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1、汽汽 车车 电电 子子 控控 制制 技技 术术 沈阳大学沈阳大学 凌永成凌永成第3章电子控制自动变速器3.1自动变速器概述汽车自动变速器经过70多年的发展，使汽车传动系统发生了革命性的变化。自动变速器的采用，使汽车的驾驶变得方便，乘着舒适性大大提高。因此，自动变速器广泛用于轿车、客车、大型公共汽车、越野车及重型牵引车上，尤其轿车上。轿车自动变速器的装车率，日本高达78%，美国为70%，德国为62%，中国为24%。3.1.1自动变速器的发展和应用汽车自动变速器的研究和应用可以追溯到20世纪30年代。1939年美国通用汽车公司首先在其生产的奥兹莫比尔(Oldsmobile)轿车上装用了液力变矩器行
2、星齿轮组成的液力变速器，可谓之现代自动变速器的雏形。20世纪40年代末50年代初，出现了根据车速和节气门开度自动控制换挡的液力控制换挡自动变速器，使自动变速器进入了迅速发展时期。到1975年，自动变速器在重型汽车及公共汽车上的应用已相当普及。自动变速器采用电子控制系统始于20世纪60年代中期。法国雷诺(Renault)公司于1968年率先在自动变速器上使用了电子元件。70年代中期，电子控制技术开始应用于汽车变速器，日本丰田汽车公司首先研制成功了世界上第一台电子控制变速装置，并在1976年实现了批量生产。但由于这种电子控制自动变速器在控制精度和自由度方面效果并不十分理想，因此，包括日本在内的许多
3、国家又把重要精力转向计算机控制变速器的研究和开发。以计算机为控制核心的电子控制自动变速器迅速发展。自1981年起，美国、日本等国家的一些汽车公司相继开发出各种微机控制的自动变速系统，如电子控制液力变矩式自动变速器、电子控制多级齿轮变速器等等。电子控制自动变速器的真正飞跃发展是在1982年，这一年丰田公司将微机技术应用于电子控制变速器系统，实现了自动变速器的智能控制，首先应用于豪华型皇冠牌轿车上。电子控制自动变速器有最佳的换挡规律，换挡精确性好，具有良好的燃料经济性、动力性，降低污染。随后，德国Bosch公司于1983年研制成功发动机和自动变速器共用的电子控制单元。电控自动变速器可实现与发动机最
4、佳匹配，并可获得最佳的经济性、动力性、安全性，达到降低发动机排气污染的目的。因此电子控制变速器广泛用于轿车、客车、大型公共汽车、越野车及重型牵引车上，并且装车率迅速提高，尤其在美、日、德等国生产的轿车上，采用电子控制器的比例越来越高。国产轿车中采用自动变速器最早的车型当属中国第一汽车集团公司生产的红旗CA770型三排座高级轿车。该型轿车在1965到1980年间共生产了1283辆，其所装用的自动变速器在结构上与美国克莱斯勒汽车公司生产的PowerFlite自动变速器相似。一汽大众1998年底在国内首家推出批量生产的装用电控自动变速器的轿车捷达AT，该车采用德国大众(VW)原厂生产的第三代95型0
5、1M电控4挡自动变速器。神龙汽车公司亦于1999年初展示了其装备自动变速器的富康988轿车。这种电控4挡自动变速器由法国的雪铁龙和雷诺公司共同研制，在意大利生产，1998年6月开始应用的。近年来，随着我国轿车工业的快速发展，各轿车制造企业都推出了装有自动变速器的车型，可以断言，国产轿车普遍装用自动变速器的时代正在到来。3.1.2自动变速器的优点相比于传统的机械式手动变速器，自动变速器具有如下优点。(1)汽车起步平稳，能吸收、衰减振动与冲击；提高乘坐的舒适性。(2)自动适应行驶阻力和发动机工况的变化，实现自动换挡，有利于提高汽车的动力性和平均车速。(3)液力变矩器使传动系的动载荷减小，提高了汽车
6、的使用寿命。(4)驾驶操纵简单，实现换挡自动化，有利于行车安全。(5)能以较低的车速稳定行驶，提高车辆在坏路上的通过性。(6)减少了废气污染。自动变速器的主要缺点是结构复杂、成本高，传动效率相对偏低，导致油耗要高于机械变速器。但是，现代汽车普遍采用的电子控制自动变速器，可按照最佳油耗规律控制自动换挡，加之采用了超速挡和变矩器闭锁控制等，从而使自动变速器的油耗有了明显的下降。3.1.3自动变速器类型在自动变速器的发展过程中出现了多种结构形式。自动变速器的驱动方式、挡位数、变速齿轮的结构形式、变矩器的结构类型及换挡控制形式等都有不同之处。下面从不同角度对自动变速器进行分类。1.按汽车驱动方式分类自
