用的就是多排行星齿轮机构 图2 13行星齿轮机构简图1 太阳轮 2 齿圈 3 行星架 4 行星齿轮 69 按照太阳轮和齿圈之间行星齿轮的组数不同 又分为单星行星排和双星行星排 双星行星排在太阳轮和齿圈之间有两组互相啮合的行星齿轮 其中外面一组行星轮与齿圈啮合 里面一组行星轮与太阳轮啮合 如图2 14所示 图2 14双星行星排1 太阳轮 2 齿轮 3 行星架 4 外行星齿轮 5 内行星齿轮 70 71 2 单排行星齿轮机构变速原理 设太阳轮 齿圈和行星架的转速分别为n1 n2和n3 齿圈与太阳轮的齿数比为 则根据能量守恒定律 由作用在该机构各元件上的力矩和结构参数可导出表示单排行星齿轮机构一般运动规律的特性方程式 n1 n2 1 n3 0 72 由上式可知 由于单排行星齿轮机构具有两个自由度 在三个基本件中 任选两个分别作为主动件和从动件 而使另一元件固定不动 该元件转速为 或使其运动受到一定的约束 该元件的转速为定值 则机构只有一个自由度 整个轮系将以一定的传动比传递动力 73 太阳轮为主动件 行星架为从动件 齿圈固定 如图所示 特性方程中n2 0 因此有 n1 1 n3 0 传动比 i n1 n3 1 传动比i大于 且为正值 因此同向降速 74 齿圈为主动件 行星架为从动件 太阳轮固定 如图所示 特性方程中n 0 因此有 n 1 n 0传动比 i n n 1 传动比大于1且为正值 因此同向降速 75 行星架为主动件 齿圈为从动件 太阳轮固定 如图所示 特性方程中n 0 因此有 n 1 n 0传动比 i n n 1 1传动比小于1且为正值 因此同向增速 76 太阳轮为主动件 齿圈为从动件 行星架固定 如图所示 特性方程中n 0 因此有 n n 0传动比 i n n 因传动比为负值 所以反向传力 77 任意两元件互相连接 任意两元件互相连接 也就是说n n 或n n 则由运动特性方程可知 第三个基本元件的转速必与前两个基本元件的转速相同 即行星排按直接挡传动 传动比i 1 78 任一个为主动件 任一个为主动件 无夹持部件 该机构有两个自由度 因此不论以哪两个基本元件为主动件 从动件 都不能传递动力 处于空挡状态 79 3 双星行星排行星齿轮机构的变速原理 设太阳轮 齿圈和行星架的转速分别为n n 和n 齿圈和太阳轮的齿数比为 则该行星齿轮的一般运动规律的特性方程式为 n n 1 n 0它与单排行星轮机构有所不同 但当其中一元件受约束 另外两个基本元件一个主动 一个从动时 依然可按照前述方法计算传动比和判别旋转方向 80 行星齿轮变速器中所有的齿轮都是处于常啮合状态 其挡位变换必须通过以不同的方式对行星齿轮机构的基本元件进行约束 即固定或连接某些基本元件 来实现 能对这些基本元件实施约束的机构 就是行星齿轮变速器的换挡执行机构 行星齿轮变速器的换挡执行机构由离合器 制动器 单向离合器三种执行元件组成 起连接 固定和锁止作用 二 换挡执行机构的结构和工作原理 81 连接是指将行星齿轮变速器的输入轴与行星排中的某个基本元件连接 以传递动力 或将前一个行星排的某一个基本元件与后一个行星排的某一个基本元件连接 以约束这两个基本元件的运动 固定是指将行星排的某一基本元件与自动变速器的壳体连接 使之被固定住而不能旋转 锁止是指把某个行星排的三个基本元件中的两个连接在一起 从而将该行星排锁止 换挡执行元件按一定的规律对行星齿轮机构的某些基本元件进行连接 固定或锁止 让行星齿轮机构获得不同的传动比 从而实现挡位的变换 82 作用 连接轴和行星排的某个基本元件 或将行星排的某两个基本元件连接成一体 使之成为一个整体转动 1 离合器结构和工作原理 