电控自动变速器液力和机械传动装置故障的诊断教案.docx
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电控自动变速器液力和机械传动装置故障的诊断教案
【课题】活动1电控自动变速器液力和机械传动装置故障的诊断
【情景描述】
装备自动变速器的汽车，当汽车出现不能起步或不能正常行驶时，可能自动变速器的液力和机械传动装置等有故障，需要进行诊断分析并加以排除，以恢复自动变速器性能。
此项工作要求掌握电控自动变速器液力和机械传动装置的工作原理和故障诊断方法。
【教材版本】
吕坚.汽车运用与维修专业课程改革试验教材——汽车故障诊断.北京：
高等教育出版社，2009
【教学目标】
知识目标：
通过讲解与演示，知道电控自动变速器液力和机械传动装置主要元件的功用、构造与原理；知道故障诊断的基本流程。
能力目标：
通过演示与实训，使学生会正确检查电控自动变速器液力和机械传动装置，诊断故障。
情感目标：
渗透专业学习与实际相结合的思想，从而激发学生学习专业课的兴趣。
【教学重点、难点】
教学重点：
电控自动变速器液力和机械传动装置主要元件的结构与原理。
教学难点：
电控自动变速器液力和机械传动装置故障诊断。
【教学媒体及教学方法】
本节课通过使用理论—-实操一体化的教学方法，调动学生的学习积极性，注重培养学生观察分析、实践动手能力，针对不同的学生采用因材施教的方法，使全体学生在任务引领下的学习中都能有所收获。
使用教材项目五活动1，使用电控自动变速器台架和诊断、检测仪器实物和投影仪播放的多媒体演示素材。
本节内容可大体分为三部分，对每一部分内容结合采用讲授法、演示法、实习操作等不同的教学方法。
一是通过演示，讲授电控自动变速器液力和机械传动装置主要元件的结构与原理；二是通过演示法、实习操作使学生进一步熟悉、理解和掌握电控自动变速器液力和机械传动装置主要元件故障诊断的流程以及检测操作。
【课时安排】
6课时（270分钟）
【教学建议】
教学采用理实一体化方法，在教学过程中应交替使用自动变速器实物、多媒体和教材。
根据学生基本情况及学习中的总体反应，加强和学生的互动，使学生积极地参与到教学活动中来。
【教学过程】
一、导入（15分钟）
自动变速器是根据液力动压原理设计的一种液力传动装置。
它可以根据发动机的负荷和转速，以及车速等参数进行自动变换档位，而不需要驾驶员手动换档和操纵离合器。
1、自动变速器的特点
自动变速器通常与液力变矩器一起使用，通过利用液力传动的特点，来弥补机械变速器的不足，使其操纵简捷，工作可靠。
与机械变速器相比，自动变速器具有以下优点：
（1）操纵简便省力，有利于提高行车安全性
（2）可以提高发动机和传动系的使用寿命
（3）提高了汽车的平稳性和乘坐舒适性
（4）提高了汽车的动力性和平均车速
（5）可以降低发动机排放的污染
2、自动变速器的分类
（1）按汽车的驱动方式分
1）前置前驱动自动变速器（FF型或FWD型）。
该变速器通常还装备主减速器和差速器，又称变速驱动桥。
这种自动变速器是一个输入（发动机动力输入），两个输出（驱动两侧前轮）。
2）前置后驱动自动变速器（FR型或RWD型）。
发动机呈纵向布置，该自动变速器是一个输入（发动机动力输入），一个输出（驱动传动轴）。
（2）按控制方式分
自动变速器的换档控制是根据两个最主要的换档信号——发动机负荷（节气门开度）和汽车车速。
由于这两个信号的采集方式的不同，自动变速器换档控制有以下几种方式。
1）液压控制。
液控式自动变速器的换档信号采集都采用液压和机械的方式，其换档控制也是通过液压阀的动作来实现的。
2）电子控制。
电控式自动变速器中，用电子传感器取代液压和机械元件来采集换档信号，其换档控制则是通过电磁阀和液压阀的共同作用来完成的。
