汽车自动变速器结构原理与故障分析

1第一章汽车自动变速器技术发展1.1汽车自动变速器的发展历程1914年德国奔驰汽车公司推出第一台全自动齿轮变速器，第一次实践了汽车的自动变速。但是，由于当时技术复杂和价格昂贵，这种技术并未得到普遍认可。20世纪30年代为了解决城市公共汽车频繁起步带来的麻烦，提高乘坐舒适性，自动变速器技术开始与公共汽车。第二次世界大战期间，利用自动变速器的军用越野车大大提高了越野通用性，体现出自动变速器的另一个长处。1940年美国通用奥兹莫比尔汽车公司在其批量生产的轿车上装用了带有液力元件的自动变速器直到1948年Dynaflow全自动变速器的问世，现代汽车自动变速器的雏形基本形成随后的近半个世纪以来，自动变速器技术逐渐发展，自动换挡系统从全液压控制型电子液压控制执行型，特别是近二十年伴随计算机技术的飞速发展，自动变速控制技术日臻成熟，自动变速器在轿车和城市大型客车上的使用已开始普及。经过几十年的发展，自动变速器已经出现了多种类型，其中包括液力机械式自动变速器(AutomaticTransmission,简称AT)、机械式自动变速器(AutomaticMechanicalTransmission,简称AMT)和无级自动变速器(ContinuouslyVariableTransmission,简称CVT)等三种结构形式1.2自动变速器的分类及功能1.2.1液力自动变速器液力自动变速器已走过了六十多年的历史，其技术成熟，性能可靠。对液力自动变速器的研究，主要围绕提高效率而展开。20世纪60年代研究重点是采用多元件工作轮，)70年代是使用闭锁离合器，80年代则采取增加行星齿轮变速器档位的方法及使用电子控制。最近几年，传统的液力自动变速器通过采用CAD/CAM技术来提高液力变矩器效率，增加行星齿轮变速器的档位以及电子技术的应用，液力自动变速器的性能已相当完善。现在的液力自动变速器可通过微电脑对整个传动系统进行控制。由各种电子传感器和微电脑组成的电控单元，根据各传感元件输入的信号确定换档和锁定时机，发出信号，控制执行元件，电磁阀动作，完成电控单元下达的换档、锁止等命令。2002年，通用汽车公司和福特汽车公司达成协议，共同开发用于前轮驱动汽车的6档自动变速器，预计其燃油经济性将比传统4档自动变速器提高4%——8%，此种变速器有望在2005年后投入使用。ZF分司也正在研究)档自动变速器——7P-transimssion,该变速器用由双片飞轮组成的湿式离合器代替变换器，能提高加速性能和燃油经济性，减小排放，而且与5档自动变速器相比，体积更小，质量更轻。液力自动变速器的应用范围广，可装备轿车、客车、货车等各种车型，在汽车自动变速器行业中占有主导地位。1.2.2电控机械式自动变速器继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2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31.4.1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。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。4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5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。11-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