自動變速器工作原理 如果您駕駛過配備自動變速器的汽車，則應(yīng)該知道自動變速器和手動變速器之間有兩個主要區(qū)別：
在本文中，我們將詳細講述自動變速器的原理。
首先您將了解整套系統(tǒng)的關(guān)鍵部件：行星齒輪組。然后，我們將告訴您變速器的裝配、控制裝置的工作原理，并討論在變速器的控制中涉及到的一些難點。 與手動變速器一樣，自動變速器的主要工作是讓發(fā)動機在較窄的轉(zhuǎn)速范圍下運行，并且提供較寬的輸出速度范圍。
如果沒有變速器，汽車將會只有一種傳動比，而我們也只能選擇讓汽車以所需的最大速度行駛的那種傳動比。 如果您想要的最大速度是130公里/小時，那么傳動比應(yīng)類似于大多數(shù)手動變速器中的三擋。 您可能從來沒嘗試過僅用三擋來駕駛配備手動變速器的汽車。如果體驗一下，您很快會發(fā)現(xiàn)在起動時幾乎沒有加速感。高速行駛時，發(fā)動機會發(fā)出尖叫，轉(zhuǎn)速表會接近紅線。這樣的汽車很快就會磨損，以至于幾乎無法駕駛。 因此，變速器使用齒輪，以便更有效地利用發(fā)動機的扭矩，從而保持發(fā)動機在合適的轉(zhuǎn)速下運行。 手動變速器和自動變速器之間的關(guān)鍵不同在于：前者將不同組的齒輪分別鎖定到輸出軸，以得到各種傳動比；而在自動變速器中，同一組齒輪就可得到所有不同的傳動比，自動變速器則是通過行星齒輪組來實現(xiàn)這一功能的。 下面讓我們來了解行星齒輪組的工作原理。 當(dāng)我們分解自動變速器以了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，會發(fā)現(xiàn)其在相當(dāng)小的空間內(nèi)容納了各種各樣的部件。除了其他部件外，您還會看到：
我們關(guān)注的重點是行星齒輪組。
這個部件的大小與甜瓜相仿，它產(chǎn)生變速器所能生成的所有不同傳動比。變速器內(nèi)的其他所有部件都是為了幫助行星齒輪組完成此工作。博聞網(wǎng)之前已經(jīng)介紹過這種神奇的齒輪裝置，您可以從電動螺絲刀一文中認識這種裝置。自動變速器包含兩套完整的行星齒輪組，它們組合成一個部件。有關(guān)行星齒輪組的介紹，請參見齒輪比原理。
所有行星齒輪組都有三個主要部件：
每種部件可以作為輸入、輸出，也可以保持不動。 當(dāng)各種部件擔(dān)任不同角色時，可相應(yīng)得到齒輪組的某一傳動比。下面讓我們觀察單個行星齒輪組。
變速器中的一個行星齒輪組包括一個72齒的齒圈和一個30齒的太陽輪。通過該齒輪組，可以得到很多不同的傳動比。
另外，將其中任何兩個部件鎖定在一起，都會將整個裝置鎖定在1:1齒輪減速比。 請注意，上面列出的第一個傳動比是減速擋——輸出速度比輸入速度慢。第二個是超速擋——輸出速度比輸入速度快。最后一個又是減速擋，但輸出方向相反。 從這個行星齒輪組還能得到其他幾種傳動比，不過這幾種傳動比與我們的自動變速器相關(guān)。您可以從下面的動畫中試驗這幾種傳動比： 因此，不需要嚙合或脫離任何其他齒輪，這組齒輪就可以產(chǎn)生所有不同的傳動比。兩套這樣的齒輪組排成一行，就可以得到變速器需要的四個前進擋和一個倒擋。在下一節(jié)中，我們會將這兩組齒輪放在一起。 這個自動變速器使用一組齒輪，這組齒輪稱為組合行星齒輪組?？此茊蝹€行星齒輪組，但實際上其運行方式像兩個行星齒輪組組合在一起。該齒輪組具有一個始終作為變速器輸出的齒圈、兩個太陽輪和兩組行星齒輪。 下面我們來看看其中的一些部件：
下圖顯示了行星架中的行星齒輪。請注意，右邊的行星齒輪比左邊的行星齒輪位置低，并且它不與齒圈嚙合，而是與其他行星齒輪嚙合。只有左邊的行星齒輪與齒圈嚙合。
