发布于 10-16 11:00:14
1.变速器的功用和分类
（1）变速器的功用
①实现变速、变矩 汽车上所应用的发动机具有转矩变化范围小、转速高的特点，这与汽车实际的行驶状况是不相适应的。如果没有变速器而直接将发动机与驱动桥连接在一起，首先由于发动机的转矩小，不能克服汽车的行驶阻力，使汽车根本无法起步；其次即使汽车行驶起来，也会由于车速太快而不实用，甚至无法驾控。所以必须改造发动机的转矩、转速特性，使发动机的转矩增大、转速下降，以适应汽车实际行驶的要求。变速器是通过不同的挡位来实现这一功用的。
②实现倒车 发动机的旋转方向从前往后看的话为顺时针方向，且是不能改变的，为了实现汽车的倒向行驶，变速器中设置了倒挡。
③实现中断动力传动 在发动机启动和怠速运转、变速器换挡、汽车滑行和暂时停车等情况下，都需要中断发动机的动力传动，因此变速器中设有空挡。
（2）对变速器的要求
①要拥有足够的挡位与合适的传动比，满足使用要求，提高经济性和生产率。
②要工作可靠，传动效率高，使用寿命长，结构简单，维修方便。
③要操纵轻便可靠，不允许出现乱挡、跳挡、脱挡等情况。
④动力换挡要求换挡平稳，传动效率高。
（3）变速器的分类 现代汽车上所采用的变速器有多种结构形式，一般可以按照传动比和操纵方式进行分类，其分类方法见表4-2。
表4-2 变速器的分类方法
2.普通齿轮传动的基本原理
普通齿轮变速器是利用不同齿数的齿轮啮合传动来实现转矩和转速的改变。
齿轮传动的基本原理如图4-17所示，一对齿数不同的齿轮啮合传动时可以实现变速，而且两齿轮的转速比与其齿数成反比。设主动齿轮转速为n1，齿数为z1，从动齿轮转速为n2，齿数为z2。主动齿轮（即输入轴）转速与从动齿轮（即输出轴）转速之比值称为传动比，用字母i12表示。由齿轮1传到齿轮2的传动比为
如图4-17（a）所示，当小齿轮为主动齿轮，带动大齿轮转动时，输出转速降低，即n2<n1，称为减速传动，此时传动比i>1；如图4-17（b）所示，当大齿轮驱动小齿轮时，输出转速升高，即n2>n1，称为增速传动，此时传动比i<1，这就是齿轮传动的变速原理。汽车变速器就是根据这个原理利用若干大小不同的齿轮副传动而实现变速的。
图4-17 齿轮传动的基本原理
如图4-18所示为两级齿轮传动示意，齿轮1为主动齿轮，驱动齿轮2转动，齿轮3与齿轮2固连在一起，从动齿轮4转动并输出动力，此时由齿轮1传到齿轮4的传动比为
图4-18 两级齿轮传动示意
因此，可以总结为多级齿轮传动的传动比为
对于变速器，各挡的传动比i就是变速器输入轴转速与输出轴转速之比，即
当i>1时，n输出<n输入，T输出>T输入，此时实现降速增矩，为变速器的低挡位，且i越大，挡位越低。
当i<1时，n输出>n输入，T输出<T输入，此时实现升速降矩，为变速器的超速挡。
当i=1时，n输出=n输入，T输出=T输入，为变速器的直接挡。
习惯上把变速器传动比值较小的挡位称为高挡，传动比值较大的挡位称为低挡；变速器挡位的变换称为换挡，由低挡向高挡变换称为加挡（或升挡），反之称为减挡（或降挡）。变速器就是通过挡位变换来改变传动比，从而实现多级变速的。
例如，桑塔纳2000五挡手动变速器各挡的传动比见表4-3。其Ⅰ～Ⅲ挡为降速挡，Ⅳ挡为直接挡，Ⅴ挡为超速挡。
表4-3 桑塔纳2000五挡手动变速器各挡的传动比
由齿轮传动原理可知，一对相啮合的外齿轮旋向相反，每经过一个传动副，其轴改变一次转向。
二轴式变速器在输入轴与输出轴之间加装了一个倒挡轴和倒挡齿轮（此为惰轮）；三轴式变速器则在中间轴与输出轴之间加装了一个倒挡轴和倒挡齿轮，就可使输出轴与输入轴转向相反，从而可使汽车倒向行驶。
3.手动变速器的变速传动机构
手动变速器包括变速传动机构和操纵机构两大部分。变速传动机构的主要作用是改变转矩的大小和方向；操纵机构的作用是实现换挡。
变速传动机构是变速器的主体，按工作轴的数量（不包括倒挡轴）可分为二轴式变速器和三轴式变速器。
（1）二轴式变速器的变速传动机构
二轴式变速器用于发动机前置、前轮驱动的汽车，一般与驱动桥（前桥）合称为手动变速驱动桥。目前，我国常见的国产轿车均采用这种变速器，如桑塔纳、捷达、富康、奥迪等。
前置发动机有纵向布置和横向布置两种形式，与其配用的二轴式变速器也有两种不同的结构形式。发动机纵置时，主减速器为一对圆锥齿轮，如奥迪100、桑塔纳2000轿车，如图4-19所示；发动机横置时，主减速器采用一对圆柱齿轮，如捷达轿车，如图4-20所示。
图4-19 发动机纵置的两轴式变速器传动示意图（桑塔纳2000）
1—纵置发动机；2—离合器；3—变速器；4—变速器输入轴；5—变速器输出轴（主减速器主动锥齿轮）；6—差速器；7—主减速器从动锥齿轮；8—前轮Ⅰ～Ⅴ—一至五挡齿轮；R—倒挡齿轮
图4-20 发动机横置的两轴式变速器传动示意（捷达）
①发动机纵向布置二轴式手动变速器 如图4-21和图4-22所示分别为桑塔纳2000型汽车二轴式五挡手动变速器传动机构的结构及示意。
图4-21 桑塔纳2000型汽车二轴式五挡手动变速器传动机构的结构
图4-22 桑塔纳2000车型二轴式五挡手动变速器变速传动机构的示意图
