采埃孚9HP48自动变速器技术特点(上)VIP

汽车维修技师2014年第3期36 一、概述 采埃孚9HP48自动变速器是由 ZF公司制造的9速电子控制自动变速 器。将配套多个厂家的多款车型，本 文以2014款路虎极光为例作以全面介 绍。采埃孚9HP48自动变速器是横向 全轮驱动（AWD）单元的最新自动 变速器技术。此变速器提供锁止打滑 控制、电子手动CommandShift换挡 功能以及自动和驾驶员可选模式，以 提供最佳的公路和越野性能。采埃孚 9HP48自动变速器相关部件位置如图 1所示。自动变速器由包含软件的控 制模块（TCM）控制，驾驶员在可 旋转电子换挡手柄（TCS）上选择的 P、R、N、D和S，由TCM接收指令 并操作电磁阀和离合器以控制变速器 换挡。系统作为一个线控换挡系统进 技术特点 （上） 采埃孚9HP48自动变速器 李 杨 行操作，而没有机械连杆连接到变速 器来进行驱动选择。TCM允许通过 选择TCS上的P、R、N、D或S来按 照传统自动变速器的方式对变速器进 行操作。TCS旋转至S位置，则变速 器切换到电子运动模式。操作安装在 转向盘上的+或-拨杆开关，则变速 器切换到电子手动CommandShift模 式。 采埃孚9HP48变速器具有下列功 能： 免维护设计 变速器机油不用更换 变矩器利用电子调整锁止控制 19 挡来提供打滑控制功能 配备 9 个前进挡、1 个倒挡 4 个行星齿轮传动装置和 6 个 换挡元件 宽变速器传动比范围，小传动 比例级差 首个在乘客车辆自动变速器中 采用互锁爪形离合器 TCM 控制的换挡程序 TCM 提供适配功能，确保变速 器在整个使用寿命期间都具有有效的 换挡质量 可从 TCM 通过高速 CAN 动力 总成系统总线执行诊断 采埃孚9HP48自动变速器内部剖 面图如图2所示，它包括如下主要部 件： 液力变矩器（带锁止离合器） 油泵单元 2 个多片式制动器 2 个多片式离合器 2 个爪形离合器 4 套行星齿轮组 差速器动力输出轴 内部阀体及电磁阀 外部变速器控制模块（TCM） 二、变矩器 变矩器如图3所示，它是发动机 和变速器之间的耦合部件，位于变矩 器壳体内、变速器的发动机侧。发动 图1 采埃孚9HP48自动变速器部件位置 1. 拨杆开关 - 升挡 / 降挡 2. 变速器控制模块 (TCM) 3. 带集成式节温器的自动变速器油 (ATF) 冷却器 4.ZF 9HP48 自动变速器 5. 变速器控制开关 (TCS) 汽车维修技师2014年第3期37 机曲轴提供的驱动力通过变矩器以液 压和机械的方式传送至变速器。变矩 器通过一个传动板连接到发动机，并 使用变矩器壳体上的6个柱头螺栓固 定。变矩器由一个叶轮、定子和涡轮 组成。变矩器是一个密封单元，所有 部件都位于变矩器壳盖和叶轮之间。 这两个部件焊接在一起，形成一个注 满液体的密封壳体。由于叶轮是焊接 在变矩器壳盖上的，因此也是由发 动机曲轴转速驱动的。变矩器包含液 压操作的锁止离合器，由TCM通过 阀块中的一个电磁阀来控制。电磁阀 启动滑阀来控制施加到离合器的液压 压力。这使得TCM可提供3种模式的 变矩器操作；解锁、部分锁止和完全 锁止。锁止离合器接合是由TCM通 过电磁阀控制液压来实现的。锁止离 合器可在所有前进挡接合。在车辆起 步时，变矩器锁止离合器脱开，因为 锁止离合器接合时不会有增扭效果。 当车辆稳加速或恒速运行时，锁止离 合器接合。在换期间，锁止离合器脱 开，以实现换挡平顺。当换挡完成 后，锁止离合器立即接合。 三、行星齿轮机构与动力传递路 线 1.行星齿轮机构 9HP48变速器所用的行星齿轮传 动机构如图4所示，包括4个行星齿轮 组：GS1、GS2、GS3和GS4。