第十二章自动变速器

第十二章自动变速器12.1概述....................................................................212.2液力偶合器和液力变扭器..................................................412.3行星齿轮变速器..........................................................512.4自动变速器控制系统的结构与工作原理.....................................11学习目标：1.掌握液力变扭器的性能；2.掌握行星齿轮变速器的工作原理；3.掌握自动变速器换挡执行元件的结构特点；4.了解自动变速器操纵机构的特点。学习方法：介绍典型自动变速器的结构及组成，通过实物和多媒体课件动态演示相结合，并和汽车拆装与调整实践教学相辅相承，使学生掌握各自动变速器的结构特点。学习内容：§12.1概述§12.2液力偶合器和液力变扭器§12.3行星齿轮变速器§12.4自动变速器的控制系统学习重点：1.液力变扭器；2行星齿轮变速器；3.自动变速器的换挡执行元件。作业习题：1.自动变速器由哪几部分组成？有何优点？2.何谓综合式液力变扭器？分析其工作特性。3.辛普森式行星齿轮变速器的工作原理是怎样的？4.液压操纵系统由哪几部分组成？其功用是什么？5.A43DL自动变速器的“D”位与“Ｌ”位一档的动力传递有何差别？12.1概述12.1.1自动变速器的优点自动变速器与机械变速器相比，具有以下几个明显的优点：（1）使驾驶操作简便省力，提高了行车的安全性。（2）提高了发动机和传动系的寿命，因采用液力传动，发动机和传动系是弹性连接，能缓和冲击，有利于延长相关零件的寿命。（3）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。（4）提高了乘车的舒适性。（5）可避免因外界负荷突增而造成过载和发动机熄火现象，并且可以降低排放污染。12.1.2自动变速器的组成自动变速器主要由液力变扭器、齿轮变速器、液压控制系统、电子控制系统等几部分组成，如图12-1-1所示。（1）液力变扭器：液力变扭器位于自动变速器的最前端，它通过螺栓与发动机的飞轮相连，其作用与采用手动变速器的汽车中的离合器相似。它利用液力传动的原理，将发动机的动力传给自动变速器的输入轴，是一种软连接。（2）齿轮变速器：齿轮变速器是自动变速器的主要组成部分，可以使变速器实现不同的传动比，使之处于不同的档位，一般有3~4个前进档和1个倒档。与液力变扭器配合，可获得由起步至最高车速的整个范围内的自动变速。（3）液压控制系统：液压控制系统包括由许多控制阀组成的阀板总成和液压管路，阀板总成通常安装在齿轮变速器下方的油底壳内。接受节气门开度和车速信号，利用液压自动控制原理，实现自动换档。（4）电子控制系统：随着自动变速器的发展，目前采用电液式自动变速器越来越多，电液式控制系统除了阀板及液压管路之外，还包括电脑、传感器、执行器及控制电路等。传感器将发动机和汽车的行驶参数转变为电信号，然后送给自动变速器的电脑，电脑接受到这些信号后就根据既定的换档规律实现自动换档。12.2液力偶合器和液力变扭器12.2.1液力偶合器液力偶合器的结构如图12-2-1所示，由泵轮和涡轮两个工作轮组成，泵轮B和涡轮W具有相同的内、外径，都装有径向排列的叶片，泵轮和涡轮相对安装，泵轮与涡轮装合后成为一整体，其轴线断面一般为圆形，称为循环圆，内腔充满工作液。12.2.2液力变矩器液力变扭器的结构与液力偶合器基本相似，但在泵轮和涡轮之间加入一个固定不动的工作轮—导轮。如图12-2-2所示，液力变扭器主要由可旋转的泵轮和涡轮，以及固定不动的导轮等三个元件组成，各工作轮用铝合金精密铸造，或用钢板冲压焊接而成。