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汽车电气技术（11）哈工大网络与电气智能化研究所刘勇2015（秋）一、概述汽车自动变速器是指在汽车行驶过程中，驾驶员仅根据行驶需要控制加速踏板，变速器即可根据发动机的负荷以及车速等参数的变化，自动换入不同挡位工作的一种变速器。早在20世纪40年代末50年代初，就开始出现根据车速和节气门开度自动控制换挡的液力控制换挡自动变速器。60年代末，法国、日本等国家先后探讨了采用电子元件控制自动变速器的换挡过程。显然，这种以模拟信号为主、硬件以各种复杂的电子元件为主的自动变速器，要想改变其控制规律、改变相关的硬件电路是困难的。第九章汽车自动变速器第一节自动变速器的组成与工作原理由于计算机技术的高速发展，自1981年起，美国、日本、德国等一些汽车公司相继开发出各种微机控制的自动变速系统，如电子控制液力变矩式自动变速器、电子控制多级齿轮变速器等。1982年，丰田公司将微机技术应用于自动变速器电子控制系统，成功实现了自动变速器换挡过程的智能控制，这标致着电子控制自动变速器取得了真正飞跃式发展。尽管自动变速器存在着结构复杂、零件精度要求高、制造难度大、成本较高、相应的维修技术较复杂等缺点，但因其具有一系列优势，使得自动变速器被越来越广泛地应用于各类汽车上。例如，自动变速器可使换挡操作简化并提高行车安全性；液力变矩器的使用能使汽车自动适应驱动轮负荷的变化，提高汽车的通过性；自动变速器的挡位变换快且平稳，提高了汽车的乘坐舒适性；通过液体传动或微电脑控制换挡，可消除或降低动力传动系统中的冲击和动载，从而大幅度延长发动机和传动系统零部件的寿命；自动变速器可使发动机经常处于经济转速区运转，使整车获得最佳的动力性和燃料经济性，降低排气污染等。二、自动变速器的分类自动变速器按传动比变化的方式分类，主要有：有级式自动变速器、无级式自动变速器以及处于两者之间的综合式自动变速器。1．有级式自动变速器有级式自动变速器是一种由普通齿轮式机械变速器组成的有级式电子控制机械式自动变速器，简称AMT。它主要包括：自动离合器、齿轮式机械变速器和电子控制系统等。有级式自动变速器基本思想如图9-1所示。驾驶员通过加速踏板和选择器（包括选挡范围、换挡规律、巡航控制等）向微机表达意图，各种传感器时刻检测车辆的现状，微机接收和处理信号，并输出最佳控制信号（最佳换挡规律、离合器最佳接合规律、发动机节气门的自适应调节规律等），通过电动和液压或气压分别对节气门开度、离合器接合及换挡三者进行控制，以实现最佳匹配，从而获得优良的行驶性能、平稳的起步性能和迅速换挡的能力。图9-1电控机械式自动变速器AMT的基本控制原理有级式机械自动变速器既能使换挡操作简化，又保留了齿轮式机械变速器传动效率高、价廉、易于制造的长处，但其控制系统要求较高的控制精度，使得自动换挡的难度大。2．无级式自动变速器无级式自动变速器，简称CVT。它由电子控制部分、液压控制部分、液力变矩器和机械无级变速器等组成。CVT的基本变速原理如下图所示。1-主动轴2-主动轮3-V形钢带4-从动轮两个工作带轮，其中，2为主动轮，4为从动轮。每个带轮均由可以相对滑动的两部分构成，V形钢带3位于两部分间的凹槽内。当带轮两部分紧靠时，凹槽较窄，钢带位于带轮外缘，带轮的工作直径最大。随着带轮两部分间的相对滑动分离，凹槽逐渐变宽，钢带随之靠近带轮中心，工作直径相应变小。因此，CVT的控制是靠两个带轮的轴向夹紧力来实现的，带轮的滑移由电子控制的液压元件来完成。CVT具有传动比连续、传递动力平稳、操纵方便等特点，真正实现了无级变速。由于CVT可以使发动机始终在其经济转速区域内运行，从而大大改善燃油经济性。此外，CVT在加速时无须切断动力，因此，装备CVT的汽车乘坐舒适，超车加速性能好。但因CVT是采用摩擦传动，如何提高其传动效率及自动控制的可靠性是主要的研究方向。3．综合式自动变速器综合式自动变速器具有在一定范围内实现无级变速的能力，即通常所指的液力自动变速器，简称AT。