发动机 扭矩通过多片式离合器、多片制动器 和两个爪形离合器的单一或组合操作 传输到4个行星齿轮传动机构中，产 生9个前进挡和1个倒车挡。换挡执行 元件用于约束行星齿轮机构的运动状 态，本自动变速器共有6个换挡执行 元件，包括2个多片式制动器、2个多 片式离合器和2个爪形离合器，如图5 所示。 2.动力传递路线 动力传递路线如图6所示，由图 可知，齿轮组GS2的太阳齿轮S2有 1. 涡轮 2. 叶轮 3. 定子 4. 变速器连接 5. 单向离合器 6. 锁止离合器 7. 发动机传动板紧固柱头螺栓 8. 扭振减 震器 9. 变矩器壳体 图3 变矩器 1. 齿轮组 1 2. 齿轮组 2 3. 齿轮组 3 4. 齿轮组 4 图4 行星齿轮机 1. 多片式离合器（其中一个在制动器后面，图中看不到） 2. 爪形离合器 3. 多片式制动 图5 换挡执行元件 图2 采埃孚9HP48自动变速器剖面图 1.油底壳 2.阀块 3.行星齿轮组4 4.行星齿轮组3 5.行星齿轮组2 6.行星齿轮组1 7.爪形离合器A 8.支线小齿轮 9.驻 车联锁齿轮 10. 多片式离合器 B 11. 多层制动器 C 12. 多层制动器 D 13. 左花键输出轴（连接到半轴） 14. 右花键输出轴 （连接至动力传递单元 (PTU)） 15. 右花键输出轴（连接到半轴） 16. 差速器 17. 自动变速器油 (ATF) 油泵 18. 多片式离 合器 E 19. 爪形离合器 F 20. 输入轴 21. 扭振减震器 22. 变矩器定子 23. 变矩器锁止离合器 24. 变矩器涡轮 25. 变矩器 总成 26. 变矩器叶轮 汽车维修技师2014年第3期38 一个额外的内部传动装置，同时随 着齿轮组GS1的环形齿轮R1一同操 作。环形齿轮R3连接到行星架PC1和 PC2，因此按行星架相同的方向和速 度旋转。齿轮组GS3和GS4作为一个 Simpson行星齿轮组，两个太阳齿轮 S3/S4相连。环形齿轮R4连接到行星 架PC3，因此按行星架相同的方向和 速度旋转。来自变速器的最终动力通 过齿轮组GS4行星架输出，并通过一 个直齿轮输入差速器。各挡位工作元 件表如表1所示，各换挡执行元件的 作用如下： （1）爪形离合器A接合时，将 动力传递给GS2太阳轮S2/GS1内齿圈 R1。 （2）离合器B接合时，把输入轴 动力传递给GS1太阳轮S1。 （3）离合器C接合时，把GS1太 阳轮S1与变速器壳体连接，将其固 定。 （4）离合器D接合时，把GS2内 齿圈R2与变速器壳体连接，将其固 定。 （5）离合器E接合时，把输入轴 动力传递给GS3行星架PC3和GS4内齿 圈R4。 （6）离合器F合时，把GS3太阳 轮S3/GS4太阳轮S4与变速器壳体连 接，将其固定。 在空挡位置，所有电磁阀断电， 离合器和制动器都分离，但爪形离合 器F除外，即当变速器处于空挡时将 接合。这可使输入轴的旋转驱动行星 齿轮组旋转，而未向差速器传送驱动 力。 四、主要部件说明 1.爪形离合器A 在变速器上使用两个爪形离合 器。爪形离合器A将输入轴连接到太 阳齿轮S2和齿圈R1，而爪形离合器F 将太阳齿轮S3和S4连接到安装在变速 器壳体上的定心板。两个爪形离合器 在操作方面类似。每个离合器都通过 作用于一个双重作用活塞的ATF压力 进行操作，以将爪形离合器移入和移 出接合。 如图7所示，爪形离合器A位于 输入轴的末端，并由位于输入轴内的 一个双重作用活塞进行控制。一个双 重作用活塞位于输入轴内部，当ATF 压力施加到活塞的任意一侧时，可在 轴内移动。活塞通过一个针脚连接到 爪形离合器A，而针脚可在输入轴的 插槽中移动。爪形离合器A是带有内 部和外部花键的套筒，通过内部花键 永久与输入轴接合。当活塞沿着输入 轴将爪形离合器A移至关闭位置时， 爪形离合器A与齿轮组1和2上的行星 支架接合，从而将来自输入轴的驱动 传输到齿轮组2上。