自动变速器的基本结构

1第三章自动变速器的基本结构•§3-1概述•自动变速器是汽车上一个高科技的机电一体化产品。随着电子技术、计算机技术、液压控制技术的综合发展，汽车自动变速器的控制技术也由全液压式（AT）发展到电控式（ECT）。新型的电控式自动变速器已应用智能电脑和脉宽调制式的电液比例压力阀，大大地改善了自动变速器的性能。而且，在引擎控制计算机和自动变速器控制计算机之间进行通讯和联合控制，使整车的控制性能大为提高。与此同时，自动变速器在内燃机车、工程机械、船舶等方面也得到了广泛地应用。它的优越性主要体现在以下几个方面：21.操作简单、省力，提高了运行安全性和乘做地平稳性•安装了自动变速器的汽车取消了离合器踏板。在变速过程中，通过变速杆（或称选档杆）选择了换档范围以后，在一般情况下，就不在需要任何换档动作。•手动换档：驾驶员根据路况，操纵换档杆，通过滑移齿轮达到换档目的。•自动换档：电脑或自动控制系统，接受各种传感器的数值，根据预先设定的程序，当达到换档条件时，电脑板自动发出控制指令，使，自动变速器换档32.延长了机件寿命•自动变速器采用的液力变矩器可以吸收和消除传动装置的动载荷。•由于自动变速器的自动换档避免了换档时产生的冲击与动载，因此，一般可使传动零件的使用寿命延长2-3倍。•据统计，在恶劣条件下，装自动变速器汽车的传动轴上，其最大扭矩振幅只相当于手动机械变速器的20-40％。因此，也使发动机的使用寿命提高了0.5-2.0倍。43.提高了汽车的动力性•自动变速器中的液力变矩器由于它本身所具有的性能和它自身能自动连续地变速，从而提高了汽车起动的加速性。•由于自动变速器在换档过程中传动系统传递的动力不中断，而且没有手动换档过程中减少供油的操作，再加上自动换档在时机的控制上能保证发动机功率得以充分利用，所以，自动换档可以得到很好地加速性，而且提高了平均速度。5§3-2自动变速器的基本结构和工作原理•一、自动变速器的分类•不同的汽车厂家在不同的车型上，装有不同型号的自动变速器，在这些型号各异的自动变速器中，根据不同的角度，可以对它们进行不同的分类。61．按汽车的驱动方式分类•汽车本身的驱动方式有前驱动和后驱动两种，装置在这两种汽车上的自动变速器在结构上也就有很大地不同而分为前驱动自动变速器和后驱动自动变速器，如图3-1所示即为前、后驱动地自动变速器地基本形式示意图。•2.按控制方式分类•自动变速器根据其控制方式分类有全液压（AT）式和电控式（ECT）两种。值得注意地是，这两种都有一套原理基本相同的液压控制系统。7图3-1前后驱动自动变速器8图3-2全液压式和电控式系统9二、自动变速器的基本组成1.液力变矩器液力变矩器一般多为三元件综合式。它的主要作用是把发动机输出的扭矩和转速柔性地传递给自动变速器的变速机构。102.变速机构–在自动变速器中紧接在液力变矩器之后的便是变速机构。它由行星轮系和换档执行机构组成。•3.控制机构–自动变速器的控制机构是一个复杂的液压（或电液）控制系统，它是整个自动变速器的心脏。11三、自动变速器的工作过程•1.动力传递过程•2.控制过程•⑴全液压式控制方式•⑵电液式控制方式12发动机行星齿轮机构变矩器变速扭矩转速变扭变速、变向变扭图3-3动力传递过程13速控阀选档杆控制系统节气门阀油门发动机变矩器变速机构油门踏板图3-4全液压式控制流程14节气门开度车速水温模式选择选档杆位置开关变速杆位置微型计算机液压控制系统S1S2S3变速器锁止超速档变速图3-5电控式原理15§3-3液力变矩器的基本原理简介•液力变矩器是一种液力传动装置，它以液体为工作介质来进行能量转换。它的能量输入部件称为泵轮，以“B”表示；它和发动机的输出轴相连，并将发动机输出的机械能转换为工作介质的动能。能量输出部件为涡轮，以“T”表示；它将液体的动能又还原为机械能输出。16一、液力偶合器的工作原理•如图3-6所示为液力偶合器原理图。