汽车自动变速器结构原理与故障分析Word文件下载.docx
《汽车自动变速器结构原理与故障分析Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车自动变速器结构原理与故障分析Word文件下载.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
继1984年日本五十铃公司在世界上率先研制成功电子控制全机械式有级自动变速器“NAVI-5”并装于ASKA轿车上后，世界上许多汽车制造公司竞相进行了类似的开发研制工作。
1996年宝马M3轿车所采用的“M序列式变速器”，以全新的电液控制系统代替了传统的机械式变速器的操纵系统，并可选择自动变速和手动变速两种模式。
ZF公司也推出了其电控机械自动变速器新产品———ASTRONIC系列。
1998年德国大众Lupo轿车安装了电控机械式自动变速器，其百公里油耗为2.99L，显示了非常光明的前景。
先进的电控机械式自动变速器，均装有电控单元，它是变速器的核心。
将车辆的行驶状况与希望实现的状况进行实时比较，并发出控制命令，改变变速器的档位、离合器的分离与结合以及油门的开度，实现自动选择最佳档位和最佳换档时间。
在几种自动变速器中，电控机械式的性能价格比最高。
在中低档轿车、城市客车、军用车辆、载货车等方面应用前景较广阔。
1.2.3无级自动变速器
自从冯·
杜纳博士的’VDT公司于20世纪80年代研制成功金属带式无级变速器并使之进入商品化阶段后，目前世界上已出现了一批生产金属带式无级变速器的厂家。
日本本田汽车公司和VDT变速器公司共同研制的新型无级变速器已装备在了本田1996CivicHX型轿车上。
包括通用汽车公司在内的国外企业都在加速发展无级自动变速器技术。
据统计，截止1996年底，装备金属带式无级变速器的轿车已达120多万辆，所装轿车发动机的排量多在0.6-3.3L之间。
金属带式无级速器商品化的时间虽不长，在汽车变速器中的占有率也仅占1%，其中90%在日本，10%在欧洲，但因其理论上性能优越，被视为自动变速器的主要发展方向之一
1.3汽车自动变速器的作用与在技术上的突破
汽车传动系统中的变速器控制自动化是汽车发展的较高级阶段，自动变速器能根据车速与发动机负荷的变化情况及时自动的进行传动比转换，从而使操作简单省力，将驾驶员从频繁的换挡操作中解脱出来，最大程度的消除了驾车者换挡技术的差异。
2009年6月30日，在历经多年研制之后，中国在自动变速器领域取得了实质性的突破：
国产第一台拥有完全自主知识产权的高端自动变速器——欧意德全电控、低噪音、高传动比、高适用性4速自动变速器在中国最大的发动机及变速器生产基地——内蒙古欧意德发动机公司试生产成功，从而填补了中国在核心零部件制造领域的又一项空白。
据悉，该型号自动变速器不久将正式应用于中高端乘用车上，而该公司研发的6速自动变速器的量产也已被提上日程。
1.4汽车动变速器的发展趋势
作为汽车关键总成之一，变速器技术在汽车诞生的百年历史中在不断地与时俱进。
手动变速器由于其传递动力的直接与高效性，加上制作技术的成熟与低成本，现代汽车中装备手动变速器的汽车仍然占有很大比例。
但随着人们对汽车舒适性要求越来越高，现代汽车自动变速器装备率越来越高却是一个不争的事实，尤其是当自动变速器也逐渐能够兼顾操控性的时候。
但，传统自动变速器技术却由于其效率的低下而在等待一场革命。