泵轮与变扭器壳连成一体，用螺栓固定在发动机曲轴后端的凸缘或飞轮上，壳体做成两半，装配后焊成一体或用螺栓连接，涡轮通过从动轴与变速器的其它部件相连，导轮则通过导轮轴与变速器的固定壳体相连。所有工作轮在装配后，形成断面为循环圆的环状体。12.2.3液力变矩器的工作原理液力变扭器转换能量、传递动力的原理与液力偶合器基本相同,其根本区别就在于液力变扭器增加了一个工作轮—导轮。发动机运转时,带动泵轮与之一同旋转，泵轮内的工作液在离心力的作用下，由泵轮叶片外缘冲向涡轮，并沿涡轮叶片流向导轮，再经导轮叶片流回泵轮叶片内缘，形成循环的液流。由于多了一个固定不动的导轮，在液体循环流动的过程中，固定不动的导轮给涡轮一个反作用力矩，从而使涡轮输出扭矩不同于泵轮输入扭矩。12.3行星齿轮变速器液力变扭器虽能在一定范围内自动地、无级地改变变扭比，但由于液力变扭器存在着变扭能力与效率之间的矛盾，其扭矩比在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扭器与齿轮式变速器组成的液力机械变速器。液力变扭器使汽车起步平稳，减缓冲击，靠齿轮变速器实现变速，可使扭矩再增大3～4倍。与液力变扭器配合使用的齿轮变速器多数是行星齿轮式，也可以是固定轴线式，行星齿轮变速器具有体积小、结构简单、操作容易、变速比大等优点，故应用较为广泛。行星齿轮变速器由行星齿轮机构和换档执行机构两部分组成。行星齿轮机构的作用是改变传动比和传动方向，即构成不同的档位。换档执行机构的作用是实现档位的变换。12.3.1行星轮机构如图13-3-1单排行星齿轮机构有两个自由度，因此没有固定的传动比，不能直接用于变速传动。为了组成具有一定传动比的传动机构，必须将太阳轮、齿圈和行星架这三个基本元件中的一个加以固定，或使其运动受到一定约束，也可将某两个基本元件互相连接在一起，使行星排变为只有一个自由度的机构，获得确定的传动比。传动规律如图13-3-2单排行星轮机构的速比范围有限，往往不能满足汽车的实际要求，因此在实际应用的行星齿轮变速器中，是二至三个单排行星轮机构组成的，但其工作原理，仍与单排行星轮机构相同，可由其运动特性方程推导出传动比。12.3.2行星齿轮变速器的换挡执行元件行星齿轮变速器的换挡执行元件主要有离合器、制动器和单向离合器三种，基本作用是连接、固定和锁止，让行星齿轮机构获得不同的传动比，从而实现各档位的变换。（1）离合器离合器起到连接作用，即将行星齿轮变速器的输入轴和行星排的某个基本元件连接，使该元件成为主动元件。同时离合器连锁作用，即将行星排的某两个基本元件连接在一起，使之成为一个整体，实现同速直接传动。在自动变速器的换档执行元件中，采用的离合器是多片湿式离合器。这是由于其表面积较大，所传递的扭矩也较大，并且离合器片表面单位面积压力分布均匀，摩擦材料磨损均匀，还能通过增减片数和改变施加压力的大小，即可按要求容量调节工作转矩，便于系列化和通用化。多片湿式离合器通常由离合器鼓、离合器活塞、回位弹簧、钢片、摩擦片、离合器毂及几个密封圈组成，如图12-3-3所示。离合器活塞安装在离合器鼓内，它是一种环状活塞，由活塞内外圈的密封圈保证密封，从而和离合器鼓一起形成一个密封的环状液压缸，并通过离合器鼓内圆轴颈上的进油孔和控制油道相通。离合器中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。摩擦片两面均为摩擦系数较大的铜基粉末冶金层或合成纤维层，受压力和温度变化影响很小。并且在摩擦衬面表面上都带有油槽，其作用是：一是接合时使油液能迅速由两片间挤出，减小接合时的油液阻力，达到接合反应快的目的；二是保证液流通过，以冷却摩擦表面。（2）制动器制动器用来制动行星齿轮系统三元件中的任一元件，以改变齿轮的组合，常用湿式多片制动器和带式制动器两种。湿式多片式制动器基本功能与结构与片式离合器相似，其区别就在于离合器的壳体是一个主动部件，而制动器的壳体和油缸是固定不动的。