该变速器的变速传动机构有输入轴和输出轴，二轴平行布置，输入轴是离合器的从动轴，输出轴是主减速器的主动锥齿轮轴。该变速器具有五个前进挡（一至三挡为降速挡，四挡为直接挡，五挡为超速挡）和一个倒挡，全部采用锁环式惯性同步器换挡。输入轴上有一至五挡主动齿轮，其中一挡、二挡主动齿轮与轴制成一体，三挡、四挡、五挡主动齿轮通过滚针轴承空套在轴上。输入轴上还有倒挡主动齿轮，它与轴制成一体。三挡、四挡同步器和五挡同步器也装在输入轴上。输出轴上有一至五挡从动齿轮，其中一挡、二挡从动齿轮通过滚针轴承空套在轴上，三挡、四挡、五挡齿轮通过花键套装在轴上。一挡、二挡同步器也装在输出轴上。在变速器壳体的右端还装有倒挡轴，上面通过滚针轴承套装有倒挡中间齿轮。
各挡动力传动路线见表4-4。
表4-4 桑塔纳2000车型变速器动力传动路线
②发动机横向布置二轴式手动变速器 如图4-23所示为别克凯越汽车二轴式五挡变速器的结构，如图4-24所示为手动变速器动力传递示意图，各挡动力传动路线见表4-5。
图4-23 别克凯越汽车二轴式五挡变速器的结构
图4-24 手动变速器（倒挡主动齿轮）动力传递示意
表4-5 别克凯越汽车各挡动力传动路线
（2）三轴式手动变速器 三轴式手动变速器用于发动机前置、后轮驱动的汽车。下面以东风EQ1092中型货车的变速器为例进行介绍，其结构简图如图4-25所示。该变速器有三根主要的传动轴：一轴、二轴和中间轴，所以称为三轴式手动变速器，另外还有倒挡轴。
图4-25 东风EQ1092中型货车的三轴式手动变速器
1—一轴；2—一轴常啮合齿轮；3—一轴常啮合齿轮接合齿圈；4，9—接合套；5—四挡齿轮接合齿圈；6—二轴四挡齿轮；7—二轴三挡齿轮；8—三挡齿轮接合齿圈；10—二挡齿轮接合齿圈；11—二轴二挡齿轮；12—二轴一挡、倒挡直齿滑动齿轮；13—变速器壳体；14—二轴；15—中间轴；16—倒挡轴；17，19—倒挡中间齿轮；18—中间轴一挡、倒挡齿轮；20—中间轴二挡齿轮；21—中间轴三挡齿轮；22—中间轴四挡齿轮；23—中间轴常啮合齿轮；24，25—花键毂；26—一轴轴承盖；27—回油螺纹
该变速器为五挡变速器，各挡传动情况见表4-6。
表4-6 三轴式手动变速器传动情况
4.同步器
目前汽车中手动普通齿轮变速器换挡的方式有两种，一是采用直齿滑动齿轮，如东风EQ1092的一挡、倒挡的换挡方式；二是采用同步器换挡，这种方式应用最广泛，几乎所有的变速器都是采用同步器进行换挡。
目前所采用的同步器几乎都是摩擦式惯性同步器，按锁止装置不同，可分为锁环式惯性同步器和锁销式惯性同步器。下面以锁环式惯性同步器和锁销式惯性同步器为例介绍其结构及工作原理。
（1）锁环式惯性同步器
锁环式同步器的结构如图4-26所示，花键毂7用内花键套装在二轴外花键上，用垫圈、卡环轴向定位。花键毂两端与一轴常啮合齿轮的接合齿圈1和4之间各有一个青铜制成的锁环（即同步环）5和9。锁环上有短花键齿圈，其花键的尺寸和齿数与花键毂、齿轮1和4的外花键齿相同。两个齿轮和锁环上的花键齿，靠近接合套8的一端都有倒角（锁止角），与接合套齿端的倒角相同。锁环有内锥面，与齿轮1、4的外锥面锥角相同。在环锁内锥面上制有细密的螺纹（或直槽），当锥面接触后，它能及时破坏油膜，增加锥面间的摩擦力。锁环内锥面摩擦副称为摩擦件，外沿带倒角的齿圈是锁止件，锁环上还有三个均布的缺口12。三个滑块2分别装在花键毂7上三个均布的轴向槽11内，沿槽可以轴向移动。滑块被两个弹簧圈6的径向力压向接合套，滑块中部的凸起部位压嵌在接合套中部的环槽10内。滑块和弹簧是推动件。滑块两端伸入锁环5的缺口12中，滑块窄缺口宽，两者之差等于锁环的花键齿宽。锁环相对滑块顺转和逆转都只能转动半个齿宽，且只有当滑块位于锁环缺口的中央时，接合套与锁环才能接合。
图4-26 锁环式惯性同步器的结构
1—一轴常啮合齿轮的接合齿圈；2—滑块；3—拨叉；4—二轴齿轮；5，9—锁环（同步环）；6—弹簧圈；7—花键毂；8—接合套；10—环槽；11—三个轴向槽；12—缺口
以二挡换三挡为例，说明锁环式惯性同步器的工作原理，如图4-27所示。
图4-27 锁环式惯性同步器的工作原理
①空挡位置 接合套刚从二挡退入空挡时，如图4-27（a）所示，三挡齿轮、接合套、锁环以及与其有关联的运动件，因惯性作用而沿原方向继续旋转（图示箭头方向）。由于齿轮是高挡齿轮（相对于二挡齿轮来说），所以接合套、锁环的转速低于齿轮的转速。
②挂挡 欲换入三挡时，驾驶员通过变速杆使拨叉推动接合套连同滑块一起向左移动，如图4-27（b）所示，滑块又推动锁环移向齿轮，使锥面接触。驾驶员作用在接合套上的轴向推力，使两锥面有正压力N，又因两者有转速差，所以产生摩擦力矩。通过摩擦作用，齿轮带动锁环相对于接合套向前转动一个角度，使锁环缺口靠在滑块的另一侧（上侧）为止，此时接合套的内齿与锁环上错开了约半个齿宽，接合套的齿端倒角面与锁环的齿端倒角面互相抵住。
③锁止 驾驶员的轴向推力使接合套的齿端倒角面与锁环的齿端倒角面之间产生正压力，形成一个企图拨动锁环相对于接合套反转的力矩，称为拨环力矩。这样在锁环上同时作用着方向相反的摩擦力矩和拨环力矩，同步器的结构参数可以保证在同步前（存在摩擦力矩）拨环力矩始终小于摩擦力矩，所以在同步之前无论驾驶员施加多大的操纵力，都不会挂上挡，即产生锁止作用，如图4-27（c）所示。