二、新授（120分钟）
1．自动变速器的组成和基本原理（15分钟）
教师分析讲解：
现代汽车采用的电控自动变速器一般由液力变矩器、齿轮变速机构、液压控制系统和电子控制系统四大部分组成。
电子控制自动变速器（ECT）的基本工作原理：
ECT采用节气门位置传感器和车速传感器来反映发动机负荷和汽车车速，并把所获得的信息以电信号的形式传输给电控装置（ECU）。
ECU通过操纵液控系统内的电磁阀工作，去控制换档阀的位置，打开或关闭通往行星齿轮机构中执行元件（离合器和制动器）的油路，并操纵其动作，从而实现自动换档。
教师演示：
通过多媒体教学片和自动变速器台架，讲解自动变速器的组成和基本原理。
2．液力变矩器的作用、结构和原理（25分钟）
教师演示：
手持液力变矩器的实物和投影仪播放的多媒体演示素材，运用演示法讲解结构组成和工作原理。
（1）液力偶合器的结构与原理
液力偶合器装在发动机和自动变速器之间，有传递转矩和离合等作用。
其基本工作原理是以液压油为工作介质，把发动机的机械能转换为液压能，并将这种液压能再转换为机械能，通过输出装置传递给变速器。
液力偶合器由泵轮、涡轮及外壳组成。
由于液力偶合器在工作时，工作液在循环流动过程中，没有得到任何其他附加外力，故在涡轮上所得到的转矩与发动机作用于泵轮上的转矩相等。
即液力偶合器只能传递转矩，而不能改变转矩大小。
要点：
由于液力偶合器在工作时是利用泵轮旋转将工作液压入涡轮使涡轮跟着旋转的，所以涡轮的转速总是小于泵轮的转速。
（2）液力变矩器的结构与原理
液力变矩器不仅能传递转矩，而且能在泵轮转矩不变的情况下，随着涡轮的转速不同自动地改变涡轮轴输出转矩的数值，故能起变矩作用。
与液力偶合器相比，液力变矩器在结构上除了旋转的泵轮和涡轮外，还增设了导轮。
当油液离开泵轮冲击涡轮时，把油液能量传递给涡轮并使其转动，与此同时流经涡轮的油液从中间流出，撞击导轮叶片的正面（此时单向离合器锁止），油液受到导轮正面叶片的阻挡，而产生液流的折射，返回到泵轮叶片上，起到了帮助发动机转动泵轮的作用，从而增大了涡轮的输出转矩，可以使变矩器的输出转矩提高两倍甚至更多，转矩的增大值与汽车的车速有关。
要点：
当车速提高后，由于涡轮液流方向的改变，涡轮的油液会冲击导轮叶片的反面而减小转矩的输出，此时导轮单向离合器释放，导轮空转而避免了负面影响。
（3）单向离合器和锁止离合器的结构与原理
为使变矩器在低速区自动变矩，在高速区使导轮顺时钟自由转动，减小导轮背面对涡轮的有害反作用力，单向离合器被广泛采用，它可使传动效率提高到95％，结构参见齿轮变速机构。
锁止离合器的作用是自动地将涡轮与泵轮刚性地锁止在一起，使发动机动力直接传给变矩器输出轴从而避免变矩器的液力损失，提高了变矩器在高速工况下的传动效率。
锁止离合器位于涡轮前端，由锁止活塞、减振盘和涡轮传动板等组成。
车辆低速行驶时，变矩器油经输入轴中心油道进人锁止离合器前部，由于涡轮传动板前、后两侧压力相等，故锁止离合器分离。
车辆高速行驶时，变矩器油经输入轴中心油道和导轮轴从锁止离合器前部排出。
在压力差的作用下，锁止活塞向前移动压靠在前盖上，锁止离合器接合，泵轮和涡轮作为一个整体部件旋转，提高了高速时变矩器的传动效率。
要点：
单向离合器是机械式结构，锁止离合器是由ECU指令电磁阀控制液压油路来实现的。
学生复习：
采用互动式教学，选取部分学生表述液力变矩器、单向离合器和锁止离合器的作用、结构组成和工作原理。
3．齿轮变速机构的作用、结构和传动原理（60分钟）
教师演示：
手持不同型式的齿轮变速机构实物和投影仪播放的多媒体演示素材，运用演示法讲解结构组成和传动原理。
