《现代汽车机械基础》13-3

汽车机械基础 第四节自动变速器结构原理 由于自动变速器能够根据发动机的负荷和车辆的行驶速度自动地变换合适的档位 可以不踩离合器 减轻了驾驶员的操作强度 驾驶员不需要掌握使用离合器时复杂的换档动作 加之采用液力传递动力 发动机和传动系均不易产生过载 发动机不会熄火 80年代以来随着电子技术的发展 变速器自动控制进一步完善 在各种使用工况下能实现发动机与传动系的最佳匹配 控制更加精确 有效 性能价格比大大提高 目前得到广泛采用 在汽车上安装自动变速器的数量已远超过手动变速器 一 自动变速器组成 世界各汽车制造厂家生产的自动变速器型式繁多而不胜枚举 在结构上也各有特点 但其工作原理和基本功能却大同小异 自动变速器由液力传动装置 变矩器 机械传动装置 机械式变速器 一般多采用行星齿轮 液压控制系统组成 如果是电控自动变速器还有电控系统 电子 液压控制系统 1 液力传动装置 液力传动装置安装在发动机后端的飞轮上 其中装满自动变速器油 它取代了机械离合器 其作用是 将发动机的转矩传递给机械传动装置中的齿轮系统 在现代自动变速器中广泛应用液力变矩器作为液力传动装置 它不仅能够传递转矩 还可以在传递转矩的过程中将转矩增大 并且输出轴的转速还可以实现在一定范围内的无级变化 由于采用了自动变速器油作为传递发动机转矩的介质 发动机与传动系统没有刚性的机械连接 可以有效地防止发动机和传动系过载 并防止发动机和传动系工作时的振动 液力传动装置的质量比较大 在工作时可以起到飞轮的作用 使发动机运转更加平稳 因此装有自动变速器的发动机飞轮质量通常都比较小 2 机械传动装置 机械传动装置是自动变速器中的重要组成部分 它安装在一般是铝合金制造的变速器壳体中 它将液力传动装置输入的转矩进一步增大并从输出轴传给万向传动装置 机械传动装置由齿轮传动装置和换档执行元件两部分组成 1 齿轮传动装置 齿轮传动装置是起变速作用的机械部分 除少量汽车制造厂家使用平行轴式自动变速器外 绝大多数厂家都使用行星齿轮式的自动变速器 行星齿轮系统由始终处于啮合状态的太阳轮 若干行星齿轮和内齿圈组成 由于它具有啮合强度高 运转噪声小的优点 在自动变速器中得到广泛的应用 行星齿轮机构的组成 1 行星齿轮机构由行星齿轮 行星架 太阳轮 齿圈组成 每一组行星齿轮机构又称为1个行星排 2 4速自动变速器一般有3个行星排 2速和3速的自动变速器都是2个行星排 3 两排行星齿轮共用一个太阳轮的叫辛普森 SIMPSON 机构 4 一长一短两排行星轮 一大一小两个太阳轮共用一个齿圈的叫拉维尼约喔或叫拉维娜 RAVIGNEAUX 机构 2 换档执行元件 换档执行元件包括离合器 制动器和单向离合器 离合器的作用是连接两个不同的元件 在车辆行驶时 它可以使行星齿轮系统中的某个元件与液力传动装置或者使行星齿轮系统中的两个元件连接 实现车辆的行驶和档位的变换 离合器通常采用圆盘和圆片交替排列的湿式多片结构 利用自动变速器油使其连接或脱开 制动器可以固定行星齿轮系统中的某个元件 使其不能转动 以便获得需要的传动比 制动器既可以采用制动带的结构 也可以采用与离合器结构相同的湿式多片结构 单向离合器可以单向固定行星齿轮系统中的某个元件 使其不能沿某个方向转动 以便获得确定的传动比 整个机械传动装置可以提供若干个传动比 以适应行驶条件的变化和驾驶员的需要 3 