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1、第一章 自动变速器知识基础第一节 自动变速器的基本组成和工作过程一、自动变速器的基本组成自动变速器的厂牌型号很多,外部形状和内部结构也有所不同,但它们的组成基本相同,都是由液力变矩器和齿轮式自动变速器组合起来的。常见的组成部分有液力变矩器、行星齿轮机构、离合器、制动器、油泵、滤清器、管道、控制阀体、速度调压器等,按照这些部件的功能,可将它们分成液力变矩器、变速齿轮机构、供油系统、自动换挡控制系统和换挡操纵机构等五大部分。1、液力变矩器液力变矩器位于自动变速器的最前端,安装在发动机的飞轮上,其作用与采用手动变速器的汽车中的离合器相似。它利用油液循环流动过程中动能的变化将发动机的动力传递自动变速器
2、的输入轴,并能根据汽车行驶阻力的变化,在一定范围内自动地、无级地改变传动比和扭矩比,具有一定的减速增扭功能。2、变速齿轮机构自动变速器中的变速齿轮机构所采用的型式有普通齿轮式和行星齿轮式两种。采用普通齿轮式的变速器,由于尺寸较大,最大传动比较小,只有少数车型采用。目前绝大多数轿车自动变速器中的齿轮变速器采用的是行星齿轮式。变速齿轮机构主要包括行星齿轮机构和换档执行机构两部分。行星齿轮机构,是自动变速器的重要组成部分之一,主要由于太阳轮(也称中心轮)、内齿圈、行星架和行星齿轮等元件组成。行星齿轮机构是实现变速的机构,速比的改变是通过以不同的元件作主动件和限制不同元件的运动而实现的。在速比改变的过
3、程中,整个行星齿轮组还存在运动,动力传递没有中断,因而实现了动力换挡。换挡执行机构主要是用来改变行星齿轮中的主动元件或限制某个元件的运动,改变动力传递的方向和速比,主要由多片式离合器、制动器和单向超越离合器等组成。离合器的作用是把动力传给行星齿轮机构的某个元件使之成为主动件。制动器的作用是将行星齿轮机构中的某个元件抱住,使之不动。单向超越离合器也是行星齿轮变速器的换挡元件之一,其作用和多片式离合器及制动器基本相同,也是用于固定或连接几个行星排中的某些太阳轮、行星架、齿圈等基本元件,让行星齿轮变速器组成不同传动比的挡位。3、供油系统自动变速器的供油系统主要由油泵、油箱、滤清器、调压阀及管道所组成
4、。油泵是自动变速器最重要的总成之一,它通常安装在变矩器的后方,由变矩器壳后端的轴套驱动。在发动机运转时,不论汽车是否行驶,油泵都在运转,为自动变速器中的变矩器、换挡执行机构、自动换挡控制系统部分提供一定油压的液压油。油压的调节由调压阀来实现。4、自动换挡控制系统自动换挡控制系统能根据发动机的负荷(节气门开度)和汽车的行驶速度,按照设定的换挡规律,自动地接通或切断某些换挡离合器和制动器的供油油路,使离合器结合或分开、制动器制动或释放,以改变齿轮变速器的传动化,从而实现自动换挡。自动变速器的自动换挡控制系统有液压控制和电液压(电子)控制两种。液压控制系统是由阀体和各种控制阀及油路所组成的,阀门和油
5、路设置在一个板块内,称为阀体总成。不同型号的自动变速器阀体总成的安装位置有所不同,有的装置于上部,有的装置于侧面,纵置的自动变速器一般装置于下部。在液压控制系统中,增设控制某些液压油路的电磁阀,就成了电器控制的换挡控制系统,若这些电磁阀是由电子计算机控制的,则成为电子控制的换挡系统。5、换挡操纵机构自动变速器的换挡操纵机构包括手动选择阀的操纵机构和节气门阀的操纵机构等。驾驶员通过自动变速器的操纵手柄改变阀板内的手动阀位置,控制系统根据手动阀的位置及节气门开度、车速、控制开关的状态等因素,利用液压自动控制原理或电子自动控制原理,按照一定的规律控制齿轮变速器中的换挡执行机构的工作,实现自动换挡。二
6、、自动变速器的工作过程自动变速器之所以能够实现自动换挡是因为工作中驾驶员踏下油门的位置或发动机进气歧管的真空度和汽车的行驶速度能指挥自动换挡系统工作,自动换挡系统中各控制阀不同的工作状态将控制变速齿轮机构中离合器的分离与结合和制动器的制动与释放,并改变变速齿轮机构的动力传递路线,实现变速器挡位的变换。传统的液力自动变速器根据汽车的行驶速度和节气门开度的变化,自动变速挡位。其换挡控制方式是通过机械方式将车速和节气门开度信号转换成控制油压,并将该油压加到换挡阀的两端,以控制换挡阀的位置,从而改变换挡执行元件(离合器和制动器)的油路。这样,工作液压油进入相应的执行元件,使离合器结合或分离,制动器制动