接下來，您可以看到行星架的內(nèi)部。較短的行星齒輪只與較小的太陽輪嚙合，較長的行星齒輪既與較大的太陽輪嚙合，也與較小的太陽輪嚙合。
一擋 因此，旋轉(zhuǎn)傳動比是負的2.4:1，這意味著輸出方向與輸入方向相反。但輸出方向與輸入方向?qū)嶋H上相同——這就是兩組行星齒輪的奧秘。第一組行星齒輪與第二組嚙合，第二組行星齒輪帶動齒圈，這種組合引起反向?？梢钥吹剑@還使較大的太陽輪旋轉(zhuǎn)。但由于離合器已松開，因此較大的太陽輪能以與渦輪相反的方向（逆時針）自由旋轉(zhuǎn)。 二擋 行星架的第一級實際上使用較大的太陽輪作為齒圈。 因此，第一級包括太陽輪（較小的太陽輪）、行星架和齒圈（較大的太陽輪）。 輸入是較小的太陽輪、齒圈（較大的太陽輪）由制動帶固定，輸出是行星架。對于這一級，由于太陽輪作為輸入，行星架作為輸出，齒圈固定，因此公式為： 較小的太陽輪每轉(zhuǎn)動一圈，行星架就轉(zhuǎn)動2.2圈。 在第二級，行星架作為第二個行星齒輪組的輸入，較大的太陽輪（不動）作為太陽輪，齒圈作為輸出，因此傳動比為： 為得到二擋的整體減速比，我們將第一級乘以第二級：2.2x0.67，得到1.47:1減速比。這聽起來有點古怪，但的確有效。 三擋 如果兩個太陽輪同向轉(zhuǎn)動，行星齒輪會鎖住，因為它們只能反向旋轉(zhuǎn)。這便將齒圈鎖定到行星齒輪，使得所有部件作為一個整體旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生1:1的傳動比。 超速擋 在本變速器中，嚙合超速擋后，連接到液力變矩器外殼的軸（通過螺栓固定到發(fā)動機的飛輪）會通過離合器連接到行星架。較小的太陽輪空轉(zhuǎn)，較大的太陽輪被超速擋制動帶固定。沒有任何部件連接到渦輪，僅有的輸入來自變矩器外殼。我們回到圖表，這次以行星架作為輸入、太陽輪固定、齒圈作為輸出。 因此，發(fā)動機每轉(zhuǎn)動三分之二圈，輸出裝置就旋轉(zhuǎn)一圈。如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2000 轉(zhuǎn)/分（RPM），則輸出速度為3000RPM。這使得在保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速緩慢的同時，汽車可以以高速行駛。 倒擋
這樣，本變速器中，倒擋的傳動比略小于一擋的傳動比。 傳動比
閱讀了上述內(nèi)容后，您大概想知道不同的輸入裝置是如何連接和斷開的，其實這些裝置是通過變速器內(nèi)部的一系列離合器和制動帶完成的。接下來，我們將了解這些離合器和制動帶如何工作。
在上一節(jié)中，我們討論了變速器如何得到每種傳動比。例如，當(dāng)我們討論超速擋時，我們說： 在本變速器中，嚙合超速擋后，連接到液力變矩器外殼的軸（通過螺栓固定到發(fā)動機的飛輪）會通過離合器連接到行星架。較小的太陽輪空轉(zhuǎn)，較大的太陽輪被超速擋制動帶固定。沒有任何部件連接到渦輪，僅有的輸入來自變矩器外殼。 為了將變速器轉(zhuǎn)到超速擋，必須通過離合器和制動帶連接和斷開許多部件。行星架通過離合器連接到液力變矩器外殼。較小的太陽輪通過離合器從渦輪斷開，使其能夠空轉(zhuǎn)。較大的太陽輪通過制動帶固定到外殼，使其無法旋轉(zhuǎn)。每次換擋都觸發(fā)一系列類似的操作，只不過嚙合與脫離的離合器和制動帶不同。下面讓我們觀察一下制動帶。 在本變速器中，有兩副制動帶。變速器中的制動帶實際上是鋼帶，纏繞在齒輪系的截面上，連接到外殼，它們通過變速器殼內(nèi)的液壓缸驅(qū)動。
