汽车新技术-邹乃威课件第5章 自动变速器

第五章汽车自动变速器第1节机械式自动变速器1.AMT特点与分类

平行轴式电控自动变速器亦称电子控制机械式自动变速器(AutomaticMechanicalTransmission，AMT)，是在传统的固定轴式齿轮变速器基础上，增加一套汽车起步、换挡自动控制机构而成的。用电子技术改造传统的手动机械式变速器使其自动化，不仅能保留原齿轮变速器效率高、成本低等长处，而且还具有自动换挡带来的优点。根据电控机械式自动变速系统选挡杆和离合器的操纵方式不同可分为液压驱动式、气压驱动式和电机驱动式3种。2.AMT的控制难度（1）需切断动力换挡，但又没有液力变矩器在起步、换挡过程中起缓冲和减诚振的作用。（2）固定轴式变速器采用拨叉换挡比用液压制动器和离合器换挡冲击大。（3）单、双片干式离合器与湿式多片离合器相比，不允许长时间打滑，否则会烧坏摩擦片，因此对起步、换挡过程的控制要求更高。（4）机械式自动变速器需在换挡时变化节气门，而液力自动变速器是在定节气门状态下换挡。（5）机械变速器要靠驾驶员使制动器、离合器和发动机节气门三者协调工作，才能实现起步，因此进行自动化改造时，需增加坡道辅助起步装置。3.AMT的基本原理

主要由干式离合器、带同步器的齿轮式变速器、计算机电子控制系统组成

图5-2-1机械式自动变速器原理框图二、离合器最佳接合规律1．主要影响因素（1）离合器接合行程①零转矩传递。②转矩传递急速增长。③恒转矩传递。（2）节气门开度节气门踏板的操纵反映了驾驶员的意图，被用于控制离合器的接合速度。（3）发动机转速离合器接合时，发动机转速ne会出现变化，接合的速度越快转速的波动量越大。图5-2-2离合器的接合过程与传递转矩关系二、离合器最佳接合规律1．主要影响因素（4）挡位与车速低挡传动比大，后备牵引力就大，低挡时换挡时间长

（5）坡度与载荷离合器的接合速度宜适当放慢2．最佳接合规律根据影响离合器接合的因素及使用性能对离合器提出的基本要求，经数学处理和优化后即能确定在各种节气门开度、发动机转速、道路坡度、传动比、车辆载荷及车速等条件下的离合器最佳接合规律，离合器就按此规律工作。图5-2-3离合器接合速度与挡位的关系三、离合器的操纵机构离合器控制属于闭环控制1.电控离合器及作动器图5-2-4离合器控制闭环子系统图5-2-6采用螺杆传动的离合器作动器四、变速器换挡的自动控制变速器闭环控制系统变速器选换挡控制回路主要由选挡作动器和换挡作动器

图5-2-8变速器闭环子系统图5-2-9AMT的选挡和换挡作动器1-选挡油缸，2-选挡缸柱塞，3-换挡柱塞与换挡拨头的连接剖面，4-选换挡杆与选档拨叉连接剖面，5-选挡油缸端盖，6-挡位选择器，7-差动式换挡油缸，8-换挡柱塞杆五、发动机节气门开度的自动控制节气门的控制有两种方式：电液驱动式和电动机驱动式

图5-2-12电液式节气门执行器结构六、电子控制单元1.电子控制单元的组成及特点电子控制单元由电源、中央处理器（CPU）、存储器、输入及输出电路等几部分组成。输入电路连接各类传感器，输出电路则连接各执行机构。

图5-2-13机械式自动变速器的电子控制单元六、电子控制单元双机控制单元有下列特点。（1）两个多路转换器可通过分时方法及时处理输入数据。（2）所有驱动电磁阀都能进行自我诊断。（3）由显示器根据控制单元发出的信息，显示选挡手柄位置、挡位、巡航条件、失效报警、错误代码等。（4）主、从单元之间有通信联系，交换和传递信息。（5）由电路保证，只有变速器在空挡位置时才能起动发动机。六、电子控制单元2.控制功能及原理（1）变速控制各种工况下的最佳换挡规律被储存于传动系控制单元中，在汽车行驶时根据发动机负荷及车速两参数即可控制换挡。（2）离合器控制离合器控制主要是汽车起步与换挡时离合器接合的控制，由节气门开度、发动机转速、输入轴转速及离合器传递的转矩等参数控制。其关键是接合速度（3）发动机节气门控制包括3个方面的内容：发动机起动、加速控制和换挡时机的控制，重点是换挡时机的控制。发动机的控制主要是对转速的控制，目的是使其适应新的输入轴转速，从而减小换挡后离合器接合时的冲击。七、特殊控制单元1．坡道辅助起步装置（HillStartingAid，HAS）