当爪形离合器A分 离到打开位置时，向活塞的另一侧施 加ATF压力，而爪形离合器A沿着输 入轴移动，并从行星托架上分离。爪 形离合器A在挡位1至7中处于关闭位 置（接合状态）。 爪形离合器A有两个状态：打开 和关闭。活塞不能确定爪形离合器A 是否已完成全行程距离，是否完成了 与齿环壳体的接合，或者是否保持在 中间位置。活塞安装了感测活塞，通 过感测活塞的ATF压力泄漏可以由传 感器单元内的压力传感器进行测量。 如图8所示，感测活塞为空心并在活 塞内轴向移动。如果对活塞右侧施加 ATF压力，活塞和感测活塞会被推向 左侧。在活塞运动期间，少量ATF压 力已流过感测活塞。此泄漏压力由压 力传感器在活塞的左侧处测得。当活 塞完全移动到左侧，并达到其端部位 置时，通过感测活塞的泄漏被阻塞。 检测到在活塞的左侧的压力下降且 表1 工作元件表 挡位 离合器C （制动） 离合器D （制动） 离合器B离合器E 爪形 离合器F 爪形 离合器A 传动比 14.713 22.842 31.909 41.382 51.00 60.808 70.699 80.580 90.480 R3.830 ：离合器关闭（接合状态）。 1. 变矩器锁止离合器 2. 变矩器 3. 变矩器单向离合器 4.多片式离合器E 5.爪形离合器F 6.行星齿轮P4 7.环 形齿轮 R4 8. 环形齿轮 R3 9. 行星齿轮 P3 10. 太阳齿 轮 S4 11. 太阳齿轮 S3 12. 爪形离合器 A 13. 太阳齿轮 S1 14. 行星齿轮 P1 15. 环形齿轮 R1 16. 太阳齿轮 S2 17. 行星齿轮 P2 18. 环形齿轮 R2 19. 多层制动 20. 多 层制动器 C 21. 多片式离合器 B 图6 动力传递路线 图7 爪形离合器A 1. 行星齿轮组 1 2. 感测活塞 3. 爪形 A 4. 用于爪形离 合器 A 释放的 ATF 压力供应 5. 输入轴 6. 活塞 7. 行 星支架 8. 用于爪形离合器 A 接合的 ATF 压力供应 汽车维修技师2014年第3期39 TCM可以确定爪形离合器A与齿环壳 体完全分离。 如果活塞的左侧上的压力在指 定的换挡时间内并未下降，则TCM 可确定爪形离合器A已停止在中间位 置。 爪形离合器A具有四种可能状态 的操作，如下所述： （1）爪形离合器A打开。对来 自左腔室的活塞施加ATF压力，且爪 形离合器A打开。右腔室中的ATF压 力几乎为零，因为感测活塞已被推至 其运动极限，且通过感测活塞的泄漏 被阻止。 （2）爪形离合器A关闭。施加 的ATF压力来自右侧的腔室，它启动 活塞向左移动，与齿环壳体形成接 合。活塞现在处于中间位置，泄漏压 力从感测活塞穿过，进入左侧腔室。 左侧腔室中的压力可测量，将约为 200kPa。 （3）爪形离合器A关闭。对来 自右侧腔室的活塞施加ATF压力，爪 形离合器A关闭，与齿环壳体完全接 合。左腔室中的ATF压力几乎为零， 因为感测活塞已推至其运动极限，且 通过感测活塞的泄漏被阻止。 （4）爪形离合器A打开。对来 自左侧腔室的活塞施加ATF压力，压 力启动活塞向右移动，与齿环壳体完 全分离。活塞现在处于中间位置，泄 漏压力从感测活塞穿过，进入右侧腔 室。右侧腔室中的压力可测量，约为 200kPa。 2.爪形离合器F 如图9所示，爪形离合器F位于多 片式离合器E和行星齿轮组4之间。爪 形离合器由位于轴承支承壳体内的双 重作用活塞控制。爪形离合器F是带 有内部和外部花键的套筒。爪形离合 器F利用轴承支撑壳体一直接合在花 键上，而轴承支承壳体反过来静态固 定在变速器壳体内。当爪形离合器F 移至关闭位置时，它给行星齿轮组4 中太阳齿轮3和4的制动。 