第4章汽车自动变速器(汽车电子控制技术).

汽车电子控制技术汽车类专业应用型本科示范教材机械工业出版社出版主编于京诺第4章汽车自动变速器•学习目标•·了解自动变速器的类别与组成。•·掌握电控液力自动变速器的结构组成与工作原理。•·掌握无级变速器的结构组成与工作原理。•·掌握双离合器自动变速器的结构组成与工作原理。•·掌握电控机械式自动变速器的结构组成与工作原理。4.1概述4.1.1自动变速器的功用1.适时换档电控自动变速器的应用，对驾驶员的驾驶技术要求较低，它能自动适时换档，一定程度上提高汽车的动力性和燃油经济性。2.防止过载发动机和自动变速器机械传动系统之间是靠液力变矩器传递动力的，这种液力传递能吸收震动和冲击，防止发动机和传动系过载，提高了零件的使用寿命。3.操作简单，提高安全性装备自动变速器的汽车，驾驶员只需操纵加速踏板，即实现自动换档，简化了驾驶操作，减轻了劳动强度，有利于行车安全。4.提高汽车的通过性能自动变速器在换档过程中不需中断动力传递，行驶比较平稳，电控式自动变速器又有驾驶模式选择功能，所以能在如雪地、松软等坏路上较顺利地通过，使汽车具有良好的通过性。5.降低汽车有害物的排放装备自动变速器的汽车，发动机运转平稳，非稳定工况较少，空燃比相对稳定，汽车有害物排放下降。4.1.2自动变速器的分类及特点1.按汽车驱动方式分类自动变速器按照汽车驱动方式的不同，可分为后轮驱动自动变速器和前轮驱动自动变速器两种。1-液力变矩器2-油泵3-输入轴4-行星齿轮机构5-阀体总成6-输出轴7-油底壳1-液力变矩器2-油泵3-行星齿轮机构4-输入轴5-输出轴6-差速器前轮驱动汽车的发动机有纵置和横置两种。纵置发动机的前轮驱动自动变速器的结构和布置与后轮驱动汽车自动变速器基本相同。2.按自动变速器前进档位数分类自动变速器按前进档的档位数的不同，可分为2档自动变速器、3档自动变速器、4档自动变速器等。现代轿车装用的自动变速器基本上都是4个前进档，即设有超速档。这种设计虽然使自动变速器的构造更加复杂，但由于设有超速档，大大改善了汽车的燃油经济性。在商用车上，大多采用5档和6档自动变速器，一些新型轿车上也开始采用5档和6档自动变速器。3.按变矩器的类型分类按液力变矩器的类型不同，自动变速器大致可分为普通液力变矩器式、综合液力变矩器式和带锁止离合器的液力变矩器式自动变速器三种。4.按齿轮传动机构的类型分类自动变速器按其齿轮传动机构的不同，可分为普通齿轮式和行星齿轮式两种。普通齿轮式自动变速器体积大，最大传动比小，应用较少。行星齿轮式自动变速器结构紧凑，能获得较大的传动比，为绝大多数轿车采用。5.按控制方式分类可分为全液压自动变速器和电子控制自动变速器两种。全液压自动变速器是通过机械的手段，将汽车行驶的车速及节气门开度这两个参数转变为液压控制信号；阀体中的各个控制阀根据这些液压控制信号的大小，按照设定的换档规律，通过控制换档执行机构的动作，实现自动换档。电控自动变速器是通过各种传感器，将发动机转速、节气门开度、车速、发动机冷却液温度、自动变速器油温度等参数转变为电信号，按照设定的换档规律，向换档电磁阀、油压电磁阀等发出电子控制信号，控制换档执行机构的动作，实现自动换档。6.按工作原理分类按工作原理不同，自动变速器分为液力自动变速器（AT）、机械自动变速器（AutomaticMechanicalTransmission，AMT）、无级自动变速器（ContinuouslyVariableTransmission，CVT）和双离合器自动变速器（DoubleClutchTransmission，DCT）四种。液力自动变速器通常指含有液力变矩器的自动变速器；机械自动变速器是在普通手动机械变速器（MT）的基础上增加了一套自动换档控制系统组成；无级自动变速器是其传动比可以连续变化的变速器，它的种类很多，有机械式、流体式和电动式等，目前应用最多的是金属带式无级变速器；双离合器自动变速器采用圆柱齿轮变速器，通过两个离合器交替工作实现自动换档。