7、或松开,控制行星齿轮变速器的升挡或降挡,从而实现自动变速。电控液力自动变速器是在液力自动变速器基础上增设电子控制系统而形成的。它通过传感器和开关监测汽车和发动机的运行状态,接受驾驶员的指令,并将所获得的信息转换成电信号输入到电控单元。电控单元根据这些信号,通过电磁阀控制液压控制装置的换挡阀,使其打开或关闭通往换挡离合器和制动器的油路,从而控制换挡时刻和挡位的变换,以实现自动变速。其工作过程如图1-1所示。图1-1 电控液力自动变速器的工作过程示意图1-节气门位置传感器 2-液力变矩器 3-行星齿轮变速器 4-车速传感器 5-液压控制装置 6-换挡阀 7-电磁阀三、自动变速器的类型不同车型所装用
8、的自动变速器在型式、结构上往往有很大的差异,常见的分类方法和类型如下:1、按变速方式分类汽车自动变速器按变速方式的不同,可分为有级变速器和无级变速器两种。有级变速器是具有有限几个定值传动比(一般有35个前进挡和一个倒挡)的变速器。无级变速器是能使传动比在一定范围内连续变化的变速器,无级变速器目前在汽车上应用较少。2、按汽车驱动方式分类自动变速器按照汽车驱动方式的不同,可分为后驱动自动变速器和前驱动自动变速器两种。这两种自动变速器在结构和布置上有很大的不同。后驱动自动变速器的变矩器和齿轮变速器的输入轴及输出轴在同一轴线上,发动机的动力经变矩器、自动变速器、传动轴、后驱动桥的主减速器、差速器和半轴
9、传给左右两个后轮。这种发动机前置,后轮驱动的布置型式,其发动机和自动变速器都是纵置的,因此轴向尺寸较大,在小型客车上布置比较困难。后驱动自动变速器的阀板总成一般布置在齿轮变速器下方的油底壳内。前驱动自动变速器除了具有与后驱动自动变速器相同的组成部分外,在自动变速器的壳体内还装有差速器。前驱动汽车的发动机有纵置和横置两种。纵置发动机的前驱动自动变速器的结构和布置与后驱动自动变速器基本相同,只是在后端增加了一个差速器。横置发动机前驱动自动变速器由于汽车横向尺寸的限制,要求有较小的轴向尺寸,因此通常将输入轴和输出轴设计成两个轴线的方式;变矩器和齿轮变速器输入轴布置在上方,输出轴布置在下方。这样的布置
10、减少了变速器总体的轴向尺寸,但增加了变速器的高度,因此常将阀板总成布置在变速器的侧面或上方,以保证汽车有足够的最小离地间隙。3、按自动变速器前进挡的挡位数不同分类自动变速器按前进挡的档位数不同,可分为2个前进挡、3个前进挡、4个前进挡三种。早期的自动变速器通常为2个前进挡或3个前进挡。这两种自动变速器都没有超速挡,其最高挡为直接挡。新型轿车装用的自动变速器基本上都是4个前进挡,即设有超速挡。这种设计虽然使自动变速器的构造更加复杂,但由于设有超速挡,大大改善了汽车的燃油经济性。4、按齿轮变速器的类型分类自动变速器按齿轮变速器的类型不同,可分为普通齿轮式和行星齿轮式两种。普通齿轮式自动变速器体积较
11、大,最大传动比较小,使用较少。行星齿轮式自动变速器结构紧凑,能获得较大的传动比,为绝大多数轿车采用。5、按变矩器的类型分类轿车自动变速器基本上都是采用结构简单的单级三元件综合式液力变矩器。这种变矩器又分为有锁止离合器和无锁止离合器两种。早期的变矩器中没有锁止离合器,在任何工况下都是以液力的方式传递发动机动力,因此传动效率较低。新型轿车自动变速器大都采用带锁止离合器的变矩器,这样当汽车达到一定车速时,控制系统使锁止离合器结合,液力变矩器输入部分和输出部分连成一体,发动机动力以机械传递的方式直接传入齿轮变速器,从而提高了传动效率,降低了汽车的燃油消耗量。6、按控制方式分类自动变速器按控制方式不同,
12、可分为液力控制自动变速器和电子控制自动变速器两种。液力控制自动变速器是通过机械的手段,将汽车行驶时的车速及节气门开度两个参数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的大小,按照设定的换挡规律,通过控制换挡执行机构动作,实现自动换挡,现在使用较少。电子控制自动变速器是通过各种传感器,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度等参数转变为电信号,并输入电脑;电脑根据这些电信号,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电脑的电子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