爪形离合器F有两个状态：打开 和关闭。爪形离合器F采用比爪形离 合器A更简单的感测系统。即利用爪 形离合器F即活塞本身，且不使用一 个感测活塞。爪形离合器F的活塞有 一个泄漏感测孔，用于通过压力感 测来检测当前位置。如图10所示， 如果将ATF压力施加到活塞右侧， 活塞将被推至左侧。在活塞运动期 间，少量ATF压力已流过泄漏感测 孔。此泄漏压力由传感器单元中的 压力传感器在活塞的左侧处测得。 当活塞完全移动到左侧，并达到其 端部位置时，通过泄漏感测孔的泄 漏被阻塞。检测到活塞左侧的压力 下降，且TCM可以确定爪形离合器 F已完全与太阳齿轮3和4接合。如果 活塞左侧的压力在指定的换挡时间 内并未下降，TCM可确定爪形离合 器F已停止在中间位置。 爪形离合器F具有四种可能状态 的操作，如下所述： （1）爪形离合器F打开。对来 自右腔室的活塞施加ATF压力，爪形 离合器A已打开。左腔室中的ATF压 力几乎为零，因为活塞已推至其运动 极限，且通过泄漏感测孔的泄漏被阻 止。 （2）爪形离合器F关闭。施加 的ATF压力来自左侧腔室，其启动活 塞移到右侧与太阳齿轮3和4进行接 合。活塞现在处于中间位置，泄漏压 力从泄漏感测孔穿过，进入右侧腔 室。右侧腔室中的压力可测量，约为 200kPa。 （3）爪形离合器F关闭。对来自 A. 爪形离合器 A 打开 - 活塞在末端位置 B. 爪形离合器 A 关闭 - 活塞在中间位置 C. 爪形离合器 A 关闭 - 活塞在末端 位置 D. 爪形离合器 A 打开 - 活塞在中间位置 1.ATF 施加压力 - 爪形离合器 A 打开 2.ATF 施加压力 - 爪形离合器 A 关闭 3. 通过感测活塞的泄漏进行压力感测 图8 爪形离合器A活塞到位监测 1.ATF 压力供应 - 打开 2. 支线小齿轮 3. 角接触滚珠轴 承滚道 4.ATF压力供应-关闭 5.压力感测泄漏孔 6.太 阳齿轮 3 和 4 7. 爪式离合器 F 8. 轴承支撑壳体 图9 爪形离合器F 汽车维修技师2014年第3期40 左侧腔室的活塞施加ATF压力，爪 形离合器F关闭，并与太阳齿轮3和 4完全接合。右腔室中的ATF压力几 乎为零，因为活塞已推至其运动极 限，且通过泄漏感测孔的泄漏被阻 止。 （4）爪形离合器F打开。对来 自右侧腔室的活塞施加ATF压力， 其启动活塞向左移动，以与太阳齿 轮3和4分离。活塞现在处于中间位 置，泄漏压力从泄漏感测孔穿过， 进入左侧腔室。左侧腔室中的压力 可测量，将约为200kPa。 3.驻车锁止机构 驻车锁止机构如图11所示，包 括1个换挡器轴、1个驻车锁闭杆、1 个换挡杆、1个驻车锁爪和1个驻车 锁定齿轮。驻车锁通过位于阀块的 控制电磁阀和滑阀以电子和液压的 方式启动。滑阀中的槽与换挡器轴 上的杆连接啮合。杆的另一个连接 与驻车（P）传感器啮合，该传感器 是传感器单元的一部分。有关单个 部件的详细信息，请参阅本节中的 “阀块”和“传感器单元”部分。 当控制电磁阀启动时，驻车滑阀移 动，从而旋转驻车锁闭杆。杆的旋 转运动将转换为换挡杆的线性运 动，沿着所需的方向移动，以实施 或释放驻车锁定齿轮上驻车锁爪。 4.油泵 ATF泵如图12所示，它位于变 速器主壳体内的一个中间板中。中 间板利用柱头螺栓和螺母连接到变 速器主壳体的内侧，变矩器后面。 中间板包含花键定子轴，其连接了 变矩器定子。变矩器壳体延伸到并 利用1个一体式链轮驱动1个驱动 小齿轮，这可操作卷轴式传动链来 驱动ATF泵。驱动小齿轮因此以发 动机速度进行旋转。该泵位于变速 器主壳体的底部，用螺钉连接到壳 体。1个ATF滤清器可确保任何颗 粒物质在ATF进入ATF泵之前由滤 清器进行收集。ATF泵是1个叶片 单元泵，可产生3504400kPa之间 的压力