4.2电控液力自动变速器4.2.1概述电控液力自动变速器（Electronic-controlledAutomaticTransmission，EAT），由液力变矩器、辅助变速器与电液换档控制系统三大部分组成。4.2.2液力变矩器1.液力变矩器的作用（1）起到离合器的作用，传递或切断发动机与自动变速器传动机构之间的动力传递。（2）在一定范围内无级变速、变矩，可将发动机的转矩增大2～4倍输出。（3）起到飞轮的作用，使发动机运转平稳。（4）将发动机转矩传递给液压控制系统的油泵，带动油泵运转。2.液力变矩器的组成汽车上使用的变矩器是由泵轮、涡轮和导轮组成的，称三元件变矩器。a)液力变矩器b)液力变矩器示意图1-输入轴2-输出轴3-导轮轴4-变矩器壳B-泵轮W-涡轮D-导轮（1）泵轮泵轮与变矩器壳体连成一体，其内部径向装有许多扭曲的叶片，叶片内缘则装有让变速器油液平滑流过的导环。变矩器壳体与曲轴后端的驱动盘相连接。有的汽车发动机后端无飞轮，起动齿圈直接装在变矩器上。（2）涡轮同泵轮一样，涡轮也装有许多扭曲叶片。但涡轮叶片的扭曲方向与泵轮叶片扭曲的方向相反。涡轮中心有花键孔与变速器输入轴相联。泵轮叶片和涡轮叶片相对安装，中间有3~4mm的间隙。（3）导轮导轮位于泵轮和涡轮之间，通过单向离合器安装在与变速器壳体连接的固定轴上。导轮上也有许多扭曲叶片。（4）自动变速器液（AutomaticTransmissionFluid，简称ATF）液力变矩器依靠液力传递动力，因此其内部总是充满了ATF。为了防止温度过高，液力变矩器工作时ATF总是与外部不断循环。3.液力变矩器的工作原理（1）环流的产生当发动机带动液力变矩器的泵轮旋转时，液力变矩器内的ATF随泵轮一起做圆周运动，形成环流。（2）涡流的产生ATF作环流运动时会产生离心力，在离心力的作用下ATF将从液力变矩器的内侧流向外侧，由于液力变矩器在传递动力时泵轮转速总是高于涡轮转速度，因此泵轮内ATF产生的离心力大于涡轮内ATF的离心力，所以泵轮内油液在离心力的作用下将进入涡轮，形成绕循环圆流动的涡流。（3）螺旋流的产生液力变矩器工作时，环流和涡流同时存在，ATF流动的实际方向是两种液流的合成，形成一个首尾相接的螺旋形传力油流，即螺旋流。螺旋流由泵轮进入涡轮时，作用于涡轮叶片，推动涡轮旋转，然后经导轮，又回到泵轮（见图4-6），如此不断循环，这就是液力变矩器传递动力的原理。图4-6ATF在液力变矩器中的循环流动（4）导轮的作用如果液力变矩器没有导轮，则从涡轮回流的液流方向就与泵轮的旋转方向相反，会阻止泵轮的旋转，造成能量损失。为此，需要安装导轮，改变液流方向，使回流的液流方向与泵轮的旋转方向相同。由于有了导轮，作用在涡轮上的转矩MW，等于泵轮转矩MB与导轮上的反作用力矩MD之和，即MW=MB+MD，这就是液力变矩器能够变矩（增扭）的道理。（5）导轮单向离合器的作用液力变矩器工作时，来自泵轮的液流射入涡轮，冲击涡轮旋转做功。当涡轮转速为零（汽车起步）或者转速较低时，从涡轮回流的液流速度方向是涡轮运动（牵连运动）速度方向与经涡轮叶片反射液流相对于涡轮的相对速度方向的合成，此时合成速度方向对准导轮的叶片正面（凹面）试图使导轮旋转，但因为导轮被单向离合器锁止，不能转动，因而回流液流射向导轮叶片后改变了方向，使其与泵轮的旋转方向相同，此时的液力变矩器表现为变矩特性，涡轮转矩大于泵轮，可以增扭；随着涡轮转速的升高，液流牵连运动速度增加，合成运动速度方向逐渐由正对导轮的叶片正面转向与叶片平面平行，此时没有液流作用力作用于导轮，这时的液力变矩器表现为液力耦合器的特性，不再增扭，只能等转矩传递动力；当涡轮转速进一步升高，液流合成运动速度方向转向导轮叶片的背面，此时导轮单向离合器释放而自由转动，防止改变液流方向，保证回流到泵轮的液流方向与泵轮的旋转方向相同，此时的液力变矩器也表现为液力耦合器等转矩传递动力的特性。4.