自动变速器概述与变矩器原理

自动变速器概述与变矩器原理主讲：汤爱国1.自动变速器概述自动变速器概述与变矩器原理2.变矩器原理1.自动变速器概述1.1发展历史（一）国外的发展历史；（二）中国的发展历史；（三）性能优点；1.2安装位置及分类特点（一）分类特点与安装位置；（二）发展方向；2.变矩器原理2.1发展历史（一）安装位置；（二）发展历史；（三）液力偶合器2.2现代液力变矩器（TorqueConverters）（一）结构；（二）工作原理；（三）液流形态和效率；了解自动变速器的发展史及发展方向。掌握自动变速器的分类方法和主要类型。掌握电控机械式无级变速器（CVT）的基本结构与工作原理。自动变速器概述的学习要求1.1自动变速器发展史1)1940年美国通用公司在奥兹莫比尔（Oldsmobile）汽车上安装第一台全自动变速器HydraMastic。2）1948年美国通用公司又在别克（Buick）汽车上装DyneFlow全自动变速器。3）50年代末，日本从西方引进并研制自动变速器，发展迅猛。当前自动变速器的主要生产商主要有：1）美国的Allison、通用；2）英国的Borg-Wamer；3）德国的ZF；4）意大利的FIAT；5）日本的TOYOTA，Asian。1）美国三大汽车公司自动变速器的装车率1983年：通用公司达到94%；福特公司达到74%；克莱斯勒公司达到86%；1988年：三大公司都达到了94%以上；1998年：城市内行驶的汽车几乎100%的装用了自动变速器。（一）国外的发展情况〈1〉3）日本来以结构紧凑、价格及油耗低著称于世的轿车1982年大、中、小客车平均占26%；1986年增至41%；1992年增至60%；1998年基本全部普及。2）德国奔驰和宝马生产的轿车：1978年装自动变速器的汽车，发动机排量4.5L以上的占100%，3.5L以下的占80%。（一）国外的发展情况〈2〉（二）中国的发展情况我国应用液力传动始于20世纪50年代，自行研制出了内燃机和红旗CA770三排座高级轿车的液力传动系统。随后液力传动也在我国获得了一定发展，但发展速度要落后于发达国家。（三）性能优点1、可以不踩离合器、实现自动换档而且发动机不会熄火，所以能有效的提高驾驶方便性，减轻驾驶员的劳动强度。2、在各种使用工况下能实现发动机与传动系的最佳匹配,控制更加精确、有效性能价格比大大提高。1.2安装位置及分类特点（一）分类特点与安装位置1)按汽车驱动方式分类一、前轮驱自动变速器二、后轮驱自动变速器三、四轮驱自动变速器•奥迪A3前轮驱动的自动变速器布置形式和安装位置•前驱自动变速器外形特点•宝马750i后轮驱动的自动变速器布置形式和安装位置•后驱自动变速器外形特点（1）•后驱自动变速器外形特点（2）•沃尔沃S80四轮驱动的自动变速器布置形式和安装位置•四驱自动变速器外形特点1）液力-机械式自动变速器，目前技术成熟，应用最广。在发达国家轿车上的装车率已达80-90%。2）电控机械式自动变速器，它与手动齿轮变速器的另部件有一定通用性，保留了传动效率高的优点，目前在重型货车上选用的较多。3）电控机械式无级变速器，它与发动机之间还要有自动离合器，目前在2.5升以下的轿车上得到采用。2）按机械结构与控制原理形式分类（二）发展方向一、CVT与AMT、AT比较最主要的优点：1）速比变化是无级的，在各种行驶工况下都能选择最佳的速比。2）动力性、经济性和排放与AT比较，大约可以改善5%左右。3）CVT采用的金属带无级变速器与AT一般所用的行星齿轮有级变速器比较，结构相对简单，据估计到2010年装车达到400万辆。二、CVT存在的不足：1）生产成本高在批量相当时成本可能低些。2）金属带无级传动是摩擦传动，存在效率和磨损问题。3）CVT不能实现换空挡，在倒档和起步时还得有一个自动离合器。4）技术不成熟，适用车型有限。（二）发展方向电控机械式无级变速器结构电控机械式无级变速器工作与控制原理金属传动带V型金属传动带由许多套在柔性钢带上具有V型侧面金属片组成，这种金属带传动，两个带轮间动力传递是靠作为推力块的金属片的推力实现的。