当多片制动器的钢片和摩擦片处于接合状态时，即对与摩擦片连接的构件起制动约束的作用。带式制动器是将内侧粘有摩擦材料的制动带围绕在制动鼓上，又称制动带。其摩擦材料与湿式多片式离合器的摩擦片相同。带式制动器由制动鼓、制动带、液压缸及活塞组成。如图12-3-4所示，制动带围绕在制动鼓的圆周上，制动鼓与行星齿轮机构一起旋转。制动带的一端用销钉固定在变速器壳体上，而另一端与制动缸活塞抵靠。活塞通过内、外弹簧安装在连杆上，一般备有两种长度的连杆，以便能够调整制动带和鼓之间的间隙。当液压油施加于活塞时，活塞在缸体内移至左端，压缩外弹簧，带动连杆移动，推动制动带的一端，因为制动带的另一端固定在变速器壳体上，制动带直径即减小，因此，制动带夹持鼓，在制动带和鼓之间产生摩擦力，以促使鼓被固定，起制动作用。当液压油从缸体内排出时，活塞和连杆被弹簧推回，因此制动鼓释放。（3）单向离合器单向离合器广泛应用于行星齿轮变速器及综合式液力变扭器中，它是依靠其单向锁止原理来发挥固定或连接作用的。单向离合器无需控制机构，其工作完全由与之相连接的元件的受力方向来控制，可保证平顺无冲击换档，同时还能大大简化液压控制系统。单向离合器常见的类型有滚柱斜槽式和楔块式两种，滚柱斜槽式前面已讲，下面分析楔块式单向离合器的工作情况。楔块式单向离合器由外环、内环和楔块等组成，如图12-3-5所示。楔块在A方向上的尺寸略大于内、外环之间的距离B，而C方向上的尺寸则略小于B。当外环相对于内环朝顺时针方向旋转时，楔块在摩擦力的作用下立起，因AC，则楔块卡死在内外环之间，单向离合器处于锁止状态；当外环相对于内环朝逆时针方向旋转时，楔块在摩擦力的作用下倾斜，因CB，则内环相对于外环可以自由滑转，此时单向离合器处于自由状态。楔块式单向离合器的锁止方向取决于楔块的安装方向，在维修时切记不可装反！否则会影响自动变速器的正常工作。（3）单向离合器单向离合器广泛应用于行星齿轮变速器及综合式液力变扭器中，它是依靠其单向锁止原理来发挥固定或连接作用的。单向离合器无需控制机构，其工作完全由与之相连接的元件的受力方向来控制，可保证平顺无冲击换档，同时还能大大简化液压控制系统。单向离合器常见的类型有滚柱斜槽式和楔块式两种，滚柱斜槽式前面已讲，下面分析楔块式单向离合器的工作情况。楔块式单向离合器由外环、内环和楔块等组成，如图12-3-5所示。楔块在A方向上的尺寸略大于内、外环之间的距离B，而C方向上的尺寸则略小于B。当外环相对于内环朝顺时针方向旋转时，楔块在摩擦力的作用下立起，因AC，则楔块卡死在内外环之间，单向离合器处于锁止状态；当外环相对于内环朝逆时针方向旋转时，楔块在摩擦力的作用下倾斜，因CB，则内环相对于外环可以自由滑转，此时单向离合器处于自由状态。楔块式单向离合器的锁止方向取决于楔块的安装方向，在维修时切记不可装反！否则会影响自动变速器的正常工作。12.3.3行星齿轮变速器的结构与工作原理不同车型自动变速器在结构上往往有较大差别，若前进档的档数不同，离合器、制动器及单向离合器的数目和布置方式亦不同，所采用的行星齿轮机构的类型也不同。早期的自动变速器的行星齿轮变速器常采用二个或三个前进档，新型轿车自动变速器行星齿轮变速器大部分采用四个或五个前进档，前进档的数目愈多，行星齿轮变速器中的离合器、制动器及单向离合器的数目就愈多。下面以皇冠轿车上常用的A43DL自动变速器为例进行介绍。（一）行星齿轮变速器的结构A43DL自动变速器是日本丰田公司生产的用于后轮驱动的四速液控自动变速器。该自动变速器采用了带有锁止离合器的三元件液力变扭器，汽车高速行驶时，控制系统使锁止离合器接合，以提高传动效率、降低油耗。A43DL自动变速器选档杆有六个位置，其排列顺序为P－R－N－D－2－L，其中“P”是停车档，“R”是倒车档，“N”是空档，“D”是前进档，“2”和“L”是前进低档。选档杆位于“P”或“N”位时发动机方可起动，其它档位均不能起动，该自动变速器还设置了由选档杆通过联动机构控制的停车闭锁机构。当选档杆位于“