我们想要知道的是，自动变速器的未来究竟将走向何方？
在当前多种技术的研发中，自动变速器技术逐渐呈现出了比较明显的三大发展趋势，一是以德国大众汽车公司为代表的双离合技术，二是无级变速技术即CVT技术，三是多家公司已然推出的多挡位技术
1.4.1双离合技术
双离合变速器（DualClutchTransmission）DCT有别于一般的自动变速器系统，它基于手动变速器而又不是自动变速器，除了拥有手动变速器的灵活性及自动变速器的舒适性外，还能提供无间断的动力输出。
而传统的手动变速器使用一台离合器，当换挡时，驾驶员须踩下离合器踏板，使不同挡的齿轮做出啮合动作，而动力就在换挡期间出现间断，令输出表现有所断续。
与传统的手动变速器相比，DSG使用更方便，因为说到底，它还是一个自动变速器，只是使用了DCT的新技术，使得手动变速器具备自动性能，同时大大改善了汽车的燃油经济性，DCT比手动变速器换挡更快速、顺畅，动力输出不间断。
基于DCT的特性及操作模式，DCT系统能带给驾驶者有如驾驶赛车般的感受。
另外，它消除了手动变速器在换挡时的扭矩中断感，使驾驶更灵敏。
1.4.2无级变速技术CVT技术
无级变速箱CVT（ContinuouslyVariableTransmission）的内部并没有传统变速箱的齿轮传动结构，而是以两个可改变直径的传动轮，中间套上传动带来传动。
基本原理是将传动带两端绕在一个锥形传动轮上，传动轮的外径大小靠油压大小进行无级的调节。
起步时，主动轮直径变为最大直径，而被动轮变为直径最小，最大轮带动最小轮，以最大的动力克服起步时的巨大阻力。
在行驶中，当慢速行驶时可以令主动带轮的凹槽宽度大于被动带轮凹槽，主动带轮半径仍大于被动带轮半径，即小轮带大轮，因此能传递较大的扭矩；
当汽车逐渐转为高速时，液压系统迫使主动带轮的直径逐渐变小，而被动带轮的直径正好相反，在逐渐变大，从而逐渐实现了小轮带大轮
1.4.3多档位技术
汽车自动变速器向多档位方向发展，5档或者6档自动变速器将逐步取代4档自动变速器的主导地位。
档位多使变速器具有更大的速比范围和更细密的档位之间的速比分配，从而改善汽车的动力性、燃油经济性和换档平顺性。
例如宝马7系或奥迪A8装配ZF产的6档自动变速器（ZF6H26），齿数比分别是1档4.7、2档2.34、3档1.52、4档1.14、5档0.87、6档0.69。
某款3.0升高级轿车的4档自动变速器齿轮比分别是1档2.78、2档1.54、3档1.00、4档0.69。
两者对比，显然ZF6档自动变速器具有更大的速比和更小的速比级差，因此变速时也就更加平顺。
但是，档位越多意味着变速器越复杂，执行元件和齿轮数目会随之增加，不但成本增加，体积和重量也会增大，对于前轮驱动的汽车而言还会增加动力传动系统布置的困难。
因此，为了缩小体积和减轻重量，要采用紧凑化设计，简化内部结构，引入电子控制系统，采用轻质材料。
第二章汽车自动变速器液压控制系统
2.1液压控制系统的组成
自动变速器的自动控制是依靠由动力元件、执行机构和控制机构组成的液压控制系统来完成的。
动力元件是油泵；
执行机构包括各离合器、制动器的各液压缸；
控制机构包括主油路调压阀、手动阀、换挡阀及锁止离合器控制阀等。
它们都安装在自动变速器上。
电控液力自动变速器中的液压控制系统由油泵、阀体、储能器、执行机构和连接管路组成，主要控制换挡执行机构的工作，根据汽车运行状态将压力油调压后作用于液力变矩器、离合器及制动器。
2.2液力变矩器的基本原理