在上圖中，您可以在變速器的外殼中看到其中一條制動帶。齒輪系已移除，金屬桿連接到活塞，而活塞驅(qū)動制動帶。
在上圖中，您可以看到驅(qū)動鋼帶的兩個活塞。通過一組氣門傳送到氣缸的液壓使活塞推動鋼帶，將這個齒輪傳動系的部件固定在外殼中。 變速器中的離合器有一點復(fù)雜。在本變速器中有四個離合器，每個離合器都是由增壓過的液壓油驅(qū)動，這些液壓油進入到離合器內(nèi)的活塞中。當(dāng)彈簧確保當(dāng)壓力下降時，離合器松開。下面您可以看到活塞和離合器鼓。請注意活塞上的橡膠密封圈——當(dāng)保養(yǎng)變速器時，它是要更換的部件之一。
下圖顯示的是離合器摩擦材料和鋼片的交互層。摩擦材料在內(nèi)部用花鍵連接，從這里鎖定到其中一個齒輪；鋼片在外部用花鍵連接，從這里鎖定到離合器殼。在大修變速器時，也要更換這些離合器片。
通過軸上的通道為離合器提供壓力，可以在任何時刻用液壓系統(tǒng)來激發(fā)那些離合器和制動帶。 如果汽車掛駐車擋
要達到所有這些要求的機構(gòu)相當(dāng)精妙，接下來讓我們首先觀察其中的一些部件。
駐車制動器裝置嚙合輸出裝置上的齒，從而保持汽車靜止。變速器的該部位鉤住驅(qū)動軸。因此，如果該部位不旋轉(zhuǎn)，汽車不會運動。
從上圖中，您看到駐車裝置凸出到齒輪所在的殼體中。請注意它有錐形邊緣，這有助于在斜坡上駐車時，將駐車制動器脫離嚙合——由于錐角的存在，汽車的重力可幫助將駐車裝置推出位置。
此桿連接到一根由車中的換擋桿所操縱的拉線。
當(dāng)換擋桿置于駐車擋時，該桿推動彈簧緊靠小的錐形襯套。如果駐車裝置已對齊，從而可以落入輸出軸齒輪部分中的一個槽口，那么錐形襯套會向下推動駐車裝置。如果該裝置是在輸出軸的某個高點上對齊，那么彈簧將推動錐形襯套，但換擋桿只有在汽車稍微移動并且齒正確對齊時才會鎖入位。這就是為何有時候在你掛到駐車擋且松開制動踏板之后，汽車會移動很小距離的原因——它必須滾動少量距離，從而使得輪齒對齊，駐車裝置落入適當(dāng)?shù)奈恢谩? 一旦安全駐車，襯套將壓住換擋桿不動。所以即使汽車在坡上，換擋桿也不會彈出駐車擋。 汽車上的自動變速器必須完成很多任務(wù)，您可能沒有意識到它的運行方式如此之多。 例如，以下是自動變速器的一些功能：
您之前可能已看到過類似的東西，這的確是自動變速器的大腦，它管理所有這些功能，甚至還有更多功能。您所看到的通道將變速器油引到變速器中的所有不同部件。澆鑄到金屬中的通道是一種高效的流體引導(dǎo)工具，如果沒有它們，您將需要很多軟管來連接變速器的各種部件。接下來，我們將討論液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。然后，我們再來觀察它們是如何一起工作的。 自動變速器有一個精妙的泵，稱為齒輪泵。這個泵通常位于變速器的蓋中，它從變速器底部的貯槽中抽取變速器油并供應(yīng)到液壓系統(tǒng)。此外，它還供應(yīng)變速器的冷卻器和液力變矩器。
泵的內(nèi)部齒輪連在液力變矩器的殼上，因此它與以發(fā)動機相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。內(nèi)部齒輪帶動外部齒輪轉(zhuǎn)動，在齒輪轉(zhuǎn)動時，變速器油從月牙形一側(cè)的貯槽抽出，被推到另一側(cè)的液壓系統(tǒng)。 調(diào)速器是一個聰明的閥，它可以告訴變速器汽車的速度。它連接到輸出裝置，因此汽車運動越快，調(diào)速器旋轉(zhuǎn)就越快。調(diào)速器內(nèi)部是一個彈簧加載閥，它的打開程度與調(diào)速器旋轉(zhuǎn)速度成正比，即調(diào)速器旋轉(zhuǎn)越快，閥打開程度越大。變速器油從泵通過輸出軸供應(yīng)到調(diào)速器。 車速越快，調(diào)速器打開程度越大，它允許通過的液體壓力就越大。