④同步啮合 随着驾驶员施加于接合套上的推力加大，摩擦力矩不断增加，使齿轮的转速迅速降低。当齿轮、接合套和锁环达到同步时，作用在锁环上的摩擦力矩消失。此时在拨环力矩的作用下，锁环、齿轮以及与之相连的各零件都对于接合套反转一个角度，滑块处于锁环缺口的中央，如图4-27（c）所示，键齿不再抵触，锁环的锁止作用消除。接合套压下弹簧圈继续左移（滑块脱离接合套的内环槽而不能左移），与锁环的花键齿圈进入啮合。进而再与齿轮进入啮合，如图4-27（d）所示，换入三挡。
锁环式同步器尺寸小、结构紧凑、摩擦力矩也小，多用于轿车和轻型车辆。
（2）锁销式惯性同步器
大、中型货车普遍采用锁销式惯性同步器，下面以东风EQ1092汽车五挡变速器的四挡、五挡同步器为例进行简介。
五挡锁销式惯性同步器的结构如图4-28所示。两个带有内锥面的摩擦锥盘2，以其内花键分别固装在带有接合齿圈的斜齿轮1和6上，随齿轮一起转动。两个有外锥面的摩擦锥环3，其上有圆周均布的三个锁销8、三个定位销4与接合套5装在一起。定位销与接合套的相应孔是滑动配合，定位销中部切有一小段环槽，接合套钻有斜孔，内装弹簧11，把钢球10顶向定位销中部的环槽，使接合套处于空挡位置，定位销随接合套能轴向移动。定位销两端伸入两个摩擦锥环3内侧面的弧线形浅坑中，定位销与浅坑有周向间隙，锥环相对接合套在一定范围内做周向摆动。锁销中部环槽的两端和接合套相应孔两端切有相同的倒角；锁销与孔对中时，接合套才能沿锁销轴向移动；锁销两端铆接在锥环相应的孔中。两个锥环、三个锁销、三个定位销和接合套构成一个部件，套在花键毂9的齿圈上。
图4-28 五挡锁销式惯性同步器的结构
1—一轴齿轮；2—摩擦锥盘；3—摩擦锥环；4—定位销；5—接合套；6—二轴四挡齿轮；7—二轴；8—锁销；9—花键毂；10—钢球；11—弹簧
锁销式惯性同步器的工作原理与锁环式惯性同步器类似。
换挡时接合套受到拨叉的轴向推力作用，通过钢球10、定位销4推动摩擦锥环3向前移动。因摩擦锥环与锥盘有转速差，故接触后的摩擦作用使锥环和锁销相对于接合套转过一个角度，锁销与接合套上相应孔的中心线不再同心，锁销中部倒角与接合套孔端的锥面相抵触，在同步前，作用在摩擦面的摩擦力矩总大于拨销力矩，接合套被锁止不能前移，防止在同步前接合套与齿圈进入啮合。同步后摩擦力矩消失，拨销力矩使锁销、摩擦锥盘和相应的齿轮相对于接合套转过一个角度，锁销与接合套的相应孔对中，接合套克服弹簧11的张力压下钢球并沿锁销向前移动，完成换挡。
5.手动变速器的操纵机构
手动变速器操纵机构的功用是保证驾驶员能准确可靠地将变速器挂入所需要的挡位，并可随时退至空挡。
变速器操纵机构按照变速操纵杆（变速杆）位置的不同，可分为直接操纵式和远距离操纵式两种类型。
（1）直接操纵式 这种形式的变速器布置在驾驶员座椅附近，变速杆由驾驶室底板伸出，驾驶员可以直接操纵。如图4-29所示，解放CA1091中型货车六挡变速器操纵机构就采用这种形式。多用于发动机前置、后轮驱动的车辆。
图4-29 解放CA1091中型货车六挡变速器直接操纵式操纵机构
拨叉轴7～10的两端均支承于变速器盖的相应孔中，可以轴向滑动。所有拨叉和拨块都以弹性销固定于相应的拨叉轴上。三挡、四挡拨叉2的上端具有拨块。拨叉2和拨块3、4、14的顶部制有凹槽。变速器处于空挡时，各凹槽在横向平面内对齐，叉形拨杆13下端的球头即伸入这些凹槽中。选挡时可使变速杆绕其中部球形支点横向摆动，则其下端推动叉形拨杆13绕换挡轴11的轴线摆动，从而使叉形拨杆下端球头对准与所选挡位对应的拨块凹槽，然后使变速杆纵向摆动，带动拨叉轴及拨叉向前或向后移动，即可实现挂挡。例如，横向摆动变速杆使叉形拨杆下端球头深入拨块3顶部凹槽中，拨块3连同拨叉轴9和拨叉5即沿纵向向前移动一定距离，便可挂入二挡；若向后移动一段距离，则挂入一挡。当使叉形拨杆下端球头深入倒挡拨块14的凹槽中，并使其向前移动一段距离时，便挂入倒挡。
各种变速器由于挡位数及挡位排列位置不同，其拨叉和拨叉轴的数量及排列位置也不相同。例如，上述的六挡变速器的六个前进挡用了三根拨叉轴，倒挡独立使用了一根拨叉轴，共有四根拨叉轴；而东风EQ1092的五挡变速器具有三根拨叉轴，其二挡、三挡和四挡、五挡各占一根拨叉轴，一挡和倒挡共用一根拨叉轴。
（2）远距离操纵式 在有些汽车上，由于变速器离驾驶员座位较远，则需要在变速杆与拨叉之间加装一些辅助杠杆或一套传动机构，构成远距离操纵机构。这种操纵机构多用于发动机前置、前轮驱动的轿车，如桑塔纳2000轿车的五挡手动变速器，由于其变速器安装在前驱动桥处，远离驾驶员座椅，需要采用这种操纵方式，如图4-30所示。而在变速器壳体上具有类似于直接操纵式的内换挡机构，如图4-31所示。
图4-30 桑塔纳2000轿车五挡手动变速器的远距离操纵机构
1—支撑杆；2—内换挡杆；3—换挡杆接合器；4—外换挡杆；5—倒挡保险挡块；6—换挡手柄座；7—变速杆；8—换挡标记
图4-31 桑塔纳2000轿车五挡手动变速器的内换挡机构
1—五挡、倒挡拨叉轴；2—三挡、四挡拨叉轴；3—定位拨销；4—倒挡保险挡块；5—内换挡杆；6—定位弹簧；7—一挡、二挡拨叉轴
另外，有些轿车和轻型货车的变速器，将变速杆安装在转向柱管上，如图4-32所示，因此，在变速杆与变速器之间也是通过一系列的传动件进行传动，这也是远距离操纵方式。它具有变速杆占据驾驶室空间小、乘坐方便等优点。
图4-32 柱式换挡操纵机构