液力变矩器是一种液力传动装置，它以液体为工作介质来进行能量转换。
它的能量输入部件称为泵轮，以“B”表示；
它和发动机的输出轴相连，并将发动机输出的机械能转换为工作介质的动能。
能量输出部件为涡轮，以“T”表示；
它将液体的动能又还原为机械能输出。
2.2.1液力偶合器的工作原理
如图2-1所示为液力偶合器原理图。
泵轮2固定在发动机曲轴上，为能量输入端，涡轮4固定在输出轴5上，为输出端。
泵轮和涡轮之间有2-4mm的间隙，整个偶合器充满了液体工作介质。
发动机曲轴，2-泵轮，3-偶合器壳体，4-涡轮，5-偶合器输出轴
图2-1液力偶合器
2.2.1.1泵轮的运动
⑴发动机启动后，曲轴1旋转并带动泵轮2同步旋转。
充满在泵轮叶片间的工作液体随着泵轮同步旋转，这是工作液体绕传动轴的牵连运动。
⑵在离心惯性力的作用下，工作液体在绕传动轴坐牵连运动的同时，它沿叶片间的通道从内缘向外缘流动，这是流体和叶片间的相对运动，并于泵轮的外缘流入涡轮。
2.2.1.2涡轮的运动
工作液体流入涡轮后，把从泵轮处获得的能量（动量）传递给涡轮，使涡轮旋转。
从涡轮外缘（涡轮入口）流入的液体，既随涡轮旋转作牵连运动，又从外缘向内缘（涡轮出口）流动，这是涡轮叶片和流体的相对运动，最后，流体经涡轮内缘又流回泵轮。
2.2.2液力偶合器和液力变矩器的能量转换原理
2.2.2.1液力偶合器的能量转换
流体在偶合器（变矩器）内的循环流动是一个相当复杂的三维流动，流体与工作叶片间的相互作用也相当复杂。
因此，分析这类问题时，在流体力学方面作了一系列假定后，一般用一元流束理论来描述。
对于专业性较强的一些描述方式和术语，不作介绍。
2.2.2.2变矩器的能量传递原理（见图2-2）
液力变矩器与液力偶合器在结构上的最大区别就是液力变矩器比液力偶合器多加装了一个固定的流体导向装置——导轮。
图2-2所示为最简单的液力变矩器的结构简图。
它由泵轮1、涡轮2和导轮3等三个基本组件组成。
当泵轮1由发动机驱动旋转时，工作液体泵轮的外端出口b甩出（R2即表示泵轮叶片出口在中间旋转曲面上的半径）而进入涡轮，然后自涡轮的C端（R3表示涡轮叶片出口在中间旋转曲面的半径）流出而进入导轮，再经导轮a端流入端流入泵轮而形成环流泵。
1
1-泵轮，2-涡轮，3-导轮图2-2变矩器结构图
2.2.3单向离合器和锁止离合器的应用
涡轮转速升高以后，由涡轮流出流体的绝对速度的方向改变，使这些流体冲击导轮叶片的背部而引起了导轮流进泵轮的流体的方向改变而使流体对泵轮产生了一个阻滞泵轮运动的力矩。
要改变这种状况，关键是改变导轮流出流体绝对速度方向的改变。
2.2.3.1单向离合器的作用
当涡轮的转速不高，由于涡轮出口流体力图使导轮反转（指和泵轮转向相反），此时单向离合器反向锁止，导轮被固定不动。
最终使涡轮的输出力矩大于泵轮力矩。
当涡轮转速再升高，涡轮出口流体开始冲击导轮叶片背部，导轮旋转，导轮出口流体的绝对速度改变，使导轮输出力矩保持在偶合状态。
2.2.3.2锁止离合器的作用
当涡轮转速达到一定值以后，它就只能工作在耦合器的工作状态，成为一个耦合器。
当汽车处于高速轻载时，其效率必然很低。
当汽车高速轻载时，把变矩器的泵轮和涡轮直接锁止在一起形成机械传动，充分发挥机械传动效率高的特点，汽车在良好路面行驶时，通过锁止装置把泵轮和涡轮锁止在一起，使汽车高速行驶时的效率大为提高。
2.3油泵
液压系统的动力源主要是油泵。