液力变矩器的特性液力变矩器在泵轮转速nB和转矩MB不变的条件下，变矩比K、传动效率η随涡轮转速nW的变化，称为液力变矩器的特性，参见图4-7。K称为变矩比，它是涡轮输出转矩与泵轮输入转矩之比，其值一般为2～4。其表达式为：K=MW/MB(4-1)i称为转速比，它是涡轮转速与泵轮转速之比，其值一般为0.8~0.9，其表达式为：i=nW/nB≤1(4-2)η称为传动效率，它是涡轮输出功率NW与泵轮输入功率NB之比。η=NW/NB1(4-3)从变矩器特性曲线中可以看出：（1）变矩比K随着转速比i的增大而减小，即当行驶阻力大时，液力变矩器自动输出大转矩，而在行驶阻力小时，自动输出小转矩。这一特性对行驶阻力变化较大的汽车来说是非常适合的，此即所谓的适应性好。例如：①怠速时，由于泵轮转速低，液流流速低。涡轮上得到的转矩MW小于汽车起步对应的阻力矩，涡轮不转，汽车不能行驶。②起步时，由于泵轮转速升高，液流流速升高，涡轮上得到的转矩MW大于汽车起步时需要的阻力矩，涡轮开始转动，汽车起步。从图中可以看出，在起步时，i=0，即此时nW=0，变矩比K最大，此时液力变矩器能产生最大输出转矩，以利于克服汽车惯性力而起步，此时的变矩比也称为起步变矩比或失速变矩比。（2）汽车起步后涡轮的转速nW逐渐增大，涡轮输出转矩逐渐减小，当涡轮的转矩等于泵轮的转矩（MW=MB）时，k=1，此时称为耦合点；随着涡轮转速的增大，如果导轮没有单向离合器，涡轮的转矩将小于泵轮的转矩（MWMB），K1，为了防止出现这种情况，液力变矩器都装有导轮单向离合器，从而保证在耦合点之后变矩比K=1。（3）变矩器的传动效率开始随转速比的增大而增大，在低速区虽然传动效率低，但是变矩比大，液力变矩器输出大转矩，有利于汽车行驶；在转速比为0.8左右时传动效率最高，但是此时的传动效率也仅为85%左右，因此，使用液力变矩器的汽车较使用具有干摩擦式离合器的汽车油耗要高。如果只有导轮，没有导轮单向离合器，则传动效率为抛物线形状，转折点在耦合点附近，超过耦合点，传动效率迅速下降，且此时的变矩比也急剧下降；有了导轮单向离合器，超过耦合点后，表现为液力耦合器的特性，变矩比k=1，有很高的传动效率。因此，综合式液力变矩器既具有在低速时增扭的优点，又具有在高速时传动效率高的优点。5.导轮单向离合器导轮单向离合器有滚柱式和楔块式两种形式。滚柱式单向离合器结构如图4-8所示，它由外座圈、内座圈、滚柱和叠形弹簧等组成。a)离合器分离状态b)离合器锁止状态1-外座圈2-内座圈3-滚柱4-叠形弹簧楔块式单向离合器如图4-9所示，它由外座圈、内座圈、保持架、楔块等组成。6.锁止离合器液力变矩器由于采用液力传动，其传动效率比干摩擦式离合器要低得多，这会影响汽车的燃油经济性，因此现代汽车的液力变矩器上通常都加装锁止离合器。a）锁止离合器接合状态b）锁止离合器分离状态4.2.3辅助变速器虽然液力变矩器能在一定范围内自动、无级地改变转矩比，以适应汽车行驶阻力的变化，但由于它的变矩能力与传动效率之间存在矛盾，且变矩比一般在2~4范围内，难以满足汽车实际使用的需要，故在汽车上液力变矩器仍需与机械变速机构配合使用。提示：自动变速器的机械变速机构一般采用内啮合的行星齿轮机构。与普通手动变速器相比，在传递同样功率的条件下，内啮合行星齿轮机构可以大大减小变速机构的尺寸和重量，并可以实现同向、同轴减速传动。此外，变速过程中动力不间断，加速性好，工作可靠。1.基本结构与工作原理行星齿轮机构按照齿轮排数不同，可以分为单排和多排行星齿轮机构。多排行星齿轮机构一般由几个单排行星齿轮机构组成。一个单排行星齿轮机构由太阳轮1、行星轮和行星架2及齿圈3组成。太阳轮位于机构的中心，行星轮与之外啮合，同时，行星轮又与齿圈啮合。通常行星轮有3~6个，通过滚针轴承安装在行星齿轮轴上，行星齿轮轴对称、均匀地安装在行星架上。图4-11单排行星齿轮机构的基本结构1-太阳轮2-行星轮与行星架3-齿圈单排行星齿轮机构是个二自由度的机构，其传动比只与齿圈齿数Zq、太阳轮齿数Zt有