13、的动作,从而实现自动换挡。四、自动变速器的优缺点机械齿轮变速器具有效率高,工作可靠,结构比较简单等优点。故被广泛地应用在各种汽车上。但是对于诸如高级小客车、超重型自卸汽车,要求高通过性的军用越野汽车以及城市的大型公共汽车等车型,由于特殊的使用条件和要求,单纯采用机械变速器,虽能适应汽车的一些需要,但还存在不足之处。为适应汽车行驶条件的变化,必须经常换挡。换挡时,被啮合的主动齿轮与被动齿轮转速不一样,使齿轮受到冲击,甚至有时挂不上挡。于是换挡前需要对转速加以调整。例如从高挡换至低挡,先要松油门和离合器,摘掉高挡、结合主离合器、加大油门,再分离主离合器、挂上低挡,使换挡时将要相互啮合的齿轮转速相接
14、近,便于挂挡。这样换挡过程过于复杂,要求司机能够掌握时机,有一定的熟练操作技术。同时,驾驶员踩主离合器踏板时,要消耗很大的体力,容易疲劳。由于换挡时的冲击现象,传动系要受到很大的附加作用力。若汽车在行驶过程中,突然碰到大右块,阻力突增,车速下降。此时发动机工况并未改变,传动系就要“别劲”,使零部件容易损坏或缩短使用寿命。机械变速器由若干组齿轮构成。齿轮的不同组合可得到不同的挡位。由于齿轮组数目有限,所能得到的挡位也就有限,故普通机械变速器是有级式变速器。机械变速器的挡位愈多,愈能更充分地利用发动机功率,以提高汽车的动力性能。例如结构相同的两辆汽车采用不同的变速器:一辆是两挡变速器,另一辆是四挡
15、变速器。两种变速器的头挡和直接挡速比相同。此两辆汽车在良好路面上以直接挡行驶时,最大车速和克服道路阻力的能力相同。头挡的起步能力和最大爬坡度也相同。但在阻力稍大。不能用直接挡行驶时,情况就不同了。前者只能用头挡,并需关小节气门,最大行驶速度低;后者则可用3挡或2挡行驶,允许节气门开得较大,故发动机功率利用得充分,动力性好,平均车速高,经济性也好。事实上,机械变速器的挡位不可能增加得很多,否则将会导致结构复杂笨重。挡位增多,换挡次数也就增多,更增加了换挡操纵的困难。因此,载重量在25T以上的重型矿用汽车一般都不单独使用机械变速器。采用液力自动变速器,可弥补机械变速器的某些不足。使用液力自动变速器
16、的汽车具有下列显著的优点:1、大大提高发动机和传动系的使用寿命采取液力自动变速器的汽车与采用机械变速器的汽车对比试验表明:前者发动机的寿命可提高85%,变速器的寿命提高12倍,传动轴和驱动半轴的寿命可提高75%100%。液力传动汽车的发动机与传动系,由液体工作介质“软”性连接。液力传动起一定的吸收、衰减和缓冲的作用,大大减少冲击和动载荷。例如,当负荷突然增大时,可防止发动机过载和突然熄火。汽车在起步、换挡或制动时,能减少发动机和传动系所承受的冲击及动载荷,因而提高了有关零部件的使用寿命。2、提高汽车通过性采用液力自动变速器的汽车,在起步时,驱动轮上的驱动扭矩是逐渐增加的,防止很大的振动,减少车
17、轮的打滑,使起步容易,且更换平稳。它的稳定车速可以降低到低。举例来说:当行驶阻力很大时(如爬陡坡),发动机也不至于熄火,使汽车仍能以极低速度行驶。在特别困难面行驶时,因换挡时没有功率间断,不会出现汽车停车的现象。因此,液力机械变速器对于提高汽车的通过性具有良好的效果。3、具有良好的自适应性目前,液力传动的汽车都采用液力变矩器,它能自动适应汽车驱动轮负荷的变化。当行驶阻力增大时,汽车自动降低速度,使驱动轮动力矩增加;当行驶阻力减小时,减小驱动力矩,增加车速。这说明,变矩器能在一定范围内实现无级变速器,大大减少行驶过程中的换挡次数,有利于提高汽车的动力性和平均车速。4、操纵轻便装备液力自动变速器的
18、汽车,采用液压操纵或电子控制,使换挡实现自动化。在变换变速杆位置时,只需操纵液压控制的滑阀,这比普通机械变速器用拨叉拨动滑动齿轮实现换挡要简单轻松得多。而且,它的换挡齿轮组一般都采用行星齿轮组,是常啮合齿轮组,这就降低或消除了换挡时的齿轮冲击,可以不要主离合器,大大减轻了驾驶员的劳动强度 。综上所述,液力自动变速器不仅能与汽车行驶要求相适应,而且具有单纯机械变速器所不具备的一些显著优点,这是液力自动变速器的主要方面,也是汽车采用液力自动变速器的理由。不过,与单纯机械变速器相比,它也存在某些缺点,如结构复杂,制造成本较高,传动效率较低等。对液力变矩器而言,最高效率一般只有(8286)%左右,而机
