自动变速器工作原理讲解.docx
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自动变速器工作原理讲解
如果您驾驶过配备自动变速器的汽车，则应该知道自动变速器和手动变速器之间有两个主要区别：
自动变速器汽车上没有离合器踏板。
自动变速器汽车上没有换挡机构。
只要将变速器挂在前进挡，其他所有操作都会自动进行。
自动变速器（与它的液力变矩器）和手动变速器（与它的离合器）完成一模一样的事情，但它们完成的方式完全不同。
自动变速器的工作方式十分的神奇！
自动变速器位置
在本文中，我们将详细讲述自动变速器的原理。
首先您将了解整套系统的关键部件：
行星齿轮组。
然后，我们将告诉您变速器的装配、控制装置的工作原理，并讨论在变速器的控制中涉及到的一些难点。
与手动变速器一样，自动变速器的主要工作是让发动机在较窄的转速范围下运行，并且提供较宽的输出速度范围。
梅赛德斯-奔驰CLK自动变速器
如果没有变速器，汽车将会只有一种传动比，而我们也只能选择让汽车以所需的最大速度行驶的那种传动比。
如果您想要的最大速度是130公里/小时，那么传动比应类似于大多数手动变速器中的三挡。
您可能从来没尝试过仅用三挡来驾驶配备手动变速器的汽车。
如果体验一下，您很快会发现在起动时几乎没有加速感。
高速行驶时，发动机会发出尖叫，转速表会接近红线。
这样的汽车很快就会磨损，以至于几乎无法驾驶。
因此，变速器使用齿轮，以便更有效地利用发动机的扭矩，从而保持发动机在合适的转速下运行。
手动变速器和自动变速器之间的关键不同在于：
前者将不同组的齿轮分别锁定到输出轴，以得到各种传动比；而在自动变速器中，同一组齿轮就可得到所有不同的传动比，自动变速器则是通过行星齿轮组来实现这一功能的。
下面让我们来了解行星齿轮组的工作原理。
当我们分解自动变速器以了解其内部结构时，会发现其在相当小的空间内容纳了各种各样的部件。
除了其他部件外，您还会看到：
一套精致的行星齿轮组
一组钢带，用于固定齿轮组的部件
一组三个湿盘离合器，用于固定齿轮组的其他部件
一套神奇的液压系统，用于控制离合器和钢带
一个大型齿轮泵，用于运送变速器液力传动油
我们关注的重点是行星齿轮组。
这个部件的大小与甜瓜相仿，它产生变速器所能生成的所有不同传动比。
变速器内的其他所有部件都是为了帮助行星齿轮组完成此工作。
自动变速器包含两套完整的行星齿轮组，它们组合成一个部件。
从左到右：
齿圈、行星架、两个太阳轮
所有行星齿轮组都有三个主要部件：
太阳轮
行星齿轮和行星齿轮的齿轮架
齿圈
每种部件可以作为输入、输出，也可以保持不动。
当各种部件担任不同角色时，可相应得到齿轮组的某一传动比。
下面让我们观察单个行星齿轮组。
变速器中的一个行星齿轮组包括一个72齿的齿圈和一个30齿的太阳轮。
通过该齿轮组，可以得到很多不同的传动比。
输入
输出
不动
计算
传动比
A
太阳轮（S）
行星架（C）
齿圈（R）
1+R/S
3.4:
1
B
行星架（C）
齿圈（R）
太阳轮（S）
1/（1+S/R）
0.71:
1
C
太阳轮（S）
齿圈（R）
行星架（C）
-R/S
-2.4:
1
另外，将其中任何两个部件锁定在一起，都会将整个装置锁定在1:
1齿轮减速比。
请注意，上面列出的第一个传动比是减速挡——输出速度比输入速度慢。
第二个是超速挡——输出速度比输入速度快。
最后一个又是减速挡，但输出方向相反。