83 自动变速器中所用的离合器为湿式多片离合器 它通常由离合器鼓 离合器活塞 回位弹簧 弹簧座 一组钢片 一组摩擦片 调整垫片 离合器毂及几个密封圈组成 84 85 86 钢片和摩擦片交错排列 两者统称为离合器片 钢片的外花键齿安装在离合器鼓的内花键齿圈上 可沿齿圈键槽作轴向移动 87 摩擦片由其内花键齿与离合器毂的外花键齿连接 也可沿键槽作轴向移动 摩擦片的两面均为摩擦片系数较大的铜基粉末冶金层或合成纤维层 88 离合器鼓或离合器毂分别以一定的方式和变速器输入轴或行星排的某个基本元件相连接 一般离合器鼓为主动件 离合器毂为从动件 89 当来自控制阀的液压油进入离合器液压缸时 油压推动活塞克服弹簧的作用力将钢片和摩擦片相互压紧在一起 利用两者间的摩擦力使离合器鼓和离合器连接为一个整体 使输入轴和行星排的某基本元件连接在一起 此时离合器处于接合状态 90 当液压控制系统将作用在离合器液压缸内的液压油的压力解除后 活塞被回位弹簧压回液压缸的底部 并将液压缸内的压力油从进油孔排出 此时 钢片与摩擦片相互分开 两者间无压紧力 离合器处于分离状态 离合器活塞和离合器片或离合器片和卡环之间有一定的轴向间隙 以保证钢片和摩擦片之间无任何轴向压力 这一间隙称为离合器自由间隙 其大小可以用挡圈的厚度来调整 一般离合器自由间隙为0 5 2 0mm 91 离合器处于分离状态时 其液压缸内仍残留有少量液压油 由于离合器鼓是随变速器输入轴或行星排某一基本元件一同旋转的 残留的液压油在离心力的作用下会被甩向液压缸外缘 并在该处产生一定的油压 若离合器鼓的转速较高 这一压力有可能会推动离合大活塞压向离合器片 离合器处于半接合状态 导致钢片和摩擦片因互相接触摩擦而产生不应有的磨损 影响离合器的使用寿命 92 为了防止这种情况出现 在离合器活塞或离合器鼓的液压缸壁面上设有一个由自由钢球组成的单向阀 当液压油进入液压缸时 钢球在油压的作用下压紧在阀座上 单向阀关闭 保证了液压缸的密封 当油压解除后 单向阀的钢球在离心力的作用下离开阀座 使单向阀处于开启状态 残留在液压缸内的液压油在离心力的作用下从单向阀流出 保证离合器彻底分离 如图2 17所示 93 离合器所能传递的动力的大小或者说转矩的大小与摩擦片的面积 片数及离合器片间的压紧力有关 片间压紧力的大小由作用在离合器活塞上的油压及作用面积决定 但增大油压会引起离合器接合时产生冲击 故当压紧力一定时 离合器所能传递的动力大小就取决于摩擦片的面积和片数 一般离合器中摩擦片片数为2 6片 钢片片数等于或多于摩擦片的片数 94 制动器的作用是将行星排中的某一元件加以固定 使之不能转动 目前常见的是带式制动器和片式制动器 2 制动器的结构和工作原理 95 1 片式制动器片式制动器由制动器鼓 制动器活塞 回位弹簧 钢片 摩擦片及制动器毂等组成 如图2 18所示 96 它的工作原理和湿式多片离合器基本相同 但片式制动鼓 相当于离合器鼓 是固在自动变速器壳体上的 当制动器工作时 与制动器毂相连的行星排某一元件被固定住而不能转动 97 98 带式制动器又称制动带 它由制动鼓 制动带 液压缸及活塞等组成 如图2 19所示 制动鼓与行星排的某一基本元件连接 并随之一起转动 2 带式制动器 99 制动带的一端支承在变速器壳体上的支架或制动带调整螺钉上 另一端与液压缸活塞上的推杆连接 液压缸被活塞分隔为施压腔和释放腔两个部分 分别通过各自的控制油道与控制阀相通 制动带的工作受作用在活塞上的液压油压力控制 100 101 当液压缸的施压腔和释放腔内均无液压油时 带式制动器不工作 制动带与制动鼓之间有一定的间隙 制动鼓可随与它相连的行星排基本元件一同旋转 