7、动变速器按照汽车驱动方式的不同，可分为前轮驱动自动变速器(如图3.1)和后轮驱动自变速器(如图3.2)所示两种。后轮驱动自动变速器的变矩器和行星齿轮机构的输入轴及输出轴在同一轴线上。因此，轴向尺寸较大，阀体总成则布置在行星齿轮机构下方的油底壳内。前轮驱动自动变速器(又叫自动变速驱动桥)除了具有与后轮驱动自动变速器相同的组成外，在自动变速器的壳体内还装有差速器和主减速器。前轮驱动汽车的发动机有纵置和横置两种。纵置发动机的前轮驱动自动变速器的结构和布置与后轮驱动自动变速器汽车基本相同，只是在后端增加了一个差速器。横置发动机的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。变矩器和行星
8、齿轮机构输入轴布置在上方，输出轴则布置在下方。因此，通常将输入轴和输出轴设计成两个轴线的方式。这样的布置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，可将阀体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。2.按自动变速器前进挡位数分类自动变速器按前进挡的挡数的不同，可分为2(前进)挡自动变速器、3挡自动变速器、4挡自动变速器等。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。现代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。在商
9、用车上，大多采用5挡和6挡自动变速器，一些新型轿车上也开始采用5挡和6挡自动变速器。3.按变矩器的类型分类按液力变矩器的类型，自动变速器大致可分为普通液力变矩器式、综合液力变矩器式和带闭锁离合器的液力变矩器式自动变速器三种。普通液力变矩器是指由泵轮、涡轮和导轮三个元件组成的液力变矩器。综合式液力变矩器是指在导轮与固定导轮的套管之间装有单向离合器的液力变矩器，它可以自动进行变矩器工况与液力偶合器工况的转换。新型轿车的自动变速器普遍采用带闭锁离合器的液力变矩器。当汽车达到一定车速时，控制系统使闭锁离合器接合，将液力变矩器的输入部分和输出部分连成一体，使发动机动力直接传入齿轮变速器，从而提高了传动效
10、率，降低了油耗。4.按齿轮传动机构的类型分类自动变速器按其齿轮传动机构的类型不同，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大，最大传动比小，只有少数几种车型使用。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.按控制方式分类自动变速器按控制方式不同，可分为全液压自动变速器和电子控制自动变速器两种。全液压自动变速器是通过机械的手段，将汽车行驶的车速及节气门开度这两个参数转变为液压控制信号；阀体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的动作，实现自动换挡，如图3.3所示。电子控制自动变速器是通过各种传感器，将发动
11、机转速、节气门开度、车速、发动机冷却液温度、自动变速器油温度等参数转变为电信号，并输入计算机；计算机根据这些信号，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计算机的电子控制信号转变为液压控制信号，阀体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3.4所示。6.按工作原理分类按工作原理不同，自动变速器分为液力自动变速器(AT)、机械自动变速器(AMT)和无级自动变速器(CVT)三种。液力自动变速器通常指含有液力变矩器的自动变速器；机械自动变速器是在普通手动机械变速器(MT)的基础上增加了一套自动换挡控制系统构成
12、；无级自动变速器指无级控制速比变化的变速器，它的种类很多，有机械式、流体式和电动式等等。目前，应用最多的是金属带式机械无级变速器，如图3.5所示。3.1.4电子控制自动变速器组成电子控制自动变速器主要由液力变矩器、辅助变速器、电液控制系统等几个部分组成。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。它是通过工作轮叶片的相互作用，引起机械能与液体能的相互转换来传递动力，通过液体动量矩的变化来改变转矩的传动元件，具有无级连续改变速度与转矩的能力。液力变矩器对外部负载有良好的自动调节和适应性能，从根本上简化了操作；液力变矩器能使车辆平稳起步，加速迅速、均匀、柔和；液力变矩器由