为了保证变速器在任何情况下都能准确、安全、可靠地工作，变速器操纵机构一般都具有换挡锁装置，包括自锁装置、互锁装置和倒挡锁装置，其结构和原理如下。
（1）自锁装置 自锁就是对各挡拨叉轴进行轴向定位锁止，以防止其自动产生轴向移动而造成自动挂挡或脱挡。多数变速器自锁装置由自锁钢球和自锁弹簧组成，如图4-33所示。
图4-33 自锁装置的结构
每根拨叉轴的上表面沿轴向分布有三个凹槽，当任何一根拨叉轴连同拨叉轴向移动到空挡或某一工作挡位的位置时，必有一个凹槽正好对准自锁钢球。于是自锁钢球在自锁弹簧压力作用下嵌入该凹槽内，拨叉轴轴向位置被固定，从而拨叉连同滑动齿轮（或接合套）也被固定在空挡或某一工作挡位上，不能自行脱出。
换挡时，驾驶员对拨叉轴施加一定轴向力，克服自锁弹簧的压力将钢球由拨叉轴的凹槽中挤出并推回孔中，拨叉轴和拨叉轴向移动。
（2）互锁装置 互锁装置主要由互锁钢球及互锁销组成。互锁销装在中间拨叉轴的孔中，其长度相当于拨叉轴直径减去互锁钢球的半径，互锁钢球装于变速器盖的横向孔中。在空挡位置时，左右拨叉轴在对着钢球处有深度相当于钢球半径的凹槽，此时拨叉轴和互锁钢球及互锁销处于自由状态，相互之间不卡紧。当要挂挡移动某一拨叉轴时[图4-34（a）]，如移动中间拨叉轴2，两内侧的钢球便从拨叉轴2的凹槽内被挤出，而两外侧互锁钢球1和2则分别嵌入拨叉轴1和3的凹槽内，此时拨叉轴1和3便被锁止，不能轴向移动。如果要移动拨叉轴3[图4-34（b）]，必须先将拨叉轴2退回到空挡位置，使拨叉轴和互锁钢球及互锁销回到自由状态。同理，当移动拨叉轴1时[图4-34（c）]，另外两个拨叉轴便被锁止。
图4-34 互锁装置结构示意
这种互锁装置可以保证变速器只有在空挡位置时，驾驶员才可以移动任一个拨叉轴挂挡。若某一拨叉轴被移动而挂挡时，另两个拨叉轴便被互锁装置固定在空挡位置而不可能再轴向移动。
（3）倒挡锁装置 倒挡锁要求驾驶员必须对变速杆施加较大的力，才能挂入倒挡，从而防止误挂倒挡。倒挡锁一般由倒挡锁销和倒挡锁弹簧组成。如图4-35所示，倒挡锁销的杆部装有倒挡锁弹簧，其右端的螺母可调整弹簧的预紧力和倒挡锁销的长度。驾驶员要挂倒挡时，必须用较大的力使变速杆的下端压缩倒挡锁弹簧，将倒挡锁销推向右方后，才能使变速杆下端进入倒挡拨块4的凹槽内，以拨动一挡、倒挡拨叉轴而推入倒挡。
图4-35 倒挡锁装置结构示意
所谓自动变速器（AT，automatic transmission）是指汽车驾驶中离合器的操纵和变速器的操纵都实现了自动化。目前自动变速器的自动换挡等过程都是由自动变速器的电子控制单元（ECU，俗称电控单元）控制的，因此自动变速器又可简称为EAT、ECAT、ECT等。
1.自动变速器的分类与基本组成
（1）自动变速器的分类 自动变速器按结构和控制方式的不同，可以分为液力式自动变速器、无级自动变速器和机械式自动变速器。
机械式自动变速器（AMT，automated mechanical transmission）是在原有手动、有级、普通齿轮变速器的基础上增加了电子控制系统，来自动控制离合器的接合、分离和变速器挡位的变换。机械式自动变速器由于原有的机械传动结构基本不变，所以齿转传动固有的传动效率高、机构紧凑、工作可靠等优点被很好地继承下来，在重型车的应用上具有很好的发展前景。
无级自动变速器（CVT，continuously variable transmission）是采用传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合来传递动力，可以实现传动比的连续改变。这也是一种具有广阔发展前景的自动变速器，目前在汽车上的应用已具有一定的市场份额。
液力式自动变速器是目前应用最广泛、技术最成熟的自动变速器。按照控制方式的不同，液力自动变速器可以分为液控液力自动变速器和电控液力自动变速器，目前轿车上都是采用电控液力自动变速器；按照变速机构（机械变速器）的不同，液力自动变速器又可以分为行星齿轮自动变速器和非行星自动齿轮变速器，行星齿轮自动变速器应用最广泛，非行星自动齿轮变速器只在本田等个别车系应用。
（2）自动变速器的基本组成 液力自动变速器主要由液力变矩器、行星齿轮变速器、液压控制系统、冷却滤油装置组成。电控液力自动变速器除上述四部分外还有电子控制系统。
①液力变矩器 液力变矩器是一个通过液压油（ATF油）传递动力的装置，其功用如下。
a.在一定范围内自动、连续地改变转矩比，以适应不同行驶阻力的要求。
b.具有自动离合器的功用。在发动机不熄火、自动变速器位于行驶挡的情况下，汽车可以处于停车状态。驾驶员可通过控制节气门开度控制液力变矩器的输出转矩，逐步加大输出转矩，实现动力的柔和传递。
②行星齿轮变速器 行星齿轮变速器由2～3排行星齿轮机构组成，不同的运动状态组合可得到2～5种速比，其主要功用如下。
a.在液力变矩器的基础上再将转矩增大2～4倍，以提高汽车的行驶适应能力。
b.实现倒挡传动。
③液压控制系统 液压控制系统是由油泵、各种控制阀及与之相连通的液压换挡执行元件，如离合器、制动器油缸等组成液压控制回路。汽车行驶中根据驾驶员的要求和行驶条件的需要，控制液压离合器和制动器的工作状况的改变来实现行星齿轮变速器的自动换挡。
