第二章自动变速器

汽车变速器原理及组成第二章自动变速器第一节概述在20世纪70年代中期，丰田汽车最常用的变速器还是手动变速器。从1977年起，随着丰田公司装有A40D自动变速器的“皇冠”轿车问世（见表2-1所示），装有自动变速器的轿车产量逐年增多。现在连四轮驱动的车辆（SUV）及部分轻型卡车也安装了自动变速器。进入90年代，随着电子技术的发展，丰田公司重点发展电子控制型自动变速器（ECT）。ECT除换挡及锁止正时控制外，还具有故障诊断及故障防护功能。目前，绝大部分车型是发动机和ECT（有些车型还包括定速巡航控制系统）共用一个ECU控制。丰田公司于1996年开发了A350E5挡自动变速器并装备在凌志GS300轿车上，1997年又开发了A650E5挡自动变速器装备在凌志LS400、SC400、GS300／400等型号的轿车上。A350E自动变速器将在本章第十一节介绍，A650E将在本章第十二节介绍。表2-1丰田汽车自动变速器的发展历史第二节液力变矩器一、概述液力变矩器的作用是传递来自发动机的扭矩，并且将扭矩成倍增大后传给变速器。它安装在变速器齿轮传动系的输入端，壳体用螺栓固定在发动机的飞轮上。丰田公司近期生产的车用液力变矩器都有锁止离合器，其结构如图2-1所示。它是由泵轮、涡轮、定轮、单向离合器、锁止离合器等部件构成。变矩器内充满油泵提供的自动变速器油。变速器油被泵轮甩出，成为一股强大的油流，推动变矩器的涡轮转动。图2-1液力变矩结构图泵轮与变矩器壳体连成一体，变矩器壳体用螺栓固定在飞轮上，因为泵轮与曲轴相连，它总是和曲轴一起转动。泵轮内部径向装有许多弯曲的叶片，叶片内缘装有让变速器油平滑流过的导环，其结构如图2-2所示。图2-2泵轮的结构与安装示意图同泵轮一样，涡轮也装有许多叶片（如图2-3所示），但涡轮叶片的弯曲方向与泵轮叶片的弯曲方向相反。涡轮转轮装在变速器输入轴上，其叶片与泵轮叶片相对放置，中间留有一很小的间隙。图2-3涡轮的结构与安装示意图涡轮转轮与变速器输入轴相连，在变速器换挡杆置于“D”、“2”、“L”或“R”挡位，当车辆行驶时，涡轮转轮就与变速器的输入轴一起转动；当车辆停驶时，涡轮转轮不能转动。在变速器换挡杆置于“P”或“N”挡位时，涡轮转轮与泵轮一起自由转动。定轮位于泵轮与涡轮转轮之间，安装在定轮轴上，而定轮轴则经单向离合器固定在变速器壳体上。定轮叶片截住离开涡轮转轮的变速器油液，改变其方向，使其冲击泵轮叶片背部，给泵轮一个额外的“助推力”，如图2-4所示。图2-4定轮的结构及其功能单向离合器使定轮以与发动机曲轴运转相同的方向转动。但是，如果定轮要以与发动机曲轴运转相反的方向转动时，单向离合器就将定轮锁止住，使其无法朝相反方向转动。所以定轮是转动还是被锁止，取决于变速器油液冲击定轮叶片的方向。单向离合器的工作如图2-5所示。当外座圈按图中箭头A方向转动时，就会推动楔块顶部，由于I1小于I，楔块就会倾翻，使外座圈转动。但当外座圈要朝相反方向（B向）转动时，楔块就无法倾翻，因为I2大于I。这样，楔块起到楔子的作用，锁住外座圈，使其无法转动。另外，离合器中还安装了定位弹簧，使楔块总是朝着锁止外座圈的方向略为倾斜，以加强楔块的锁止功能。楔块型单向离合器也用于控制行星齿轮系。图2-5单向离合器的运作图二、液力变矩器的工作原理1、动力传输原理如图2-6所示，将电风扇A与电风扇B靠近相对放置，然后打开电风扇A，电风扇B即使未接电源也会按电风扇A转动的方向转动。这是因为电风扇A的转动会在两电风扇之间产生空气流动，由电风扇A产生的气流冲击电风扇B的叶片，使电风扇B随之转动。换句话说，电风扇A与B之间的动力传递是以空气为介质而实现的。图2-6空气传输动力示例变矩器的工作原理也是如此，泵轮相当于电风扇A，涡轮转轮则相当于电风扇B。不同的是变矩器是以变速器油为介质，而不是以空气为介质。如图2-7所示，当泵轮被发动机曲轴驱动时，泵轮中的变速器油液就会随同泵轮以相同的方向转动。