液力变矩器虽能在一定范围内自动地、无级地改变转矩比，但它的变矩能力和传动效率难以满足现代汽车实际使用需要，所以在现代汽车上广泛采用液力变矩器和行星齿轮变速机构组合而成的液力机械变速器。
（1）单排行星齿轮机构的结构与原理
单排行星齿轮机构由太阳轮（中心齿轮）、行星齿轮和齿圈三个基本构件组成。
太阳轮位于整个机构的中心，与行星齿轮相啮合，与行星齿轮同时啮合的还有最外圈的齿圈，通常3～4个对称布置的行星齿轮用—个行星齿轮架连接。
行星齿轮机构在工作中，太阳轮、行星齿轮架和齿圈三个构件具有同一旋转轴线。
在这三个构件中只要任选两个构件，并分别与主动轴（输入轴）和从动轴（输出轴）相连，将另—构件强制固定（称制动）而使其运动受约束，则整个行星齿轮机构即以一定传动比传递动力。
改变行星齿轮机构的连接和制动可获得多种不同的传动方案。
现代汽车的自动变速器为了能增加行星齿轮机构的转矩变化的范围，常采用几排行星齿轮机构组合，其工作原理与单排行星齿轮机构相同，后续讲述。
行星齿轮机构的执行元件主要有离合器、制动器和单向离合器。
离合器的作用使轴与行星齿轮机构相连，用以动力传递。
制动器连接变速器壳体和行星齿轮机构，用于固定行星齿轮机构中某一构件。
在自动变速器中有好几个起不同作用的离合器和制动器，虽然形状各有差异，但基本结构却是一样的，其结构形式都为湿式多片式，通常由钢片、摩擦片、活塞、活塞回位弹簧和毂所组成。
用于固定行星齿轮机构的制动器的另一种形式为带式制动器。
环状制动带套在毂的外圆表面上，制动带一端被固定，另一端通过顶杆与活塞接触。
单向离合器是一种单方向固定装置。
在自动变速器中常用的单向离合器有两种型式：
滚柱式和凸块式。
超越式离合器的机构型式与单向离合器完全相同。
但超越式离合器的内外圈分别和运动的机件相连，它的所谓“锁止”或“超越”不仅取决于内外圈的旋转方向，而且取决于内外圈的相对速度。
超越式离合器一般安装位置是介于输入动力和行星齿轮机构某构件之间，其功能类似于多片离合器，但区别在于超越式离合器是纯机械控制。
要点：
单排行星齿轮机构中，太阳轮齿数最少，齿圈第二，行星齿轮架齿数最多（当量齿数，通过转速传递的计算获得）。
（2）复合式行星齿轮机构的结构与原理
为满足所需的档位和速比，通常用多个行星排来组合成复合式行星齿轮机构。
尽管目前自动变速器品种、规格很多，但是典型化的基本结构型式主要有三种：
辛普森式行星齿轮机构、串联式行星齿轮机构和拉维奈行星齿轮机构。
1）辛普森（SIMPSON）式行星齿轮机构
辛普森式行星齿轮机构广泛应用于电控自动变速器中，它的特点是由两套参数完全相同的行星齿轮组构成；前、后两排行星齿轮组共用一个太阳轮；并且前排行星架和后排齿圈为同一构件，与输出轴相连。
辛普森式行星齿轮机构可组成三个前进档和一个倒档。
以TOYOTA公司的A340E型电控自动变速器为例：
其行星齿轮机构由三排行星齿轮组成，分别称为超速行星齿轮组、前排行星齿轮组和后排行星齿轮组，且前、后排行星齿轮构成辛普森式行星齿轮机构。
①D档位一档。
选档杆位于D档位，C0、F0、C1、F2执行元件动作。
动力传递路线：
OD输入轴→OD行星架→OD行星齿圈→输入轴→前离合器C1
┌→太阳轮→后排行星轮→后排齿圈┐
→前排齿圈→前排行星轮┤├→输出轴。
└－――――→前排行星架――――┘
②D档位二档。
选档杆位于D档位，C0、F0、C1、B2、F1执行元件工作。
动力传递路线：
OD输入轴→OD行星齿轮架→OD行星齿圈→输入轴→前离合器C1→前排齿圈→前排行星轮→前排行星架（因太阳轮逆时针锁止）→输出轴。
③D档位三档。
选档杆位于D档位，C0、F0、C1、C2、B2等执行元件动作。
动力传递路线：
OD输入轴→OD行星齿轮架→OD行星齿圈→
┌→前合器C1→前排齿圈→前排行星轮┐