19、械传动的效率可达(9597)%。由于传动效率低,使汽车的燃油经济性有所降低;由于自动变速器的结构复杂,相应的维修技术也较复杂,要求有专门的维修人员,具有较高的修理水平和故障检查分析的能力。但这些缺点是相对的,由于大大延长了发动机和传动系统的使用寿命,提高了出车率和生产率,减少了维修费用,自动的无级变速提高了发动机功率的平均利用率,提高平均车速,虽然燃油经济性有所降低,却提高了汽车整体使用经济性。此外,目前还采用一种带锁定离合器的液力变矩器,在一定行驶条件下,通过采用与发动机的最佳匹配,遵循最佳换挡规律,采用变矩器的锁止,可使用传动效率大为提高。当锁定离合器分离时,仍与一般液力变矩器相同;当锁定
20、离合器结合时,使液力变矩器失去作用,输入轴与输出轴是直接传动的,传动效率接近百分之百。第二节 自动变速器的结构与工作原理一、液力耦合器和液力变矩器的结构与工作原理现代汽车上所用自动变速器,在结构上虽有差异,但其基本结构组成和工作原理却较为相似,前面已介绍了自动变速器主要由液力变矩器、变速齿轮机构、供油系统、自动换挡控制系统、自动换挡操纵装置等部分组成。本章将分别介绍自动变速器中各组成部分的常见结构和工作原理,为自动变速器的拆装和故障检修提供必要的基本知识。汽车上所采用的液力传动装置通常有液力耦合器和液力变矩器两种,二者均属于液力传动,即通过液体的循环液动,利用液体动能的变化来传递动力。(一)液
21、力耦合器的结构与工作原理1、液力耦合器的结构组成液力耦合器是一种液力传动装置,又称液力联轴器。在不考虑机械损失的情况下,输出力矩与输入力矩相等。它的主要功能有两个方面,一是防止发动机过载,二是调节工作机构的转速。其结构主要由壳体、泵轮、涡轮三个部分组成,如图1-2所示。图1-2 液力耦合器的基本构造1-输入轴 2-泵轮叶轮 3-涡轮叶轮 4-轮出轴液力耦合器的壳体安装在发动机飞轮上,泵轮与壳体焊接在一起,随发动机曲轴的转动而转动,是液力耦合器的主动部分:涡轮和输出轴连接在一起,是液力耦合器的从动部分。泵轮和涡轮相对安装,统称为工作轮。在泵轮和涡轮上有径向排列的平直叶片,泵轮和涡轮互不接触。两者
22、之间有一定的间隙(约3mm4mm);泵轮与涡轮装合成一个整体后,其轴线断面一般为圆形,在其内腔中充满液压油。2、液力耦合器的工作原理当发动机运转时,曲轴带动液力耦合器的壳体和泵轮一同转动,泵轮叶片内的液压油在泵轮的带动下随之一同旋转,在离心力的作用下,液压油被甩向泵轮叶片外缘处,并在外缘处冲向涡轮叶片,使涡轮在液压冲击力的作用下旋转;冲向涡轮叶片的液压油沿涡轮叶片向内缘流动,返回到泵轮内缘的液压油,又被泵轮再次甩向外缘。液压油就这样从泵轮流向涡轮,又从涡轮返回到泵轮而形成循环的液流。液力耦合器中的循环液压油,在从泵轮叶片内缘流向外缘的过程中,泵轮对其作功,其速度和动能逐渐增大;而在从涡轮叶片外
23、缘流向内缘的过程中,液压油对涡轮作功,其速度和动能逐渐减小。液力耦合器要实现传动,必须在泵轮和涡轮之间有油液的循环流动。而油液循环流动的产生,是由于泵轮和涡轮之间存在着转速差,使两轮叶片外缘处产生压力差所致。如果泵轮和涡轮的转速相等,则液力耦合器不起传动作用。因此,液力耦合器工作时,发动机的动能通过泵轮传给液压油,液压油在循环流动的过程中又将动能传给涡轮输出。由于在液力耦合器内只有泵轮和涡轮两个工作轮,液压油在循环流动的过程中,除了受泵轮和涡轮之间的作用力之外,没有受到其他任何附加的外力。根据作用力与反作用力相等的原理,液压油作用在涡轮上的扭矩应等于泵轮作用在液压油上的扭矩,即发动机传给泵轮的
24、扭矩与涡轮上输出的扭矩相等,这就是液力耦合器的传动特点。液力耦合器在实际工作中的情形是:汽车起步前,变速器挂上一定的挡位,起动发动机驱动泵轮旋转,而与整车连接着的涡轮即受到力矩的作用,但因其力矩不足于克服汽车的起步阻力矩,所以涡轮还不会随泵轮的转动而转动。加大节气门开度,使发动机的转速提高,作用在涡轮上的力矩随之增大,当发动机转速增大到一定数值时,作用在涡轮上的力矩足以使汽车克服起步阻力而起步。随着发动机转速的继续增高,涡轮随着汽车的加速而不断加速,涡轮与泵轮转速差的数值逐渐减少。在汽车从起步开始逐步加速的过程中,液力耦合器的工作状况也在不断变化,这可用如图1-3所示的速度矢量图来说明。假定油
