自动变速箱与液力变矩器工作原理

自动变速箱之蔡仲巾千创作时间：二O二一年七月二十九日自动变速箱简称AT,全称Auto Transmission,它是由液力 变扭器、行星齿轮和液压把持系统组成，通过液力传递和齿轮组合 的方式来到达变速变矩.和手动挡相比，自动变速箱在结构和使用上有很年夜分歧. 手动挡主要通过调节分歧齿轮组合来更换挡位，而自动变速箱是通 过液力传递和齿轮组合的方式来到达变速的目的.其中液力变扭器 是自动变速箱最具特点的部件，它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成, 泵轮和涡轮是一对工作组合，泵轮通过液体带动涡轮旋转,而泵轮 和涡轮之间的导轮通过反作用力使泵轮和涡轮之间实现转速差并 实现变速变矩功能,对驾驶者来说，您只需要以分歧力度踩住踏板， 变速箱就可以自动进行挡位升降.由于液力变矩器自动变速变矩范 围不够年夜，因此在涡轮后面再串连几排行星齿轮提高效率，液压 把持系统会随发念头工作变动自行把持行星齿轮，从而实现自动变 速变矩.为了满足行驶过程中的多种需要（如停车、倒车）等，自动 变速箱还设有一些手动拨杆位置，像P挡（停泊）、R挡（后挡）、N 挡（空档）、D挡（前进）等.从性能上说自动变速箱的挡位越多，车在行驶过程中也就 越平顺，加速性也越好,而且更加省油.除提供轻松惬意的驾驶感受, 自动变速箱也有无法克服的缺陷.自动变速箱的动力响应不够直接, 这使它在“驾驶乐趣”方面稍显缺乏.另外，由于采纳液力传动，这 使自动挡变速箱传递的动力有所损失.手自一体自动变速箱手自一体变速箱的呈现其实就是为了提高自动变速箱的经 济性和操控性而增加的设置，让原来电脑自动决定的换挡时机重新 回到驾驶员手中.同时，如果在城市内堵车情况下，还是可以随时切 换回自动挡.手自一体自动变速箱实际上还是自动变速箱的一种，最早 呈现在保时捷911上，手自一体变速箱通过电控系统模拟出手动变 速箱的把持.它的呈现，在把持上给予驾驶者更年夜的自由度，可以 通过档把上的加减档或者方向盘上的换挡拨片来选择自己认为合 适的挡位和换挡时机，从而年夜年夜提高了驾驶乐趣.上面只是简单介绍了自动变速箱的年夜体结构和工作原理, 如果你想详细了解自动变速箱的具体结构请看下文.自动变速箱的基本结构及其工作原理自动变速器的核心部件为：液力变矩器、行星齿轮组、离 合器/制动器及其控制机构（电磁阀、油路），外围设备即为变速 器壳体、传动轴等.我们就从动力流向为顺序，先从液力变矩器开 始说起.液力变矩器曾有一种说法,AT上的液力变矩器相当于MT上的离合器， 起到动力的连接和中断的作用.其实这种说法是毛病的.AT与发念 头曲轴是直接连接的，不像MT有一个动力的开关：离合器.所以从 焚烧的瞬间开始，液力变矩器便开始转动了，对动力的连接和中断, 仍由齿轮箱内部的离合器来完成，液力变矩器唯一与MT离合器相 似的处所，也就是液力变矩器“软连接”的特性，与MT离合器的“半联动”工况相近.液力变矩器的工作原理就像两个风扇相对，一个风扇工作， 然后将另一个不工作的风扇吹动.这个比如可以很形象的解释液力 变矩器中泵轮和涡轮之间的工作关系.不外详细解释其工作原理， 则有些复杂.动力输出之后，带动与变矩器壳体相连的泵轮，泵轮搅动变 矩器中的自动变速箱油（以下简称ATF）,带动涡轮转动,ATF在壳 体中是一个循环的举措，由于泵轮旋转时的离心力,ATF会在泵轮 的作用下，甩向外侧，冲向前方的涡轮，再流向轴心位置,回到泵轮 一侧，如此周而复始的循环,将动力传向与齿轮箱连接的涡轮.