13、于用液体来传递动力，它进一步降低了尖峰载荷和扭转振动，延长了动力传动系统的使用寿命，从而提高了乘坐舒适性和车辆平均行驶速度及安全性和通过性。2.辅助变速器液力变矩器的无级变速性能虽然很好，但从经济性考虑它不能完全满足车辆改变速度和变化动力两方面的要求，故需与齿轮传动串联或并联，以扩大其传动比与高效率工作范围。齿轮传动有行星齿轮式与定轴式两种。虽然，人们熟悉的定轴式机械变速器工艺性好、成本低，但由于行星齿轮传动易于实现自动化、结构紧凑、质量轻，特别是其具有与液力变矩器可实现功率分流的长处，故目前AT中多为行星齿轮式自动变速器此型。行星齿轮变速器包括行星齿轮组和换挡执行机构。换挡执行机构可以使星齿
14、轮组处于不同的啮合状态，以实现不同的传动比。大部分行星齿轮变速器有3到4个前进挡和1个倒挡。显然，机械传动在AT中属于辅助地位，故又称其为辅助变速器。3.控制系统液力自动变速器的控制系统有液压式和电液式两种。新型液力自动变速器均采用了电液式控制系统，简称电子控制自动变速器(ECT)。控制系统的组成如图3.6所示。1)系统能源它是各个机构的动力源，对早期的全液压自动控制系统，由油泵、调压阀等组成；对目前广泛采用的电液式控制系统，除上述外，还需直流电源为电控提供所需能源。2)控制参数信号发生器自动换挡是根据汽车行驶中选定的控制参数的变化来确定是否需要进行换挡的。目前主要是采用二参数控制(车辆速度与
15、发动机节气门开度)，但这仅是原始信号，还必须加以调制，才能被液压和电控系统所接受。即所选参数不仅应能按比例精确地变换成控制信号，且要求反应迅速、便于实现，且工作可靠。过去全液压系统采用的是速度调压阀和节气门开度调压阀。但在电液系统中它们均已被结构简单的磁感应式、霍尔式、光电式、激光式等车速传感器以及节气门电位器等所代替。3)换挡控制器换挡控制器实质上是向换挡执行机构发出换挡指令的发生器。换挡控制器接受来自车速、油门加速度及换挡选择机构所传来的信号，进行比较和处理，并按预定的规律选择挡位和换挡时刻，及时发出相应的换挡指令至换挡执行机构：对全液压系统由换挡阀完成；而电液式则由ECU与其控制的电磁阀
16、、换挡阀承担。4)换挡执行机构换挡执行机构的功能是接受控制指令去具体完成挡位变换。一般均是通过液压缸充、卸压力油使离合器、制动器或单向离合器的分离或接合实现换挡。5)换挡品质控制机构换挡品质控制机构的作用是控制换挡过程平稳、无冲击，从而使乘员舒适，动力传动系统动载荷降低。一般它是在通向液压缸的油路上增加蓄能器、缓冲阀、定时阀、执行压力调节阀、协调阀和单向离合器等部件，以改善换挡品质。近年来，电子控制软件的作用渐呈明显优势，它不仅可取代原单向离合器的功能，简化了结构，而且逐步向智能化发展。此外，在自动变速器的外部还设有一个自动变速器油（ATF）散热器，用于散发自动变速器油在工作过程中产生的热量。
17、电子控制系统可存储与处理多种换挡规律，可一机多能，实现更复杂、更合理的控制；自控系统改变规律或参数时，仅调整局部电路，即可适应性能，开发周期短；无惯量、控制精度高、反应快、动作准确；结构紧凑，质量轻；与整车动力传动系统控制如EFI、巡航、牵引力控制、四轮驱动控制等兼容性好。因此，电控所获得的优良换挡平顺性和操纵方便性及与汽车上其他电子控制装置之间的联系，导致它代替液压控制的趋势是必然的。3.2电子控制自动变速器的结构与工作原理电子控制自动变速器由液力变矩器、辅助变速器与电液换挡控制系统三大部分组成。液力变矩器多采用带闭锁离合器的三元件综合式结构，可以自动调节传递转矩的大小。辅助变速器普遍采用行
18、星齿轮传动，用来扩大液力变矩器的传动范围并实现倒挡传动。电液换挡控制系统是电子控制自动变速器的核心，电子控制装置通过传感器采集变速器及整车的相关信息，通过电磁阀来控制液压执行机构，使整个自动变速器协调工作。3.2.1液力变矩器液力变矩器(HydraulicTorqueConverter，HTC)，它是通过工作轮叶片的相互作用，引起机械能与液体能的相互转换来传递动力的。1.液力变矩器的工作原理液力传动装置的基本形式为液力偶合器与液力变矩器。液力偶合器的基本构件是具有若干径向平面叶片的、构成工作腔的泵轮和涡轮。液力偶合器工作原理如图3.7所示，液力传动油在工作腔里高速循环流动传递动力，油液随着泵轮
