汽车构造第4版自动变速传动工作过程分析

1.自动变速器的种类与优点；

2.电控液力自动变速器的组成与工作过程；

3.双离合器式自动变速器的组成与工作过程；

4.电控机械无级自动变速器的组成与工作过程。

1.能够向客户在实际车辆上讲解自动变速器的工作过程、各部件的构造；

2.能够对各形式的自动变速器进行比较分析；

3.具有与客户沟通交流的能力；

4.具备信息搜集和处理的能力。

自动变速传动的主要装置由自动变速器、万向传动装置、驱动桥组成。其与手动变速传动相比，最大的区别是由自动变速器代替了离合器与手动变速器。自动变速器虽然结构复杂，成本较高，但车辆驾驶操作简单，深受使用者欢迎。你能够向客户讲解一下不同类型自动变速器的优点与工作过程吗？

自动变速的车辆相对手动变速的车辆而言，操作起来相对简单，操作过程中不需要手动频繁换挡，但变速器的内部结构与工作过程却比较复杂，对车辆的使用维护有着一些特殊要求。请你就不同类型的自动变速器车辆绘制出动力传递路线图，讲解其自动变速的工作过程，在学习小组或班级里进行交流汇报。

一、自动变速器的种类

现代汽车广泛应用的自动变速器有以下几种。

1.液力自动变速器

液力自动变速器把原来由液压控制完成的功能改由微处理器来完成，实现了由AT向EAT（Electronic-controlled AT）的转变，降低了结构复杂性和制造技术要求，降低了成本，提高了产品适应性。

2.手动式机械变速器

手动式机械变速器借助于微机控制技术，正在演变为电子计算机控制的机械式自动变速器（Electronic-controlled Mechnical Transmission，EMT或Automated Mechnical Transmission，AMT），从而克服了手动操纵的种种弊端。

双离合器式自动变速器是基于手动变速器发展而来的，其工作原理是通过将变速器挡位按奇、偶数分开布置，分别与两个离合器连接，通过切换两个离合器的工作状态，就可以完成换挡动作。双离合器式自动变速器（Dual Clutch Transmission，DCT），也叫直接换挡变速器（Direct Shift Gearbox，DSG）。

3.无级变速器

无级变速器改由电子控制取代液压控制，实现由CVT向ECVT的转变，达到简化结构、提高控制精度的目的。

二、电控液力自动变速器

1.电控液力自动变速器的组成

电控自动变速器主要由液力变矩器、齿轮变速机构、换挡执行机构、液压控制系统和电子控制系统五大部分组成。

（1）液力变矩器

液力变矩器安装在发动机与变速器之间，将发动机转矩传给变速器输入轴。它相当于普通汽车上的离合器，但传递力矩的方式又不同于普通离合器。普通汽车离合器是靠摩擦传递力矩的，而液力变矩器是靠液力来传递力矩的，而且液力变矩器可改变发动机转矩，并能实现无级变速。变矩器是用液力来传递汽车动力的，而液压油的内部摩擦会造成一定的能量损失，因此传动效率较低。为提高汽车的传动效率，减少燃油消耗，现代很多轿车的自动变速器采用一种带锁止离合器的综合式液力变矩器，如图8-44所示。

图8-44　液力变矩器结构及工作示意图

带锁止离合器的液力变矩器的特点是，汽车在变工况下行驶时（如起步、经常加减速），锁止离合器分离，相当于普通液力变矩器；当汽车在稳定工况下行驶时，锁止离合器接合，动力不经液力传动，直接通过机械传动传递，动力传递路线为：发动机→变矩器壳体→锁止离合器压盘→减震器→从动盘→齿轮变速机构输入轴，变矩器效率为100%。

自动变速器计算机根据车速、节气门开度、发动机转速、变速器液压油温度、操纵手柄位置、控制模式等因素，按照设定的锁止控制程序向锁止电磁阀发出控制信号，操纵锁止控制阀，以改变锁止离合器压盘两侧的油压，从而控制锁止离合器的工作。

当车辆低速行驶时，油液流至锁止离合器的前端。锁止离合器压盘前端与后端的压力相同，使锁止离合器处于分离状态，如图8-45所示。这时输入变矩器的动力完全通过ATF传至涡轮。