当液压油进入施压腔时 作用在活塞上的液压油压力推动活塞 使之克服回位弹簧的作用力移动 102 活塞上的推杆随之向外伸出 将制动带压紧在制动鼓上 于是制动鼓被固定住而不能旋转 此时 制动器处于制动状态 在制动器处于制动状态 若有液压油进入液压缸的释放腔时 因释放腔一侧的活塞面积大于施压腔一侧的活塞面积 故作用在活塞上两侧的力不相等 释放腔一侧大于施压腔一侧 活塞在两侧的压力差及回位弹簧作用力的共同作用下向后移 推杆回缩 制动带被放松 制动鼓可以转动 从而使制动器由制动状态变成释放状态 这样可以使控制系统得到简化 103 104 若将带式制动器用行星齿轮机构高速挡操纵 则因制动时制动鼓以高速旋转 制动带将会受到来自制动鼓的反作用力 活塞和推杆为刚性连接 该反作用力将使活塞产生振动 影响换挡工作的平顺性 105 为防止这种情况 可将推杆通过弹簧装在活塞上如图 20所示 当制动带受到反作用力时 推杆被推回 压缩内弹簧 从而起到缓冲的作用 106 107 当带式制动器处于放松状态时 制动带与制动鼓之间应有一定的间隙 间隙过大或过小都会影响制动器的正常工作 这一间隙的大小可用制动带调整螺钉来调整 在安装时 一般将螺钉向内拧紧至一定力矩 然后再退回规定的圈数 通常为23圈 108 单向离合器在行星齿轮变速器中的作用和离合器 制动器的作用相同 也是用于固定或连接几个行星排中的某些太阳轮 行星架 齿圈等基本元件 让行星齿轮变速器组成不同传动比的挡位 它是依靠单向锁止原理来发挥固定或连接作用的 其固定和连接也只能单方向 当与之相连接的元件受力方向与锁止方向相同时 该元件即被固定或连接 当受力方向与锁止方向相反时 该元件即被释放或脱离连接 3 单向离合器结构与工作原理 109 单向离合器的常见形式有两种 滚柱斜槽式和楔块式 滚柱斜槽式单向离合器在液力变矩器一节已有介绍 楔块式单向离合器由内环 外环 滚子 楔块 等组成 滚子是特殊形状的楔块 110 楔块的一条对角线 的长度略大于内外环之间的距离 而另一条对角线 的长度略小于 当内环固定 外环相对内环顺时针方向旋转时 楔块在摩擦力的作用下立起 由于自锁作用被卡死在内外环之间 使内环和外环无相对运动 111 112 相对滑转 此时单向离器处于锁止状态 当外环相对内环朝逆时针方向旋转时 楔块在摩擦力的作用下倾斜 脱离自锁状态 内 外环可以相对滑转 此时单向离合器处于自由状态 当外环固定 内环相对于外环相对滑转时 情况是恰好相反 若内 外环都没有固定 则前述的自由状态变为分离状态 锁止状态变为连接状态 113 不同车型自动变速器中行星齿轮变速器在结构上有很大差异 主要表现在 前进挡的挡数不同 离合器 制动器 单向离合器的数目和布置方式不同 采用的行星齿轮机构的类型不同 前进挡的数目越多 离合器 制动器 单向离合器的数目就越多 而它们的布置方式主要取决于行星齿轮变速器的前进挡挡位数和行星齿轮机构的类型 三 行星齿轮变速器结构和工作原理 114 目前 轿车上广泛采用的行星齿轮机构的类型主要有辛普森式和拉维娜两种 115 目前大部分轿车都采用这种行星齿轮机构 辛普森式行星齿轮机构采用双行星排 其结构特点是 前 后两个行星排的太阳轮连成一个整体 称为太阳轮组件 前排的行星架和后排的齿圈连成一体 称为前行星架和后齿圈组件 通常输出轴与该组件相连 辛普森式行星齿轮机构的结构 116 该行星机构只有四个独立元件 前排齿圈 前 后太阳轮组件 后排行星架和前行星架后齿圈组件 根据前进挡的挡数不同 可将辛普森式行星齿轮变速器分为三挡和四挡两种 117 三挡辛普森式齿轮变速器设有5个换挡执行元件 2个离合器 