19、作牵连运动的同时因受离心力作用而作离心运动，从泵轮(输入轴)吸收机械能并转化为动能，高速液流从泵轮冲入涡轮做向心流动释放动能，推动涡轮(输出轴)旋转，带动工作机(负载)做功。液力变矩器如图3.8所示的结构与偶合器的区别是在泵轮P与涡轮T之间增加了一个固定在单向离合器上的导轮D。油液在各工作轮(P、T与D)组成的闭合的循环流道(循环圆)内传递动力，发动机带动泵轮旋转，其离心力使油液在泵轮中向半径大的方向流动，封闭的循环圆迫使液体冲进涡轮，推动叶片转动，以驱动汽车。为了提升涡轮上的转矩，一般叶片是空间曲面，使液体离开涡轮时，方向与流入涡轮时的方向相反，以产生尽可能大的动量矩，从而提供最有效的转矩传
20、递。导轮的作用是再将液体回流至泵轮，且使流动方向再次反向。液体回流至泵轮后，推动其叶片的后表面，促使泵轮旋转，故在来自发动机转矩的基础上，再加上从导轮回流的转矩，将合成的转矩传递至涡轮，即(3.1)式中，TP、TT、TD分别为泵轮、涡轮及导轮上的作用转矩。导轮上受到的转矩TD随泵轮与涡轮的转速差的减小而逐渐变小。当涡轮转速升高，涡轮出口油液的速度方向与导轮弧形叶片相切时，导轮上受到的转矩为零。而当涡轮转速进一步升高，涡轮出口油液的速度方向指向导轮叶片的凸面时，支承导轮的单向离合器使导轮在油液的作用下可自由旋转。此时，导轮上受到的转矩为零，液力变矩器转化为液力偶合器，这种不同的工作状态称为相，故
21、今为二相；而置于泵轮与导轮或导轮与导轮之间的涡轮数称为级，工作叶轮又称为元件。在现代轿车上采用最多的是单级三元件二相形式，对二相或多相又称综合式液力变矩器。2.液力变矩器性能1)变矩系数液力变矩器输出转矩与输入转矩(即泵轮转矩TP)之比称为变矩系数，用K表示。(3.2)液力变矩器是以液体的动能来传递能量的，在泵轮与涡轮之间的转速差大时，涡轮旋转所形成的反压力小，则从泵轮处流入涡轮的流速高，循环圆中的流量也大，故涡轮上的转矩也随之增大。显然，当涡轮不动(nT0)时，循环流量达到最大，涡轮上转矩也增至最大。此时的变矩系数称为失速变矩系数K0，也将达到最大，对轿车通常在1.6到2.4之间。对汽车上常
22、用的向心涡轮式(即指进口半径大于出口半径的涡轮)变矩器，变矩系数随速比的变化如图3.9所示。对液力变矩器，要正向驱动，应使nPnT，一般速比i可以工作到0.98左右。为了具有可比性，一般用涡轮转速nT与泵轮转速nP之比i(称为速比，)来代替描述K的变化。这种不需要控制，就能根据外界负荷变化自动改变其转速和转矩的性能，非常接近于理想牵引特性，其良好的自动适应性，对于各种运输车辆都是十分重要的。2)效率效率性能是指变矩器在传递能量过程中损失的变化，用来表示：(3.3)它是具有极大值的抛物线，如图3.9所示：在失速点时，泵轮虽有功率输入，但因nT=0而使=0；随nT增大，流量逐渐下降，与其平方成正比
23、的通流(摩擦)损失而随之不断下降，从而效率不断提高，在计算工况点i*(附近)各叶轮液流均无冲击地进入入口，从而使效率值达到最高；速比再增加时，虽然通流损失仍在下降，但冲击损失又继续增加，使值下降。当达到最大速比imax1时，流量为零，无功率输出，值再次为零。由于汽车经常在大速比工况下工作，为了克服这一缺陷，故将导轮通过单向离合器后再与壳体相连。设计中使速比i大于变矩系数K=1的速比im点时，用液流的反向作用使导轮可自由转动，使液力变矩器转变为偶合器工况，故当iim以后的范围，理论上效率1，从而使最高效率可达到0.95到0.97，提高了车辆的燃料经济性。3)透过性透过性是指变矩器涡轮轴上转矩和转
24、速变化时，是否影响泵轮轴上转矩和转速也相应变化的能力。通常以能容系数Cf(i)表示，如图3.10所示，C为(3.4)也有用力矩系数P来描述的，则 CP*g*D5，为液体密度，D是变矩器循环圆有效直径，g为重力加速度。P越大，则C越大，即传递相同功率时，变矩器的尺寸越小，负荷能力强。而dC/di值则反映了透过性。dC/di=0，变矩器为非透过性，即外部负荷TT及速度nT变化不会影响到泵轮与发动机的工况，发动机仅受油门开度的控制，显然，这可充分保护发动机；轿车上多用正透过性，即dC/di0，起步时，TT0工作在发动机大转矩处，随nT增加，nP向发动机大功率工况移动，从而可以充分利用发动机的性能。有
25、时在低速比区会有一些dC/di0负透过性，而后很快就转为正透过性，这种混合透过性也是可以用的，但在车辆中不采用dC/di0的透过性。3.液力变矩器的闭锁与滑差控制液力变矩器的性能优越，但最大的缺陷是效率低。为了降低装用液力变矩器汽车的油耗，而采用了闭锁，即在液力变矩器的泵轮与涡轮之间，安装一个可控制的离合器，当汽车的行驶工况达到设定目标时，控制离合器将泵轮与涡轮锁成一体，液力变矩器随之变为刚性机械传动，提高传动效率。早在1953年就有了液力变矩器闭锁专利，由于当时油价便宜而忽视了它，到1967年能源危机以后，对其才日趋重视。开始人们认为闭锁降低了乘坐舒适性，只适用于公共汽车、载货汽车，这一观念