图5-2-15坡道辅助起步装置的组成1-主液压缸；2-HSA阀；3-压力调节装置；4-前、后、左、右制动器七、特殊控制单元如满足下列条件，HSA阀处于保持制动状态。（1）节气门踏板放松。（2）离合器分离。（3）制动踏板踩下。为了不发生误操作而进行强制制动（4）发动机正常运转。（5）选挡手柄置于行驶位置，变速器处于1挡。为防止将HSA作为驻车制动器使用而采取的措施

如满足下列条件，则认为汽车已起步，HSA阀可以松开。（1）离合器已进入接合状态，开始传递驱动力。（2）节气门踏板被踩下，车速在3km/h以上。七、特殊控制单元2.电控应急系统电控应急系统用作双机控制单元中的从机，作为安全应急之用（冗余备份）。它的主要功能如下。（1）两个控制单元互相监测彼此的工作状态是否正常。（2）如果主控制单元出现的故障较严重，以致不能完成控制动能，则指示灯亮，主机自动切换到应急系统工作，此时驾驶员可观察运行是否正常；如工作仍不可靠，则通过换挡开关转向应急系统位置，两个控制单元均退出对系统的控制，汽车只能在低挡或倒挡行驶，维持基本行驶能力以能进厂检修。七、特殊控制单元3．机械式应急系统自动变速控制系统一旦出现故障，首先采用电控应急系统处理，如该系统也失灵，则采用机械式应急系统进入工作，整个变速控制系统恢复至手动换挡状态，发动机、离合器、变速器等均可由人工进行操纵，汽车可维持基本行驶能力。图5-2-17机械式安全应急系统1-弹簧、气缸；2-紧急用替换开关；3-紧急用发动机停止按钮；4-安全用变速杆；5-安全用离合器控制按钮；6-电磁阀第2节电控液力自动变速器优点：驾驶操作简便省力，提高了行车安全。提高了发动机和传动系的使用寿命。能自动适应行驶阻力的变化，在一定范围内实现自动换档，提高了汽车的动力性和经济性。提高了乘车的舒适性。可避免因外界负荷突增而造成过载和发动机熄火。自动变速器基本组成：液力传动装置机械变速器操纵控制系统电子控制系统电控液力自动变速器组成图5-3-1汽车的液力自动变速器系统构成图液力变矩器液力变矩器组成泵轮结构涡轮结构液力变矩器结构液力变矩器结构液力变矩器工作原理液力变矩器工作原理液力变矩器工作原理液力变矩器工作原理a.

nw=0，nB>nw，ATF流向导轮正面，TD>0，TW=TB+TDb.

nw>0，接近0.85nB时，ATF与导轮叶片相切，TD=0，Tw=TBc.

nw≈nB，ATF流向导轮背面，TD<0，Tw=TB-TD液力变矩器的功能（1）传递转矩功能（2）无级变速功能（3）自动离合功能（4）驱动油泵液力变矩器的传动特性（1）变扭系数K为（2）传动比i为（3）传动效率为图5-3-4液力变矩器的传动特性锁止离合器图5-3-5变矩器锁止离合器（a）闭合，（b）分离单向离合器（超越离合器、自由轮机构）功用：实现单向锁止，使变矩器在高速区成为偶合器。行星齿轮变速器主要内容：单排行星齿轮机构典型行星齿轮变速器换档执行机构为什么要装行星齿轮变速器变矩器转矩比常在1~3范围内，难以满足汽车使用要求，故在汽车上广泛采用的是液力变矩器与齿轮式变速器组成的液力机械变速器。行星齿轮变速器的基本组成多排行星齿轮机构换档执行机构行星齿轮变速器单排行星齿轮机构图5-3-6单排行星齿轮机构的基本机构1太阳轮，2行星轮和行星架，3内齿圈运动规律运动规律n1＋αn2－（1＋α）n3＝0n1——太阳轮转速；n2——齿圈转速；n3——行星架转速；α——齿圈与太阳轮的齿数比动力传动方式太阳轮主动，行星架从动，齿圈制动，则n2＝0，故传动比