图8-45　锁止离合器处于分离状态

当车辆在良好道路上以中速至高速（通常>m/h）行驶，并且车速、节气门开度、变速器液压油温度等因素符合一定要求时，ATF流至锁止离合器的后端，这样，使锁止离合器压盘与变矩器壳体一起转动，如图8-46所示。这时输入变矩器的动力通过锁止离合器的机械连接，由压盘直接传至涡轮输出，传动效率为100%。

图8-46　锁止离合器处于接合状态

（2）齿轮变速机构

齿轮变速机构可形成不同的传动比，组合成电控自动变速器不同的挡位。目前绝大多数电控自动变速器采用行星齿轮机构进行变速，但也有个别车型采用普通齿轮机构进行变速（如本田车系）。

①单排行星齿轮机构。如图8-47所示，单排行星齿轮机构主要由太阳轮、行星架、齿圈和行星齿轮组成。通常行星齿轮有3～6个，通过滚针轴承安装在行星齿轮轴上，行星齿轮轴均匀地安装在行星架上。行星齿轮机构工作时，行星齿轮除了绕自身轴线的自转外，同时还绕着太阳轮公转。

图8-47　单排行星齿轮机构

单排行星齿轮机构运动规律的特征方程式为

n1+αn2-(1+α)n3=0

式中，n1为太阳轮转速；n2为齿圈转速；n3为行星架转速；α为齿圈齿数Z2与太阳轮齿数Z1之比，即α=Z2/Z1，且α>1。

②复合式行星齿轮机构。

单排行星齿轮机构所提供的适用传动比数目是有限的，为了获取较多的挡数，可采用两排或多排行星齿轮机构。在现代汽车的自动变速器中，目前广泛采用两种类型的复合式行星齿轮机构：辛普森（Simpson）式和拉维纳（Ravigneaux）式。

辛普森式行星齿轮机构是由两排行星齿轮机构共用一个太阳轮组成的复合式行星齿轮机构，如图8-48所示。

图8-48　辛普森式行星齿轮机构

1—前行星排齿圈；2—前后行星排共用太阳轮；3—后行星排齿圈；4—输出轴；5—后行星排行星轮；6—后行星排行星架；7—前行星排行星轮；8—前行星排行星架；C1、C2—离合器；B1、B2—制动器。
（a）示意图；（b）简图

该机构中有4个换挡执行元件，分别为离合器C1、C2和制动器B1、B2。离合器C1用于连接输入轴和前后行星排共用太阳轮2；离合器C2用于连接输入轴和前行星排齿圈1；制动器B1用于固定前后行星排共用太阳轮2；制动器B2用于固定后行星排行星架6。

拉维纳式行星齿轮机构如图8-49和图8-50所示。它由前面一个单行星轮式行星排和后面一个双行星轮式行星排组合而成。大太阳轮、长行星轮、行星架和齿圈共同组成一个单行星轮式行星排；小太阳轮、短行星轮、长行星轮、行星架和齿圈共同组成一个双行星轮式行星排。

图8-49　拉维纳式行星齿轮机构

1—输入轴；2—大太阳轮；3—小太阳轮；4—长行星轮；5—短行星轮；6—行星架；7—输出齿轮；8—主减速器齿轮；C1—1号离合器；C2—2号离合器；C3—3号离合器；B1—1号制动器；B2—2号制动器；F—单向离合器。

图8-50　拉维纳式四挡行星齿轮机构的结构示意图

1—输入轴；2—长行星轮；3—齿圈；4—行星架；5—短行星轮；6—输出轴；7—小太阳轮；8—大太阳轮；C1、C2、C3—离合器；B1、B2—制动器；F—单向离合器。

拉维纳式四挡行星齿轮机构的特点是两排齿轮机构用一个齿圈和一个行星架。行星架上的长行星轮与前排行星齿轮机构的大太阳轮啮合，同时与后排行星齿轮机构的短行星轮相啮合。短行星轮还与小太阳轮啮合。该机构可以和6个换挡执行元件（离合器C1、C2、C3，制动器B1、B2，单向离合器F）组成4个前进挡和1个倒挡的行星齿轮变速器。其换挡执行元件工作规律见表8-2。

表8-2　拉维纳式四挡行星齿轮变速器换挡执行元件工作规律(https://www.xing528.com)

