《汽車電子控制技術(shù)》課件-第三部分：自動變速器

第三部分：自動變速器情境一自動變速器概述一、自動變速器定義所謂自動變速器，即在汽車行駛過程中，駕駛員僅僅操縱油門踏板，汽車就可以根據(jù)行駛阻力(車速高低、地面坡度大小等)和節(jié)氣門開度大小自動變換檔位改變車速的變速器，簡稱AT(AutomaticTransmission)。奧迪A8六檔自動變速器如圖3-1所示。圖3-1奧迪A8六檔自動變速器二、自動變速器的類型在自動變速器的發(fā)展過程中出現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)形式。自動變速器的驅(qū)動方式、檔位數(shù)、變速齒輪的結(jié)構(gòu)形式、變矩器的結(jié)構(gòu)類型及換檔控制形式等都有不同之處。下面從不同角度對自動變速器進(jìn)行分類。（一）按汽車驅(qū)動方式分類自動變速器按照汽車驅(qū)動方式的不同，可分為前輪驅(qū)動自動變速器（如圖3-2所示）和后輪驅(qū)動自動變速器（如圖3-3）所示兩種。后輪驅(qū)動自動變速器的變矩器和行星齒輪機(jī)構(gòu)的輸入軸及輸出軸在同一軸線上，因此軸向尺寸較大，閥體總成則布置在行星齒輪機(jī)構(gòu)下方的油底殼內(nèi)。圖3-2前驅(qū)自動變速器圖3-3后驅(qū)自動變速器（二）按自動變速器前進(jìn)檔位數(shù)分類自動變速器按前進(jìn)檔的檔數(shù)的不同，可分為2（前進(jìn)）檔自動變速器、3檔自動變速器、4檔自動變速器等。早期的自動變速器通常為2個前進(jìn)檔或3個前進(jìn)檔。這兩種自動變速器都沒有超速檔，其最高檔為直接檔。現(xiàn)代轎車裝用的自動變速器基本上都是4個前進(jìn)檔，即設(shè)有超速檔。這種設(shè)計雖然使自動變速器的構(gòu)造更加復(fù)雜，但由于設(shè)有超速檔，大大改善了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。在商用車上，大多采用5檔和6檔自動變速器，一些新型轎車上也開始采用5檔和6檔自動變速器。

（三）按變矩器的類型分類按液力變矩器的類型，自動變速器大致可分為普通液力變矩器式、綜合液力變矩器式和帶鎖止離合器的液力變矩器式自動變速器三種。普通液力變矩器是指由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪三個元件組成的液力變矩器。綜合式液力變矩器是指在導(dǎo)輪與固定導(dǎo)輪的套管之間裝有單向離合器的液力變矩器，它可以自動進(jìn)行變矩器工況與液力偶合器工況的轉(zhuǎn)換。新型轎車的自動變速器普遍采用帶鎖止離合器的液力變矩器。當(dāng)汽車達(dá)到一定車速時，控制系統(tǒng)使鎖止離合器接合，將液力變矩器的輸入部分和輸出部分連成一體，使發(fā)動機(jī)動力直接傳入齒輪變速器，從而提高了傳動效率，降低了油耗。圖3-4液力變矩器

（四）按齒輪傳動機(jī)構(gòu)的類型分類自動變速器按其齒輪傳動機(jī)構(gòu)的類型不同，可分為平行軸式和行星齒輪式兩種。平行軸式自動變速器體積大，最大傳動比小，只有少數(shù)幾種車型使用。行星齒輪式自動變速器結(jié)構(gòu)緊湊，能獲得較大的傳動比，為絕大多數(shù)轎車采用。如圖3-5所示。圖3-5齒輪傳動機(jī)構(gòu)的類型分類（五）按控制方式分類自動變速器按控制方式不同，可分為全液壓自動變速器和電子控制自動變速器兩種。全液壓自動變速器是通過機(jī)械的手段，將汽車行駛的車速及節(jié)氣門開度這兩個參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤嚎刂菩盘?；閥體中的各個控制閥根據(jù)這些液壓控制信號的大小，按照設(shè)定的換檔規(guī)律，通過控制換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，實現(xiàn)自動換檔，如圖3-6所示。