从这个行星齿轮组还能得到其他几种传动比，不过这几种传动比与我们的自动变速器相关。
您可以从下面的动画中试验这几种传动比：
pluginspage="
Version=ShockwaveFlash"quality="high"
src="
>
与自动变速器相关的不同传动比的动画
单击上表左边的按钮。
因此，不需要啮合或脱离任何其他齿轮，这组齿轮就可以产生所有不同的传动比。
两套这样的齿轮组排成一行，就可以得到变速器需要的四个前进挡和一个倒挡。
这个自动变速器使用一组齿轮，这组齿轮称为组合行星齿轮组。
看似单个行星齿轮组，但实际上其运行方式像两个行星齿轮组组合在一起。
该齿轮组具有一个始终作为变速器输出的齿圈、两个太阳轮和两组行星齿轮。
下面我们来看看其中的一些部件：
变速器中的齿轮如何组合在一起
从左到右：
齿圈、行星架、两个太阳轮
下图显示了行星架中的行星齿轮。
请注意，右边的行星齿轮比左边的行星齿轮位置低，并且它不与齿圈啮合，而是与其他行星齿轮啮合。
只有左边的行星齿轮与齿圈啮合。
行星架：
请注意两组行星齿轮。
接下来，您可以看到行星架的内部。
较短的行星齿轮只与较小的太阳轮啮合，较长的行星齿轮既与较大的太阳轮啮合，也与较小的太阳轮啮合。
行星架内部：
请注意两组行星齿轮。
下面的动画显示了所有部件在变速器中是如何啮合传动的。
src="
quality="high"
pluginspage="
Version=ShockwaveFlash"type="application/x-shockwave-flash">
移动换挡杆，观察动力是如何通过变速器传递的。
一挡
在一挡中，较小的太阳轮由液力变矩器中的涡轮顺时针驱动。
行星架要逆时针旋转，但被单向离合器（只允许顺时针方向旋转）固定，齿圈成为输出。
小齿轮有30齿，齿圈有72齿，因此，根据下方的图表，传动比为：
传动比=-R/S=-72/30=-2.4:
1
因此，旋转传动比是负的2.4:
1，这意味着输出方向与输入方向相反。
但输出方向与输入方向实际上相同——这就是两组行星齿轮的奥秘。
第一组行星齿轮与第二组啮合，第二组行星齿轮带动齿圈，这种组合引起反向。
可以看到，这还使较大的太阳轮旋转。
但由于离合器已松开，因此较大的太阳轮能以与涡轮相反的方向（逆时针）自由旋转。
二挡
为了获得二挡所需的传动比，变速器的操作十分巧妙。
它的运作就像两个行星齿轮组通过一个公共的行星架相互连接。
行星架的第一级实际上使用较大的太阳轮作为齿圈。
因此，第一级包括太阳轮（较小的太阳轮）、行星架和齿圈（较大的太阳轮）。
输入是较小的太阳轮、齿圈（较大的太阳轮）由制动带固定，输出是行星架。
对于这一级，由于太阳轮作为输入，行星架作为输出，齿圈固定，因此公式为：
1+R/S=1+36/30=2.2:
1
较小的太阳轮每转动一圈，行星架就转动2.2圈。
在第二级，行星架作为第二个行星齿轮组的输入，较大的太阳轮（不动）作为太阳轮，齿圈作为输出，因此传动比为：
1/（1+S/R）=1/（1+36/72）=0.67:
1
为得到二挡的整体减速比，我们将第一级乘以第二级：
2.2x0.67，得到1.47:
1减速比。
这听起来有点古怪，但的确有效。
三挡
多数自动变速器三挡的传动比为1:
1。
您会记得在上一节中提到我们要得到1:
1的输出，所需做的只是将行星齿轮三个部件中的任意两个锁定在一起。
对于本齿轮组的排列，甚至更简单——所需做的只是啮合离合器，将每个太阳轮锁定到涡轮。