→输入轴┤├前排行星架→输出轴。
└→直离接离合器C2→太阳轮→前排行星轮┘
④D档位超速档。
选档杆位于D档位并接通O/D开关，B0、C1、C2、B2等执行元件工作。
动力传递路线：
OD输入轴→OD行星架（B0将OD太阳轮制动）→OD行星齿
┌→前离合器C1→前排齿圈→前排行星轮┐
圈→输入轴┤├→前排行星架→输出轴。
└→直接离合器C2→太阳轮→前排行星轮┘
⑤2档位二档。
选档杆位于2挡位，变速器最多只能升至二档或从高速档（三档或超速档）强制降档，此时C0、F0、C1、B1、B2、F1等执行元件动作。
变速器从一档升至二档时，其动力传递和传动比与D档位二挡工作时相同。
当变速器被从高档位强制降到二档时，发动机转速降低，而传动系输出轴由于汽车惯性作用，转速比发动机曲轴转速要高，此时输出轴将倒拖发动机旋转，利用发动机消耗汽车传动系的能量，使汽车速度迅速降低，即实现发动机制动。
⑥L档位一档。
选档杆位于L挡位，变速器只能处于一档传动或被从高速档强制降到一档，此时C0、F0、C1、B3、F2等执行元件工作。
由于一档传动比更大，因此发动机的制动效果得到更充分的发挥。
⑦R档位。
选档杆位于R档位时，C0、F0、C2、B3等执行元件动作。
动力传递路线：
OD输入轴→OD行星齿轮架→OD行星齿圈→输入轴→直接离合器C2→太阳轮→后排行星轮（因后排行星架锁定）→后排齿圈（逆时针旋转）→输出轴。
⑧N档位和P档位。
选档杆位于N或P档位时，变速器处于空档位置，对外不输出动力，所不同的是在P档位置时，输出轴被固定而不能转动，从而锁住了驱动轮，故称P档为驻车档。
自动变速器只有当变速选档杆处于“N”或“P”档位置时，才能起动发动机。
要点：
A340E型辛普森式电控自动变速器由三排行星齿轮来完成四个前进挡（含超速挡）和一个倒挡。
其超速行星齿轮组的F0在传递动力过程中的作用与C0相同。
学生复习：
采用互动式教学，选取部分学生表述辛普森式行星齿轮机构的结构组成和传动原理
2）串联式行星齿轮机构
串联式行星齿轮机构，是将两组行星齿轮机构串联在一起而形成的。
其特征是：
前排行星齿轮组的行星架与后排行星齿轮组的齿圈连成一体；而前排行星齿轮组的齿圈则与后排行星齿轮组的行星架连成一体。
以SGM别克4T65E型自动变速器串联式行星齿轮机构为例：
4T65E是全自动四速前轮驱动电控自动变速器，前、后两排行星齿轮构成串联式行星齿轮机构，可完成四个前进档位（带OD档）和一个R档。
①OD档位－1档。
选档杆位于OD档位，自动变速器处于1档工作。
输入离合器和前进档制动带起作用，使输入单向离合器和1-2档单向离合器锁止。
动力传递路线：
输入轴→输入离合器→输入单向离合器→前排太阳轮→
┌→―――前排齿圈（后排行星架）→――――－┐
→前排行星轮┤├→输出轴。
└→前行星架（后排齿圈）→后行星轮→后行星架┘
②OD档位－2档。
随着车速的提高，变速器从1档换入2档。
2档离合器、输入离合器和前进档制动带起作用，1-2档单向离合器继续锁止但输入单向离合器处于超越状态（当减速时，1－2档制动带的动作使后排太阳轮制动，即可实现发动机的制动作用）。
动力传递路线：
输入轴→2档离合器→后排齿圈→后排行星轮（因太阳轮锁止）→后排行星架→输出轴。
③OD档位－3档。
随着车速的继续提高，节气门的开度也进一步增大，变速器升至3档。
2档离合器和3档离合器起作用，3档单向离合器处于锁止状态。
动力传递路线：
输入轴→2档离合器→前排行星架齿圈→前排行星轮（因前排太阳轮同向锁止）→前排齿圈→输出轴。
④OD档位－4档。
汽车在良好的道路上高速行驶时，变速器升至4档（OD档）。