控制系统 1 机械控制系统自动变速器可以根据车辆行驶的情况自动选择合适的档位 但在此过程中并非不需要驾驶员的控制 车辆行驶时 自动变速器必须了解驾驶员对车辆行驶方式的具体要求以及发动机的负荷大小 这些信息通过机械控制系统操纵自动变速器的液压控制系统 由液压控制系统控制油压的调节和档位的变换 换档手柄 换档手柄相当于手动变速器中的变速杆 它通过机械装置与变速器连接 驾驶员通过换档手柄可以选择行驶方式 驾驶员改变自动变速器换档手柄的位置 仅仅改变了车辆的行驶方式 前进 倒车 空档或停车 换档由变速器内部自动控制 自动变速器的换档手柄有6 7个位置 档位的名称因车而异 许多车辆采用P R N D 2 L 即停车档 又叫锁止档 倒档 空档 前进档 2档和L档 其中 D 2 L档都是前进档 但其使用不一样 2 液压控制系统 液压控制系统为液力传动系统提供自动变速器油 以便传递发动机的转矩 液压控制系统一般安装在自动变速器的油底壳中 是自动变速器中用于换档控制的系统 在全液压自动变速器中 液压控制系统将发动机的负荷和车辆行驶速度转变成液压信号 并由这两个信号控制离合器和制动器的工作 根据车辆的行驶情况自动选择合适的传动比 3 电子控制系统 电脑控制自动变速器在控制过程中充分利用了现代电子控制技术 电控装置是在液压控制系统的基础上增加了传感器 电子控制单元和执行元件 使得变速器的换档控制精度大大提高 但在结构上除了阀体部分 其余的机械部分与全液压的自动变速器是一样的 传感器包含 节气门位置传感器 车速传感器 冷却液温度传感器 变速器油温度传感器以及空挡启动开关 制动开关 强制降挡开关 超速挡开关 模式开关等 执行器主要由各种作用的电磁阀组成 二 自动变速器的分类 不同车型所装用的自动变速器在结构上表现出较大的差异 按不同的分类方法可以将其分成不同的类型 1 按换档操作是否全自动化分 1 手动 自动一体化变速器2 全自动变速器 2 按自动变速器内部控制的方式分类 自动变速器的内部控制方式有全液压控制和电脑控制两种 全液压控制的自动变速器采用机械的方式 将车辆行驶的速度和发动机的负荷这两个换档信号转变为液压信号 液压控制系统根据这两个液压信号进行换档控制 而电脑控制的自动变速器则是通过各种传感器接受发动机的负荷和水温 车辆行驶的速度等信号 对其输入的信号进行分析 对比 判断和运算 并根据结果向执行器发出控制信号 控制换档执行元件的动作 实现档位的自动变换 3 按前进档的档位数分类 按自动变速器前进档的档位数可以将自动变速器分为2前进档 3前进档 4前进档和5前进档等几种 早期的自动变速器只有2 3个前进档 并以直接档为最高档 新型自动变速器一般为设有超速档的4档自动变速器 目前的高档自动变速器一般配置带超速档的5档自动变速器 档位越多 结构当然越复杂 但由于设有超速档 车辆的经济性得到了很大的改善 4 按齿轮变速器的类型分类 自动变速器的齿轮变速部分虽然有多种布置形式 但可以分为两大类 普通齿轮式和行星齿轮式 普通齿轮式自动变速器的体积比较大 目前只有日本本田公司生产的轿车上在应用 行星齿轮变速器由于体积小结构紧凑而得到广泛的应用 5 按驱动方式进行分类 由于汽车的驱动方式有前轮驱动和后轮驱动两种 自动变速器也可以分为前轮驱动的自动变速器和后轮驱动的自动变速器两种 前轮驱动的自动变速器又称为自动驱动桥 