如果两个太阳轮同向转动，行星齿轮会锁住，因为它们只能反向旋转。
这便将齿圈锁定到行星齿轮，使得所有部件作为一个整体旋转，从而产生1:
1的传动比。
超速挡
按照定义，超速挡的输出速度比输入速度快。
它的速度会提高，正好与减速挡相反。
在本变速器中，啮合超速挡会一次完成两件事情。
如果您阅读过液力变矩器工作原理，可能已经了解了锁定液力变矩器。
为了提高效率，某些汽车有一个锁定液力变矩器的机构，以便发动机的输出直接传递到变速器。
在本变速器中，啮合超速挡后，连接到液力变矩器外壳的轴（通过螺栓固定到发动机的飞轮）会通过离合器连接到行星架。
较小的太阳轮空转，较大的太阳轮被超速挡制动带固定。
没有任何部件连接到涡轮，仅有的输入来自变矩器外壳。
我们回到图表，这次以行星架作为输入、太阳轮固定、齿圈作为输出。
传动比=1/（1+S/R）=1/（1+36/72）=0.67:
1
因此，发动机每转动三分之二圈，输出装置就旋转一圈。
如果发动机转速为2000转/分（RPM），则输出速度为3000RPM。
这使得在保持发动机转速缓慢的同时，汽车可以以高速行驶。
倒挡
倒挡和一挡极为类似，但由液力变矩器涡轮驱动的不是较小而是较大的太阳轮，较小的太阳轮反向空转，行星架被倒挡制动带固定到外壳上。
因此，根据上一页的公式，传动比为：
传动比=-R/S=72/36=2.0:
1
这样，本变速器中，倒挡的传动比略小于一挡的传动比。
传动比
本变速器有四个前进挡和一个倒挡。
下面让我们来总结一下传动比、输入和输出：
挡位
输入
输出
固定
传动比
一挡
30齿太阳轮
72齿齿圈
行星架
2.4:
1
二挡
30齿太阳轮
行星架
36齿齿圈
2.2:
1
行星架
72齿齿圈
36齿太阳轮
0.67:
1
二挡总计
1.47:
1
三挡
30齿和36齿太阳轮
72齿齿圈
1.0:
1
超速挡
行星架
72齿齿圈
36齿太阳轮
0.67:
1
倒挡
36齿太阳轮
72齿齿圈
行星架
-2.0:
1
阅读了上述内容后，您大概想知道不同的输入装置是如何连接和断开的，其实这些装置是通过变速器内部的一系列离合器和制动带完成的。
接下来，我们将了解这些离合器和制动带如何工作。
离合器和制动带
在本变速器中，啮合超速挡后，连接到液力变矩器外壳的轴（通过螺栓固定到发动机的飞轮）会通过离合器连接到行星架。
较小的太阳轮空转，较大的太阳轮被超速挡制动带固定。
没有任何部件连接到涡轮，仅有的输入来自变矩器外壳。
为了将变速器转到超速挡，必须通过离合器和制动带连接和断开许多部件。
行星架通过离合器连接到液力变矩器外壳。
较小的太阳轮通过离合器从涡轮断开，使其能够空转。
较大的太阳轮通过制动带固定到外壳，使其无法旋转。
每次换挡都触发一系列类似的操作，只不过啮合与脱离的离合器和制动带不同。
下面让我们观察一下制动带。
在本变速器中，有两副制动带。
变速器中的制动带实际上是钢带，缠绕在齿轮系的截面上，连接到外壳，它们通过变速器壳内的液压缸驱动。
其中一个副制动带
在上图中，您可以在变速器的外壳中看到其中一条制动带。
齿轮系已移除，金属杆连接到活塞，而活塞驱动制动带。
此处可以看到驱动制动带的活塞。
在上图中，您可以看到驱动钢带的两个活塞。
通过一组气门传送到气缸的液压使活塞推动钢带，将这个齿轮传动系的部件固定在外壳中。
变速器中的离合器有一点复杂。
在本变速器中有四个离合器，每个离合器都是由增压过的液压油驱动，这些液压油进入到离合器内的活塞中。