不外只有该零部件和传动方式,只能称为液力耦合器，若想 成为液力变矩器,肯定要改变涡轮叶片的形状，这样一来,ATF在经 过涡轮再循环回泵轮时，会与泵轮旋转方向相反,因而造成冲击，所 以为了成为液力变矩器还需另一个部件：导轮.导轮是存在于泵轮 和涡轮之间的一个部件，用于调节壳体中ATF液流方向，通过单向 离合器与箱体固定.有了导轮,才有了 “变矩”的灵魂所在，在泵轮与涡轮转速 差较年夜时,动力输出的扭矩也变年夜了，此时的变矩器想当一个 无级变速器，通过转速差来提升扭矩，此时导轮处于固定状态，用以 调节ATF回流；而当转速差降低，涡轮泵轮耦合或锁止时,扭矩接 近对等，无需增矩，导轮随泵轮和涡轮同向转动，防止自身搅动ATF, 造成动力的损耗.至此我们了解到了液力变矩器的最年夜特点一一软连接， 而这种动力的传输方式起到了两年夜功能：1、从静止到低速时的 平稳起步；2、在加速过程中，较年夜动力输出时，起到增年夜扭矩 的作用.如果与MT上的离合器相比力,则需注意的是，第一条起到 了并优化了 MT上离合器的功能,但第二条则是离合器无法实现的.但液力变矩器这先天“软连接”特点有一个弱点，动力不 是直接输出的，在扭矩输出对等是，泵轮的转速要年夜于涡轮这样 的话在传输动力时,ATF还在壳体中循环，浪费了动力，所以目前几 乎所有液力变矩器都有一个高效节能的部件：液力变矩器锁止器. 锁止器的形式是一个多片离合器，其作用就是当变矩器处于耦合状 态，无需增矩时，将泵轮和涡轮锁止，这样的话动力传递即为“硬连 接”，全部的无损（或者说有微量的动力流失）的将从曲轴传递到 了下一站：变速箱.简单解释一下上图：i轴为转速比,暗示涡轮与泵轮转速 之比,左端泵轮转速远年夜于涡轮，右边相等.起步或年夜脚油门时, 转速比力小，泵轮比涡轮快很多，此时泵轮输出的扭矩要比涡轮输 入扭矩年夜很多，比力有力，但传动效率较低；轻踩油门,转速比增 加，变矩比降低，传动效率也相应提高，转速比为60%时,效率最 高；当稳定油门，速度较为稳定是，转速比进一步上升，变矩比接近 1,但此时传动效率下降；为防止动力流失，变矩器用离合器锁止， 转速比骤增至1,效率也到达最高.液力变矩器其实不是AT的特征液力变矩器不是AT特有，一些CVT变速器也使用了液力变 矩器作为优化动力的机构；AT也不是绝对使用液力变矩器来实现 软连接的,例如某些奔跑AMG车型上用的Speedshift MCT自动变 速器，就用一副多片离合器取代了液力变矩器.所以液力变矩器其 实不是AT最年夜的特点，与多组离合器/制动器协同工作的行星齿 轮组，才是自动变速器的最年夜特点.行星齿轮以及AT齿轮箱中的行星齿轮组在MT 上,每一个档位都有一组两个常啮合齿轮副,更换档 位只需要将输出轴与该档位输出齿轮的花键连接即可.而AT中，其 实不是这么多的齿轮在工作,而是用一种非常共同的方式来完成变 换：行星齿轮组.我们先来看下，一个最基础的三元行星齿轮有着 怎样的特性：『行星齿轮组模型』而行星齿轮的最年夜特性即为，在组合出分歧的输入输出 轮之后，齿比和输入输出的相对方向城市有变动，这种特性用作汽 车变速器可是再适合不外了.而为了增加档位，汽车上的行星齿轮 升级成了齿轮组、齿轮排,再通过一系列执行器即可以完成换挡了.AT执行器：离合器、单向离合器、制动器上面我们了解到,一组行星齿轮有着怎样的变换形式，而负 责变换，以及用来输入输出的元件,就是一系列的执行器：离合 器、单向离合器、制动器.有了这些执行器,就可以将行星齿轮进 行分歧组合，从而配搭出分歧的动力流，也有了分歧的传动比.而控 制这些把持的，就是与其配套的油泵、滑阀、液压活塞，以及复杂 的液压线路.