在其壳体中除了装有与后轮驱动自动变速器相同的部分以外 还要安装差速器 由于发动机横置 自动变速器的横向尺寸受到限制 其输出轴与输入轴一般设计成两条平行的轴线以减小变速器的轴向尺寸 后轮驱动的自动变速器的输入轴与输出轴成一条轴线布置 其轴向尺寸较大 三 优点 书306页 四 液力传动装置 利用液体来传递功率的装置称为液力传动装置 按结构的不同 液力传动装置有液力偶合器和液力变矩器两种 二者均是是利用液体动能的变化来传递功率 但在结构上 前者比后者简单得多 普通变速器采用传统的离合器传递发动机到变速器的功率 而自动变速器中不再有传统的离合器 取而代之的是液力偶合器或液力变矩器 1 液力偶合器 简单的液力偶合器由两个基本元件组成 泵轮和涡轮 另外内部还有一个引导工作液的导环 泵轮和涡轮的形状就像一个圆环的两半 沿直径方向布置有从中心向外辐射的叶片 偶合器壳体内充满了工作油液 ATF 除了后端与油泵连接以外 其余部分是密封的 液力偶合器与发动机的飞轮连接 其泵轮叶片直接连接在外壳上 与发动机的转速相同 作用就像一个油泵 位于壳体内的涡轮的中心部分通过花键与变速器的输入轴连接 是偶合器的输出元件 涡轮转动时将动力输入到变速器 液力偶合器的工作完全取决于其内部液体的流动 液力偶合器内部发生两种液体流动 即圆周流动和循环流动 圆周流动的方向与泵轮的转动方向一致 又称为环流 它是由泵轮叶片的圆周运动推动工作液引起的 当流动的工作液冲击转速较低或静止的涡轮叶片时 把动能传递到涡轮上 循环流动又称为涡流 指的是工作油液由泵轮流向涡轮 而后又流回泵轮 在泵轮和涡轮叶片槽之间形成的油流的循环运动 这种循环流动在泵轮与涡轮之间存在转速差异时才发生 循环流动会阻碍工作液的正常流动 尤其在偶合器中心 2 液力变矩器 液力变矩器是连接发动机输出轴和变速器输入轴的另一种液力传动装置 与液力偶合器一样 液力变矩器可以平稳地把发动机的动力传递到变速器 并且允许发动机与变速器之间有些滑转 从而在停车时 不脱开行驶档也能维持发动机转动 1 结构 液力变矩器是为了改善液力偶合器的性能而在其基础上发展起来的 除了液力偶合器的泵轮和涡轮以外 液力变矩器在涡轮和泵轮之间增加了导轮 泵轮和涡轮的结构与液力偶合器相似 导轮位于涡轮工作液的出口和泵轮工作液进口之间 通过单向离合器安装于固定在变速器壳体上的导轮轴上 泵轮 主动部分 将发动机动力变成油液动能 涡轮 输出部分 将动力传至机械式变速器的输入轴 导轮 反作用元件 它对油流起反作用 达到增扭作用 单向离合器的内圈和外圈之间放置若干楔块 内圈与导轮轴用槽键连接 而导轮轴与变速器油泵盖连接 因为油泵盖固定在变速器壳体上 所以单向离合器内圈不能转动 单向离合器的外圈与导轮连接并同步旋转 如果按照图示箭头A方向旋转外圈时 摩擦力会推动楔块逆时针转动而倾斜 外圈可以旋转 但是 如果按B方向旋转外圈时 楔块顺时针转动而卡住外圈 外圈不能转动 由于单向离合器的作用 导轮可以与发动机同向旋转 但是 如果工作液试图使导轮反方向旋转 单向离合器则可以锁住导轮以防止其逆转 因此 工作液冲击叶片的方向决定导轮运动还是锁止 从涡轮中心部位流出的工作液由导轮叶片导向 再回流到泵轮的中心部位 2 工作原理 1 导轮的作用 涡轮排出的工作液流动的方向与输入的工作液流动的方向相反 当涡轮转速较低或停止旋转时 工作液从涡轮回流至泵轮时会冲击泵轮叶片的前部 