当弹簧确保当压力下降时，离合器松开。
下面您可以看到活塞和离合器鼓。
请注意活塞上的橡胶密封圈——当保养变速器时，它是要更换的部件之一。
变速器中的一个离合器
下图显示的是离合器摩擦材料和钢片的交互层。
摩擦材料在内部用花键连接，从这里锁定到其中一个齿轮；钢片在外部用花键连接，从这里锁定到离合器壳。
在大修变速器时，也要更换这些离合器片。
离合器片
通过轴上的通道为离合器提供压力，可以在任何时刻用液压系统来激发那些离合器和制动带。
如果汽车挂驻车挡
锁住变速器不让它旋转似乎很简单，但实际上对这种装置有一些复杂的要求：
汽车在斜坡上时，必须能脱离啮合（汽车的自重施加在机构上）。
即使换挡杆没有与齿轮对齐，您也必须能够接合此机构。
一旦接合，某个部件必须阻止换挡杆弹出和脱开。
要达到所有这些要求的机构相当精妙，接下来让我们首先观察其中的一些部件。
变速器的输出：
方形槽口被驻车制动器机构啮合，保持汽车静止。
驻车制动器装置啮合输出装置上的齿，从而保持汽车静止。
变速器的该部位钩住驱动轴。
因此，如果该部位不旋转，汽车不会运动。
驻车制动器机构穿过变速器的空壳，如同汽车驻车时那样。
从上图中，您看到驻车装置凸出到齿轮所在的壳体中。
请注意它有锥形边缘，这有助于在斜坡上驻车时，将驻车制动器脱离啮合——由于锥角的存在，汽车的重力可帮助将驻车装置推出位置。
此杆驱动驻车机构。
此杆连接到一根由车中的换挡杆所操纵的拉线。
驻车机构顶视图
当换挡杆置于驻车挡时，该杆推动弹簧紧靠小的锥形衬套。
如果驻车装置已对齐，从而可以落入输出轴齿轮部分中的一个槽口，那么锥形衬套会向下推动驻车装置。
如果该装置是在输出轴的某个高点上对齐，那么弹簧将推动锥形衬套，但换挡杆只有在汽车稍微移动并且齿正确对齐时才会锁入位。
这就是为何有时候在你挂到驻车挡且松开制动踏板之后，汽车会移动很小距离的原因——它必须滚动少量距离，从而使得轮齿对齐，驻车装置落入适当的位置。
一旦安全驻车，衬套将压住换挡杆不动。
所以即使汽车在坡上，换挡杆也不会弹出驻车挡。
汽车上的自动变速器必须完成很多任务，您可能没有意识到它的运行方式如此之多。
例如，以下是自动变速器的一些功能：
如果汽车位于超速挡（在四速变速器上），变速器将根据车速和节气门踏板位置，自动选择齿轮。
如果您缓慢加速，则换挡速度会比您在节气门全开状态下加速的换挡速度要低。
如果您把加速踏板踩到底，变速器将降到下一个较低挡。
如果您将选挡杆移到某个低挡，只要车速对于这一挡来说不是太快，变速器就会降挡。
如果车速太快，它将等到车慢下来，然后降挡。
如果您将变速器挂到二挡，那么，除非您移动换挡杆，否则即使变速器完全停止也不再降挡或升挡。
您之前可能已看到过类似的东西，这的确是自动变速器的大脑，它管理所有这些功能，甚至还有更多功能。
您所看到的通道将变速器油引到变速器中的所有不同部件。
浇铸到金属中的通道是一种高效的流体引导工具，如果没有它们，您将需要很多软管来连接变速器的各种部件。
接下来，我们将讨论液压系统的关键部件。
然后，我们再来观察它们是如何一起工作的。
自动变速器有一个精妙的泵，称为齿轮泵。
这个泵通常位于变速器的盖中，它从变速器底部的贮槽中抽取变速器油并供应到液压系统。
此外，它还供应变速器的冷却器和液力变矩器。
自动变速器的齿轮泵
泵的内部齿轮连在液力变矩器的壳上，因此它与以发动机相同的转速旋转。
内部齿轮带动外部齿轮转动，在齿轮转动时，变速器油从月牙形一侧的贮槽抽出，被推到另一侧的液压系统。