『图为老别克君威4T65E自动变速器,空挡时各个部件位置以及工作情况』『在多个执行器与行星齿轮的分歧组合下，形成了分歧的档位』至此，来自发念头的动力便完成了重组，将时刻变动的扭矩 和转速，传递给车轮.相比MT,便捷性提升,而内部结构和工作情况 则复杂很多.TiptronicTiptronic技术变速器由保时捷发明并在1990年第一次 呈现在964 Carrera 2车型上.其实早在1969年,911就使用了一 台名为Sportomatic的4速“准手自一体变速器”.但由于那时电 控技术落后，年夜部份车型又被替换为手动变速箱.现在，此项技术 由保时捷授权给日本AW爱信、德国ZF采埃孚以及其他车厂生产.Tiptronic是在传统的自动变速器基础上增加了一套手动 换挡模式以及电子呵护法式，结构并没有很年夜变动，都是通过液 力变矩器以及行星齿轮进行扭矩传动和挡位变换.手动模式通过一 套可以进行升降挡控制通道及相应的电子法式予以实现.另外，电 子发念头呵护法式是其一年夜特点.目前,Tiptronic变速箱有4 速至8速五个品级，形式也有横置式以及纵置式两种.在刚刚结束 的底特律车展上,ZF宣布将研发用于前驱车的9速手自一体变速 箱.• Tiptronic 特点1. 实用的手动模式：首先，手动模式可以最年夜水平体现 驾驶者的意志，依照自己的需求选择挡位.追求激烈驾驶时可强制 使用较低挡位与较高转速；在需要经济驾驶时亦可坚持较低转速 换挡.其次，在遇到较陡下坡时，可将挡位维持在一挡或二挡以利用 发念头自己阻力来控制车速.2. 发念头呵护法式：在享受手动挡驾驶乐趣的同时电子呵 护法式会一直监测驾驶者的换挡举措.Tiptronic原则上允许驾驶 者在发念头红线转速以外区域进行各种把持,但当侦测到转速到达 红线时变速箱会强制介入升挡以防烧毁.若转速低至刻度起始线附 近而挡位又较高时变速箱会采用降挡办法防止熄火.由于各个车型 扭矩、车身重量等不同,Tiptronic法式也会略有分歧，例如奥迪 的Tiptronic就不允许用一挡高转速行驶.3. 自学习功能：带有ECU控制单位的车辆都具有根据驾驶 员习惯来调整自身动力输出的功能，以贴合其偏好.同样,Tiptronic也会这么做.它通过“模糊逻辑”控制法式和从ECU 传回的信息来学习车主的驾驶习惯调整换挡时机，使车辆更为“听 话”.带有Tiptronic技术变速箱的车型年夜众6速手速一体、美丽/雪铁龙的4速和6速手自一 体、奥迪8速手自一体、丰田5速手自一体等众多车型均使用的 是Tiptronic技术变速器.其中年夜众POLO、速腾、途观、斯柯达晶锐、明锐、福 特蒙迪欧、宝马Mini等的6速手自一体车型全部使用的是由年夜 众、宝马和保时捷共同研发并委托日本爱信公司制造的TF60-SN （年夜众、奥迪编号为09G，零件代号AQ250）前驱横置式6速 Tiptronic手自一体变速器.它具有S运动挡，其接受最年夜扭矩 为310N・m.美丽307、408、雪铁龙世嘉、凯旋使用的是PSA集团联 合雷诺与西门子合作研发的AL4横置前驱Tiptronic4速手自一体 变速器，带有雪地以及运动模式,可传输最年夜扭矩为210N・m.雪 地模式能够以二挡起步并快速升挡防止呈现车轮打滑现象.奥迪Q5、Q7则使用一台德国ZF采埃孚8HP纵置式全时四 驱Tiptronic8速手自一体变速箱.其最年夜特点第一是200毫秒 的换挡速度可与双离合变速器媲美；第二是可以跳过两至三个挡 位直接换挡，极端状态下可从八挡跳至二挡.7G-Tronic7G-Tronic是梅赛德斯-奔跑在2003年秋季推出的一款纵 置式7速手自一体变速器,其最年夜接受扭矩为735N・m,匹配V6 及V8汽油以及共轨柴油发念头,适用于后驱或4MATIC四驱车型. 