这样会阻止泵轮旋转 增加发动机的运转阻力而导轮的叶片能使工作液流动的方向再次反向 使工作液回流至泵轮的中心部位 推动泵轮叶片的后表面 以促使泵轮的旋转 增加泵轮的转矩 由于导轮能够改变从涡轮回流至泵轮的工作液方向 使工作液冲击泵轮叶片的后表面 从而 使来自发动机的转矩与从涡轮回流的转矩合成后传递至涡轮 换言之 泵轮将原始输入转矩增大后再传递至涡轮 当然 在转矩传递的过程中 转矩的增加是通过涡轮转速的降低获得的 否则将破坏能量守恒定律 2 单向离合器的作用 从涡轮回流至导轮的工作液方向取决于泵轮和涡轮之间的转速差 当转速差大时 在泵轮和涡轮之间循环的工作液涡流强度也大 工作液从涡轮流向导轮后推动导轮叶片的前表面 促使导轮按泵轮旋转的相反方向转动 但由于导轮被单向离合器锁住不能反向旋转 工作液经叶片后改变流动方向 冲击泵轮叶片的背面 增加泵轮转动的转矩 当涡轮的转速接近于泵轮的转速时 在涡轮内旋转的工作液环流速度增加 工作液的涡流速度下降 因此 工作液从涡轮流往导轮的方向与泵轮旋转的方向相同 冲击导轮叶片的后表面 如果导轮固定将阻挡工作液流动 在这种状态下 单向离合器使导轮处于自由状态 使工作液回流到泵轮 由此可见 液力变矩器与液力偶合器的区别在于前者比后者多了一个导轮结构 正是由于导轮的存在 使得变矩器有变矩的作用 3 变矩器的工作过程 1 车辆静止 发动机怠速运转发动机怠速时 由发动机产生的转矩为最小值 由于采用制动器制动车辆使涡轮固定 液力变矩器不能克服载荷使涡轮旋转 但在车辆停车时 涡轮和泵轮的传动比为零 转矩比达到最大值 因此 一旦涡轮的载荷减小 便能够迅速地以高转矩旋转 2 车辆起步阶段当释放制动器后 在涡轮上的载荷减小 随着踩下加速踏板 液力变矩器在小传动比阶段的增扭作用迅速发挥出来 使涡轮以大于发动机产生的转矩开始旋转 用于克服车辆起步时的阻力 车辆开始起步 3 车辆低速行驶阶段当车辆速度上升时 涡轮的转速快速接近泵轮转速 因此转矩比快速接近1 当涡轮与泵轮的传动比达到偶合器工作点时 导轮开始旋转并停止转矩增大的作用 液力变矩器开始进入液力偶合区工作 这时 车辆速度与发动机转速成正比直线上升 4 车辆以中速至高速行驶阶段液力变矩器能起到液力偶合器的作用 涡轮几乎和泵轮一样的转速旋转 在车辆正常起步2 3s后 液力变矩器到达偶合器工作点继而进入偶合器工作区 但是 如果在中速或高速行驶时 载荷增加引起车速下降 则液力变矩器可能因为传动比的减小而退回在变矩区工作 5 发动机制动阶段如果驾驶员在车辆行驶过程中放松加速踏板 则泵轮转速等于发动机怠速转速 而涡轮因其与输出轴连接 其转速与车速相关 在车速较高时 涡轮的转速将会高于泵轮 并反向带动发动机使转速增加 此时发动机的驱动力对车辆来说是一个阻力 因此叫做发动机制动 4 带锁止离合器的液力变矩器 液力变矩器在进入偶合器工作区后没有转矩增大的效果 在泵轮和涡轮之间还存在着至少4 5 转速差 因此 液力变矩器的传动效率达不到100 传动效率达不到100 说明存在能量损失 为防止这种情况的出现 减少燃油消耗 新型的汽车自动变速器一般都采用带锁止离合器的液力变矩器 使用机械的方式直接连接泵轮和涡轮 以便将发动机产生的动力100 地传递给变速器 锁止离合器位于涡轮前端 由锁止活塞 减振盘和涡轮传动板组成 涡轮传动板用铆钉固定在涡轮壳的前端面上 