圖3-6液力控制自動變速器控制過程原理（六）按工作原理分類按工作原理不同，自動變速器分為液力自動變速器（AT）、機(jī)械自動變速器（AMT）和無級自動變速器（CVT）三種。液力自動變速器通常指含有液力變矩器的自動變速器；機(jī)械自動變速器是在普通手動機(jī)械變速器（MT）的基礎(chǔ)上增加了一套自動換檔控制系統(tǒng)構(gòu)成；無級自動變速器指無級控制速比變化的變速器，它的種類很多，有機(jī)械式、流體式和電動式，目前應(yīng)用最多的是金屬帶式機(jī)械無級變速器。三、自動變速器檔位說明自動變速器檔位有六個位置和七個位置兩種，六個位置的檔位標(biāo)識一般是P、R、N、D、2、1位，有的廠家把2位標(biāo)成S位，把1位標(biāo)成L位。六個手柄位置的自動變速器一般另設(shè)一個超速檔選擇開關(guān)O/D。選檔手柄所處的位置由檔位指示器的指針或由儀表顯示，如圖3-8所示。圖3-8自動變速器選檔手柄和檔位指示器液力變矩器安裝在發(fā)動機(jī)的飛輪上，是構(gòu)成自動變速器不可缺少的重要組成部分。液力變矩器的結(jié)構(gòu)和性能直接決定自動變速器的傳動效率。因此，需要了解液力變矩器的功用，掌握其結(jié)構(gòu)、工作原理以及檢修方法等相關(guān)知識。如圖3-10所示。情境二液力變矩器圖3-10液力變矩器實物一、液力變矩器組成及工作原理液力變矩器的三個基本元件是泵輪、渦輪和導(dǎo)輪（如圖3-11所示）。變矩器殼體用螺栓與發(fā)動機(jī)飛輪連接在一起。殼體又和泵輪焊接在一起。因此，殼體與泵輪隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動，作為發(fā)動機(jī)的動力輸入。泵輪的葉片沖焊在殼體上。當(dāng)泵輪轉(zhuǎn)動時，在離心力的作用下，液體被從中央甩到泵輪的邊緣。液體從泵輪外緣甩出，撞擊到渦輪的外邊緣。渦輪和泵輪相似，在其內(nèi)部有葉片。液體撞擊渦輪葉片邊緣，沖擊力使渦輪轉(zhuǎn)動。機(jī)械變速器的輸入軸用花鍵與渦輪相連，當(dāng)渦輪和輸入軸旋轉(zhuǎn)時，動力輸入到機(jī)械變速器。圖3-11液力變矩器的組成二、液力變矩器結(jié)變矩原理1.前面提到的液力偶合器，只有兩個葉輪是不能夠?qū)崿F(xiàn)增大扭矩功能的。導(dǎo)輪的引入使發(fā)動機(jī)扭矩的增大成為可能。這樣，液力偶合器就成了變矩器。圖3-12變矩器輸出扭矩增大原理2.隨著渦輪轉(zhuǎn)速逐漸升高，即渦輪的牽連速度逐漸增加時，使得從渦輪流入導(dǎo)論的油液方向有所變化，在渦輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力的作用下，油液不再直接射向?qū)л啠窃竭^導(dǎo)輪直接回到泵輪，因此失去了增扭作用。此時的液力變矩器變成了液力偶合器。如圖3-13所示。圖3-13油液在液力變矩器中的流向（導(dǎo)輪不動）3.渦輪轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，從渦輪流入導(dǎo)輪的油液沖擊到的背面，導(dǎo)輪在油液沖擊力的作用下開始轉(zhuǎn)動，方向與渦輪和泵輪的一致。如圖3-14所示。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)數(shù)增大至與泵輪轉(zhuǎn)速相等時，油液在循環(huán)圓中循環(huán)流動停止，液力變矩器失去傳遞動力的能力。圖3-14油液在液力變矩器中的流向（導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動）三、液力變矩器的檢修1.