2.变矩器原理2.1发展历史（一）安装位置；（二）发展历史；（三）液力偶合器2.2现代液力变矩器（TorqueConverters）（一）结构；（二）工作原理；（三）液流形态和效率；学习要求了解液力变矩器的发展史及发展方向。掌握液力变矩器的分类方法，结构和工作原理。掌握电控液力变矩器的控制原理。（一）安装位置（1）2.1变矩器发展历史（一）安装位置（2）（二）发展历史1)20世纪初，德国费丁格尔教授提出通过液体动量变化传递动力，效率70％2)取消进、出水管以泵轮和涡轮代替离心泵和水轮机，形成流体循环圆，功率75kw，效率83％3)1912年德国客轮“切勒比茨”号安装变矩器，效率＝83％，介质由水改为油（三）液力偶合器（FluidCouplings）1)液力偶合器的作用将发动机的输出转矩传给变速器。2）液力偶合器的构造3）液力偶合器的工作原理液力偶合器的工作原理相当于两个相对放置的电风扇，当一个通电转动后，另一个未通电的风扇在风能的作用下，也随之转动。（三）液力偶合器（FluidCouplings）实际液力偶合器结构和工作原理示图（三）液力偶合器（FluidCouplings）4）液力偶合器中油的运动液力偶合器中的自动变速器油存在两种不同形式的运动：涡流和环流。涡流是从泵轮到涡轮的液流。当汽车负荷比较大，涡轮转速较底时，液流以涡流为主。环流是随曲轴飞轮的旋转运动，沿液力偶合器旋转方向的液流称为环流。当汽车负荷比较小，泵轮和涡轮的转速比较接近时，液流以环流为主。（三）液力偶合器（FluidCouplings）由于液力偶合器中心的环流对涡流有阻碍作用，因此在涡轮与泵轮中心设有分裂式导环，用于克服环流的影响,因此液力偶合器主要由泵轮、涡轮、导环和壳体组成。（三）液力偶合器（FluidCouplings）（三）液力偶合器（FluidCouplings）（三）液力偶合器（FluidCouplings）5）液力偶合器的特点由泵轮旋转的离心力，才使得偶合器中的自动变速器油形成环流，但此时涡轮的转速一定是小于泵轮的，如果涡轮的转速与泵轮相等，两轮中自动变速器油产生的离心力也就相等，因此也就不会有环流了，所以泵轮和涡轮之间必须存在转速差。转速差愈大，两轮边缘处的能量差也就越大，自动变速器油传递的动力也就愈大。（三）液力偶合器（FluidCouplings）6）液力偶合器的传动效率液力偶合器在传递能量过程中，必有能量损失，用下式表示传动效率（ŋ）=———————=————涡轮输出功率泵轮输出功率MB̀nBMẀnw由于液力偶合器仅起传递转矩作用，故MW=MB，有传动效率（ŋ）=———————=传动比（i）涡轮转速（nw）泵轮转速（nB）（三）液力偶合器（FluidCouplings）100%1iη液力偶合效率特性（三）液力偶合器（FluidCouplings）液力偶合器的效率特性因为液力偶合器在正常工作时，泵轮转速总是大于涡轮转速，当涡轮与泵轮之间转速差越大时，传动效率也就越低；当涡轮与泵轮之间转速差越小时，传动效率也就越高。当汽车起步时，涡轮转速为零，传动效率也就为零。汽车起步后，涡轮转速逐渐增加，传动效率也随之提高。当涡轮转速等于泵轮转速时，环流不存在，液力偶合器失去传递动力作用，所以当传动比i接近等于1时，传动效率就会突然下降为零。也就是说液力偶合器传动效率永远达不到100％。（三）液力偶合器（FluidCouplings）2.2现代液力变矩器（TorqueConverters）（一）现代液力变矩器结构（1）（一）现代液力变矩器结构（2）（一）现代液力变矩器结构（3）•泵轮工作原理泵轮与变矩器外壳做成一体，发动机飞轮与变矩器外壳连接，飞轮驱动外壳也就驱动了泵轮，通过离心力使流体从内向外流动。