25、液螺旋循环流动的流速VT保持恒定,VL为泵轮和涡轮的相对线速度,VE为泵轮出口速度,VR为油液的合成速度。图1-3 涡轮处于不同转速时的液流情况(a)涡轮不动 (b)中速 (c)高速当车辆即将要起步时,泵轮在发动机驱动下转动而涡轮静止不动。由于涡轮没有运动,泵轮与涡轮间的相对速度VL将达最大值,由此而得到的合成速度,即油液从泵轮进入涡轮的速度VR也是最大的。油液进入涡轮的方向和泵轮出口速度之间的夹角1也较小,这样液流对涡轮叶片产生的推力也就较大。当涡轮开始旋转并逐步赶上泵轮的转速时,泵轮与涡轮间的相对线速度减小,使合成速度VR减小,并使VR和泵轮出口线速度VE之间的夹角增大。这样液流对涡轮叶片
26、的冲击力及由此力产生的承受扭矩的能力减小,不过随着汽车速度的增加,需要的驱动力矩也迅速降低。当涡轮高速转动,即输出和输入的转速接近相同时,相对速度VL和合成速度VR都很小,而合成速度VR与泵轮出口速度VE间的夹角很大,这就使液流对涡轮叶片的推力变得很小,这将使输出元件滑动,直到有足够的循环油液对涡轮产生足够的冲击力为止。由此可见,输出转速高时,输出转速赶上输入转速是一个连续不断的趋势,但总不会等于输入转速。除非在工作状况反过来,变速器变成主动件,发动机变成被动件,涡轮的转速才会等于或高于泵轮转速。这种情况在下坡时可能会发生。(二)液力变矩器的结构与工作原理液力变矩器是液力传动中的又一种型式,是
27、构成液力自动变速器不可缺少的重要组成部分之一。它装置在发动机的飞轮上,其作用是将发动机的动力传递给自动变速器中的齿轮机构,并具有一定的自动变速功能。自动变速器的传动效率主要取决于变矩器的结构和性能。常用液力变矩器的型式有一般型式的液力变矩器、综合式液力变矩器和锁止式液力变矩器。其中综合式液力变矩器的应用较为广泛。1、一般型式液力变矩器的结构与工作原理液力变矩器的结构与液力耦合器相似,它有3个工作轮即泵轮、涡轮和异轮。泵轮和涡轮的构造与液力耦合器基本相同;导轮则位于泵轮和涡轮之间,并与泵轮和涡轮保持一定的轴向间隙,通过导轮固定套固定于变速器壳体上(图1-4)。图1-4 液力变矩器1-飞轮 2-涡
28、轮 3-泵轮 4-导轮 5-变矩器输出轴 6-曲轴 7-导轮固定套发动机运转时带动液力变矩器的壳体和泵轮与之一同旋转,泵轮内的液压油在离心力的作用下,由泵轮叶片外缘冲向涡轮,并沿涡轮叶片流向导轮,再经导轮叶片内缘,形成循环的液流。导轮的作用是改变涡轮上的输出扭矩。由于从涡轮叶片下缘流向导轮的液压油仍有相当大的冲击力,只要将泵轮、涡轮和导轮的叶片设计成一定的形状和角度,就可以利用上述冲击力来提高涡轮的输出扭矩。为说明这一原理,可以假想地将液力变矩器的3个工作轮叶片从循环流动的液流中心线处剖开并展平,得到图1-5所示的叶片展开示意图;并假设在液力变矩器工作中,发动机转速和负荷都不变,即液力变矩器泵
29、轮的转速np和扭矩Mp为常数。在汽车起步之前,涡轮转速为0,发动机通过液力变矩器壳体带动泵轮转动,并对液压油产生一个大小为Mp的扭矩,该扭矩即为液力变矩器的输入扭矩。液压油在泵轮叶片的推动下,以一定的速度,按图1-5(b)中箭头1所示方向冲向涡轮上缘处的叶片,对涡轮产生冲击扭矩,该扭矩即为液力变矩器的输出扭矩。此时涡轮静止不动,冲向涡轮的液压油沿叶片流向涡轮下缘,在涡轮下缘以一定的速度,沿着与涡轮下缘出口处叶片相同的方向冲向导轮,对导轮也产生一个冲击力矩,并沿固定不动的导轮叶片流回泵轮。当液压油对涡轮和导轮产生冲击扭矩时,涡轮和导轮也对液压油产生一个与冲击扭矩大小相等、方向相反的反作用扭矩Mt
30、和Ms,其中Mt的方向与Mp的方向相反,而Ms的方向与Mp的方向相同。根据液压油受力平衡原理,可得:Mt=Mp+Ms。由于涡轮对液压油的反作用,扭矩Mt与液压油对涡轮的冲击扭矩(即变矩器的输出扭矩)大小相等,方向相反,因此可知,液力变矩器的输出扭矩在数值上等于输入扭矩与导轮对液压油的反作用扭矩之和。显然这一扭矩要大于输入扭矩,即液力变矩器具有增大扭矩的作用。液力变矩器输出扭矩增大的部分即为固定不动的导轮对循环流动的液压油的作用力矩,其数值不但取决于由涡轮冲向导轮的液流速度,也取决于液流方向与导轮叶片之间的夹角。当液流速度不变时,叶片与液流的夹角愈大,反作用力矩亦愈大,液力变矩器的增扭作用也就愈