26、直到十多年后才被打破。1978年克莱斯勒公司在轿车上首次成功使用了闭锁离合器，可节油4%到6%，现在各种轿车上的液力变矩器均已推广应用，不仅闭锁范围扩大，有滑差控制的离合器也在兴起。1)闭锁控制闭锁离合器的工作原理如图3.11所示，当闭锁压力油从油道进入离合器3的左边，而其右边的油液经油道回流。两边的压力差使装于涡轮轴花键上活塞右移，直至变矩器前盖4与闭锁离合器之间的油被排出，使涡轮与泵轮稳定地锁在一起，如图3.11(a)。为了弥补液力变矩器的阻尼作用，吸收发动机扭转振动，在有的闭锁离合器中还装有减振弹簧。离合器分离时，油从油道进入离合器3的右边，而其左边的油液经油道泄油图3.11(b)。闭锁
27、的实质是液力传动与机械传动之间的转换，故有在何点闭锁为佳的问题。从理论上讲，闭锁点定在转入偶合器工况点为好，该点变矩器系数K1，既保证充分利用变矩器的自适应长处，又减少了因闭锁而造成的转矩与转速的突变；但也有为了扩大高效率范围在变矩器最高效率对应的速比处闭锁；还有将闭锁点设在最高效率与偶合器工况点之间的；另外，也有少数将闭锁点定在大于偶合器工况点的，以缩小闭锁时的转速差。对于以提高效率为主要目的的城市大客车、载货汽车、军用汽车等，可将闭锁点定在最高效率附近；而轿车还需兼顾舒适性，则以定在偶合器工况点附近为宜。2)滑差控制完全闭锁对提高燃油经济性直接有效，故其闭锁范围在不断扩大；但它妨碍吸收振动
28、和冲击，特别是低速时，即使二段式的减振器也很难将其衰减。而且在过低速比时闭锁，当车辆快速制动时，还可能导致发动机熄火，故在变矩器工况与全闭锁工况间增加过渡的滑差控制。所谓滑差控制是指闭锁离合器处于打滑的半接合状态。其控制原理是：通过闭锁控制阀控制闭锁离合器的接合压力与分离压力，接合压力与分离压力之间的压力差，就代表了闭锁离合器的转矩容量，故它可以实现全闭锁控制或各种程度滑差控制。3.2.2行星齿轮变速器液力变矩器的无级变速性能虽然很好，但从经济性考虑它不能完全满足车辆改变速度和变化动力两方面的要求，故需与齿轮传动串联或并联，以扩大其传动比与高效率工作范围。齿轮传动有旋转轴式(行星齿轮系)与定轴
29、式两种。虽然，人们熟悉的定轴式机械变速器工艺性好、成本低，但由于行星齿轮传动易于实现自动化、结构紧凑、质量轻，特别是其具有与液力变矩器可实现功率分流的长处，故目前AT中多为此型。显然机械传动在AT中属于辅助地位，故又称其为辅助变速器。1.单排行星齿轮传动原理行星传动类型很多，最简单的是由太阳轮S、齿圈R、行星架C和行星架上的行星齿轮组成，如图3.12所示。图3.12(a)所示的单行星排三元件的转速特性方程：(3.5)式中，nS、nR、nC分别为太阳轮转速、齿圈转速和行星架转速；为行星排结构参数，=ZR/ZS，ZR、ZS分别为齿圈和太阳轮齿数；通常取4/34。式(3.5)是三元一次齐次方程，清楚
30、地反映了单个行星排是二自由度机构，这正是其与一自由度定轴式不同之处。3构件中任意两者之间均无固定的转速联系，必须加一个约束条件(用制动件使其一固定)或用离合器连接二者以同一转速旋转，才能获得确定的传动比。同时，还可以看出方程的3个系数之和为0，这说明单行星排具有用离合器把其中任意两个元件闭锁，使行星排整体转动的特性。这就是说，单行星排的输入与输出轴可实现减(超)速、等速或反转(倒挡)，即两个前进一个倒车的3个排挡。但实际使用中，轿车目前均多为4前1倒或5前1倒，6前1倒的自动变速器也即将投放市场。大客车、军车、重型货车等所需挡位更多。故实际行星齿轮变速器中是多个行星排的组合轮系，这时传动比可以
31、通过解各个单行星排的运动方程及结构的约束方程所组成的联立方程组来得到。对太阳轮经过两个相互啮合的行星轮才与齿圈相连的双星行星排图3.12(c)，在行星架不转时，因太阳轮与齿圈旋转方向相同，故在式(3.5)中以“-”代入即可。其可应用范围比单行星排扩大了，且能以较少的齿轮组成变速器排挡，但结构复杂、难加工，装配精度要求更高。2.换挡执行机构因为所有齿轮是处于常啮合状态，AT挡位变换不同于手动变速器用移动拨叉变速，它是以对行星机构的基本元件进行约束来实现。通常有离合器、制动器和单向离合器3种执行机构，具有连接、固定或锁止功能，使变速器获得不同传动比，从而达到换挡的目的。1)离合器离合器的作用是连接