泵轮2固定在发动机曲轴上，为能量输入端，涡轮4固定在输出轴5上，为输出端。泵轮和涡轮之间有2-4mm的间隙，整个偶合器充满了液体工作介质。171-发动机曲轴，2-泵轮，3-偶合器壳体，4-涡轮，5-偶合器输出轴图3-6液力耦合器181.泵轮的运动•⑴发动机启动后，曲轴1旋转并带动泵轮2同步旋转。充满在泵轮叶片间的工作液体随着泵轮同步旋转，这是工作液体绕传动轴的牵连运动。•⑵在离心惯性力的作用下，工作液体在绕传动轴坐牵连运动的同时，它沿叶片间的通道从内缘向外缘流动，这是流体和叶片间的相对运动，并于泵轮的外缘流入涡轮。192.涡轮的运动•工作液体流入涡轮后，把从泵轮处获得的能量（动量）传递给涡轮，使涡轮旋转。从涡轮外缘（涡轮入口）流入的液体，既随涡轮旋转作牵连运动，又从外缘向内缘（涡轮出口）流动，这是涡轮叶片和流体的相对运动，最后，流体经涡轮内缘又流回泵轮。20二、液力偶合器和液力变矩器的能量转换原理•1.液力偶合器的能量转换•流体在偶合器（变矩器）内的循环流动是一个相当复杂的三维流动，流体与工作叶片间的相互作用也相当复杂。因此，分析这类问题时，在流体力学方面作了一系列假定后，一般用一元流束理论来描述。对于专业性较强的一些描述方式和术语，由于篇幅有限，不作介绍，请读者参考有关著作。21•转换计算（见公式3-1）•当发动机转速（即为泵轮转速）不变时，上述效率公式（3-2）中的分母是一个常数；随着涡轮转速的升高，传动比变大，效率也高。反之，随着涡轮转速的降低，偶合器的效率也随之下降。需要指出的是，从理论上讲，当n1=n2时i=0，效率最高。这只有在涡轮轴上没有负载时才可能出现。而实际是，当n1=n2，偶合器的泵轮和涡轮之间没有速度差；泵轮里的液体随泵轮作旋转运动产生的离心惯性力和涡轮里的液体随涡轮运动产生的离心惯性力大小相等而方向相反；偶合器内的液体不流动，也没有环流，偶合器也就失去了能量传递的作用。22耦合器的传动比耦合器的效率：则液力耦合器的效率为，则：，输出扭矩为入扭矩为根据动量矩定理，设输:i:2313121200)(i)(nnnMnMMMMMiioi公式3-1、3-2232.变矩器的能量传递原理（见图3-7）•液力变矩器与液力偶合器在结构上的最大区别就是液力变矩器比液力偶合器多加装了一个固定的流体导向装置——导轮。图3-7所示为最简单的液力变矩器的结构简图。它由泵轮1、涡轮2和导轮3等三个基本元件组成。•当泵轮1由发动机驱动旋转时，工作液体泵轮的外端出口b甩出（R2即表示泵轮叶片出口在中间旋转曲面上的半径）而进入涡轮，然后自涡轮的C端（R3表示涡轮叶片出口在中间旋转曲面的半径）流出而进入导轮，再经导轮a端流入泵轮而形成环流。241-泵轮，2-涡轮，3-导轮图3-7变矩器结构图25图3-8叶栅展开图26⑴叶珊展开图（图3-8）⑵力矩计计算（公式3-4）•把变矩器的公式（3-8）和偶合器的公式（3-11）进行比较，我们可以看出，变矩器涡轮轴上的输出力矩和泵轮轴上的力矩并不是偶合器中的等量关系，而是多了一个导轮对流体的作用力矩M3。这是导轮在变矩器中对变扭所起的关键作用。27）（或程为：可得到耦合器的力矩方如果删去导轮力矩，则即：把以上三式相加：：导轮对流体的作用力矩为：涡轮对流体的作用力矩为：泵轮对流体的作用力矩得如下等式：的进口速度。所以，可口速度即导轮的进口速度，涡轮的出泵轮的出口速度即涡轮：涡轮出口处的绝对速度，相对速度为为涡轮出口处的牵连速度），相对速度为为泵轮出口处的牵连速度：泵轮出口处的绝对速度11308373063534321212313213112321322112211212122222232222221222MMMMMMMMMMRvRvMRvRvMRvRvMvvvvvvWuvWRuuWuvWuu)()()()(Q)()(Q)()(Q)(R(DDTTBBBDDTTBTTTTTTBBBBBB公式3-428⑶变矩原理（见图3-9）•涡轮转速为零或较低（相当于起步或重载低速时），涡轮出口的绝对速度（即导轮的进口速度）和导轮的出口速度相反，涡轮轴上的输出力矩大于泵轮轴上的力矩。