單向離合器檢修單向離合器損壞失效后，如果在鎖止方向上出現(xiàn)打滑，則液力變矩器就沒有了轉(zhuǎn)矩放大的功用，將出現(xiàn)如下故障現(xiàn)象：車輛加速起步無力，不踩加速踏板車輛不行駛，但車輛開始行駛后換檔正常，發(fā)動機(jī)功率正常，如果做失速試驗會發(fā)現(xiàn)失速轉(zhuǎn)速比正常值低400～800r／min。如果單向離合器卡住，在汽車進(jìn)入耦合工作區(qū)（即渦輪轉(zhuǎn)速接近泵輪轉(zhuǎn)速）、中高速行駛時，由于導(dǎo)輪卡住不轉(zhuǎn)，從渦輪流出的渦流在導(dǎo)輪上受阻，因此使汽車中高速時動力性能變差。2.鎖止離合器檢修鎖止離合器的常見故障有不鎖止和常鎖止。不鎖止的故障現(xiàn)象是車輛的油耗高、發(fā)動機(jī)高速運轉(zhuǎn)而車速不夠快，故障檢查時要相應(yīng)檢查電路部分、閥體部分以及鎖止離合器本身。常鎖止的故障現(xiàn)象是發(fā)動機(jī)怠速正常，但變速桿置于動力檔（R、D、2、L）后發(fā)動機(jī)熄火。3.液力變矩器的檢查（1）檢查液力變矩器的外部目視檢查液力變矩器的外部有無損壞和裂紋，油泵驅(qū)動轂外徑有無磨損、缺口有無損傷。如有異常，應(yīng)更換液力變矩器。（2）液力變矩器的清洗當(dāng)自動變速器曾有過熱現(xiàn)象或ATF被污染后，應(yīng)該清洗液力變矩器。（3）液力變矩器內(nèi)部干涉的檢查液力變矩器內(nèi)部干涉主要指導(dǎo)輪和渦輪、導(dǎo)輪和泵輪之間的干涉。如果有干涉，液力變矩器運轉(zhuǎn)時會有噪聲。（4）液力變矩器軸套徑向圓跳動檢查將液力變矩器所在位置做個標(biāo)記，暫時裝到飛輪上，用千分表檢查變矩器軸套的徑向圓跳動誤差，如圖3-17所示。如果徑向圓跳動超過0.30mm，則重新調(diào)整液力變矩器的安裝方位；如果徑向圓跳動過大而得不到修正，則應(yīng)更換液力變矩器。圖3-17液力變矩器軸套徑向圓跳動檢查4.液力變矩器噪聲的診斷若液力變矩器有噪聲，當(dāng)輕踩制動踏板后噪聲立刻消失，放松制動踏板后噪聲又出現(xiàn)，反復(fù)測試現(xiàn)象依舊，則可判定鎖止離合器有故障?？赡茉蛴校阂毫ψ兙仄餍褂?，鎖止壓力不足，由打滑引起噪聲；鎖止離合器鎖止壓盤與液力變矩器殼體因變形接觸不良造成打滑；液力變矩器殼體端面擺動或失去動平衡造成旋轉(zhuǎn)時共振引起噪聲。一、行星齒輪機(jī)構(gòu)傳動結(jié)構(gòu)及原理簡單（單排）的行星齒輪機(jī)構(gòu)是變速機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，通常自動變速器的變速機(jī)構(gòu)都由兩排或三排以上行星齒輪機(jī)構(gòu)組成。簡單行星齒輪機(jī)構(gòu)包括一個太陽輪、若干個行星齒輪和一個齒輪圈，其中行星齒輪由行星架的固定軸支承，允許行星輪在支承軸上轉(zhuǎn)動。行星齒輪和相鄰的太陽輪、齒圈總是處于常嚙合狀態(tài)，通常都采用斜齒輪以提高工作的平穩(wěn)性（如圖3-18所示）。情境三行星齒輪變速機(jī)構(gòu)圖3-18單排單級行星齒輪機(jī)構(gòu)下面分別討論三種情況。（1）見圖3-20，齒圈固定，太陽輪為主動件且順時針轉(zhuǎn)動，而行星架則為被動件。在這種狀態(tài)下，就出現(xiàn)了行星齒輪機(jī)構(gòu)作用的傳動方式，而且被動件行星架的旋轉(zhuǎn)方向與主動件同方向。在這里，太陽輪是主動件而且是小齒輪，被動件行星架沒有具體齒數(shù)的傳動關(guān)系，因此定義行星架的當(dāng)量齒數(shù)等于太陽輪和齒圈齒數(shù)之和。這樣，太陽輪帶動行星架轉(zhuǎn)動仍屬于小齒輪帶動最大的齒輪，是一種減速運動且有最大的傳動比。圖3-20齒圈固定，太陽輪為主動件（2）見圖3-21，太陽輪固定，行星架為主動件且順時針轉(zhuǎn)動，齒圈為被動件。