4档离合器和2档离合器作用；由于3档单向离合器和1－2档单向离合器都处于超越状态，所以3档离合器和前进档制动带虽然也接合但不起作用。
动力传递路线：
输入轴→前排行星架→前排行星轮→前排齿圈（因前排太阳轮制动）→输出轴
⑤R档位。
变速杆置于R档位时，倒档制动带和输入离合器接合，输入单向离合器处于锁止状态。
动力传递路线：
输入轴→输入离合器→输入单向离合器→前排太阳轮→前排行星轮（因前排行星架固定）→前排齿圈（反向旋转）→输出轴（倒向行驶）。
N档位和P档位的作用都是相同的。
要点：
4T65E型串联式自动变速器有些挡位，超越离合器接合但不工作是为了换挡平顺，且减少执行件的磨损。
由于该自动变速器与发动机平行横置，因此齿轮变速机构的输入轴旋向是逆时针的。
学生复习：
采用互动式教学，选取部分学生表述串联式行星齿轮机构的结构组成和传动原理
3）拉维奈（RAVINNAUX）行星齿轮机构
拉维奈式行星齿轮机构的特点：
一个行星架上安装互相啮合的长、短两套行星齿轮；短行星轮分别与小太阳轮和长行星轮啮合；长行星轮除与短行星轮啮合，并且分别与大太阳轮和齿圈（输出轴）啮合；行星齿轮机构的大、小太阳轮和行星齿轮架都可作为动力的输入元件；一副拉维奈行星齿轮机构可以构成四个前进档和一个倒档。
①D1档位。
执行元件状态：
前进档离合器C1接合，前进单向离合器F2作用，1档单向离合器F1作用。
动力传递路线：
输入轴→前进档离合器C1→前进单向离合器F2→小太阳轮→短行星轮→长行星轮（行星架被F1逆时针锁止）→齿圈→输出轴
②D2档位。
执行元件状态：
前进档离合器C1接合，前进单向离合器F2作用，2、4档制动器B1作用。
动力传递路线：
输入轴→前进档离合器C1→前进单向离合器F2→小太阳轮→短行星轮→长行星轮绕大太阳轮顺转（大太阳轮固定）→齿圈→输出轴
③D3档位。
执行元件状态：
前进档离合器C1接合、高档离合器C4接合、前进档单向离合器F2作用。
动力传递路线：
输入轴→前进档离合器C1→前进档单向离合器F2→
↘高档离合器C4→→行星架→→→
→小太阳轮→短行星轮→长行星轮→齿圈→输出轴
→→→→→→→↗
④D4档位。
执行元件状态：
高档离合器C4接合，2、4档制动器B1作用。
动力传递路线：
输入轴→高档离合器C4→行星架→长行星轮绕大太阳轮顺转（大太阳轮固定）→齿圈→输出轴
⑤R档位。
执行元件状态：
倒档离合器C2接合，低、倒档制动器B2作用。
动力传递路线：
输入轴→高倒档离合器C2→大太阳轮→长行星轮逆转（行星架固定）→齿圈→输出轴（倒转）
⑥L档位。
执行元件状态：
前进档强制离合器C3接合，低、倒档制动器B2作用。
动力传递路线：
输入轴→前进档强制离合器C3接合→小太阳轮→短行星轮→长行星轮（行星架被B2双向锁止）→齿圈→输出轴（有发动机制动作用）。
要点：
拉维奈式自动变速器的行星齿轮机构最为紧凑，两排行星齿轮机构中减少了一个齿圈和一个行星架，且齿轮传递动力的过程可直接参照普通齿轮的传动原理来分析。
学生复习：
采用互动式教学，选取部分学生表述拉维奈式行星齿轮机构的结构组成和传动原理
4．电控自动变速器液力和机械传动装置的检测与诊断（20分钟）
教师演示：
运用电控自动变速器液力和机械传动装置实物和投影仪播放的多媒体演示素材，运用演示法讲解检测与诊断方法。
（1）初步检测
1）检测发动机怠速
发动机怠速应符合原厂规定。
怠速过低，当选档杆拨到档位时，会因怠速不稳而使车身产生振动，甚至使发动机熄火；怠速过高，则会产生换档冲击。
2）检测节气门开度及信号
当加速踏板踩到底时，节气门应处于全开位置。
电控自动变速器，节气门位置传感器信号是确定自动变速器换档点的主控信号之一，则当任意一个信号错误或无信号，都会使自变速器换档点错误甚至不能换档，检测方法和参数参见电控发动机部分。