拉维纳式行星齿轮机构结构紧凑，所用构件少，并且由于相互啮合的齿较多，故可传递较大的转矩，所以在许多轿车的自动变速器中采用这种结构。例如，丰田威驰U540E型、捷达O1M型四挡行星齿轮变速器都采用了这种形式。

（3）换挡执行机构

电控液力自动变速器的换挡执行机构包括离合器和制动器，如图8-51所示。

图8-51　电控液力自动变速器的换挡执行机构

（4）液压控制系统

电控自动变速器中的液压控制系统主要控制换挡执行机构的工作，由液压泵、各种液压控制阀和液压管路等组成，如图8-52所示。

图8-52　液压控制系统组成

（5）电子控制系统

电控自动变速器中的电子控制系统与液压控制系统配合使用，通常把它们合称为电液控制系统。电子控制系统主要包括电子控制单元、各类传感器及执行器等。电子控制系统中的传感器及各种控制开关将发动机工况、车速等信号传递给电子控制单元，电子控制单元发出指令给执行器，执行器和液压系统按一定的规律控制换挡执行机构工作，实现电控自动变速器自动换挡，如图8-53所示。

图8-53　电子控制系统

2.电控液力自动变速器的控制原理

电控液力自动变速器是通过传感器和开关监测汽车与发动机的运行状态，接受驾驶员的指令，将发动机转速、节气门开度、车速、发动机水温、自动变速器液压油温等参数转变为电信号，并输入电控单元（ECU）；ECU根据这些信号，按照设定的换挡规律，向换挡电磁阀、油压电磁阀等发出电子控制信号；换挡电磁阀和油压电磁阀再将ECU发出的控制信号转变为液压控制信号，阀板中的各个控制阀根据这些液压控制信号，控制换挡执行机构的动作，从而实现自动换挡，如图8-54所示。

图8-54　电控液力自动变速器控制原理

3.电控液力自动变速器挡位介绍

自动变速器换挡元件有按钮式和拉杆式两种类型，驾驶员可以通过其进行挡位选择。按钮式一般布置在仪表板上；拉杆式即换挡操纵手柄，可布置在转向柱上或驾驶室地板上，如图8-55所示。

图8-55　换挡操纵手柄在轿车上的布置

（a）布置在转向柱上；（b）布置在驾驶室地板上

自动变速器的换挡操纵手柄通常有4～7个位置，如本田车系有7个位置，分别为P、R、N、D4、D3、2、1，丰田车系操纵手柄的位置为P、R、N、D、2、L，日产车系操纵手柄的位置为P、R、N、D、2、1，欧美部分车系操纵手柄的位置为P、R、N、D、S、L和P、R、N、D、3、2、1等。

P挡：停车挡。当换挡操纵手柄置于该位置时，停车锁止机构将变速器输出轴锁止。

R挡：倒挡。操纵杆置于此位，液压系统倒挡油路被接通，驱动轮反转，实现倒挡行驶。

N挡：空挡。此时行星齿轮系统空转，不能输出动力。

发动机只有在换挡操纵手柄位于P或N位时，汽车才能起动，此功能靠空挡起动开关来实现。

D（D4）挡：前进挡。当换挡操纵手柄置于该位置时，液压系统控制装置根据节气门开度信号和车速信号自动接通相应的前进挡油路，行星齿轮系统在执行机构的控制下得到相应的传动比，随着行驶条件的变化，在前进挡中自动升降挡，实现自动变速功能。

3（D3）挡：高速发动机制动挡。操纵手柄位于该位时，液压控制系统只能接通前进挡中的一、二、三挡油路，自动变速器只能在这三个挡位间自动换挡，无法升入四挡，从而使汽车获得发动机制动效果。

2（S）挡：中速发动机制动挡。操纵手柄位于该位时，液压控制系统只能接通前进挡中的一、二挡油路，自动变速器只能在这两个挡位间自动换挡，无法升入更高的挡位，从而使汽车获得发动机制动效果。

L挡（也称1位）：低速发动机制动挡。此时发动机被锁定在前进挡的一挡，只能在该挡位行驶而无法升入高挡，发动机制动效果更强。此挡位多用于山区行驶、上坡加速或下坡时有效地稳定车速等特殊行驶情况，可避免频繁换挡，提高其使用寿命。