④冷却滤油装置 自动变速器油（ATF）在自动变速器工作过程中会因冲击、摩擦产生热量，并还要吸收齿轮传动过程中所产生的热量，油温将会升高。油温升高将导致ATF油黏度下降，传动效率降低，因此必须对ATF进行冷却，保持油温在80～90℃。ATF是通过油冷却器与冷却水或空气进行热量交换的。自动变速器工作中各部件磨损产生的机械杂质，由滤油器从油中过滤分离出去，以减小机械的磨损、堵塞液压油路和控制阀卡滞。
⑤电子控制系统 电子控制系统将自动变速器的各种控制信号输入电控制单元（ECU），经ECU处理后发出控制指令，控制液压系统中的各种电磁阀实现自动换挡，并改善使用性能。
2.自动变速器基本原理
如图4-36所示为液控自动变速器的组成和原理示意。
图4-36 液控自动变速器的组成和原理示意
液控自动变速器是通过机械传动方式，将汽车行驶时的车速和节气门开度这两个主控制参数转变为液压控制信号；液压控制系统的阀板总成中的各控制阀根据这些液压控制信号的变化，按照设定的换挡规律，操纵换挡执行元件的动作实现自动换挡。
如图4-37所示为电控自动变速器的组成和原理。
图4-37 电控自动变速器的组成和原理
电控自动变速器是通过各种传感器，将发动机的转速、节气门开度、车速、发动机水温、自动变速器液压油温等参数信号输入电控单元（ECU），ECU根据这些信号，按照设定的换挡规律，向换挡电磁阀、油压电磁阀等发出动作控制信号，换挡电磁阀和油压电磁阀再将ECU的动作控制信号转变为液压控制信号，阀板中的各控制阀根据这些液压控制信号，控制换挡执行元件的动作，从而实现自动换挡过程。
3.自动变速器选挡杆的使用
轿车自动变速器的选挡杆通常有6个位置，如图4-38所示。其功能如下。
图4-38 自动变速器选挡杆位置示意
P位：驻车挡。选挡杆置于此位置时，驻车锁止机构将自动变速器输出轴锁止。
R位：倒挡。选挡杆置于此位置时，液压系统倒挡油路被接通，驱动轮反转，实现倒向行驶。
N位：空挡。选挡杆置于此位置时，所有行星齿轮机构空转，不能输出动力。
D位：前进挡。选挡杆置于此位置时，液压系统控制装置根据节气门开度信号和车速信号自动接通相应的前进挡油路，行星齿轮变速器在换挡执行元件的控制下得到相应的传动比。随着行驶条件的变化，在前进挡中自动升降挡，实现自动变速功能。
2位：高速发动机制动挡。选挡杆置于此位置时，液压控制系统只能接通前进挡中的一挡、二挡油路，自动变速器只能在这两个挡位间自动换挡，无法升入更高的挡位，从而使汽车获得发动机制动效果。
L位（也称1位）：低速发动机制动挡。选挡杆置于此位置时，汽车被锁定在前进挡的一挡，只能在该挡位行驶而无法升入高挡，发动机制动效果更强。
最后两个挡位多用于山区等路况的行驶，可避免频繁换挡，提高变速器的使用寿命。
发动机只有在选挡杆置于N或P位时，汽车才能启动，此功能靠空挡启动开关来实现。
常见的选挡杆的位置可布置在转向柱上或驾驶室地板上，如图4-39所示。
图4-39 选挡杆的位置
4.自动变速器各部件的结构和原理
（1）液力变矩器
①液力变矩器的功用和组成
a.功用 液力变矩器位于发动机和机械变速器之间，以自动变速器油（ATF）为工作介质，主要完成如表4-7所示的功用。
表4-7 液力变矩器的功用
同时由于采用ATF传递动力，液力变矩器的动力传递柔和，且能防止传动系统过载。
b.组成 如图4-40所示，液力变矩器通常由泵轮、涡轮和导轮三个元件组成，称为三元件液力变矩器。也有的采用两个导轮，则称为四元件液力变矩器。
图4-40 液力变矩器的组成
1—输入轴；2—输出轴；3—导轮轴；4—变矩器壳B—泵轮；W—涡轮；D—导轮
液力变矩器总成封在一个钢制壳体（变矩器壳体）中，内部充满ATF。液力变矩器壳体通过螺栓与发动机曲轴后端的飞轮连接，与发动机曲轴一起旋转。泵轮位于液力变矩器的后部，与变矩器壳体连在一起。涡轮位于泵轮前，通过带花键的从动轴向后面的机械变速器输出动力。导轮位于泵轮与涡轮之间，通过单向离合器支承在固定套管上，使得导轮只能单向旋转（顺时针旋转）。泵轮、涡轮和导轮上都带有叶片，液力变矩器装配好后形成环形内腔，其间充满ATF。
②液力变矩器的工作原理 液力变矩器的工作原理见表4-8。
表4-8 液力变矩器的工作原理
图4-41 ATF在液力变矩器中的循环流动
图4-42 液力变矩器转矩放大原理
1—泵轮；2—涡轮；3—导轮；4—泵轮
③典型液力变矩器 典型液力变矩器如图4-43所示，带有锁止离合器。下面重点介绍单向离合器和锁止离合器。
图4-43 典型液力变矩器
a.单向离合器的构造和原理 单向离合器又称为自由轮机构、超越离合器，其功用是实现导轮的单向锁止，即导轮只能顺时针转动而不能逆时针转动，使得液力变矩器在高速区实现偶合传动。
常见的单向离合器有楔块式和滚柱式两种结构形式。
楔块式单向离合器如图4-44所示，由内座圈、外座圈、楔块、保持架等组成。导轮与外座圈连为一体，内座圈与固定套管刚性连接，不能转动。当导轮带动外座圈逆时针转动时，外座圈带动楔块逆时针转动，楔块的长径与内、外座圈接触。如图4-44（a）所示，由于长径长度大于内、外座圈之间的距离，所以外座圈被卡住而不能转动。当导轮带动外座圈顺时针转动时，外座圈带动楔块顺时针转动，楔块的短径与内、外座圈接触。如图4-44（b）所示，由于短径长度小于内、外座圈之间的距离，所以外座圈可以自由转动。
图4-44 楔块式单向离合器