当泵轮转速加快时，其离心力的作用使油液沿叶片表面及泵轮里面，离开泵心向外流动。当泵轮转速进一步提高时，液体就被甩出泵轮，冲击涡轮叶片，使涡轮开始按泵轮转动的方向转动。图2-7液力变矩器的动力传输过程油液的能量在冲击涡轮叶片被耗散后，油液就沿着涡轮叶片向里流，在流至涡轮内部时，涡轮变曲的内表面使油液改变方向，流回泵轮。就这样，循环又将从头开始。如上所述，扭矩的传递，是通过油液在泵轮和涡轮之间流动来实现的。2、扭矩成倍放大的原理前面用两台电风扇作例子，解释了液力变矩器中扭矩传递的原理。如果如图2-8所示，加上一条输送管道，气流将穿过电风扇B（被动电风扇）然后经管道，从电风扇A后面流回电风扇A（主动电风扇）。这就会加强电风扇A的叶片所吹动的气流，气流通过电风扇B后所剩下的能量，将增强电风扇A叶片的转动。图2-8空气传输动力扭矩放大示例在变矩器中，定轮和空气管道的作用是相似的。3、定轮单向离合器的功能在变矩器中，液体的实际流动是由涡流和环流叠加而成的。所谓涡流就是泵轮泵出的液流通过涡轮和定轮，然后再回到泵轮的液流。车辆起动时，泵轮和涡轮的转速差越大，涡流就越大。所谓环流就是变矩器内与变矩器转动方向相同的液流。当泵轮与涡轮转速差较小时，环流就大，车辆以恒速行驶时就是如此。环流随泵轮与涡轮转速差增大而成比例地变小。从涡轮转轮进入定轮的液流方向取决于泵轮与涡轮的转速差。当这一转速差相当大时，涡流的速度就高。如图2-9所示，液体从涡轮转轮流至定轮的液体流动方向（图中虚线箭头）是阻止泵轮转动的。液体冲击定轮叶片的正面，使定轮与泵轮反向转动。但由于定轮被单向离合器锁住，并不转动，其叶片使液体流向改变（图中实线箭头），增强泵轮转动。图2-9液力变矩器（在涡流相当大时）扭矩放大的液流示意图当涡轮的转速接近泵轮转速时，环流速度就升高，而涡流速度则降低。因而从涡轮转轮流至定轮的液流与泵轮的转动方向是一致的。如图2-10所示，由于这时变速器油液冲击定轮叶片的背面，使定轮叶片对液流起阻挡作用。在这种情况下，单向离合器使定轮与泵轮同方向转动，从而使液流返回至泵轮。图2-10涡轮与泵轮转速接近时变矩器的液流示意图如上所述，当涡轮转速达到泵轮转速的某一给定比例时，定轮就开始与泵轮同一方向转动。这就是变矩器的工作点，也称为耦合点。在达到耦合点以后，扭矩成倍放大效应不再发生，变矩器也仅起到普通液力变矩器的作用。三、液力变矩器的性能1、扭矩比如前所述，变矩器扭矩的成倍放大与涡流成比例增大。即在涡轮转轮停转时，扭矩达到最大。如图2-11所示，变矩器的工作分为两个区域：一个是变矩区，扭矩成倍放大；另一个是耦合区，只传递扭矩而无扭矩放大。耦合器工作点就是这两个区域的分界线。图2-11液力变矩器工作图图中：扭矩比（t）=转速比（e）=失速点是指涡轮停转，或转速比（e）为零时的定轮状态。变矩器的最大扭矩比就在失速点，通常在1.7～2.5之间。在失速点（例如，当换挡杆置于“D”挡位而车辆被阻止前进时），泵轮与涡轮之间的转速差达到最大。在以后要介绍的失速测试中，变矩器性能与发动机输出功率测试是在失速点将发动机节气门全开（满负荷）的情况下进行的。当涡轮开始转动，转速比上升时，涡轮与泵轮之间的转速差开始下降。当转速比达到某一规定值时，涡流变得最小，因而扭矩比几乎为1:1。由于从涡轮转轮流出的液流以较高速比冲击定轮叶片的背后，单向离合器就使定轮与泵轮同向转动。换言之，变矩器在耦合工作点时，开始起一台液力耦合器的作用，防止扭矩比降至1以下。2、传动效率变矩器的传动效率是指泵轮得到的能量传递至涡轮的效率，它与转速比（e）的关系如图2-12所示。图2-12液力变矩器传动效率与转速比的关系这里所说的能量是指发动机本身的输出功率，与发动机的转速和扭矩成正比。传动效率（n）=100%=转速比（e）×100%在失速点时，泵轮转动而涡轮停住不转，这时传递到涡轮的是最大扭矩，而传动效率却为零。当涡轮开始转动时，随着其转速升高，涡轮输出功率增大，传动效率激增。