2个制动器 1个单向离合器 使之成为一个具有3个前进挡和一个倒挡的行星齿轮变速器 2 三挡辛普森式行星齿轮变速器 118 前进离合器 连接输入轴和前齿圈 倒挡及高挡离合器 用于连接输入轴和前 后太阳轮组件 挡制动器 用于固定前 后太阳轮组件 倒挡及低挡制动器 和低挡F 都用于固定后行星齿轮架 119 120 1挡 位 挡时 离合器 2和单向离合器 工作 输入轴通过离合器 2带动前齿圈顺时针转动 因前行星架和后齿圈与输出轴相连在汽车起步前转速为 起步后转速也为一个确定的低值 121 所以前行星轮在前齿圈的驱动下一方面朝顺时针方向作公转 带动前行星架朝顺时针方向转动 另一方面作顺时针方向的自转 并带动前 后太阳轮组件朝逆时针方向转动 122 在后行星排中 由于和输出轴连接的后齿圈转速很低 后行星轮在后太阳轮驱动下朝顺时针方向作自转时 对后行星架产生一个逆时针方向的力矩 而单向离合器 对后行星架在逆转时具有锁止作用 123 因此后行星架固定不动 使后齿圈在后行星轮的驱动下朝顺时针方向转动 图2 24 由此可知 位 挡时 由输入轴传入的动力经前后行星排同时输出 其目的是防止在传递大的扭矩时单排传力而出现过载损坏 124 n11 1n12 1 1 n13 0 前排 n21 2n22 2 1 n23 0 后排 式中 n23 0 n11 n22 n13 n22经整理得 i n12 n13 1 1 2 1 1挡传动比的计算 125 当汽车在 位 挡工作时 若驾驶员突然松开油门踏板 发动机转速将立即降至怠速 汽车在惯性作用下仍以原车速前进 驱动车轮将通过自动变速器输出轴反向带动行星齿轮变速器运转 行星齿轮机构的前行星架和后齿圈组件成为主动件 前齿圈为从动件 126 当前行星架朝顺时针方向带动前行星轮转动时 由于前齿圈转速较低 前行星轮在顺时针公转的同时也朝逆时针方向作自转 从而带动前 后太阳轮组件以较高的转速顺时针转动 导致后太阳轮和后齿齿圈同时以较高的转速朝顺时针方向带动后行星齿轮转动 使后行星轮在自转的同时对后行星架产生一个顺时针方向的力矩 单向离合器 1对后行星架无顺时针旋转锁止作用 后行星架在后行星轮的带动下顺时针自由转动 127 此时 行星齿轮机构的四个独立元件中有两个处于自由状态 失去传力作用 来自变速器输出轴的反向力无法经行星齿轮变速器传给输入轴 即在下坡时无法利用发动机的怠速运转阻力来实现汽车的减速 称为无发动机制动 此时汽车相当于作空挡滑行 128 为使装有自动变速器的汽车也能实现发动机制动 必须让它的 挡有两种不同的状态 即有发动机制动和无发动机两种 这两种状态的选择通常通过改变操纵手柄的位置来实现 操纵手柄位于 位时 挡无发动机制动 而 位 或 位 时有发动机制动 129 位 或 位 挡时 离合器 2 制动器 2工作 动力传递及传动比计算如前 只是在反向传力时制动器 2使后行星架固定 可以反向传力 因此可以实现发动机制动 130 挡离合器 2和制动器 1工作 输入轴经离合器 2带动齿圈顺时针旋转 因前 后太阳轮组件被制动器 1制动而固定不动 所以带动前行星架顺时针转动输出 此时后行星排处于自由状态 动力只经前行星排输出 图2 25 131 传动比的计算 n11 1n12 1 1 n13 0式中 n11 0 n12 n13 1 1 1在上述 挡状态下 汽车滑行时驱动轮的反向力可经行星齿轮变速器传至发动机 即具有发动机制动作用 132 挡离合器 2和离合器 1工作 输入轴通过离合器 1 离合器 2将前齿圈和前后太阳轮组件连接为一个整体 由于这时前行星排中有两个基本元件互相连接 从而使前行星排固定地连成一体而一起作反向旋转 