31、大。一般液力变矩器的最大输出扭矩可达输入扭矩的2.6倍左右。图1-5 液力变矩器工作原理图A-泵轮 B-涡轮 C-导轮 1-由泵轮冲向涡轮的液压油方向 2-由涡轮冲向导轮的液压油方向 3-由导轮流回泵轮的液压油方向。当汽车在液力变矩器输出扭矩的作用下起步后,与驱动轮相连接的涡轮也开始转动,其转速随着汽车的加速不断增加。这时由泵轮冲向涡轮的液压油除了沿着涡轮叶片流动之外,还要随着涡轮一同转动,使得由涡轮下缘出口处冲向导轮的液压油的方向发生变化,不再与涡轮出口处叶片的方向相同,而是顺着涡轮转动的方向向前偏斜了一个角度,使冲向导轮的液流方向与导轮叶片之间的夹角变小,导轮上所受到的冲击力矩也减小,液力
32、变矩器的增扭作用亦随之减小。车速愈高,涡轮转速愈大,冲向导轮的液压油方向与导轮叶片的夹角就愈小,液力变矩器的增扭作用亦愈小;反之,车速愈低,液力变矩器的增扭作用就愈小。因此,与液力耦合器相比,液力变矩器在汽车低速行驶时有较大的输出扭矩,在汽车起步,上坡或遇到较大行驶阻力时,能使驱动轮获得较大的驱动力矩。当涡轮转速随车速的提高而增大到某一数值时,冲向导轮的液压油的方向与导轮叶片之间的夹角减小为0,这时导轮将不受液压油的冲击作用,液力变矩器失去增扭作用,其输出扭矩等于输入扭矩。若涡轮转速进一步增大,冲向导轮的液压油方向继续向前斜,使液压油冲击在导轮叶片的背面,如图1-5(c)所示,这时导轮对液压油
33、的反作用扭矩Ms的方向与泵轮对液压油扭矩Mp的方向相反,故此涡轮上的输出扭矩为二者之差,即Mt=Mp-Ms,液力变矩器的输出扭矩反而比输入扭矩小,其传动效率也随之减小。当涡轮转速较低时,液力变矩器的传动效率高于液力耦合器的传动效率;当涡轮的转速增加到某一数值时,液力变矩器的传动效率等于液力耦合器的传动效率;当涡轮转速继续增大后,液力变矩器的传动效率将小于液力耦合器的传动效率,其输出扭矩也随之下降。因此,上述这种液力变矩器是不适合实际使用的。2、综合式液力变矩器的结构与工作原理目前在装用自动变速器的汽车上使用的变矩器大多是综合式液力变矩器(图1-6),它和一般型式液力变矩器的不同之处在于它的导轮
34、不是完全固定不动的,而是通过单向超越离合器支承在固定于变速器壳体的导轮固定套上。单向超越离合器使导轮可以朝顺时针方向旋转(从发动机前面看),但不能朝逆时针方向旋转。图1-6 综合式液力变矩器1-曲轴 2-导轮 3-涡轮 4-泵轮 5-液流 6-变矩器轴套 7-油泵 8-导轮固定套 9-变矩器输出轴 10-单向超越离合器。当涡轮转速较低时,从涡轮流出的液压油从正面冲击导轮叶片,如图1-5(b)所示,对导轮施加一个朝逆时针方向旋转的力矩,但由于单向超越离合器在逆时针方向具有锁止作用,将导轮锁止在导轮固定套上固定不动,因此这时该变矩器的工作特性和液力变矩器相同,涡轮上的输出扭矩大于泵轮上的输入扭矩即
35、具有一定的增扭作用。当涡轮转速增大到某一数值时,液压油对导轮的冲击方向与导轮叶片之间的夹角为0,此是涡轮上的输出扭矩等于泵轮上的输入扭矩。若涡轮转速继续增大,液压油将从反面冲击导轮,如图1-5(c)所示,对导轮产生一个顺时针方向的扭矩。由于单向超越离合器在顺时针方向没有锁止作用,可以像轴承一样滑转,所以导轮在液压油的冲击作用下开始朝顺时针方向旋转。由于自由转动的导轮对液压油没有反作用力矩,液压油只受到泵轮和涡轮的反作用力矩的作用。因此这时该变矩器的不能起增扭作用,其工作特性和液力耦合器相同。这时涡轮转速较高,该变矩器亦处于高效率的工作范围。导轮开始空转的工作点称为偶合点。由上述分析可知,综合式
36、液力变矩器在涡轮转速由0至偶合点的工作范围内按液力变矩器的特性工作,在涡轮转速超过偶合点转速之后按液力耦合器的特性工作。因此,这种变矩器既利用了液力变矩器在涡轮转速较低时所具有的增扭特性,又利用了液力耦合器涡轮转速较高时所具有的高传动效率的特性。3、锁止式液力变矩器的结构与工作原理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。这种变矩器内有一个由液压油操纵的锁止离合器。锁止离合器的主动盘即为变矩器壳体,从动盘是一个可作轴向移动的压盘,它通过花键套与涡轮
37、连接(图1-7)。压盘背面(图中右侧)的液压油与变矩器泵轮、涡轮中的液压油相通,保持一定的油压(该压力称为变矩器压力);压盘左侧(压盘与变矩器壳体之间)的液压油通过变矩器输出轴中间的控制油道与阀板总成上的锁止控制阀相通。锁止控制阀由自动变速器电脑通过锁止电磁阀来控制。图1-7 带锁止离合器的综合式液力变矩器1-变矩器壳 2-锁止离合器压盘 3-涡轮 4-泵轮 5-变矩器轴套 6-输出轴花键套 7-导轮自动变速器电脑根据车速、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