在转速比达到耦合点前少许时，传动效率达到最大值，其后又开始下降，这是因为从涡轮转轮流出的部分油液开始流到定轮叶片背面。在达到耦合点时，来自涡轮转轮的液流，大部分冲击定轮叶片背面，定轮开始转动，使传动效率不致进一步下降，变矩器则开始如同一台液力耦合器一样发挥作用。由于扭矩在液力耦合器中是以接近1:1传递的，在耦合区内的传动效率与转速比成正比例地直线上升。但由于液流的摩擦及撞击，使液流温度也上升，液流的循环又使部分动能被消耗。所以，变矩器的传动效率不可能达到100％，通常仅为95％左右。四、液力变矩器的运作液力变矩器在换挡杆位于“D”（前进挡）“2”、“L”（低速挡）或“R”（倒挡）挡位时工作情况，简述如下：1、车辆停住，发动机怠速运转发动机怠速运转时，自身产生的扭矩最小。若使用了制动器停车（手制动或脚制动），此时涡轮上的载荷最大，这是因为涡轮无法转动。但是，由于车辆停住时，涡轮与泵轮的转速比为零，而扭矩比却最大。所以涡轮总是随时准备以大于发动机所产生的扭矩转动。2、车辆启动时当制动器松开时，涡轮就能与变速器输入轴一起转动。当踩下加速踏板时，涡轮就以大于发动机所产生的扭矩转动，车辆开始前进。3、车辆低速行驶时随着车速的提高，涡轮的转速迅速接近泵轮的转速，从而使扭矩比也迅速接近1.0。当涡轮与泵轮的转速比接近某一值（耦合器工作点）时，定轮开始转动，扭矩成倍放大效应下降。换言之，变矩器开始只作为一台液力耦合器工作。所以，车速几乎与发动机转速成正比例地直线上升。4、车辆以中、高速行驶时这时，变矩器仅仅起到一台液力耦合器的作用。涡轮以与泵轮几乎一样的转速转动。值得注意的是，在车辆正常启动的过程中，变矩器在车辆起步2~3秒后达到耦合点。但是如果载荷太大，即使车辆中、高速行驶，变矩器也有可能在变矩区内工作。五、锁止离合器在耦合区（即没有扭矩成倍放大的情况），变矩器以接近1:1的比例将来自发动机的输入扭矩传递至变速器。但在泵轮与涡轮之间存在着至少4％～5％的转速差。所以，变矩器并不是将发动机的动力100％地传递至变速器，而是有一定的能量损失。为了防止这种现象发生，也为了降低油耗，当车速在大于60km/h时，锁止离合器会通过机械机构将泵轮与涡轮相连接。这样，使发动机产生的动力几乎100％地传递至变速器。如图2-13所示，锁止离合器装在涡轮转轮毂上，位于涡轮转轮前端。减振弹簧在离合器接合时，吸收扭力，防止产生振动。在变矩器壳体或变矩器锁止活塞上粘有一种摩擦材料，用以防止离合器接合时打滑。图2-13锁止离合器脱开时的液流示意图锁止离合器的接合和分离由变矩器中的液压油的流向改变来决定，其工作过程如下：1、离合器分离时当车辆低速行驶时，由继动阀控制（阀的工作在本章第四节讲述）的油液流动方向如图2-13所示。加压油液流至锁止离合器的前端，锁止离合器前端及后端的压力就变得一样，锁止离合器处于脱开状态。这时由于变矩器内油液因涡流产生大量热量，流出变矩器的油液要经冷却器冷却后再送回变速器。2、离合器接合时当车辆以中高速（≥50km/h）行驶时，继动阀控制（阀的工作在本章第四节讲述）的油液流动方向如图2-14所示，加压油液流至锁止离合器的后端。这时，变矩器壳体受到锁止活塞挤压，从而使锁止离合器和前盖一起转动，即锁止离合器接合。由于这时泵轮与涡轮转轮转速差为零，没有涡流产生，因而油液在变矩器内产生的热量很小，流出变矩器的油液不需要冷却，直接流回变速器。图2-14锁止离合器接合时的液流图锁止离合器分离或接合时的动力传输过程框图见图2-15。分离接合图2-15液力变矩器动力传输过程图第三节行星齿轮变速机构利用行星齿轮系统进行传递动力和变速，具有体积小、结构简单、操纵容易和变速比大等优点，所以，行星齿轮系统在丰田自动变速器中得到广泛应用。一、单排行星齿轮组变速原理图2-16是单排行星齿轮组结构图。单排行星齿轮组由太阳轮、行星架和齿圈3个基本零件构成，另外还有安装在行星架上的行星小齿轮。工作时，行星小齿轮除绕行星小齿轮轴自转外，同时还要绕太阳