滚柱式单向离合器如图4-45所示，由内座圈、外座圈、滚柱、叠片弹簧等组成。当导轮带动外座圈顺时针转动时，滚柱进入楔形槽的宽处，内、外座圈不能被滚柱楔紧，外座圈和导轮可以顺时针自由转动。当导轮带动外座圈逆时针转动时，滚柱进入楔形槽的窄处，内、外座圈被滚柱楔紧，外座圈和导轮固定不动。
图4-45 滚柱式单向离合器
单向离合器损坏失效后，液力变矩器就没有了转矩放大的功用，将出现如下故障现象：车辆加速起步无力，不踩加速踏板车辆不走，但车辆行驶起来之后换挡正常，发动机功率正常，如果做失速试验会发现失速转速比正常值低400～800r/min。
单向离合器的检查如图4-46所示，用专用工具插入油泵驱动毂和单向离合器外座圈的槽口中。然后用手指压住单向离合器的内座圈并转动它，检查是否顺时针转动平稳而逆时针方向锁止。如果单向离合器损坏则需要更换液力变矩器总成。
图4-46 检查单向离合器
b.锁止离合器构造和原理 锁止离合器（TCC，torque converter clutch）可以将泵轮和涡轮直接连接起来，即将发动机与机械变速器直接连接起来，这样提高了液力变矩器的传动效率，从而提高了汽车的燃油经济性。
锁止离合器的常见结构如图4-47所示。当车辆在良好路面行驶，车速、挡位等满足条件，锁止离合器需要接合时，进入液力变矩器中的ATF按如图4-47（a）所示的方向流动，使锁止活塞向前移动，压紧在液力变矩器壳体上，通过摩擦力矩使两者一起转动。此时发动机的动力经液力变矩器壳体、锁止活塞、扭转减振器、涡轮轮毂传给后面的机械变速器，相当于将泵轮和涡轮刚性连在一起，传动效率为100%。
图4-47 锁止离合器的常见结构
当车辆起步、低速或在坏路面上行驶时，应将锁止离合器分离，使液力变矩器具有变矩作用。此时ATF按如图4-47（b）所示的方向流动，将锁止活塞与液力变矩器壳体分离，解除液力变矩器壳体与涡轮的直接连接。
锁止离合器的常见故障有不锁止和常锁止。不锁止的现象是指车辆的油耗高、发动机高速运转而车速不够快。具体检查时要相应检查电路部分、阀体部分以及锁止离合器本身。常锁止的现象是发动机怠速正常，但选挡杆置于动力挡（R、D、2、L）后发动机熄火。
锁止离合器的检查需要将液力变矩器切开后才能进行，但这只能由专业的自动变速器维修站来完成。
（2）换挡执行元件 行星齿轮变速器的换挡执行元件包括离合器、制动器和单向离合器。下面重点介绍离合器和制动器。
①离合器的结构组成和工作原理 离合器的功用是连接轴和行星齿轮机构中的元件或是连接行星齿轮机构中的不同元件。
a.结构组成 离合器主要由离合器鼓、花键毂、活塞、主动摩擦片、从动钢片、回位弹簧等组成，如图4-48所示。
图4-48 离合器零件分解图
1—卡环；2—弹簧座；3—活塞；4—O形圈；5—离合器鼓；6—回位弹簧；7—碟形弹簧；8—从动钢片；9—主动摩擦片；10—压盘；11—卡环
离合器鼓是一个液压缸，鼓内有内花键齿圈，内圆轴颈上有进油孔与控制油路相通。离合器活塞为环状，内外圆上有密封圈，安装在离合器鼓内。从动钢片和主动摩擦片交错排列，两者统称为离合器片，均使用钢料制成，但摩擦片的两面烧结有铜基粉末冶金的摩擦材料。为保证离合器接合柔和及散热，离合器片浸在油液中工作，因而称为湿式离合器。钢片带有外花键齿，与离合器鼓的内花键齿圈连接，并可轴向移动，摩擦片则以内花键齿与花键毂的外花键槽配合，也可做轴向移动。花键毂和离合器鼓分别以一定的方式与变速器输入轴或行星齿轮机构的元件相连接。碟形弹簧的作用是使离合器接合柔和，防止换挡冲击。可以通过调整卡环或压盘的厚度调整离合器的间隙。
b.工作原理 离合器的工作原理如图4-49所示。
图4-49 离合器的工作原理
当一定压力的ATF经控制油道进入活塞左面的液压缸时，液压作用力便克服弹簧力使活塞右移，将所有离合器片压紧，即离合器接合，与离合器主、从动部分相连的元件也被连接在一起，以相同的速度旋转。
当控制阀将作用在离合器液压缸的油压撤除后，离合器活塞在回位弹簧的作用下回复原位，并将缸内的变速器油从进油孔排出，使离合器分离，离合器主从动部分可以不同转速旋转。
为了快速泄油，保证离合器彻底分离，一般在液压缸中都有一个单向球阀，如图4-50所示。当ATF被撤除时，球体在离心力的作用下离开阀座，开启辅助泄油通道，使ATF迅速撤离。
图4-50 带单向安全阀的离合器
②制动器的结构组成和工作原理 制动器的功用是固定行星齿轮机构中的元件，防止其转动。制动器有片式和带式两种形式。片式制动器与离合器的结构和原理相同，不同之处是离合器起连接作用而传递动力，而片式制动器是通过连接而起制动作用。下面介绍带式制动器。
a.结构组成 带式制动器由制动带和控制油缸组成，如图4-51所示为带式制动器的零件分解图。制动带是内表面带有镀层的开口式环形钢带。制动带的一端支承在与变速器壳体固连的支座上，另一端与控制油缸的活塞杆相连。
图4-51 带式制动器的零件分解图
b.工作原理 制动器的工作原理如图4-52所示，制动带开口处的一端通过支柱支承于固定在变速器壳体的调整螺钉上，另一端支承于油缸活塞杆端部，活塞在回位弹簧和左腔油压作用下位于右极限位置，此时，制动带和制动鼓之间存在一定间隙。
图4-52 制动器的工作原理