输入轴的动力通过前行星排直接传给输出轴 其传动比i3等于 图2 26 即为直接挡 133 在 挡状态下的行星齿轮变速器具有反向传递动力的能力 当汽车滑行时能实现发动机制动 134 倒挡离合器 1和制动器 2工作 输入轴经离合器 1带动前后太阳轮组件顺时针旋转 在后行星排中因制动器 2将后行星架制动 后行星架的转速为 从而带动齿圈逆时针旋转输出 此时动力经后行星排输出 前行星排处在自由状态 图2 27倒挡时前后行星排的工作原理示意图 135 传动比的计算 n21 2n22 1 1 n23 0式中 n23 0i倒 n21 n22 2倒挡状态时 汽车有发动机制动作用 图2 27倒挡时前后行星排的工作原理示意图 136 空挡离合器 制动器都不工作 液力变矩器的动力不能传至行星齿轮变速器 变速器为空挡 137 2 拉维娜式齿轮机构 拉维娜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 由于相互啮合的齿数较多 因此传递的扭矩较大 缺点是结构较复杂 工作原理更难理解 138 它是由一个单行星排与一个双行星排组合而成的复合式行星机构 共用一行星架 长行星轮和齿圈 故它只有4个独立元件 其特点是 构成元件少 转速低 结构紧凑 轴向尺寸短 尺寸小 传动比变化范围大 灵活多变 适合FF式布置 139 140 141 2 6液压控制系统 142 自动变速器的自动控制是靠液压控制系统来完成的 液压控制系统由动力源 执行机构和控制机构三个部分组成 动力源是由液力变矩器泵轮驱动的油泵 它除了向控制机构 执行机构供给压力油以实现换挡外 还给液力变矩器提供冷却补偿油 向行星齿轮变速器供给润滑油 143 执行机构包括各离合器 制动器和液压缸 控制机构大体包括主油路系统 换挡信号系统 换挡阀系统和缓冲安全系统 根据其换挡信号系统和换挡阀系统采用的是全液压元件还是电子控制元件可将控制机构分为液控式和电控式两种 144 一 油泵 油泵是自动变速器最重要的总成之一 常见的形式有啮合齿轮泵摆线转子泵叶片泵 145 1 内啮合齿轮泵 它是自动变速器中应用最多的一种油泵 各种丰田汽车自动变速器都采用这种泵 它具有结构紧凑 尺寸小 重量轻 自吸能力强 流量波动小 噪声低等特点 它由小齿轮 内齿轮 月牙形隔板 泵壳 泵盖等组成 146 147 小齿轮由变矩器壳体后端轴套驱动 为主动齿轮 内齿轮为从动齿轮 月牙形隔板的作用是将工作腔分隔为吸油腔和压油腔 泵壳上有进油口和排油口 发动机运转时 小齿轮带动内齿轮如图2 38中顺时针方向旋转 在吸油腔 因齿轮不断退出啮合 容积增大 形成真空吸油 在压油腔 因齿轮不断进入啮合 容积减小 将液压油压出 148 2 摆线转子泵 它是一种特殊齿形的内啮合齿轮泵 它具有结构简单 尺寸紧凑 噪声小 运转平稳 高速性能良好等优点 其缺点是流量脉冲大 加工精度要求高 它由一对内啮合的转子及泵壳 泵盖等组成 如图2 39所示 149 内 外转子不同心 有一定的偏心距 且外转子比内转子多一个齿 发动机运转时 带动油泵内外转子朝相同方向旋转 但内转子的转速大于外转子 从而 在内 外转子之间形成与内转子齿数相同个数的工作腔 150 这些工作腔的容积随着转子的旋转而不断变化 转子朝顺时针方向旋转时 内 外转子中心线的右侧的各个工作腔的容积由小变大 形成真空吸油 中心线的左侧的各个工作腔的容积由大变小 将液压油压出 151 3 叶片泵 叶片泵由定子 转子 叶片及壳体 泵盖等组成 它具有运转平稳 噪声小 泵油流量均匀 容积效率高等优点 但它结构复杂 对液压油的污染比较敏感 152 转子由变矩器壳体后端的轴套带动 