n1＋αn2－（1＋α）n3＝0i13＝n1/n3＝1＋α>1低速档旋向相同动力传动方式太阳轮制动，齿圈主动，行星架从动，则n1＝0，故传动比

n1＋αn2－（1＋α）n3＝0i23＝n2/n3＝(1＋α)/α（>1）高速档旋向相同动力传动方式（超速档）太阳轮制动，行星架主动，齿圈从动，则n1＝0，故传动比

n1＋αn2－（1＋α）n3＝0i32＝n3/n2＝α/(1＋α)<1超速档旋向相同动力传动方式齿圈制动，行星架主动，太阳轮从动，则n2＝0，故传动比

n1＋αn2－（1＋α）n3＝0i31＝n3/n1＝1/(1＋α)<1超速档旋向相同动力传动方式行星架制动，太阳轮主动，齿圈从动，则n3＝0，故传动比

n1＋αn2－（1＋α）n3＝0i12＝n1/n2＝－α<0倒档动力传动方式如果n1＝n2，则n3＝n1＝n2，故传动比

n1＋αn2－（1＋α）n3＝0i＝1直接档如果所有元件无约束，则动力无法传动－－空档换挡执行机构的结构和工作原理

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。

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。

换挡执行机构的结构和工作原理换挡执行机构的结构和工作原理

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换挡执行机构的结构和工作原理

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。

换挡执行机构--离合器

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；

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。换挡执行机构的结构和工作原理

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。换挡执行机构的结构和工作原理换挡执行机构的结构和工作原理

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。换挡执行机构的结构和工作原理

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。换挡执行机构--离合器图5-3-9湿式多片离合器的工作原理（a）分离状态，（b）接合状态1-控制油道，2-回位弹簧，3-活塞，4-离合器鼓，5-主动片，6-卡环，7-压盘，8-从动片，9-花键毂，10-弹簧座

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换挡执行机构的结构和工作原理

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。换挡执行机构的结构和工作原理换挡执行机构--制动器图5-3-10带式制动器的机构分解1-卡环，2-活塞定位架，3-活塞，4-止推垫圈，5-垫圈，6-锁紧螺母，7-调整螺钉，8-制动带，9-活塞杆，10-回位弹簧，11-O型密封圈图5-3-11带式制动器的结构1-调整螺钉，2-壳体，3-制动带，4-油缸，5-活塞，6-回位弹簧，7-推杆换挡执行机构--制动器

单向离合器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换挡执行机构的结构和工作原理图5-3-14辛普森式行星齿轮结构输入轴，2-前太阳轮，3-前行星齿轮，4-前行星架，5-前齿圈，6-后行星架，7-后齿圈，8-后行星齿轮，9-后太阳轮，10-输出轴，C1-倒挡离合器，C2-高速挡离合器，C3-前进离合器，C4-前进强制制动器，B1-2挡、4挡离合器，B2-低挡、倒档离合器，F1-前进单向离合器，F2-抵挡单向离合器典型行星齿轮变速器辛普森式齿轮机构拉威那式行星齿轮结构典型行星齿轮变速器图5-3-15拉威那式行星齿轮结构1-输入轴，2-大太阳轮，3-小太阳轮，4-齿圈，5-输出轴，6-短行星齿轮，7-长行星齿轮，C1-前进离合器，C2-倒档离合器，C3-前进强制离合器，C4-高速档离合器，B1-2挡、4挡离合器，B2-低挡、倒挡离合器，F1-低挡单向离合器，F2-前进挡单向离合器典型行星齿轮变速器典型行星齿轮变速器D1档D1档：C0、C1、F0、F2主动轴超速行星排前进离合器C1

中间轴后排齿圈后排行星轮后排行星架输出轴中心轮前排行星轮前排齿圈输出轴F0D2档D2档：C0、C1、B2、F0、F1主动轴超速排输入轴前进离合器C1中间轴后排齿圈后排行星轮后排行星架输出轴F0D3档D3档：C0、C1、C2、B2、F0主动轴超速排前后排输入轴前进离合器C1和倒档离合器C2