由于最年夜扭矩不及上一代5G-Tronic的1079N・m,故S600以及 S65AMG V12车型没用采纳这台变速器.7G-Tronic与传统纵置式自动变速相同，使用液力变矩器以及串列行星齿轮进行扭矩传动和变速.有别于传统变箱离合器只 能在高挡进行锁定分歧,7G-Tronic的锁止离合器在一挡就可投入 工作,防止打滑而损失动力.除标准的M手动及C自动模式外还提 供了 S运模式.• 7G-Tronic 的特点1. 宽泛变矩范围及紧密尺比：7G-Tronic七个挡位尺比从4.377至0.782,比上一代5G-Tronic的3.59至0.83更为宽泛，使 得百公里加速时间减少0.3秒，油耗百公里降低0.6 升.三挡以后 的挡位间尺比落差逐渐减小，特别是最后三个挡位甚是绵密，换挡 十分平顺.2. 可进行跳挡的手动模式：7G-Tronic可以不按顺序依次 减挡，最年夜可跳过四个挡位进行换挡把持.这使得急加速时挡位变换更为直接，能够最年夜水平发挥发念头的动力.手动模式在转 速进入红线区间时同样会自动升挡以呵护发念头和变速箱.3. 两速倒挡：该款变速箱与众分歧地提供了两个倒车挡， 传动比分别为3.416和2.231.第二个倒车挡尺比接近前进第三挡, 时速可达80km/h,在遇到紧急情况时可能才会体现出它的价值.•装备7G-Tronic变速器的车型GeartronicGeartronic是沃尔沃旗下车型所装备Tiptronic技术的 手自一体变速器名称.6速手自一体变速器实际为日本爱信TF80- SC.最年夜可接受440N •m扭矩，传动比从4.148至0.686.Geartronic 的特点1. 与Tiptronic相同的平安手动模式：由于此变速器同样 带有Tiptronic技术，手动模式同样会受到电脑监控以保证平安.2. 体积小巧：该款变速箱采纳将五个小型行星齿轮组与复 合辅助齿轮组相结合的方式有效减小了变速箱的体积和重量.3. 寿命更长：有别于传统自动变速器的外置控制模块,Geartronic的TCM控制模块被置于变速箱内，使得变速箱油可 以帮手其冷却，同时较少的外部布线降低了受外力损坏的风险.装备Geartronic变速器的车型引进国内的沃尔沃C30、S60、S80L以及XC60、XC90等带 有6速手自一体变速箱的车型均装备此款Tiptronic技术TF80- SC变速器.平行轴式AT本田使用的自动变速器叫做“平行轴式自动变速器”，本 田公司旗下的几乎所有车型（本田的5AT，讴歌的6AT）都是在使 用这种变速器，而且除本田之外，几乎没有其他厂牌使用（因为这 是本田的专利）.那么接下来我们就分析一下，这个熟悉的品牌，但 却陌生的机器.预备知识在介绍平行轴AT之前，我们先来啰嗦一下MT、AMT和AT 的特点.MT变速箱的基本结构，就是两根平行轴（两轴为基础结构, 另有三轴变速器，原理基秘闻同），以及平行轴上的多个常啮合齿 轮，然后通过带有花键的套筒输出.选择挡位的套筒，由换挡杆，带 动变速箱内的拨叉来控制.AMT变速器与MT极为类似，只是增加了 电控系统，用机械的方式取代手动把持.AT变速器较为复杂，其结构与MT年夜相径庭，没有套筒和 拨叉等元件,也没有平行轴上的啮合齿轮，其主要特点是使用行星 齿轮机构来实现齿比的变换，并使用一系列的离合器来控制挡位.为什么文章迟迟不进入主题，而是先来描述MT和AT等变 速器呢？因为这两种变速器是不成或缺的预备知识，本田平行轴式 AT从某种意义上讲，就是MT和AT的联姻的结果.