當(dāng)行星架順時轉(zhuǎn)動時，勢必造成行星輪的順時針轉(zhuǎn)動，結(jié)果行星輪帶動齒圈順時針轉(zhuǎn)動。在這里，主動件行星架的旋轉(zhuǎn)方向和被動件齒圈相同。由于行星架是一個當(dāng)量齒數(shù)最大齒輪，因此被動的齒圈以增速的方式輸出，兩者間傳動比小于1。圖3-21太陽輪固定，行星架為主動件（3）見圖3-22，行星架固定，太陽輪為主動件且順時針轉(zhuǎn)動，而齒圈則作為被動件。由于行星架被固定，則機(jī)構(gòu)就屬于定軸傳動，太陽輪順時針轉(zhuǎn)動，行星輪則逆時針轉(zhuǎn)動，而行星輪又帶齒圈同方向轉(zhuǎn)動，結(jié)果齒圈的旋轉(zhuǎn)方向和太陽輪相反。在定軸傳動中，行星輪起了過渡輪的作用，改變了被動件齒圈的旋向。為了便于計算行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動比，假設(shè)行星架有齒數(shù)Zj，則根據(jù)轉(zhuǎn)速特性方程，太陽輪、齒圈和行星架三者的齒數(shù)關(guān)系為：

Zj=Zt+Zq=Zt+KZt

可見，Zj>Zq>Zt。圖3-22行星架固定，太陽輪為主動件二、復(fù)合式行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作過程1.辛普森式齒輪機(jī)構(gòu)辛普森式（SIMPSON）齒輪機(jī)構(gòu)是由公用一個太陽輪的兩組行星齒輪、兩個齒圈和兩個行星架組成，辛普森式齒輪機(jī)構(gòu)的兩組單排行星齒輪機(jī)構(gòu)；分別將其稱為前行星齒輪機(jī)構(gòu)和后行星齒輪機(jī)構(gòu)。它可以提供空檔、第一降速檔、第二降速檔、直接檔和倒檔。辛普森變速器驅(qū)動太陽輪需要大輪轂，體積大。如圖3-23所示。圖3-23辛普森式結(jié)構(gòu)2.拉威那式齒輪結(jié)構(gòu)拉維娜行星齒輪機(jī)構(gòu)是一種雙排單、雙級復(fù)合式行星齒輪機(jī)構(gòu)，圖3-24為其結(jié)構(gòu)示意圖。前排為單級機(jī)構(gòu)，后排是雙級機(jī)構(gòu)，前后排共用一個齒圈和一個行星架。在行星架上，外行星輪為長行星輪，它的小端與齒圈嚙合，大端與太陽輪嚙合。內(nèi)行星輪為短行星輪，與小太陽輪和長行星輪的小端同時嚙合。大眾、奧迪、別克、三菱等公司生產(chǎn)的自動變速器多采用此結(jié)構(gòu)。圖3-24拉維娜行星齒輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖三、換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)將行星齒輪機(jī)構(gòu)改組換檔的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有：離合器、制動器和單向離合器。1.離合器離合器是換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)中進(jìn)行連接的主要組件。離合器連接輸入軸與行星齒輪機(jī)構(gòu)，把液力變矩器輸出的動力傳遞給行星齒輪機(jī)構(gòu)；或把行星排的某兩個組件連接在一起，使之成為一個整體。2.制動器自動變速器中的制動器是用來固定行星排中的元件。通過制動器的接合，把行星排中的某個元件和變速器殼體連接起來，使之不能轉(zhuǎn)動。自動變速器中的制動器有兩種：一種是片式制動器；一種是帶式制動器。片式制動器與離合器的結(jié)構(gòu)和原理相同，不同之處是離合器是起連接作用而傳遞動力，而片式制動器是通過連接而起制動作用。帶式制動器又稱制動帶，下面介紹其結(jié)構(gòu)和原理。3.單向離合器單向離合器又稱自由輪離合器，在液力變矩器和行星排中均有應(yīng)用。在行星排中，它用來鎖止某個元件的某種轉(zhuǎn)向。