调速器是一个聪明的阀，它可以告诉变速器汽车的速度。
它连接到输出装置，因此汽车运动越快，调速器旋转就越快。
调速器内部是一个弹簧加载阀，它的打开程度与调速器旋转速度成正比，即调速器旋转越快，阀打开程度越大。
变速器油从泵通过输出轴供应到调速器。
车速越快，调速器打开程度越大，它允许通过的液体压力就越大。
调速器
为正确换挡，自动变速器必须了解发动机的负载状况。
它通过两种不同方式做到这点。
某些汽车有一个简单的拉线连杆，连接到变速器中的节气阀。
加速踏板踩下的越多，施加给节气阀的压力就越大。
另一些汽车则使用真空调节器，向节气阀施加压力。
真空调节器感知总管压力，当发动机负载加大时，总管压力便下降。
换挡杆连接到手动阀。
根据所选的齿轮，手动阀供应抑制相应齿轮的液压回路。
例如，如果换挡杆位于三挡，它会供应防止超速挡啮合的回路。
换挡阀将液压供应到离合器和制动带，以啮合各个齿轮。
变速器的阀体包含数个换挡阀，换挡阀确定何时从一个挡位换挡到下一个挡位。
例如，1到2换挡阀确定了何时从第一挡换到二挡。
换挡阀通过来自一侧调速器的液体加压，节气阀则通过另一侧的调速器加压，它们共同由泵来供应液体，将液体引到两个回路之一，以控制汽车以哪个挡位运行。
换挡回路
如果汽车飞快加速，换挡阀将延迟换挡；反之，如果汽车缓慢加速，将在较低的速度下换挡。
接下来让我们讨论一下当汽车缓慢加速时的情形。
随着汽车速度提升，来自调速器的压力逐渐累积。
这使得换挡阀超压，直到一挡回路关闭，二挡回路打开。
由于汽车在节气门略微打开的情况下加速，因此节气阀无法对换挡阀提供很大的压力。
当汽车飞快加速时，节气阀对换挡阀提供更大的压力。
这意味着，来自调速器的压力必须更高（从而车速必须更快）。
只有这样，换挡阀才能移动足够距离，以啮合二挡。
每个换挡阀对应特定的压力范围，因此当汽车速度较快时，将由2到3换挡阀接管，因为来自调速器的压力足以触发该阀。
有时，在某些新型汽车上出现了电控变速器，它仍使用液压来驱动离合器和制动带，但每个液压回路都是通过电磁阀来控制的。
这便简化了变速器上的管道系统，可实现更高级的控制模式。
在上一节中，我们已看到机械控制变速器所用的一些控制策略。
而电控变速器的控制模式则更为精妙：
除了监视车速和节气门位置以外，变速器控制器还能监视发动机转速，监视驾驶者是否在踩制动踏板，甚至监视防抱死制动系统。
通过使用这些信息以及基于模糊逻辑的高级控制策略（模糊逻辑是一种编程控制系统使用人类推理的方法），电控变速器可完成以下工作：
下坡时自动降挡，以控制速度并减少制动器磨损
在光滑表面刹车时升挡，以减小发动机施加的制动力矩
在蜿蜒的公路上转弯时限制升挡
下面让我们来说说最后一项功能——在蜿蜒的公路上转弯时限制升挡。
假定您正在蜿蜒的山路上开车上坡，当您在道路的直线部分驾驶时，变速器换到二挡，给您足够的加速度和爬坡动力。
当您进入弯道时会减速，将脚从加速踏板移开，可能还要踩刹车。
当您将脚从加速踏板移开时，大多数变速器将升到三挡，甚至超速挡。
然后，当您出弯加速时，它们再降挡。
但是，如果您在驾驶手动变速器的汽车，可能会在整个过程中将汽车置于同一挡位。
当您经历了几次这样的弯道之后，某些具有高级控制系统的自动变速器可以探测到此情况，并“学会”不再升挡。
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