平行轴AT结构分析从结构图上可以看到，平行轴式AT明显没有行星齿轮机构, 常啮合齿轮很像MT或是AMT,但多片离合器的形式却与传统AT相 似，而且在输入端有一个明显的液力变矩器，这种形式的变速器在 惯例的眼光下显得有些匪夷所思，至于匪夷所思的工具我们以后再 去考虑，先来研究一下它是怎么运转的.接下来就是平行轴部份了，一根输入轴，一根输出轴，各齿 比的组合方式与MT没有太年夜不同.而接下来就是这个变速器的 重点：电液控制的多片离合器,替代了 MT上的拨叉和套筒.这就是平行轴AT的特点，多片离合器取代拨叉套筒的方式, 在原始阶段就将结合方式变得软化一些.因为MT变速器中,挡位是 通过挡杆控制拨叉来选择套筒及套筒位置，与相应挡位的常啮合齿 轮结合，从而生成某个挡位，每个挡位下，都有一个相应的套筒（拨 叉）位置.这样的话，动力的衔接是突然一下没有缓冲（套筒上的 齿一下就结合，缓冲全凭离合器半联动，更极真个例子即是赛车上 序列变速器以及摩托车变速器上的“狗牙”，“眶”的一下便完成 换挡）.而本田平行轴AT上虽然常啮合齿轮与MT —样，但多片离 合器的控制方式,显然要比套筒（拨叉）控制迅速,而且也更加平 顺.而且更重要的是，前端液力变矩器的加入，更让本田平行轴AT 的换挡节奏更加平顺，与惯例AT几乎没有不同.平行轴AT与AMT的比较实际上这个比较有些抬高平行轴AT.由于有了惯例AT的 液力变矩器和多片离合器，实质上有了惯例AT的性格.平行轴AT 和AMT无论是结构方面还是实际驾驶感受方面都有着明显不同.虽 然都是平行轴结构，但AMT究竟是MT的电控版，究竟无法和AT相 比.两者处于分歧的层面,平行轴AT可以装配在百万级的车型上（讴歌），而AMT则是微车和重卡的经济型配置.然而问题来了，本 田平行轴AT和传统AT可以分出高低吗？平行轴AT与AT的比较实际上这个问题很好解答，看一下凯美瑞和雅阁的销量比 较就好.而且，或者可以通过这个数据得出，本田平行轴AT和传统 AT已然相差无几了.而且从执行机构上面看,平行轴AT换挡的把 持要比惯例AT简单.前文说过,MT上面的拨叉和套筒，在平行轴AT 上面用一个多片离合器即可完成.也就是说,一个挡位对应着一个 多片离合器，非常直接，非常简单.而惯例AT上面的多片离合器，则 比力麻烦，因为要控制行星齿轮组，一个挡位需要多个离合器协同 工作才华形成，而且有的离合器要对应着多个挡位.这显然不如平 行轴AT专一，换而言之,平行轴AT比惯例AT纯真许多.平行轴AT的弱势有利便有弊,平行轴AT自然也有一些缺陷.第一，多轴（稍高端一点的即是三轴）的结构设计让其在 体积上无法压缩,而惯例AT通常都是一轴，稍粗一些即可容纳其内 部的行星齿轮组和离合器；第二,平行轴AT由于体积的原因,无法实现更多的挡位，而 惯例AT目前已经发展到8挡的数量级，这在面子上显然不够.但这其实不是致命弱点，所以在一按时间内，仍然无法阻挡 平行轴AT的脚步.而对消费者来讲,本田的5AT或者讴歌的6AT在 使用方面和惯例AT并没有太年夜的不同.讲到最后,我们自然要分析一下，本田为何要坚持自己的平行轴 AT?原因一：在早期,AT技术很好掌握，但生产工艺要求和本 钱上，行星齿轮的形式要高于平行轴.所以本田一歪脑子就想出法 子，用MT的手段实现了 AT的性能,.原因二：平行轴AT相比传统AT在执行方面更简单.液力 控制机构（油路、电磁阀）也相对简单，本钱也得以控制.原因三：主流车型装备的AT,几乎都由爱信、ZF等几个厂 家生产.本田很有思维，就用自己家的,不受人控制也跟诸位无关.所以,作为本田的专利产物，本田有理由坚持着自己的平行 轴,并坚信平行轴AT是非常合理的传动方式.时间：二o二一年七月二十九日。