绕其中心旋转 定子是固定不动的 二者不同心有一定的偏心距 当转子旋转时 叶片在离心力及叶片底部的油压作用下向外张开 紧靠在定子内表面上 并随着转子旋转 在转子叶片槽内作往复运动 这样相邻叶片之间便形成密封的工作腔 如果转子朝顺时针方向旋转 在转子与定子中心连线的右半部的工作腔容积逐渐增大 产生真空吸油 中心线左半部的工作腔容积逐渐减小 将油压出 153 二 主油路系统 因油泵由发动机直接驱动 故其理论泵油量与发动机转速成正比 液压油由油泵输出后进入主油路系统 从而使主油路系统压力发生变化 发动机高速时 泵油量多 主油路压力高 引起换挡冲击及泵油消耗功率增大 发动机低速时 泵油量少 主油路压力低 引起制动器 离合器打滑 154 为防止上述两种现象发生 油泵的泵油量应在发动机处于怠速时即可满足自动变速器各部分的所需 而在发动机转速增加时利用主油路系统中的主油路调压阀来调节压力 让多余的液压油返回油底壳 使主油路系统的压力稳定在一定的范围之内 同时 主油路调压阀应能满足主油路系统在不同工况 不同挡位时 具有不同油压的要求 155 油门开度较小时 自动变速器所传递的扭矩较小 离合器 制动器不易打滑 主油路压力可以降低 而当油门开度较大时 因传递的扭矩较大 为防止离合器 制动器打滑 主油路压力要升高 汽车低速挡行驶时 所传递的扭矩较大 主油路压力要高 而在高挡行驶时 所传递的扭矩较小 可降低主油路油压 以减小油泵运行阻力 156 倒挡的使用时间较少 为减小自动变速器的尺寸 倒挡执行机构做得较小 摩擦片数少 为防止打滑 主油路压力要比前进挡时有所提高 主油路调压阀通常采用阶梯型滑阀 它由上部的阀芯 下部的柱塞套筒及调压弹簧组成 157 158 在阀门的上端 处 受来自油泵的液压力的作用 下端则受到柱塞下部 处的来自发动机油门所控制的节气门阀的液压力的作用 该液压力与油门开度成正比关系 以及调压弹簧的作用力 柱塞上下两端的力的平衡 决定阀体所处的位置 159 若油泵泵油量增大 油压升高 作用在 处向下的液压力增大 推动阀体下移 出油口打开 液压泵输出的部分油液排回油底壳 使主油路压力调整到规定值 160 当油门开大时 发动机转速增加 油泵产生液压力也升高 处向下的液压力增大 但此时受油门控制的节气门阀油压也增大 使得在 处向上的作用力也增大 于是主油路调压阀继续保持平衡 满足了油门开度大时对主油路油压增大的要求 161 倒挡时 手动阀打开另一条油路 将压力油引入主油路调压阀柱塞的 腔 使作用在下端向上的油压力增大 阀芯上移 出油口变小 主油路压力增高 从而满足了倒挡时油压较前进挡有所增大的要求 162 三 换挡信号系统 给自动变速器提供换挡操纵的有两个换挡信号 即发动机负荷与转速 在液压控制系统中 这两个信号分别由节气门阀和速控阀提供 163 1 节气门阀 节气门阀受发动机加速踏板控制 是随节气门开度大小 即发动机负荷大小 而改变其输出油压力的液压阀 其输出油压与节气门开度成正比关系 此油压作为液压控制系统自动换挡的一个信号 节气门阀根据控制方式的不同分为机械式和真空式两种 164 1 机械式节气门阀 机械式节气门阀由上部的节气门阀体 回位弹簧 下部的强制低挡柱塞和调压弹簧等组成 节气门阀体和强制低挡柱塞并不直接接触 而是通过调压弹簧联系在一起 强制低挡柱塞下装有滚轮 与节气门阀凸轮接触 见强制低挡阀 节气门阀凸轮经钢丝缆绳与加速踏板相连 165 来自主油路的压力油由节气门阀的进油口进入 须经阀口节流后 方能从出油口至各换挡阀 另外节气门阀上还有两个控制油口 分别与来自断流阀的油压及出油口油压相通 使阀体在 处受到向下的液压作用力 当发动机怠速运行时 