三、自动变速器的组成与工作原理液力自动变速器主要由液力变矩器、齿轮变速机构和自动换挡控制系统组成。液力变矩器和齿轮变速机构组成了液力自动变速器的变速系统，它们是液力自动变速器的必要条件和结构基础，而自动换挡控制系统则是液力自动变速器的控制中枢。除此之外，在自动变速器中还有保证系统运转的供油、冷却、润滑等必备系统。液力变矩器是通过液体动量矩的变化来改变转矩的，但其本身变矩与变速能力有限，因此需与机械式变速机构串连形成综合式液力变矩器。变速机构通常由行星齿轮机构组成。发动机的动力通过液力变矩器输入自动变速器的变速机构，控制系统根据发动机的转速、负荷以及车速的大小，按照既定的程序，通过制动器、离合器使齿轮机构各元件进行不同的组合，从而得到不同的传动比，使自动变速器完成自动变速、变矩及倒车、空挡等输出。液力自动变速器通常有两种形式，即适用于汽车发动机前置后驱动的自动变速器和适用于前置前驱动的变速驱动桥。显然，变速驱动桥的基本结构除了还包括主减速器和差速器外，其他与自动变速器相同。自动变速器的换挡控制系统主要由控制参数信号发生系统、换挡控制系统、换挡执行机构等组成，如图9-3所示。1．控制参数信号发生系统用于变速器自动换挡的控制参数虽有多种形式可选择，但较常用的是两参数形式：节气门位置信号与车速信号。当然，自动换挡系统还需要及时了解驾驶员控制的手动变速杆的位置信号、发动机转速与油温信号、变速器油温信号等。图9-3自动换挡系统工作流程简图2．换挡执行机构用于换挡的执行机构主要指位于自动变速器中的换挡离合器、制动器、单向离合器等，其功能是接受控制器指令，在液压系统的作用下，具体完成变速器中挡位的变换。3．换挡控制系统自动变速器换挡控制系统的主要工作内容是：在给定手动换挡位置信号后，接受来自节气门位置、车速及手动换挡传感元件所传来的信号，进行比较和处理，选择最佳的换挡规律，确定最佳的换挡时刻，保证最佳的换挡品质，发出换挡指令至换挡执行机构，最终实现自动换挡的目的。自动变速器的换挡控制系统主要有液控液压式和电控液压式两种形式，两种控制系统的主要区别见图9-4和图9-5。图9-4液控液压式自动换挡系统工作简图1-节气门阀2-换挡阀3-液力变矩器4-变速机构5-速控阀图9-5电控液压式自动换挡系统工作简图1-自动变速器ECU2-节气门位置传感器3-换挡电磁阀A4-液力变矩器5-变速机构6-车速传感器7-换挡阀8-换挡电磁阀B液控液压式自动换挡系统通过机械与液压的手段，在手动换挡阀选定位置后，接受来自节气门阀所反映的节气门位置、调速阀所反映的车速以及手动换挡阀所传递的换挡位置等液压信号，按照既定的换挡规律，在换挡点由这些液压信号直接控制换挡阀组的液压油流向，并最终作用于换挡执行机构中的换挡离合器、制动器等，实现自动换挡。电控液压式自动换挡系统则是在手动换挡阀选定位置后，通过各个传感器将发动机转速、节气门开度、车速、手动换挡阀位置、发动机温度、自动变速器油温等参数转变为电信号，输入自动变速器电子换挡控制单元ECU，ECU根据这些电信号，通过运算选择换挡规律，确定换挡点，发出换挡控制信号控制相应的换挡电磁阀动作。换挡电磁阀的动作作为控制信号控制液压换挡阀组的液压油流向，并最终作用于换挡执行机构中的换挡离合器、制动器等，实现自动换挡。与液控液压式自动变速器相比，电控液压式自动变速器的主要优点是：1)计算机能够存储与处理多种换挡规律以及其他多种数据，可以按车辆的行驶需要，对自动换挡过程实现更合理、更复杂、更精确、更快速的控制，从而使车辆获得更理想的燃料经济性和动力性。2)可大大简化液压系统，从而使结构紧凑、重量轻。3)与整车其他电子控制系统（如发动机控制、巡航控制等）比较，该系统兼容性好，并具有自我故障诊断、失效保护等功能。4)自动换挡系统变更换挡规律或参数时，只需改变控制程序和某些电子元件的型号规格就能达到要求，所以适应性强，开发周期短，有利于系列化生产。