在自动变速器中的电液控制系统中所用的油泵大致有三种类型。
一种是齿轮泵，一种是转子泵，第三种是叶片泵。
2.3.1齿轮式油泵的结构和原理
在自动变速器中所用的齿轮泵一般是内啮合齿轮泵。
泵主要由泵体、从动论（齿圈）、主动轮和导轮轴组成。
由于从动论是一个齿圈且较大，而主动轮是一个较小地外齿轮，所以，在主、从动齿轮之间的空隙用一个月牙型隔板把这个容腔分为两部分。
其中一腔是进油腔（或称吸油腔），另一腔是压油腔（或称排油腔）。
2.3.2转子式油泵的结构与原理
转子泵实际也是内啮合齿轮泵系列中的一种。
但它的齿型不是一般的渐开线齿轮而多用摆线，所以又称为摆线转子泵。
它主要由一对内啮合的转子组成。
内转子为外齿轮，且为主动件；
外转子为内齿轮，是从动件。
内转子一般比外转子少一个齿。
内外转子之间是偏心安装。
内转子的齿廓和外转子的齿廓是由一对共轭曲线组成，因此内转子上的齿廓和外转子上的齿廓相啮合，就形成了若干密封容腔。
2.3.3叶片泵的结构和原理
自动变速器叶片泵的工作原理如图2-3，和普通液压传动用的单作用叶片泵的工作原理一样。
这种油泵由转子1、定子2和叶片3及端盖等组成。
定子具有圆柱形内表面，定子和转子之间有偏心距e。
叶片装在转子槽中，并可在槽中滑动。
当转子回转时，由离心力的作用，使叶片紧贴在定子内壁，在定子、转子、叶片和端盖间就形成了若干个密封空间。
图2-3叶片泵原理图
1转子2叶片3定子
2.3.4变量泵的结构与原理
上述三种油泵的排量都是固定不变的，称为定量泵。
为保证自动变速器的正常工作，油泵的排量应足够大，以便在发动机怠速运转的低速工况下也能为自动变速器各部分提供足够大的流量和压力的液压油。
定量泵的泵油量是随转速的增大而成正比的增加的。
当发动机在中高速运转时，油泵的泵油量将大大的超过自动变速器的实际需要，此时油泵泵出的大部分液压油将通过油压调节阀返回油底壳。
由于油泵泵油量愈大，其运转阻力也愈大，因此这种定量泵在高转速时，过多的泵油量使阻力增大，从而增加了发动机的负荷和油耗，造成了一定的动力损失。
为了减少油泵在高速运转时泵油量过多而引起的动力损失，目前用于汽车自动变速器的叶片泵大部分都设计成排量可变的形式（称为变量泵或可变排量式叶片泵）。
采用这种油泵的车型有福特、马自达、大宇等轿车。
这种叶片泵的定子不是固定在泵壳上，而是可以绕一个销轴做一定的摆动，以改变转子与定子的偏心距，从而改变油泵的排量。
在油泵运转时，定子的位置由定子侧面控制腔内来自油压调节阀的反馈油压来控制。
当油泵转速过低时，泵油量较小，油压调节阀将反馈油路关小，使反馈压力下降，定子在回位弹簧的作用下绕销轴向顺时针方向摆动一个角度，加大了定子与转子的偏心距油泵的排量随之增大；
当油泵转速增高时，泵油量增大，出油压力随之上升，推动油压调节阀将反馈油路开大，使控制腔内的反馈油压上升，定子在反馈油压的推动下绕销轴向逆时针方向摆动，定子与转子的偏心距减小，油泵的排量也随之减小，从而降低了油泵的泵油量。
2.4自动变速器的机械变速机构
手动变速器一般用外啮合普通齿轮变速机构，而自动变速器一般用内啮合的行星齿轮机构。
和普通手动变速器相比，在传递同样功率的条件下，内啮合行星齿轮机构可以大大减小变速机构的尺寸和重量；
并可以实现同向、同轴减速传动。
此外，由于采用内啮合传动，变速过程中动力不间断，加速性好，工作可靠。
2.4.1行星齿轮机构的基本结构和工作原理
行星齿轮机构按照齿轮排数不同。