减振盘用减振弹簧固定于涡轮传动板上 减振盘的结构和作用都与手动变速器使用的离合器从动盘减振器相同 锁止活塞的圆柱表面有若干轴向槽和减振盘外缘的凸起连接 与涡轮同步转动并能够沿减振盘外缘的凸起前后移动 在锁止活塞的前端面的外缘有与离合器片 制动器片表面相同的摩擦材料 用于锁止离合器的连接 五 机械传动装置 自动变速器中的液力变矩器虽然能够在一定范围内无级地改变转矩比和传动比 但其传动效率却只有在输出轴转速接近输入轴转速时达到最大值 而且其增扭作用只有2 4倍 不能很好地满足汽车的使用要求 因此 液力变矩器的主要作用是使汽车平稳起步 缓和换档时的冲击振动 在汽车行驶时 还需要齿轮变速器来进一步实现减速增扭的要求 1 行星齿轮机构的变速原理 行星齿轮机构的变速原理 行星齿轮机构的3个元件 齿圈 太阳轮 行星架 中若1个元件固定 另1个元件作驱动 则剩下的1个元件就可以变速转动输出动力 固定办法 内齿圈采用制动器 太阳轮和行星架采用单向离合器或制动器 2 行星齿轮系统的传动规律 行星齿轮为轴转式齿轮系统 与定轴式齿轮系统一样 也是降速增矩和升速降矩的原理 只不过由于自转和公转的存在 传动比的计算方法不同 行星齿轮系统的传动比取决于齿圈齿数和太阳轮齿数 与行星齿轮的齿数无关 惰轮 设太阳轮的齿数为Z1 齿圈齿数为Z2 则行星架的假想齿数为Z3 Z3 Z1 Z2 太阳轮 齿圈和行星架的转速分别为n1 n2 n3 并令齿圈与太阳轮的齿数比为行星齿轮机构参数 用 表示 即 Z2 Z1 1 1 太阳轮固定 n1 0 1 齿圈 n2 主动 行星架 n3 为从动 其传动比为 i n2 n3 1 1结论 前驶最小速比减速档 2 行星架 n3 为主动 齿圈 n2 从动 其传动比为 i n3 n2 1 1结论 前驶超速档 2 齿圈固定 n2 0 1 太阳轮 n1 为主动 行星架 n3 为从动 其传动比为 i n1 n3 1 1结论 前驶最大速比减速档 2 行星架 n3 为主动 太阳轮 n1 为从动 其传动比为 i n3 n1 1 1 1结论 前驶快超速档 少用 3 行星架固定 n3 0 1 太阳轮 n1 为主动 齿圈 n2 从动 其传动比为 i n1 n2 1结论 n1与n2的符号相反 即表示主动轴与从动轴的旋转方向相反 且传动比的绝对值大于1 是倒档 2 齿圈 n2 主动 太阳轮 n1 为从动 其传动比为 i n2 n1 1 1结论 是快倒档 汽车不用 4 无固定 1 太阳轮 n1 和齿圈 n2 均为主动 行星架 n3 为从动 则有 n1 n2 n3i 1同样 如果以太阳轮和行星架为主动 齿圈为从动件 或以齿圈和行星架为主动件 太阳轮为从动件 都可以得到n1 n2 n3 结论 前驶直接档 2 太阳轮 内齿圈 行星架均不固定由于三个元件均处于自由状态 任意两个元件互为输入和输出都无法获得动力的传递 此时为空档 结论 空档 3 辛普森式行星齿轮机构 辛普森行星齿轮机构是使用非常广泛的一种行星齿轮系统 世界各大汽车制造厂都采用辛普森行星齿轮技术的自动变速器 一个典型的辛普森行星齿轮机构可以提供3个前进档和1个倒档 1 行星齿轮的连接关系 辛普森行星齿轮机构是一种双排行星齿轮机构 由两个单排行星齿轮组连接而成 其结构特点是 两排行星齿轮共用太阳轮 前行星架与后齿圈连接并作为整个行星齿轮机构的输出元件 整个行星齿轮机构有4个独立元件 即前后行星齿轮组公用的太阳轮 