（二）现代液力变矩器部件的工作原理（1）•涡轮工作原理流体向心流动，液流改变方向，同时驱动与其连接的变速器输入轴（通过花键连接）（二）现代液力变矩器部件的工作原理（2）•导轮工作原理导轮静止不动时，大角度地改变流体方向，使之与泵轮入角。（二）现代液力变矩器部件的工作原理（3）•导轮单向离合器的工作原理1)单向离合器的组成：由外座圈，内座圈、保持架、楔块等组成。（二）现代液力变矩器部件的工作原理（4）•单向离合器工作原理（二）现代液力变矩器部件的工作原理（4）•单向离合器工作原理（二）现代液力变矩器部件的工作原理（4）•单向离合器工作原理2)工作原理：当内座圈固定时，外座圈顺时针方向转动楔块不锁止，外座圈可自由转动；当外座圈逆时针转动时，楔块锁止，外座圈不能转动。保持架的作用是使楔块总是朝着锁止外座圈的方向略微倾斜，以加强楔块的锁止功能。（二）现代液力变矩器部件的工作原理（4）•锁止离合器（TCC）工作原理锁止离合器的结构：（二）现代液力变矩器部件的工作原理（5）锁止离合器的结构：（二）现代液力变矩器部件的工作原理（5）•锁止离合器（TCC）工作原理由泵轮与涡轮之间的转速差最少也有4％～5％，这相当于泵轮与涡轮之间存在有滑转现象，因而无法达到100％效率，所以采用带锁止离合器的液力变矩器可以解决泵轮与涡轮的转速差问题，进而提高液力变矩器的效率，使其达到100％。锁止离合器的作用：（二）现代液力变矩器部件的工作原理（5）•锁止离合器（TCC）工作原理如图所示，该变矩器的锁止离合器与外壳相连，也就是与泵轮相接，而锁止离合器片与涡轮相接，带锁止离合器的液力变矩器的活塞在油压的作用下，可以将多片式锁止离合器的盘与片压紧成为一体，这就使涡轮与泵轮连接成一体，此时液力传动变为离合器传动，提高了传动效率达到100％，同时还使得油温不再升高。（二）现代液力变矩器部件的工作原理（5）•锁止离合器（TCC）控制原理（二）现代液力变矩器部件的工作原理（5）•锁止离合器（TCC）控制原理（二）现代液力变矩器部件的工作原理（5）•锁止离合器（TCC）控制原理（二）现代液力变矩器部件的工作原理（5）锁止离合器分离（别克在OD档处于3档时4T60-E）（二）现代液力变矩器部件的工作原理（5）锁止离合器结合（别克在OD档处于3档时4T60-E）（二）现代液力变矩器部件的工作原理（5）（三）现代液力变矩器工作原理（1）当发动机曲轴带动泵轮旋转时，泵轮带动自动变速器油一起旋转，在离心力的作用下，自动变速器油从叶片的内缘向外缘流动。冲击涡轮的叶片，自动变速油沿着涡轮叶片由外向内流动，冲击到导轮叶片，然后沿着导轮叶片流动，回到泵轮进入下一个循环。（三）现代液力变矩器工作原理（2）•液流形态（三）现代液力变矩器工作原理（2）1、我们把从泵轮、涡轮、导轮又到泵轮的液体流动叫涡流。•液流形态2、自动变速器油在进行涡流的同时，又绕曲轴中心线旋转，我们把液体绕轴线旋转的流动，称为环流。3、变矩器中液体流动是涡流和环流的混合。实际上，液体的混合流动是呈螺旋状转动。只不过根据转速不同以哪种为主的问题。（三）现代液力变矩器工作原理（3）•增矩原理工作图(1)（三）现代液力变矩器工作原理（3）•增矩原理(2)汽车起步之前（三）现代液力变矩器工作原理（3）•增矩原理(2)汽车起步之前Mw=MB+MD由于M’w=-Mw可以得到：|M’w|=|MB+MD|导轮反作用力矩的大小和方向都是随涡轮转速的变化而变化，故液力矩值也随之变化（三）现代液力变矩器工作原理（3）•增矩原理(3)汽车起步之后（三）现代液力变矩器工作原理（3）•偶合原理工作图（三）现代液力变矩器工作原理（3）•液力变矩器内油的流动方向（三）现代液力变矩器工作原理（3）•液力变矩器内油的流动方向（三）现代液力变矩器工作原理（4）•液力变矩器的效率液力变矩器的扭矩比和速比1）液力变矩器扭矩比是输出扭矩与输入扭矩之比；2）速比是涡轮转速与泵轮转速之比。（三）现代液力变矩器工作原理（4）•液力变矩器的效率•液力变矩器扭矩比变化规律（三）现代液力变矩器工作原理（4）•液力变矩器的效率失速点：当涡轮转速为零时