3）检查档位开关
当选档杆位置在P档或N档位置，发动机不能起动，而在其它某一档位上能够起动，则必须检查并调整空档起动开关，或检查并调整选档手柄与档位开关的连接位置。
4）检测ATF的数量和质量
自动变速器中液面的高低及油况对变速器的性能影响极大，若液面过低，油压下降引起离合器、制动器不能平稳可靠传递动力；若液面过高，则行星齿轮及其旋转机件会对ATF产生强烈搅动作用。
在检查油液液面高度的同时，还应该进行油液状况的检查。
油质是分析自动变速器内部问题的重要依据。
正常情况下，ATF是红色或粉红色透明液体。
如果油液的颜色、状态、气味、黏度发生了变化，说明自动变速器油已经变质。
自动变速器油液变质的原因：
过热、ATF进水、摩擦片严重打滑、油面高度误差过大、金属零件过度磨损、密封件老化等。
自动变速器很多不正常的损坏是由于油温过高造成的。
发动机达到正常温度时，行驶10km左右，然后用仪器或用手检测油底壳的油温，ATF的正常油温一般是85～105℃。
4T65E自动变速器ATF的检查方法：
（一般自动变速器的检查方法）
①汽车停在水平路面上，并拉紧手制动。
②发动机处于怠速运转状态。
③踩住制动踏板，将选档手柄分别拨至各档位并停留数秒钟，最后置“P”档。
④检查油尺上的油面高度。
若油温低，油面高度应在油尺的“COOL”记号附近；若变速器油温已达80℃时，则油底壳油面高度应达油尺的“HOT”记号附近。
大众车系自动变速器ATF检查的特点：
拧下检查螺栓检查ATF液位。
当ATF温度位于35℃～45℃之间（炎热地区可至50℃），有少许液体流出，表示ATF液位正常。
若ATF温度达40℃仍无ATF油液从ATF检查螺栓孔溢出，则需补加ATF。
大众车系自动变速器ATF加注的特点：
将ATF加注器VAG1924的储存盒尽可能高地固定在车辆上，用VAG1924从屏蔽盖的开口加注ATF液，直到ATF液从检查孔中溢出。
注意不要将屏蔽盖向上推。
要点：
自动变速器的初步检查，对于减少故障、延长使用寿命，甚至避免故障的误判断都起到重要的影响。
（2）变矩器故障的诊断
变矩器导轮单向离合器可能有两种不同的功能失效：
导轮在两个方向都能转动；导轮在两个方向都不能转动，即锁死。
1）低速时加速性能不良。
如果导轮单向离合器在两个方向都能转动，则汽车在从停车状态开始加速时，其加速性能很差。
当速度高于50～55km/h时，汽车性能可能正常。
2）高速时加速性能不良。
如果导轮单向离合器在两个方向都锁死，则汽车在从停车状态开始加速时加速性能正常，当发动机和汽车速度处于高速时，汽车加速性能可能变差。
要点：
变矩器故障还要结合油压和失速试验，将在活动2中讲解。
学生复习：
采用互动式教学，选取部分学生表述根据变矩器中各元件的结构和原理分析故障现象，作出故障诊断。
三、课堂实训操作（120分钟）
课堂实训操作，是发挥教师的主导作用，体现学生主体的有效方式。
采用小班、分组实训教学，要求学生都能参与活动项目所有内容的操作，并且做好实训小结或实训报告。
通过分组实训教学环节，可以使学生更快的熟悉、掌握电控自动变速器液力和机械传动装置各部件的作用、结构、原理、故障诊断的理论知识和实践操作。
在本堂课结束前，可安排一些时间，对学生（部分或全部）进行掌握实际使用程度的测试，可随时发现问题并及时进行强化辅导，同时也可以作为学生平时成绩的一部分，提高学生的认真程度。
四、本堂课小结和课外作业（15分钟）
课题小结：
按本活动项目小结内容进行，并分析课堂实践操作中出现的问题。
课外作业：
布置本活动练习与思考内容中的部分习题。
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