可以分为单排和多排行星齿轮机构。
多排行星齿轮机构一般由几个单排行星齿轮机构组成。
在自动变速器中一般应用2-3个单排行星齿轮机构组成一个多排行星齿轮机构。
但单排行星齿轮机构是分析多排行星齿轮机构的基础。
2.4.1.1单排行星齿轮机构和它的传动原理
一个单排行星齿轮机构由太阳轮1、行星齿轮和行星齿轮架2及环齿圈3组成。
由于行星齿轮和行星架是一个整体（以下简称行星架），所以，在一个行星排中只有三个
基本组件：
太阳轮、行星架和环齿圈。
2.4.1.2单排行星齿轮机构的组合方式
由于单排行星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，也就不能传递功率。
所以，行星排在传递功率时，三组件中的一个必须被锁止，使其它二个组件中的一个为主动件，另一个为从动件。
通过这两个组件才可能传递功率，也才有固定的传动比。
一个行星排可以得到八种不同的组合方式。
2.4.2变速机构中换档执行机构与工作原理
内啮合式的行星齿轮机构，通过对行星排基本独立组件采取不同的约束，就可以改变传动关系而得到不同的传动比，使自动变速器得到不同的档位。
对行星排各基本独立组件进行约束的机构，就是换档执行机构。
换档执行机构由离合器、制动器和单向离合器组成。
2.4.2.1离合器
离合器是换档执行机构中进行连接的主要组件。
离合器连接输入轴与行星齿轮机构，把液力变矩器输出的动力传递给行星齿轮机构；
或把行星排的某两个组件连接在一起，使之成为一个整体。
⑴直接离合器：
直接离合器把输入轴与输出动力传递至双行星排的共享太阳轮。
⑵前进离合器：
前进离合器C1则是输入轴和前环齿圈之间的连接件。
直接离合器和前进离合器都是把动力由输入轴传递至行星排，而在超越离合器C0则是可以实现行星排中两个独立组件之间的连接。
在超速行星排中，如果超越离合器啮合，则把超速行星架和超速太阳轮连接为一体。
使超速行星排形成直接传动。
2.4.2.2单向离合器
单向离合器又称自由轮离合器，在液力变矩器和行星排中均有应用。
在行星排中，它用来锁止某一个组件的某种转向。
它同时还具有固连作用，当与之相连组件的受力方向与锁止方向相同时，该组件在即被固连；
当受力方向与锁止方向相反时，该组件即被释放。
单向离合器的锁止和释放完全由与之相连组件的受力方向来控制。
常见的单向离合器有滚柱式和楔块式两种。
滚柱式单向离合器一般由内环、外环、滚柱和保持弹簧组成。
内环通过内花键的形式和行星排的某个组件相连；
外环通过外花键的形式与行星排的另一个组件或变速器壳体相连。
总归，单向离合器的内环和外环，一个连接旋转件而另一个连接固定件，滚柱弹簧安装在外环（或内环）的斜槽内，弹簧的弹力将滚柱推向较窄的一端。
2.4.2.3制动器
自动变速器中的制动器是用来固定行星排中的某个基本组件。
通过制动器的结合，把行星排中的某个组件和变速器壳体连接起来，使之不能转动。
自动变速器中的制动器有两种，一种是片式制动器；
一种是带式制动器。
带式制动器又称制动带。
片式制动器：
片式制动器主要由制动鼓、制动片（钢片和摩擦片）、制动毂、回位弹簧及弹簧座等组成。
带式制动器：
带式制动器的主要零件为制动鼓、制动带、油缸、活塞弹簧等。
2.5液压控制系统的工作原理
汽车自动变速器的电液控制系统虽然随着汽车型号的变化、汽车厂家的变化或电液结合部分的改进而呈现不同的控制模式，但作为一个电液自动控制系统，它和其它电液自动控制系统一样，都可以把它们归结为具有共性的四个部分：