為正確換擋，自動變速器必須了解發(fā)動機的負載狀況。它通過兩種不同方式做到這點。某些汽車有一個簡單的拉線連桿，連接到變速器中的節(jié)氣閥。加速踏板踩下的越多，施加給節(jié)氣閥的壓力就越大。另一些汽車則使用真空調(diào)節(jié)器，向節(jié)氣閥施加壓力。真空調(diào)節(jié)器感知總管壓力，當(dāng)發(fā)動機負載加大時，總管壓力便下降。 換擋桿連接到手動閥。根據(jù)所選的齒輪，手動閥供應(yīng)抑制相應(yīng)齒輪的液壓回路。例如，如果換擋桿位于三擋，它會供應(yīng)防止超速擋嚙合的回路。 換擋閥將液壓供應(yīng)到離合器和制動帶，以嚙合各個齒輪。變速器的閥體包含數(shù)個換擋閥，換擋閥確定何時從一個擋位換擋到下一個擋位。例如，1到2換擋閥確定了何時從第一擋換到二擋。換擋閥通過來自一側(cè)調(diào)速器的液體加壓，節(jié)氣閥則通過另一側(cè)的調(diào)速器加壓，它們共同由泵來供應(yīng)液體，將液體引到兩個回路之一，以控制汽車以哪個擋位運行。
如果汽車飛快加速，換擋閥將延遲換擋；反之，如果汽車緩慢加速，將在較低的速度下?lián)Q擋。接下來讓我們討論一下當(dāng)汽車緩慢加速時的情形。 隨著汽車速度提升，來自調(diào)速器的壓力逐漸累積。 這使得換擋閥超壓，直到一擋回路關(guān)閉，二擋回路打開。 由于汽車在節(jié)氣門略微打開的情況下加速，因此節(jié)氣閥無法對換擋閥提供很大的壓力。 當(dāng)汽車飛快加速時，節(jié)氣閥對換擋閥提供更大的壓力。這意味著，來自調(diào)速器的壓力必須更高（從而車速必須更快）。只有這樣，換擋閥才能移動足夠距離，以嚙合二擋。 每個換擋閥對應(yīng)特定的壓力范圍，因此當(dāng)汽車速度較快時，將由2到3換擋閥接管，因為來自調(diào)速器的壓力足以觸發(fā)該閥。 有時，在某些新型汽車上出現(xiàn)了電控變速器，它仍使用液壓來驅(qū)動離合器和制動帶，但每個液壓回路都是通過電磁閥來控制的。這便簡化了變速器上的管道系統(tǒng)，可實現(xiàn)更高級的控制模式。 在上一節(jié)中，我們已看到機械控制變速器所用的一些控制策略。而電控變速器的控制模式則更為精妙：除了監(jiān)視車速和節(jié)氣門位置以外，變速器控制器還能監(jiān)視發(fā)動機轉(zhuǎn)速，監(jiān)視駕駛者是否在踩制動踏板，甚至監(jiān)視防抱死制動系統(tǒng)。 通過使用這些信息以及基于模糊邏輯的高級控制策略（模糊邏輯是一種編程控制系統(tǒng)使用人類推理的方法），電控變速器可完成以下工作：
下面讓我們來說說最后一項功能——在蜿蜒的公路上轉(zhuǎn)彎時限制升擋。假定您正在蜿蜒的山路上開車上坡，當(dāng)您在道路的直線部分駕駛時，變速器換到二擋，給您足夠的加速度和爬坡動力。當(dāng)您進入彎道時會減速，將腳從加速踏板移開，可能還要踩剎車。當(dāng)您將腳從加速踏板移開時，大多數(shù)變速器將升到三擋，甚至超速擋。然后，當(dāng)您出彎加速時，它們再降擋。但是，如果您在駕駛手動變速器的汽車，可能會在整個過程中將汽車置于同一擋位。當(dāng)您經(jīng)歷了幾次這樣的彎道之后，某些具有高級控制系統(tǒng)的自動變速器可以探測到此情況，并“學(xué)會”不再升擋。 |
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