阀上进油口处的节流口开度很小 输出的油压很低 166 当踩下加速踏板时 节气门缆绳被拉动 节气门凸轮作顺时针转动 将强制低挡柱塞上推 压缩调压弹簧 调压弹簧则推动节气门阀体向上移 使节流口开大 输出油压增高 167 节气门开度越大 调压弹簧压缩越多 阀体上移越多 节流口开度越大 节气门油压越高 当节气门开度保持恒值时 随着油压增大 在 处由液压产生的向下作用力增大 将节气门阀向下推至关闭进油口为止 此时节气门阀输出油压维持不变 168 2 真空式节气门阀 真空式节气门阀由真空气室 推杆和滑阀等组成 169 上部被膜片隔开的真空气室通过软管与发动机节气门后的进气管相通 与膜片相连的推杆则在膜片弹簧的作用力下将滑阀的阀芯往下推 170 阀芯上有三个油道口 进油口 与主油路相通 出油口 输出节气门阀油压 泄油口 用以泄油 从出油口 输出的油压流至阀芯底部 其液压作用力使滑阀芯上移 与膜片弹簧的作用力平衡 油液从进油口 到出油口 或出油口 到泄油口 均要经阀口节流 171 当节气门开度较小时 进气管的真空度大 真空室膜片对阀芯向下的推力减小 阀芯上移 节流口变小 输出油压减小 当节气门开度大时 进气管真空度小 真空室膜片对阀芯向下的推力增大 阀芯下移 节流口变大 输出油压力增大 当节气门开度维持不变时 阀芯维持在将进油口 泄油口 两口关闭的平衡状态 输出油压不变 若此时减小开度则通过 泄油使输出油压降低 反之增大开度 则从进油口 进油使输出油压增大 172 2 速控阀速控阀也称为调速器 其作用是为自动变速器换挡控制提供一个随车速变化的控制油压 该油压与节气门阀油压一起共同控制换挡阀的工作 它一般安装在自动变速器的输出轴上 随输出轴一起转动 或者安装在自动变速器的壳体上 通过齿轮与输出轴相连 其基本原理是利用离心力来控制滑阀阀芯的位置 来控制速控阀油压的大小 173 安装在输出轴上的双级式速控阀 重块为初级飞块 滑阀为次级飞块 进油孔与主油路相通 出油孔输出速控阀油压 泄油孔用来泄油以调节速控阀油压 174 在低速区工作时 重块在离心力的作用下外移 并通过弹簧带动滑阀一起外移 打开进油孔 主油路压力油经进油孔节流减压后成为速控阀油压 作用在油阀上的速控阀油压向下的作用力使油阀下移 关小进油孔 直至速控阀油压的作用与离心力平衡时 关闭进油口 速控阀输出油压不变 因重块质量大 随着车速提高 输出轴转速升高 离心力增大 速控阀油压急剧升高 175 当车速继续提高时 重块带动销轴逐渐外移 直至销轴内端的平面抵靠速控阀外壳的台阶为止 此后车速再提高 重块不再外移 因此速控阀油压仅靠滑阀的离心力来调节 由于滑阀质量较小 其离心力增大较慢 从而使速控阀输出油压缓慢增大 当车速下降时 离心力下降 速控阀油压对滑阀向下的作用力使之下移 打开泄油口 利用泄油使速控阀油压降低 当车速维持一定时 进油口和泄油口都处于关闭状态 速控阀油压维持一定的值不变 176 双级式速控阀在低速区和高速区具有不同的工作特性 它能使自动变速器在低速区和高速区具有不同的换挡规律 在低速区 由于速控阀油压随车速变化较大 从而使汽车起步后及时由低挡升至中速挡 防止因升挡过迟而使发动机转速过高 增加油耗 在高速区 由于速控阀油压随车速变化较小 从而使汽车由中速挡升至高速挡之前有足够的加速时间 防止过早升挡而影响汽车的动力性 177 1 手动阀 手动阀是由操纵手柄控制的多路换向阀 它位于控制系统的阀板总成中 经机械传动机构和自动变速器的操纵手柄连接 由驾驶员手工操作 用于控制自动变速器的工作状态 四 换挡阀系统 178 驾驶员通过操纵手柄拨动手动阀 当操纵手柄位于不同位置时 