液压系统的动力源：
液压系统是一个应用油泵把机械能转化为液压油的压力能的传动与控制的系统。
液压系统的动力源通过能量传递介质—压力油（ATF）向整个液压系统提供能量。
液压油既是能量传递的介质，也是自动变速器机械部件润滑的主要介质。
自动变速器中的油泵一般应用齿轮泵、转子泵或叶片泵（变量泵）。
电液控制系统的信号源：
信号源向电液控制系统提供各种换档控制需要的控制信号。
在全液压式自动变速器中，这种信号源主要是节气门阀（Throttlevalve）和速控阀（Governor）。
电液液压控制系统中的液压控制机构：
液压控制机构主要由换档机构和缓冲安全机构组成。
无论在全液压式自动变速器或电控式自动变速器中均占液压控制机构有相当重要的地位。
液压控制机构主要由手动阀、换档阀、调压阀、电磁阀（含脉宽调制比例阀）及一些辅助控制阀组成。
执行机构：
在自动变速器的液压控制系统中，其执行机构却一般是柱塞式单作用油缸，它的回程一般必须用弹簧来保证。
液压控制系统中的执行机构主要用来推动各种离合器和制动器。
所以，在实际制作中，把油缸和离合器或制动器作为一个部件。
2.5.1电液控制系统中的液压控制机构
自动变速器的换档主要通过液压控制机构控制主油路的流向，推动和改变液压执行机构，然后使行星齿轮机构的啮合关系发生变化而得到不同的传动速比。
整个液压控制机构除前述的动力源、信号源外，还包括压力-流量控制阀、手动换档阀、各档换档阀和一些辅助的控制阀。
在自动变速器中的液压元件也和普通的液压控制系统一样，可以分为压力阀、方向阀流量阀等，但由于自动变速器结构紧凑，有些阀具有综合功能。
2.5.1.1主调节阀
自动变速器中的主压力调节阀，其作用相似于液压系统中的溢流阀，它调节自动变速器液压控制系统主油路的压力和流量。
这种主压力调节阀采用阶梯式滑阀。
它可以根据来自控制系统中其它几个控制阀的反馈油压的变化来改变所调节的主油路油压的大小。
动作原理：
当手动阀没有处于倒档状态时，倒档反馈压力所产生的作用力不存在。
所以主油路压力较小.当油门增大、发电机转速升高时，油泵的输出流量增大，引起上腔压力增大，阀芯下移，阀口开口量加大。
2.5.1.2二次调节阀
二次调节阀又称调节阀。
自动变速器中的辅助调节阀，主调节阀通过油口进入辅助调节阀，通过油路接到变矩器油路（中间经变矩器的锁止继动阀）；
通过辅助调节阀的油路接入润滑油路。
油路通油泵入口，该油路是一条泄油路。
辅助调节阀并联在变矩器油路上，就是为了进一步降低压力。
一般变矩器的供油压力为0.2MPa，最大值一般为0.39Mpa。
其工作原理和主节筏一样。
一、方向控制阀
1．手动控制阀
手动控制阀，它和驾驶室的换档操纵手柄相连。
当操纵手柄选择了不同的档位时，手动控制阀处于不同的工位，把油泵来油转换到不同的油口，连接到不同换档阀。
不同的自动变速器，该阀的转换方向也不一样，但原理却没有什么不同。
驾驶室的操纵手柄一般有六个位置：
P、R、N、D、2、L（有一些有七个位置）。
该手动阀对应也有六个工位。
由于该阀有4个工作出油口，定义为“2‘”、“D’”、“P‘”、“R’”;
一个进油口（和油泵出口相连），两个泄油口，共七个进出油口；
根据液压系统的一般规则，可以把这个手动阀简化为一个六位七通手动换向阀。
如图2-39所示。
手动阀的四个出油口根据手动阀的六个位置P、R、N、D、2、L组成了不同的输出
升级会员 