后行星架 前行星架与后齿圈 前齿圈 2 执行元件 辛普森行星齿轮机构的执行元件有离合器 制动器和单向离合器 1 离合器 离合器的作用有两个 即通过与输入元件的连接传递转矩或使两个独立元件实现连接 以便获得相同的运动状态 在辛普森行星齿轮机构中 有两个离合器C1和C2 其作用都是传递转矩 离合器C2可以将前齿圈与动力输入轴连接起来 使前齿圈成为主动元件 由于在所有前进档位置 D 2 L C1均参与工作 又将其称为前进档离合器 离合器C1可以将太阳轮与动力输入轴连接起来 使太阳轮成为主动元件 由于只有在高速档和倒档位置C1才参与工作 故将其称为高档 倒档离合器 C2 离合器鼓是离合器的外壳 与输入轴连接 鼓内装有活塞 无液压力作用时 活塞被复位弹簧推回至最内端的位置 离合器鼓内圆柱表面有轴向的宽槽 离合器鼓内装有交替排列的离合器盘和离合器片 金属制的离合器盘外缘有均布的凸起正好嵌在离合器鼓的轴向的宽槽内 并与离合器鼓一起旋转 两个侧面均粘有摩擦材料的离合器片内缘表面有齿与花键毂外侧的沟槽接合 花键毂中间通过花键连接中间轴和前齿圈 2 制动器 在辛普森行星齿轮机构中 有2个制动器B1 B2 带式制动器 制动器B1可以将公用太阳轮与变速器壳体连接使其固定 由于只在换档手柄处于2位置时使用 又称为2档制动器 制动器B2将后行星架与变速器壳体连接使其固定 可以阻止前行星架转动 由于只在低速档和R位置时使用 又称为低 倒档制动器 辛普森行星齿轮机构的太阳轮与制动鼓连为一体 在制动鼓外包围着制动带 制动带的一端固定或支撑在间隙调整装置上 另一端由液压缸的活塞推杆驱动 在升入22档时 液压力推动活塞克服外弹簧的弹力移动 但活塞是通过内弹簧与推杆连接的 所以活塞只能推动内弹簧 内弹簧再推动推杆移动收紧制动带固定制动鼓 最后太阳轮被固定 3 单向离合器 单向离合器的作用是单向锁止与之相连的元件 其结构与液力变矩器中导轮单向离合器的结构相同 在辛普森行星齿轮机构中 有1个单向离合器F1 单向离合器F1可以阻止后行星架逆时针转动 3 各档传动路线 1 D1档C2结合 F1自锁 2 L档 21档 C2 B2 传动比和D1档的传动比相同 该档与D1档的区别在于发动机制动 3 D2档 C2 B1 4 22档 C2 B122与D2档的传动比相同 区别仅在于发动机制动 5 D3档 两个离合器C1和C2同时工作 分别将变矩器输出的转矩传给前齿圈和前行星轮 并使其以相同的转速转动 此时前行星轮没有自转 前行星架只能随前齿圈和太阳轮同步转动 后齿圈 与前行星架相连 与太阳轮的转速相同 使后行星轮也没有自转 后行星架的转速也与行星齿轮机构整体相同 这样整个行星齿轮机构像一个整体与输入轴一起转动 传动比等于1 相当于手动变速器的直接档 需要强调的是 一个档位是否有发动机制动是根据车辆的使用要求确定的 不能认为有发动机制动的档位好或不好 在正常使用条件下行车 驾驶员放松加速踏板让车辆滑行 没有发动机制动的档位车速下降较少 车辆的经济性较好 这时使用没有发动机制动的档位好 在下坡的弯道上行驶 需要控制车速 使用有发动机制动的档位较好 另外 通过上述几个档位的分析 可以得出一个带有普遍性的结论 只使用单向离合器的档位没有发动机制动 如D1和D2 使用制动器代替单向离合器的档位有发动机制动 如L 22 D3 和后面要介绍的R档位 6 R档 C1