32、行星排二元件成为一体，采用的是多片湿式结构。通常由离合器鼓、活塞、回位弹簧、钢片与摩擦片组、离合器毂及密封圈组成。离合器鼓与输入轴相连、离合器毂与输出轴相连，如图3.13所示。其特点是径向尺寸小，接合柔和，能获得较大的摩擦面积，所以能传递较大的转矩，改变离合器片数的多少，即可改变所传递转矩的大小。离合器钢片由钢板冲压而成，靠外齿与离合器鼓连接，可轴向移动。离合器摩擦片通常靠内齿与离合器毂连接。离合器摩擦片分为钢片与摩擦材料两部分。其摩擦材料以纸基摩擦材料为主，以石棉、碳、纤维素等纤维或棉、本材、合成纤维作为母体材料，添加无机、有机的高摩擦性材料，搅拌后，浸渍酚醛类树脂硬化而成。然后将其粘在钢片
33、上，厚度为0.38mm到0.76mm。这种材料特点是多孔，网状，具有弹性，摩擦系数高，高压、高温、高圆周速度时的稳定性好。离合器片每片厚1.5mm到2mm，平均每片间的间隙为0.3mm到0.5mm，总间隙因总片数不同而异,一般为2mm到5mm。离合器接合：当压力油经过油道进入活塞缸时，油压克服弹簧张力推动活塞右移，将所有主、从动件依次压紧，即钢片与摩擦片在摩擦力的作用下一同旋转，离合器接合，动力从输入轴经离合器传到输出轴。离合器分离：当油压撤除后，活塞在回位弹簧作用下回位，离合器分离，切断输入轴至输出轴的动力传递。离合器液压缸内的离心油压，在接合时影响压紧力和储备系数，分离时影响彻底分离。为防
34、止上述现象的发生，在活塞外圈上设有单向球阀。当压力油经油道进入活塞油腔时，单向阀的钢球在油压作用下封闭活塞上的排油孔，使工作油液不能从活塞缸内排出，这时油压推动活塞克服弹簧张力，使离合器接合。当油压撤除后，单向阀的钢球在离心力作用下离开球座，开启泄油孔，使离心油压得以释放，保证离合器彻底分离。但是，利用单向阀释放离心油压，其效果不太理想。近年出现了离心平衡油室结构(如图3.14所示)取代了过去的单向阀，通过向离心平衡油室输入润滑油，消除了随离合器鼓转速变化而引起的附加离心压力，保证了换挡过程的质量。富康轿车自动变速器中已采用了这种最新的结构。2)制动器制动器的作用是使所控制元件固定不转，常用带
35、式与片式两种。带式制动器的结构如图3.15所示，由制动带及其伺服装置(控制液压缸)组成。制动带是内表面带有镀层的开口式环形钢带。制动带开口的一端支承在与变速器壳体固连的支座上，另一端与伺服装置相连。按变形能力区分，可分为刚性制动带和挠性制动带。刚性制动带比挠性制动带厚，具有较大的强度和热容性，其缺点是不能产生与制动鼓相适应的变形。挠性制动带在工作时可与制动鼓完全贴合，而且价格低廉。按结构区分，制动带有单边式和双边式两种类型。双边式制动带具有自行增力功能，制动效果更好，多用于转矩较大的低挡和倒挡制动器。用于不同挡位的同类型制动带内表面镀层的材料不尽相同。低、倒挡制动带镀层多采用金属摩擦材料，其作
36、用是保证足够的制动力矩。高挡制动带一般使用有机耐磨材料防止制动鼓过度磨损。带式制动器平顺性差，衬片磨损不均，故近来湿式多片制动器应用较多。湿式多片制动器在工作原理上，它与湿式多片离合器结构类似，仅钢片为固定不动，如图3.16所示。因其摩擦面积大，转矩容量大，且反作用元件不产生径向集中反力，并易于通过增减摩擦片数来实现系列化。3)单向离合器单向离合器可以起到离合器与制动器的作用，所不同的是以单向锁止原理来实现固定或连接作用。单向离合器传递转矩容量大，空转时摩擦小，且无须控制机构，工作完全由与之相连的元件的方向控制，瞬间即可接合或分离，自动切断或接通变速时转矩，从而保证平顺无冲击换挡，且简化了液压
37、控制系统。单向离合器常用的是滚柱斜槽式如图3.17(a)和楔块式图3.17(b)所示。早期的自动变速器，为了提高换挡品质，采用单向离合器比较普遍，反而使结构变得更加复杂。随着电控自动变速器的发展，采用电控软件技术同样可以达到换挡平顺的目的。因此，取消与减少单向离合器已成为自动变速器的一种趋势。3.几种典型的行星齿轮变速器目前自动变速器中的行星齿轮变速器大多为三自由度结构，主要有三类：即辛普森(Simpson)式、拉维娜(Ravigneaux)式及CRCR式。1)辛普森结构这是以发明者Simpson工程师命名的结构，其结构特点是由两个完全相同齿轮参数的行星排组成，如图3.18所示。优点是齿轮种类