前后行星排（固连）输出轴F0OD档OD档：C1、C2、B0、B2主动轴超速排行星架超速排行星齿轮超速排齿圈输入轴离合器C1和

C2

前后行星排（固连）输出轴倒档倒档：C0、C2、B3、F0主动轴超速排前后排输入轴高、倒档离合器C2

前后排中心轮前排行星轮前排齿圈输出轴F0“2”档“2”位1档：与D1完全相同。“2”位2档：动力传递路线及传动比与D2相同，但增加了二档强制制动器B1,以便利用发动机制动。“L”挡位“L”挡位动力传递路线及传动比与D1相同，但增加了低、倒档强制制动器B3,实现发动机制动。“N”和“P”位工作原理“N”和“P”位：虽然超速离合器C0和单项离合器F0的作用使得动力经超速排传到前后排输入轴，但前进离合器C1、高、倒档离合器C2均处于分离状态，动力不能继续向后传递，因此无动力输出。执行元件的功用第3节无级变速器一、概述二、CVT的技术特点三、CVT的种类四、CVT的发展概况五、金属带式CVT的变速原理六、金属带式CVT的关键部件七、金属带式CVT的控制概述需要无级变速的原因：（1）发动机特性与汽车行驶要求存在很大差距；（2）汽车变速器靠改变传动比（速比）的方法弥补了这一缺陷；（3）变速器的传动比（速比）序列越多汽车性能越好，换档操作次数越多；（4）自动变速器实现了换档的自动化，将司机从换档操作中解放出来；（5）但有级变速器不能从根本上提高汽车性能；（6）无级变速器（CVT）可以在一定范围（imax~imin）内任意改变速比，且实现了“换档”的自动化，是理想的汽车变速器CVT的技术特点档位：传统变速器：档位是指不同传动比（速比），对应于车速的高低；自动变速器：传动比（速比）是自动控制的，档位不再与传动比（速比）直接相关，而是一种变速模式自动变速器的档位分为P、R、N、D、2、1或L等CVT的技术特点CVT是一种特殊的自动变速器-无级变速器它能在一定范围内（imax~imin）任意改速比，由于其速比具有连续自动变化的特性，与有级式变速器相比有如下优点：CVT的优点：（1）油耗率更低（2）动力更强劲（3）更舒适（消除了技术差异）（4）排放低且零件总数少，结构简单，重量轻与CVT匹配的发动机工作点分布CVT的技术特点与有级变速器匹配的发动机工作点分布相同循环工况下：CVT的缺点：（1）摩擦传动，效率低（2）转矩容量有限（3）需要增设附件（油泵，冷却及润滑系统）（4）零部件精度高，加工难度大，制造成本高（5）设计开发程序复杂（与发动机构成PowerTrain）CVT的技术特点CVT的种类1变节圆传动

如:带式、链式传动；2摩擦传动

如:锥、盘、环及球面传动；3电力传动如：串联混合动力汽车；4液体传动

如:液体静压传动、流体动压传动；5液力+机械传动如：ATCVT的发展概况1886年德国Daimler-Benz公司将V型橡胶带无级变速器应用于汽车1958年荷兰DAF公司的H.VanDoorne博士研制出双V型带无级变速器1960’s末期H.VanDoorne博士研制出了金属带式无级变速器（CVT）1984年富士重工开发了电控无级变速器（ECVT）1990’sVDT公司推出第二代CVT1997年VDT与BOSCH合并CVT的发展概况金属带式CVT的变速原理1.CVT的基本组成（1）金属推力带：传力部件；（3）起步离合器；（2）带轮：变速机构；（4）换向机构金属带式CVT的变速原理2.CVT的变速原理*变速部分由：主动带轮、V型金属带和从动带轮所组成；其中主动带轮和从动带轮均由可动锥轮和固定锥轮两部分组成，可动锥轮的轴向移动可以控制轮槽的宽度->改变工作半径->改变速比；金属带式CVT的典型结构及关键部件CVT的动力传递路线发动机-液力变矩器-输入轴-换向机构-主动带轮轴-主动带轮-金属带-从动带轮-从动带轮轴-减速齿轮-中间减速总成-主减速器-差速器-半轴

金属带式CVT的典型结构及关键部件1.主动带轮实现速比控制（跟踪目标速比）金属带式CVT的关键部件2.从动带轮实现夹紧力控制（考虑：扭矩容量，传动效率）金属带式CVT的关键部件3.金属推力带金属推力带由多片金属片（400片左右）和两组金属环（9-12层）组成，金属片在两侧工作轮的挤压作用下通过摩擦传递动力，金属环在动力传递过程中主要是将金属片约束在一起，并正确地引导金属片运动。六、金属带式CVT的关键部件4.换向机构变换输出轴的旋转方向，实现CVT的倒档六、金属带式CVT的关键部件4.换向机构前进挡分析：前进离合器接合（行星架与太阳轮同速），行星机构各构件同速转动六、金属带式CVT的关键部