•当涡轮转速逐渐升高，即涡轮的牵连速度逐渐增加时，涡轮出口绝对速度逐渐减小，方向逐渐改变；当涡轮的转速增加到一定程度以后（导轮进出口绝对速度的方向相同），流体作用于涡轮的力矩（涡轮的输出力矩）小于泵轮作用于流体的作用力矩（泵轮的输入力矩）。29A起步时B车速较高时1由泵轮冲向涡轮的液流方向；2由涡轮冲向导轮的液流方向；3。由导轮冲向泵轮的液流方向。图3-9导轮流体方向的变化图303．单向离合器和锁止离合器的应用•涡轮转速升高以后，由涡轮流出流体的绝对速度的方向改变，使这些流体冲击导轮叶片的背部而引起了导轮流进泵轮的流体的方向改变而使流体对泵轮产生了一个阻滞泵轮运动的力矩。要改变这种状况，关键是改变导轮流出流体绝对速度方向的改变。31⑴单向离合器的作用•当涡轮的转速不高，导轮力矩M3≥0时，由于涡轮出口流体力图使导轮反转（指和泵轮转向相反），此时单向离合器反向锁止，导轮被固定不动。最终使涡轮的输出力矩大于泵轮力矩。•当涡轮转速再升高，涡轮出口流体开始冲击导轮叶片背部，导轮力矩M3＜0时，导轮旋转，导轮出口流体的绝对速度改变，使导轮输出力矩保持在M3=0状态（即偶合状态）。32⑵锁止离合器的作用•当涡轮转速达到一定值以后，它就只能工作在耦合器的工作状态，成为一个耦合器。当汽车处于高速轻载时，其效率必然很低。当汽车高速轻载时，把变矩器的泵轮和涡轮直接锁止在一起形成机械传动，充分发挥机械传动效率高的特点，汽车在良好路面行驶时，通过锁止装置把泵轮和涡轮锁止在一起，使汽车高速行驶时的效率大为提高。33§3-4自动变速器的变速机构•手动变速器一般用外啮合普通齿轮变速机构，而自动变速器一般用内啮合的行星齿轮机构。•和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，由于采用内啮合传动，变速过程中动力不间断，加速性好，工作可靠。34一、行星齿轮机构的基本结构和工作原理•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。•在自动变速器中一般应用2-3个单排行星齿轮机构组成一个多排行星齿轮机构。•但单排行星齿轮机构是分析多排行星齿轮机构的基础。351．单排行星齿轮机构和它的传动原理（见图3-10）•如图3-10所示为一个单排行星齿轮机构的基本结构简图。•从图中可以看出，一个单排行星齿轮机构由太阳轮1、行星齿轮和行星齿轮架2及环齿圈3组成。•由于行星齿轮和行星架是一个整体（以下简称行星架），所以，在一个行星排中只有三个基本元件：太阳轮、行星架和环齿圈。361321太阳轮2行星齿轮和行星齿轮架，3环齿圈图3-10行星齿轮机构简图372.单排行星齿轮机构的组合方式•由于单排行星轮机构有两个自由度，因此，它没有固定的传动比，不能直接用于变速传动，也就不能传递功率。•所以，行星排在传递功率时，三元件中的一个必须被锁止，使其它二个元件中的一个为主动件，另一个为从动件。通过这两个元件才可能传递功率，也才有固定的传动比。•一个行星排可以得到八种不同的组合方式。383.传动比的基本计算•行星排在运转时，由于行星轮存在自转和公转两种运动状态，因此其传动比的计算方法和定轴式齿轮传动机构的计算方法稍有不同。一种是根据定轴式齿轮传动计算传动比的模式来计算，当行星架作为主动件或从动件时，赋予行星架一个当量齿数，就可以直接计算传动比；另一种计算方法是根据单排行星轮的运动特性方程来进行计算。两者殊途同归。39⑴直接计算①环齿圈锁止或制动②太阳轮制动③行星架制动⑵根据运动特性方程的计算直接计算40）（从动件转速主动件转速主动件齿数从动件齿数传动比153)i(公式3-154114305624133224561708056143