制动时，压力油进入活塞右腔，克服左腔油压和回位弹簧的作用力推动活塞左移，制动带以固定支座为支点收紧。在制动力矩的作用下，制动鼓停止旋转，行星齿轮机构某元件被锁止。随着油压撤除，活塞逐渐回位，制动解除。
（3）单排行星齿轮机构 行星齿轮变速器是由多排行星齿轮机构和换挡执行机构等组成，下面介绍单排行星齿轮机构。
①单排行星齿轮机构的组成 如图4-53所示，单排行星齿轮机构主要由一个太阳轮（或称为中心轮）、一个带有若干个行星齿轮的行星架和一个齿圈组成。
图4-53 单排行星齿轮机构
齿圈又称为齿环，制有内齿，其余齿轮均为外齿轮。太阳轮位于机构的中心，行星轮与之外啮合，行星轮与齿圈内啮合。通常行星轮有3～6个，通过滚针轴承安装在行星齿轮轴上，行星齿轮轴对称、均匀地安装在行星架上。行星齿轮机构工作时，行星轮除了绕自身轴线的自转外，同时还绕着太阳轮公转，行星轮绕太阳轮公转，行星架也绕太阳轮旋转。由于太阳轮与行星轮是外啮合，所以两者的旋转方向是相反的；而行星轮与齿圈是内啮合，则这两者的旋转方向是相同的。
②单排行星齿轮机构的运动规律 根据能量守恒定律，由作用在单排行星齿轮机构各元件上的力矩和结构参数，可以得出表示单排行星齿轮机构运动规律的特性方程式。
式中 n1——太阳轮转速；
n2——齿圈转速；
n3——行星架转速；
α——齿圈齿数z2与太阳轮齿数z1之比，即α=z2/z1，且α>1。
由于一个方程有三个变量，如果将太阳轮、齿圈和行星架中某个元件作为主动（输入）部分，让另一个元件作为从动（输出）部分，则由于第三个元件不受任何约束和限制，所以从动部分的运动是不确定的。因此为了得到确定的运动，必须对太阳轮、齿圈和行星架三者中的某个元件的运动进行约束和限制。
③单排行星齿轮机构不同的动力传动方式 如图4-54所示，通过对不同的元件进行约束和限制，可以得到不同的动力传动方式。
图4-54 单排行星齿轮机构不同的动力传动方式
a.齿圈为主动件（输入），行星架为从动件（输出），太阳轮固定，如图4-54（a）所示。此时，n1=0，则传动比i23为
由于传动比大于1，说明为减速传动，可以作为降速挡。
b.太阳轮为主动件（输入），行星架为从动件（输出），齿圈固定，如图4-54（c）所示。此时，n2=0，则传动比i13为
由于传动比大于1，说明为减速传动，可以作为降速挡。
对比这两种情况的传动比，由于i13>i23，虽然都为降速挡，但i13是降速挡中的低挡，而i23为降速挡中的高挡。
c.行星架为主动件（输入），齿圈为从动件（输出），太阳轮固定，如图4-54（b）所示。此时，n1=0，则传动比i32为
由于传动比小于1，说明为增速传动，可以作为超速挡。
d.行星架为主动件（输入），太阳轮为从动件（输出），齿圈固定，如图4-54（d）所示。此时，n2=0，则传动比i31为
由于传动比小于1，说明为增速传动，可以作为超速挡。
e.太阳轮为主动件（输入），齿圈为从动件（输出），行星架固定，如图4-54（e）所示。此时，n3=0，则传动比i12为
由于传动比为负值，说明主从动件的旋转方向相反；又由于|i12|>1，说明为增速传动，可以作为倒挡。
f.如果n1=n2，则可以得到n3=n1=n2。同样，n1=n3或n2=n3时，均可以得到n1=n2=n3的结论。因此，若使太阳轮、齿圈和行星架三个元件中的任何两个元件连为一体转动，则另一个元件的转速必然与前两者等速同向转动。即行星齿轮机构中所有元件（包含行星轮）之间均无相对运动，传动比i=1。这种传动方式用于变速器的直接挡传动。
g.如果太阳轮、齿圈和行星架三个元件没有任何约束，则各元件的运动是不确定的，此时为空挡。
自动变速器中的行星齿轮变速器一般是采用2～3排行星齿轮机构传动，其各挡传动比就是根据上述单排行星齿轮机构传动特点进行合理组合得到的。常见的行星齿轮变速器有辛普森式和拉威挪式。
（4）辛普森行星齿轮变速器 辛普森（Simpson）行星齿轮变速器是在自动变速器中应用最广泛的一种行星齿轮变速器，它是由美国福特公司的工程师H.W.辛普森发明的，目前多采用的是四挡辛普森行星齿轮变速器。
①四挡辛普森行星齿轮变速器的结构和组成 如图4-55和图4-56所示为四挡辛普森行星齿轮变速器的结构简图和元件位置图。
图4-55 四挡辛普森行星齿轮变速器的结构简图
1—超速（OD）行星排行星架；2—超速（OD）行星排行星轮；3—超速（OD）行星排齿圈；4—前行星排行星架；5—前行星排行星轮；6—后行星排行星架；7—后行星排行星轮；8—输出轴；9—后行星排齿圈；10—前后行星排太阳轮；11—前行星排齿圈；12—中间轴；13—超速（OD）行星排太阳轮；14—输入轴
图4-56 四挡辛普森行星齿轮变速器的元件位置图
C0—超速挡（OD）离合器；C1—前进挡离合器；B0—超速挡（OD）制动器；B1—二挡滑行制动器；B2—二挡制动器；B3—低挡、倒挡离合器；F0—超速挡（OD）单向离合器；F1—二挡（一号）单向离合器；F2—低挡（二号）单向离合器
注意：不同厂家的四挡辛普森行星齿轮变速器的元件位置稍有不同。
四挡辛普森行星齿轮变速器由四挡辛普森行星齿轮机构和换挡执行元件两大部分组成。其中四挡辛普森行星齿轮机构由三排行星齿轮机构组成，前面一排为超速行星排，中间一排为前行星排，后面一排为后行星排，之所以这样命名是由于四挡辛普森行星齿轮机构是在三挡辛普森行星齿轮机构的基础上发展起来的，沿用了三挡辛普森行星齿轮机构的命名。输入轴与超速行星排的行星架相连，超速行星排的齿圈与中间轴相连，中间轴通过前进挡离合器或直接挡、倒挡离合器与前、后行星排相连。前、后行星排的结构特点是，共用一个太阳轮，前行星排的行星架与后行星排的齿圈相连并与输出轴相连。