38、少、加工量少、工艺性好、成本低；以齿圈输入、输出，强度高，传递功率大；无功率循环，效率高；组成的元件转速低，换挡平稳。虽然是三自由度的变速器，每次换挡需操纵两个执行机构，但因安排合理，实际上仅需更换一个执行机构。故从40多年前发明迄今，一直广泛为世界各国所采用。我国的CA774、通用公司的THM125C、日产3N71B等均是这种结构。为了提高换挡品质，如图3.18所示中由2挡换3挡时，释放制动器B1与接合离合器C1的交换应及时。否则，C1接合过早，使各元件间会产生运动干涉；B1释放太快，则使发动机出现空转、轰响，且使换挡冲击增加。为此，在B1与太阳轮元件之间又串联了一个单向离合器F2，可使换挡
39、平顺。但为了在需要时2挡能产生发动机制动，又增设了制动器B3，这样使结构更为复杂。为进一步提高燃料经济性和降低噪声，车辆向多挡化发展，4挡自动变速器已成为轿车的标准装备。4挡自动变速器除前后行星排用一个辅助构件相连外，其他行星排完全独立，形成具有5个独立元件(上述为4个独立元件)的辛普森机构。故可用增加一个执行机构的办法(离合器或制动器)即实现4挡，如图3.19所示。HydraMatic700R4A、B4AEL都是采用该结构。这种结构具有尺寸小、质量轻的特点。4挡自动变速器也有在原3挡辛普森结构基础上用积木构成法，加一个参数与前两排一样的行星排来增加挡位的。图3.20所示为丰田A340E自动变
40、速器的行星齿轮传动机构，所加的行星排可前置或后置，以实现超速或减速传动。Benz、AllisonAT-540、日产K-R80等都采用了类似的结构。2)拉维娜结构拉维娜行星齿轮机构是由一个单行星排与一个双星行星排组合而成的复合式行星机构。拉维娜行星齿轮机构共用一行星架、长行星轮和齿圈，故它只有4个独立元件(如图3.21所示)。其特点是构成元件少、转速低、结构紧凑、轴向尺寸短、尺寸小、传动比变化范围大、灵活多变、适合FR式布置。改进的拉维娜4挡变速器，如捷达、帕萨特选装的AG4(如图3.22所示)仅用3个离合器、2个制动器和1个单向离合器，就实现了4挡变速。3)CR-CR结构CR-CR结构是指将2
41、组单行星排的行星架C和齿圈R分别组配的变速器，其特点是变速比大、效率高、元件轴转速低。福特公司的CD4E与通用公司的THM440-T4均属此型。神龙富康AL4四挡自动变速器是1997年投产的CR-CR型，其结构如图3.23所示。由于在液压系统中的电磁阀增加至9个，不仅对挡位离合器(制动器)的油压，并且对压力储能器、节流孔等均实现电子化控制。更主要的是换挡时发动机与变速器间进行综合控制，从而使其取代了单向离合器的功能，且各挡都具有发动机制动作用，结构简单。3.2.3液压系统液压系统是自动变速器的重要组成部分，为液力变矩器提供传动介质，完成变速器自动换挡控制。同时，它还保证变速器各部分的润滑，使变
42、速器得到可靠的散热和冷却。可见，液压系统起到传动、控制、操纵、冷却和润滑等功能。1.液压系统的组成在电子控制自动变速器中，采用的是电控式液压系统。自动变速器的液压系统由动力源、执行机构、控制机构、冷却润滑系统等组成。动力源是被液力变矩器泵轮驱动的油泵，它向控制机构和执行机构供应压力油以完成换挡，同时为液力变矩器提供传动介质并进行冷却补偿，向行星齿轮系统提供润滑油。执行机构是指行星齿轮系统的离合器、制动器。控制机构的作用是在汽车行驶过程中接收换挡信号，控制执行机构的动作，使变速器得到不同挡位。同时，它能改善换挡平顺性，保证换挡过程正常进行。控制机构由主油路调压装置、换挡阀和缓冲安全装置及液力变矩
43、器控制装置组成。1)油泵通常用内啮合齿轮泵、摆线转子泵或叶片泵，为减少在高速时油泵引起的过高的动力损失，目前所用叶片泵大多为流量可变型。三种油泵在结构上的共同点是：转子与定子之间有一定的偏心距。叶片泵的转子与定子之间的偏心距可自动调节，达到改变流量的目的，防止了发动机转速高时供油太多的缺陷，提高了系统效率。2)主油路调压阀由于油泵供油的脉动性，必须经过调节使主油路的压力实现稳定。主油路调压阀的结构和工作原理如图3.24所示。来自油泵的压力油从进油口进入阀体并作用于活塞端面。当主油路压力小于规定值时，活塞上端面的液体压力小于弹簧预紧力，泄油口处于关闭状态。当主油路压力超过规定范围后，活塞在液压力
44、的作用下克服弹簧预紧力下移，泄油口开启。部分压力油被排出，从而保证主油路压力不至过高。由此可见，主油路压力是由调压阀弹簧的预紧力控制的。对于使用齿轮泵或转子泵的自动变速器来说，由调压阀排出的多余压力油将回到油底壳。若采用叶片泵，这部分压力油会被送入叶轮壳内，定子在油压的作用下产生径向移动，使其和转子之间的偏心距减小，油泵的泵油量得到控制，进而从根本上限制了主油路压力。如果主油路系统中只有一个调压阀，它除了控制主油路压力之外，还要调节进入液力变矩器和润滑系统的油压。某些自动变速器的主油路系统包括两个调压阀：一个是主油路调压阀，另一个是第二调压阀，也称变矩器阀，用来控制变矩器的油压。如果将控制油压