“2”和“L”挡又称为闭锁挡，另外有些车型的“3”“2”“1”或“S”挡也为闭锁挡。

三、双离合器自动变速器

双离合器式自动变速器是基于手动变速器发展而来的，其工作原理是通过将变速器挡位按奇、偶数分开布置，分别与两个离合器连接，通过切换两个离合器的工作状态，就可以完成换挡动作。

大众公司迈腾轿车6挡02E DSG变速器的工作原理如图8-56所示。主要组成有K1、K2两个湿式离合器，以及按奇、偶数挡位分别与两个离合器布置连接的变速器齿轮组。

图8-56　换挡操纵手柄示意图

在图8-57中，1挡、3挡、5挡、R挡与离合器K1连接在一起，2挡、4挡、6挡连接在离合器K2上。当车辆以某一个挡位运行时，下一个即将进入运行的挡位可以始终处于啮合状态；当达到下一个挡位的换挡点时，只需将正处于接合状态的离合器分离，将处于分离状态的离合器接合，即切换两个离合器的工作状态，就可以完成换挡动作。由于在两个离合器的切换过程中只会使发动机动力传递出现一个减弱的过程，而不需要完全切断动力传递，因此，DCT实现的是动力换挡，其换挡过程与AT的换挡过程基本类似。

图8-57　大众迈腾轿车6挡02E DSG变速器工作原理图

四、电控机械无级自动变速器

一汽-大众公司生产的奥迪A6轿车装备了电控机械无级变速器，其代号为01J，采用带/链传动。01J电控机械无级变速器结构简图如图8-58所示。

图8-58　01J电控机械无级变速器结构

电控机械无级变速器与电控液力传动自动变速器相比，传动效率高，能充分发挥发动机动力，提高整车燃油经济性。从理论上讲，电控机械无级变速器可使发动机始终在经济工况下运行。

01J电控机械无级变速器的传动简图如图8-59所示。发动机动力通过飞轮减振装置或双质量飞轮传递给变速器输入轴，输入轴动力通过行星齿轮机构、一对辅助变速齿轮传动组传递到传动链轮机构，通过传动链轮无级变速后，动力经过主减速器和差速器传递到驱动轮。

图8-59　01J电控机械无级变速器传动

01J电控机械无级变速器的关键部件是由传动链实现的无级变速器。它可允许变速比在最小变速比和最大变速比之间无级调节。无级变速器由两个带锥面的盘体的主链轮装置（链轮装置1）和副链轮装置（链轮装置2）及工作于两个锥形链轮组之间V形槽内的专用传动链组成，传动链是动力传动装置，如图8-60所示。链轮装置1由发动机通过辅助减速齿轮驱动，发动机转矩通过传动链传递到链轮装置2，并由此传递给主减速器。每个链轮装置中的一个链轮可沿轴向移动，调整传动链的跨度尺寸和改变传动比。两组链轮装置必须同时进行调整，保证传动链轮始终处于张紧状态和有足够的接触传动压力。

图8-60　01J电控机械无级变速器传动

行星齿轮传动机构采用一个双行星排，主要作用是实现前进挡和倒挡的转换，不改变传动比。

电子液压控制单元和变速器控制单元集成为一体，位于变速箱壳体内。

随堂测试

1.电控自动变速器主要由________、________、________、液压控制系统和电子控制系统五大部分组成。

2.液力变矩器安装在________与变速器之间，将发动机转矩传给变速器输入轴。它相当于普通汽车上的________，但在传递力矩的方式上又不同于普通离合器。普通汽车离合器是靠________传递力矩的，而液力变矩器是靠________来传递力矩的，而且液力变矩器可改变发动机转矩，并能实现无级变速。

3.电控自动变速器的电子控制系统主要包括________、各类________及________等。

4.双离合器式自动变速器是基于________变速器发展而来的，其工作原理是通过将变速器挡位按________分开布置，分别与两个离合器连接，通过切换两个离合器的工作状态，就可以完成换挡动作。

5.电控机械无级变速器与电控液力传动自动变速器相比，传动效率________，能充分发挥发动机动力，提高整车________。从理论上讲，电控机械无级变速器可使发动机始终在经济工况下运行。

任务实施

任务工单