换挡执行机构包括三个离合器、四个制动器和三个单向离合器共十个元件。具体的功能见表4-9。
表4-9 换挡执行元件的功能
②四挡辛普森行星齿轮变速器各挡传动路线 在变速器各挡位时，换挡执行元件的动作情况见表4-10。
表4-10 各挡位时换挡执行元件的动作情况
注：*表示只能降挡不能升挡；○表示换挡元件工作或有发动机制动。
a.各挡位动力传动路线 四挡辛普森行星齿轮变速器各挡位动力传动路线见表4-11。
表4-11 四挡辛普森行星齿轮变速器各挡位动力传动路线
图4-57 D位一挡动力传动路线
图4-58 D位二挡动力传动路线
图4-59 D位三挡动力传动路线
图4-60 D位四挡动力传动路线
图4-61 二位二挡动力传动路线
图4-62 L位一挡动力传动路线
图4-63 R位动力传动路线
图4-64 驻车锁止机构
b.几点说明 通过分析各挡位换挡执行元件的工作情况及各挡位的动力传动路线，可以得出以下结论。
ⓐ 如果C1故障，则自动变速器没有前进挡，即将选挡杆置于D位、2位或L位时车辆都无法起步行驶，但对于倒挡没有影响。
ⓑ 如果C2故障，则自动变速器没有三挡，倒挡也将没有。
ⓒ 如果B2或F1故障，则自动变速器没有D位二挡，但对于二位二挡没有影响。
ⓓ 如果B3故障，则自动变速器没有倒挡。
ⓔ 如果F0故障，则自动变速器由三挡升四挡时会产生换挡冲击。这是由于三挡升四挡时，相当于由C0切换到B0，但C0、B0有可能同时不工作。此时负荷的作用将使超速行星排的齿圈不动，如果没有F0，在行星架的驱动下太阳轮将顺时针超速转动，当B0工作时产生换挡冲击。
ⓕ 如果F2故障，则自动变速器没有D位一挡和二位一挡，但对于L位一挡没有影响。
ⓖ 换挡时，单向离合器是自动参与工作的，所以只考虑离合器和制动器的工作即可。D1挡升D2挡是B2工作，D2升D3挡是C2工作，D3和D4互换，相当于C0和B0互换。
ⓗ 如果某挡位的动力传动路线上有单向离合器工作，则该挡位没有发动机制动。
提示：有些挡位虽然标明有单向离合器工作，但有可能被其他元件取代而实际上不工作。如二位二挡的B1工作后，F1实际上已不起作用，C0也可以取代F0，这样此挡虽标明有单向离合器的工作，但都不起作用，所以有发动机转动。
（5）拉威挪行星齿轮变速器 对于拉威挪（Ravigneaux）行星齿轮变速器，以桑塔纳2000GSi-AT型轿车的01N型4挡自动变速器为例进行介绍。由于换挡执行机构的结构、原理和检修与辛普森行星齿轮变速器都是一样的，所以这里只介绍拉威挪行星齿轮机构和液压系统。
①桑塔纳2000轿车01N型四挡拉威挪行星齿轮变速器的结构和组成 拉威挪行星齿轮变速器的结构如图4-65所示，包括拉威挪行星齿轮机构和离合器、制动器、单向离合器。
图4-65 拉威挪行星齿轮变速器的结构
拉威挪行星齿轮的机构如图4-66所示，由双行星排组成，包括大太阳轮、小太阳轮、长行星轮、短行星轮、齿圈和行星架。大、小太阳轮采用分段式结构，使第3挡到第4挡的转换更加平顺。短行星轮与长行星轮及小太阳轮啮合，长行星轮同时与大太阳轮、短行星轮及齿圈啮合，动力通过齿圈输出。两个行星轮共用一个行星架（图中未画出）。
图4-66 拉威挪行星齿轮的机构
②桑塔纳2000轿车01N型四挡拉威挪行星齿轮变速器各挡传动路线 拉威挪行星齿轮变速器的简图如图4-67所示，其中离合器K2用于驱动大太阳轮，离合器K3用于驱动行星齿轮架，制动器B1用于制动行星齿轮架，制动器B2用于制动大太阳轮，单向离合器F防止行星架逆时针转动，锁止离合器LC将变矩器的泵轮和涡轮刚性连在一起。
图4-67 拉威挪行星齿轮变速器的简图
各挡位动力传动路线见表4-12。
表4-12 各挡位动力传动路线
图4-68 液压1挡动力传动路线
图4-69 液压2挡动力传动路线
图4-70 液压3挡动力传动路线
图4-71 机械3挡动力传动路线
图4-72 液压4挡动力传动路线
图4-73 机械4挡动力传动路线
图4-74 倒挡动力传动路线
③桑塔纳2000轿车01N型四挡拉威挪行星齿轮变速器液压系统 液压系统主要由油泵、油道、滤清器、压力滑阀等组成，如图4-75所示。
图4-75 液压系统的结构
液压泵为内啮合式齿轮泵，其原理如图4-76所示。液压泵由变矩器的泵轮通过轴套驱动，它主要由主动齿轮、从动齿轮、月牙板、泵壳、泵盖等组成。月牙板的作用是将主动齿轮和从动齿轮之间的工作腔分成吸油腔和压油腔，并在泵盖上有相应的进油口和排油口。当主动齿轮被发动机带动做顺时针旋转时，与其相啮合的从动齿轮也一起旋转。在左端的吸油腔，随着齿轮退出啮合，容积增大，形成局部真空，将液压油吸入，并由于齿轮的旋转，把齿间的油液带到右端压油腔；压油腔则由于齿轮进入啮合，工作容积减小，压力增加而将油液排出。
图4-76 液压泵的原理
决定油泵使用性能的主要是齿轮的工作间隙，特别是齿轮端面间隙影响最大。在这些间隙处，总有一定的油液泄漏。如果因装配或磨损原因使得工作间隙过大，油液泄漏量就会增加，严重时会造成输出油液压力过低，影响系统正常工作。