45、引入主油路调压阀弹簧腔，则可以通过调节控制油压来改变主油道的压力，使变速器在不同的挡位均可获得不同的离合器(制动器)工作油压。在电控自动变速器中，通过控制比例电磁阀，可以使主调压阀的输出油压随发动机的负荷大小而变化，而且对换挡离合器和制动器的接合压力及液力变矩器的闭锁离合器的接合压力也可调制，使其更适应提高换挡品质的需要。3)手控制阀手控制阀的作用是提供换挡操纵手柄位置信号，控制液压系统接通不同的操纵油路，使自动变速器按照驾驶员的操纵意图工作。如图3.25所示，选挡操纵手柄通过连杆与手控制滑阀的一端相连。当选挡手柄位于空挡或停车挡时，由手控制阀通往操纵油路的油道被关闭，操纵油路中无液压油、来自
46、油泵的压力油经A口进入阀体，由B口输出至主油路调压阀。若手柄位于前进挡或其他位置时，滑阀沿阀体移动到相应位置，接通操纵油路，液压系统按照驾驶员选择的挡位完成相应的工作。4)换挡阀主油路压力油经换挡阀控制流入相应的挡位离合器(制动器)。在AT中，换挡阀滑阀一端受离心调速器输出油压的作用，另一端受到节气门阀输出油压和弹簧的共同作用，换挡阀的工作取决于节气门阀和离心调速器的综合作用。在电控自动变速器中，车速和节气门信号均输入ECU，由ECU通过电磁阀来控制换挡阀的换向，如图3.26所示。5)缓冲安全装置缓冲安全装置用来改善换挡品质。较为常见的有蓄能器和单向节流阀等。(1)蓄能器蓄能器由减振活塞和弹簧
47、组成，如图3.27所示。在自动变速器的每个前进挡都设有相应的蓄能器，它并联在换挡执行机构的油路中。自动变速器换挡时，从换挡阀的主油路来的压力油在进入执行机构液压缸的同时也进入蓄能器的减振活塞下部。在换挡执行机构接合初始，油压增长迅速，使液压缸的活塞迅速克服它的自由行程，使换挡执行机构接合。当油压增长到一定值时，液压缸活塞下方的油压大于活塞上方的弹簧力，使减振活塞上升，油路中的一部分液压油进入蓄能器，延缓了换挡执行机构液压缸充油时间，减小了换挡冲击。通常在减振活塞上方还有调节油压，或称为蓄能器背压，调节油压随节气门开度变化。在节气门开度较大时，适当地降低蓄能器的减振能力，会加快换挡过程，防止大负
48、荷传递动力时换挡执行机构打滑，以满足换挡要求。(2)单向节流阀单向节流阀串联在换挡执行机构的油路中，它的作用是用来对流向换挡执行机构的液压油产生节流作用，使换挡执行机构在接合时能延缓油压增长速率，以减小换挡冲击。在换挡执行机构分离过程中，单向节流阀不起节流作用，以加快换挡执行机构的泄油分离过程。单向节流阀，如图3.28所示。它有两种形式，一种是弹簧节流阀式，一种是球阀节流孔式。除此之外，在不同型号自动变速器的液压系统中，还有定时阀、顺序阀和限流阀等元件，它们的功能都是通过控制压力油的流量(速)以达到提高换挡品质的目的。6)液力变矩器控制装置若液力变矩器的油液在发动机熄火后被部分或全都排干，将导
49、致变矩器工作打滑或变速器换挡时间滞后。因此，通常在主油路调压阀与液力变矩器之间的油路中设置变矩器阀。变矩器阀的工作原理与主油路调压阀类似。关闭点火开关后，主油路压力下降，变矩器阀关闭上述油路，防止液力变矩器排空油液。另外，液力变矩器油路系统中还有闭锁控制阀，用以控制闭锁离合器闭锁时刻。根据闭锁离合器的工作特点，只有当汽车在良好路面上行驶，且泵轮与涡轮之间转速差较小时才能使变矩器闭锁。因此，闭锁控制阀根据汽车的实际行驶情况，在适当时机锁止(或解除锁止)泵轮与涡轮。在大多数自动变速器中，当变速器换入前进挡的较高挡位而且车速足够高时，闭锁控制阀接通闭锁离合器的油路，使液力变矩器进入闭锁状态。2.液压
50、控制系统工作原理以四挡自动变速器为例。有4个前进挡的自动变速器通常有3个换挡阀。这3个换挡阀可以分别由3个换挡电磁阀来控制，也可以只用两个电磁阀来控制，并通过3个换挡阀之间油路的互锁作用实现4个挡位的变换。目前大部分电子控制自动变速器采用由两个电磁阀操纵3个换挡阀的控制方式。这种换挡控制的工作原理如图3.29所示。1-2挡换挡阀和3-4挡换挡阀由电磁阀A控制，2-3挡换挡阀则由电磁阀B控制。电磁阀不通电时关闭泄油孔，来自手动阀的主油路压力油通过节流孔后作用在各换挡阀右端，使阀芯克服弹簧力左移。电磁阀通电时泄油孔开启，换挡阀右端压力油被泄空，阀芯在左端弹簧力的作用下右移。图3.29(a)为1挡，