第三节自动变速器的液压控制系统一、液压控制系统的组成在液力自动变速器的自动换挡系统中，无论是液控液压式还是电控液压式，其换挡离合器的接合和分离、制动器的制动和释放都最终由液压控制系统的控制动作来完成。除此之外，液力自动变速器的液压控制系统还要具有液力变矩器的锁止、油压补偿、运动零部件的润滑及工作介质的冷却等功能。自动变速器液压控制系统的组成因车型不同而异，但其基本组成与原理是相似的。下页所示图9-9表示了红旗牌CA770轿车自动变速器液控液压式自动换挡系统的基本组成。1-液力变矩器2-油液冷却器3-油液细滤器4-主油路调压阀5-变矩器压力调节阀6-换挡阀7-节气门阀8-强制低挡阀9-低挡阀片10-缓冲阀11-手控制阀12-液压泵13-油液集滤器14-变速器第二轴15-离心调速阀16-低挡限流阀17-低挡单向阀18-直接挡离合器19-低挡制动器20-倒挡制动器红旗CA770轿车自动变速器由液力变矩器、双排行星齿轮变速器及液控液压式自动换挡系统组成。它有两个前进挡（直接挡和低挡）、一个倒挡。该系统的供油部分主要由液压泵12、主油路调压阀4等组成。控制参数信号发生装置主要包括离心调速阀15与节气门阀7。换挡执行机构包括直接挡离合器18、低挡制动器19和倒挡制动器20。换挡控制系统由手动换挡阀11、换挡阀6及用于改善换挡品质的缓冲阀10等组成。液压泵经集滤器将变速器油从油底壳中吸入，加压后进入主油路调压阀4，同时，通往离心调速阀15和手控制阀11的油压也被调定。由主油路调压阀输出的一条油路经变矩器压力调节阀5降压后，进入液力变矩器1。液力变矩器中的热油则从管路引至油液冷却器2、油液细滤器3，在完成行星齿轮、轴承的润滑任务后回到油底壳。另一条通往控制系统其他装置及行星齿轮变速器各执行元件的油路，则由手控制阀根据所要求的工况来决定。二、液压控制系统的主要工作元件1．供油和调压部分它是整个液压控制系统各个机构的动力源，向各个机构提供压力足够的液体，且压力的大小根据发动机的负荷、车速及挡位等不同而相应变化，主要由油泵和调压阀等组成。(1)自动变速器油泵其作用是使液压油产生一定的压力，向变矩器、控制机构、齿轮系统、油液冷却器等部件提供足够的油液，以实现传递转矩、控制油路的压力和流向、润滑和降温等目的。(2)主油路调压阀主要用于稳定主油路油压。由于油泵是发动机直接驱动的，因此发动机转速变化使油泵输出的流量和压力随之变化。自动换挡系统也要求主油路在不同工况、不同挡位时能提供不同的油压。如当自动变速器所传递转矩较小，执行机构中的离合器、制动器不易打滑时，主油路压力可适当降低；反之则需要较高的主油路压力。因此，在主油路中必须设置主油路调压阀，以使主油路油压稳定，并控制在一定范围内。丰田A341E型自动变速器主油路调压阀结构如图9-10所示，由上部的阀心、下部的柱塞以及中部的调压弹簧组成。来自油泵的油压作用到阀心上，给阀心加一个向下的作用力；节气门阀输出的油压力作用到柱塞和阀心上，使阀心受到一个向上的作用力。当节气门开度小时，节气门油压低，阀心下移，泄油缝隙增大，系统油压减小；反之，系统油压增大。图9-10典型主油路调压阀结构示意图1-阀心2-弹簧3-柱塞请看视频主油路调压阀2．控制参数信号转换装置液控自动换挡系统主要是通过节气门阀和调速阀把节气门开度和车速转换成液压信号，根据这两个信号实现自动换挡。(1)节气门阀受发动机加速踏板所控制，它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，输出油压的高低即为自动换挡的一个信号。在图9-11所示的丰田A341E型自动变速器节气门阀中，节气门阀和降挡柱塞安装在同一阀孔中。节气门阀的上、下两端都有弹簧。降挡柱塞的下端有一滚轮，滚轮与节气门阀凸轮接触，凸轮通过一钢丝拉索与加速踏板相连。因此，节气门阀和降挡柱塞的动作是与加速踏板的位置相对应的。图9-11节气门阀结构简图1-弹簧A2-节气门阀3-反向阀4-弹簧B5-降挡柱塞6-凸轮节气门阀压力既取决于加速踏板的位置，同时与变速．器的工况也有一定的关系。加速踏板越踏到底，节气