手动阀也随之移至相应的位置 使进入手动阀的主油路与不同的控制油路接通 或直接将主油路压力油送入相应的换挡执行元件 如前进离合器 倒挡离合器等 并使不参加工作的控制油路与泄油孔接通 这些油路中的压力油泄空 从而使控制系统及自动变速器处于不同挡位的工作状态 179 当手柄置于前进 位置时 对三挡自动变速器而言 变速可根据换挡信号在 至 挡之间自动变换 对四挡自动变速器而言 变速器则可根据换挡信号在 至 挡之间自动变换 当手柄置于前进挡 位 或 位 时 自动变速器只能在 至 挡间自动变速换 180 当手柄置于前进低挡 位 或 位 时 自动变速器被限制在 挡工作 手动阀还提供倒挡 位 空挡 位 停车挡 位 等功能 181 在阀体上有多条油道 一条油道与主油路相连 其余为出油道 分别通至 S 和 挡位相应的滑阀或直接通往换挡执行元件 182 2 换挡阀 换挡阀是一种由液压控制的 位换向阀 它有两个工作位置 可以实现升挡或降挡的目的 图2 48中换挡阀的右端作用来自速控阀的输出油压 左端作用着来自节气门阀的输出油压和弹簧的作用力 183 换挡阀的位置取决于两端控制压力的大小 当右端的速控阀油压低于左端的节气门阀油压和弹簧作用力之和时 换挡阀保持在右端 当右端的速控阀油压高于左端的节气门阀油压和弹簧作用力之和时 换挡阀移至左端 换挡阀改变方向时 主油路的方向发生变化 以实现不同的挡位 图2 48中当换挡阀从左端移至右端时 自动变速器升高 个挡位 反之则降低 个挡位 184 由此可知 自动变速器的升挡和降挡完全受节气门阀油压和速控阀油压控制 节气门阀油压大小反映的是油门的开度大小 速控阀油压大小反映的车速大小 若汽车行驶时油门开度保持不变 车速低时换挡阀在左端处于低挡 随着车速升高至规定值将推动换挡阀移至右端升入高挡 这个车速的规定值称为升挡车速 或升挡时刻 185 当油门开度增大时 节气门阀油压增大 从而使相应的升挡速控阀油压增大即升挡车速将增大 这种规律十分符合汽车的实际使用要求 因每个换挡阀只有两个工作位置 只能在2个挡之间变换 故对三挡自动变动器而言要设置两个换挡阀 对四挡自动变速器而言要设置3个换挡阀 它们的工作原理完全一样 只是控制的挡位不同而已 186 辛普森式行星排的自动变速器 挡换挡阀 节气门阀油压和弹簧的作用力使换挡阀阀芯向下 而作用于阀芯下部的速控阀油压使阀芯向上 由前述执行元件工作情况与挡位关系知 挡和 挡执行元件的工作情况的区别是倒挡及高挡离合器 1是否工作 187 离合器 1工作为 挡 离合器 1不工作为 挡 当车速不高时 作用于阀芯下的速控阀油压低 阀芯在上部节气门阀油压和弹簧的作用下处于下方 通往离合器 1的油路被切断 自动变速器在 挡工作 188 而当车速增大时 速控阀输出油压增大 阀芯被推至上方 主油路与 1相通 图b 变速器自动升入 挡 升入 挡后节气门阀油压对阀芯向下的作用力消失 此时推动阀芯下移的作用力只有弹簧的作用力 因此当由 挡降至 挡时 速控阀的油压较升挡时减小 即降挡车速低于升挡车速 降挡车速低于升挡车速的作用是 当汽车以在换挡阀动作点附近的车速行驶时 使升挡和降挡的车速保持一定的距离 避免由于换挡频繁动作造自动变速器频繁换挡 使执行元件加剧磨损 189 3 强制低挡阀 强制低挡阀也称为强制降挡阀 其作用是在节气门全开或接近全开时 强制性地将自动变速器降低 个挡位 以提高驱动轮的驱动力来获得良好的加速性能 强制低挡阀的工作原理是 从阀输出来自主油路的压力油作用于各换挡阀的挡与节气门作用相同的一端 将换挡阀阀芯向降挡方向移动 从而使自动变速器降挡 常见的强制低挡阀有滚轮式和电磁式两种 190 丰田轿车