38、控制锁止离合器的工作。当车速较低时,锁止控制阀让液压油从油道B进入变矩器,使锁止离合器压盘两侧保持相同的油压,锁止离合器处于分离状态,这时输入变矩器的动力完全通过液压油传至涡轮,图1-8(a)所示。当汽车在良好道路上高速行驶,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,电脑即操纵锁止控制阀,让液压油从油道C进入变矩器,而让油道B与泄油口相通,使锁止离合器压盘左侧的油压下降。由于压盘背面(图中右侧)的液压油压力仍为变矩器压力,从而使压盘在前后两面压力差的作用下压紧在主动盘(变矩器壳体)上,如图1-8(b)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
39、动效率为100%。另外,锁止离合器在结合时还能减少变矩器中的液压油因液体摩擦而产生的热量,有利用降低液压油的温度。有些车型的液力变矩器的锁止离合器盘上还装有减振弹簧,以减小锁止离合器在结合时瞬间产生的冲击力(如图1-9所示)。图1-8 锁止离合器工作原理示意图1-锁止离合器压盘 2-涡轮 3-变矩器壳 4-导轮 5-泵轮 6-变矩器输出轴;变矩器出油道 C-锁止离合器控制油道。图1-9 带减振弹簧的压盘1-减振弹簧 2-花键套二、变速齿轮机构的结构与工作原理变矩器在自动变速器中的主要作用是使汽车起步平稳,在换挡时减缓传动系的冲击负荷。在变速增扭方面,变矩器虽然能够在一定的范围内实现无级变速,但
40、由于变矩器只有在输出转速接近于输入转速时才具有较高的传动效率,而且它的增扭作用不够大,只能增加24倍,此值远不能满足汽车的使用要求。为此,在汽车自动变速器中设置了变速齿轮机构,它能使扭矩再增大24倍。自动变速器中的变速齿轮机构和传统的手动齿轮变速机构一样,具有空挡、倒挡及24个不同传动比的前进挡,只不过自动变速器中的挡位变换不是由驾驶员直接控制的,而是由自动变速器的液压控制系统或电子控制系统控制换挡执行机构的动作来改变变速齿轮机构的传动比,从而实现自动换挡的。变速齿轮机构主要包括行星齿轮机构和换挡执行元件两部分。(一)行星齿轮机构结构与工作原理1、行星齿轮机构的基本结构行星齿轮机构有很多类型,
41、其中最简单的行星齿轮机构是由1个太阳轮、1个齿圈、1个行星架和支承在行星架上的几个行星齿轮组成的,称为1个行星排(如图1-10所示)。行星齿轮机构中的太阳轮、齿圈及行星架有一个共同的固定轴线,行星齿轮支承在固定于行星架的行星齿轮轴上,并同时与太阳轮和齿圈啮合。当行星齿轮机构运转时,空套在行星架上的行星齿轮轴上的几个行星齿轮一方面可以绕着自己的轴线旋转,另一方面又可以随着行星架一起绕着太阳轮回转,就像天上行星的运动那样,兼有自转和公转两种运动状态(将星齿轮的名称即因此而来),在行星排中,具有固定轴线的太阳轮、齿圈和行星架称为行星排的3个基本元件。图1-10 行星齿轮机构1-齿圈 2-行星齿轮 3
42、-行星架 4-太阳轮2、行星齿轮机构的类型行星齿轮机构可按不同的方式进行分类(1)按照齿轮的啮合方式分类按照齿轮的啮合方式不同,行星齿轮机构可以分为外啮合式和内啮合式两种。外啮合式行星齿轮机构体积大,传动效率低,故在汽车上已被淘汰;内啮合式行星齿轮机构结构紧凑,传动效率高,因而在自动变速器中被广为使用。(2)按照齿轮的排数分类按照齿轮的排数不同,行星齿轮机构可以分为单排和多排两种。多排行星齿轮机构是由几个单排行星齿轮机构组成的。汽车自动变速器中,行星排的多少因挡位数的多少而有所不同,一般三挡位有2个行星排,四挡位(具有超速挡的)有3个行星排,通常使用的是由2个或2个单排行星的齿轮机构组成的多排
43、行星齿轮机构。(3)按照太阳轮和齿圈之间的行星齿轮组数分类按照太阳轮和齿圈之间的行星齿轮组数的不同,行星齿轮机构可以分为单行星齿轮式和双行星齿轮式两种。双行星齿轮机构在太阳轮和齿圈之间有两组互相啮合的行星齿轮,其外面一组行星齿轮和齿圈啮合,里面一组行星齿轮和太阳轮啮合。它与单行星齿轮机构在其它条件相同的情况下相比,齿圈可以得到反向传动。用行星齿轮机构作为变速机构,由于有多个行星齿轮同时传递动力,而且常采用内啮合式,充分利用了齿圈中部的空间,故与普通齿轮变速机构相比,在传递同样功率的条件下,可以大大减小变速机构的尺寸和重量,并可实现同向、同轴减速传动;另外,由于采用常啮合传动,动力不间断,加速性
44、好,工作也可靠。3、行星齿轮机构的变速原理由于单排行星齿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。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(即使其转速为0,也称为制动),或使其运动受到一定的约束(即让该构件以某一固定的转速旋转),或将某两个基本元件互相连接在一起(即两者转速相同),使行星排变为只有一个自由度的机构,获得确定的传动化。图1-11 所示为行星齿轮机构的传动简图。设太阳轮的齿数为Z1,齿圈齿数为Z2,太阳轮、齿圈和行星架的转速分别为n1、n2、n3,并设齿圈与太阳轮的齿数比为,即=Z2/Z1则行星齿轮机构的一般
45、运动规律可表达为:n1+n2-(1+)n3=0由上式可以看出,在太阳轮、齿圈和行星架三个基本元件中,可任选两个分别作为主动件和从动件,而使另一个元件固定不动(使该元件转速为零)或使其运动受一定约束(使该元件的转速为某一定值),则整个轮系即以一定的传动比传递动力。不同的连接和固定方案可得到不同的传动比,三个基本元件的不同组合可有6种不同的组合方案,加上直接挡传动和空挡,共有8种组合,相应能获得5种不同的传动比。图1-11 行星齿轮机构传动简图1-太阳轮 2-齿圈 3-行星架 4-行星齿轮 5-行星齿轮轴。(二)换挡执行机构的结构与工作原理行星齿轮变速器的 换挡执行机构由离合器、制动器和单向超越离
46、合器三种不同的执行元件组成。它有三个基本作用,即连接、固定和锁止。所谓连接是指将行星齿轮变速器的输入轴与行星排中的某个基本元件连接,以传递动力,或将前一个行星排的某一个基本元件与后一个行星排的某个基本元件连接,以约束这两个基本元件的运动;所谓固定是指将行星排的某一基本元件与自动变速器的壳体连接,使之被固定住而不能旋转;所谓锁止是指把某个行星排的三个基本元件中的两个连接在一起,从而将该行星排锁止,使某三个基本元件以相同的转速一同旋转,产生直接传动。换挡执行机构各执行元件通过按一定规律对行星齿轮机构的某些基本元件进行连接、固定或锁止,让行星齿轮机构获得不同的传动比,从而实现挡位变换。1、离合器的结
47、构与原理行星齿轮变速器换挡执行机构中的离合器,按工作原理的不同,有片式离合器和爪型离合器之分。其中片式离合器较为常用,而且较多地使用多片湿式离合器,爪型离合器使用较少。(1)多片湿式离合器的结构与原理多片湿式离合器是自动变速器中最重要的换挡执行元件之一,它通常由离合器鼓、离合器活塞、回位弹簧、弹簧座、1组钢片、1组摩擦片、调整垫片、离合器毂及几个密封圈组成。离合器活塞安装在离合器鼓内,它是一种环状活塞,由活塞内外圆的密封圈保证其密封,从而和离合器鼓一起形成一个封闭的环状液压缸,并通过离合器内圆轴颈上的进油孔和控制油道相通。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
48、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。摩擦片的两面均为摩擦系数较大的铜基粉末冶金层或合成纤维层。离合器鼓或离合器毂分别以一定的方式和变速器输入轴或行星排的某个基本元件相连接,一般离合器为主动件,离合器鼓为从动件。当来自控制阀的液压油进入离合器液压缸时,作用在离合器活塞上液压油的压力推动活塞,使之克服回位弹簧的弹力而移动,将所有的钢片和摩擦片相互压紧在一起;钢片和摩擦片之间的摩擦力使离合器鼓和离合器毂连接为一个整体,分别与离合器鼓和离合器毂连接的输入轴或行星排的基本元件也因此被连接在一起,此时离合器处于结合状态。当液压控制系统将作用在离合器液压缸内的液压油的压力解除后,离合器活塞在回位弹簧的作用下压回液压缸的底部,并将液压缸内的液压油从进油孔排出。此时钢片和摩擦片相互分离,两者之间无压力,离合器鼓和离合器毂可以朝不同的方向或以不同的转速旋转,离合器处于分离状态。此时,离合器活塞和离合器片或离合器片和卡环之间有一定的轴向间隙,以保证钢片和摩擦片之间无任何轴向压力,这一间隙称为离合器的自由间隙。其大小可以