它同時還具有固定作用，當(dāng)與之相連元件的受力方向與鎖止方向相同時，該元件立即被固定；當(dāng)受力方向與鎖止方向相反時，該元件即被釋放。單向離合器的鎖止和釋放完全由與之相連元件的受力方向來控制。常見的單向離合器有滾柱式（圖3-29）和楔塊式（圖3-30）兩種。圖3-29滾柱式單向離合器的結(jié)構(gòu)與工作原理圖3-30楔塊式單向離合器的機(jī)構(gòu)與工作原理自動變速器的發(fā)展，得益于電子技術(shù)的發(fā)展，更得益于發(fā)動機(jī)電子控制技術(shù)的發(fā)展。因為自動變速器的許多輸入信號，都來自電控發(fā)動機(jī)的傳感器。由于共享這些信號資源，使得自動變速器的結(jié)構(gòu)和控制變得比較簡單。自動變速器（ECAT）是在液壓控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電子控制系統(tǒng)，更精確地控制換檔時機(jī)和提高換檔品質(zhì)。如圖3-31所示。情境四電子控制系統(tǒng)圖3-31自動變速器電子控制系統(tǒng)簡圖一、電子控制系統(tǒng)的組成自動變速器的電子控制系統(tǒng)由傳感器、電控單元（ECU）及執(zhí)行器組成，換檔控制ECU及輸入與輸出信號關(guān)系如圖3-32所示。圖3-32自動變速器的電子控制系統(tǒng)組成

二、電子控制系統(tǒng)的工作原理自動變速器的控制原理如圖3-33所示。圖3-33自動變速器控制原理三、電子控制系統(tǒng)的部件1.控制單元自動變速器的基礎(chǔ)元件是類似計算機(jī)的電控單元（ECU），它具有“大腦”的功能。它接收、存儲、處理和發(fā)送信息，決定車輛的工作條件。Digimat控制單元安裝在右側(cè)座椅前方擱腳空間的地毯下面，其外形如圖3-34所示。Digimat控制單元J217處理來自傳感器的信息并且根據(jù)收到的信息控制執(zhí)行元件工作。Digimat控制單元配備了一個自診斷系統(tǒng)并能連接上故障閱讀儀（VAG1552）進(jìn)行快速數(shù)據(jù)傳送。Digimat控制單元的在行駛過程中，控制單元有故障或電源有故障以及電磁閥有故障時，變速器將在緊急狀態(tài)下繼續(xù)工作。電子模塊將電子控制單元和傳感器一般合成在一個不可分割的整體內(nèi)圖3-34Digimat控制單元外形2.傳感器（1）節(jié)氣門電位計G69節(jié)氣門電位計G69位于進(jìn)氣道旁邊，與節(jié)氣門安裝在一起并且由節(jié)氣門驅(qū)動。其作用是持續(xù)為Digimat控制單元提供關(guān)于節(jié)氣門位置的信息。在變速器工作時，換檔點、主油壓和換檔過程的最優(yōu)化功能是根據(jù)節(jié)氣門信息來進(jìn)行控制的。節(jié)氣門電位計有副滑動環(huán)，它可以用來替代裝備Digifant電噴系統(tǒng)中的怠速和全負(fù)荷開關(guān)，節(jié)氣門電位計的結(jié)構(gòu)及電路原理圖如圖3-35、3-36所示。圖3-35節(jié)氣門位置傳感器結(jié)構(gòu)圖3-36節(jié)氣門位置傳感器電路原理及輸出特性（2）車速傳感器G68車速傳感器G68位于變速器殼體頂部的右側(cè)上（圖3-37），它屬于磁脈沖式的，通過脈沖輪的齒輪獲得車速信息。車速傳感器提供車速信號給Digimat控制單元用于換檔，并且使換檔過程平穩(wěn)。圖3-37車速傳感器安裝位置（3）多功能開關(guān)F125多功能開關(guān)F125位于變速器殼體旁，由換檔桿驅(qū)動并完成以下功能：1）將換檔桿位置提供給Digimat控制單元；2）接通倒車信號燈；掛行駛檔位時阻止發(fā)動機(jī)起動；接通或切斷巡航控制系統(tǒng)的信息。（4）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和變速器轉(zhuǎn)速傳感器Digimat控制單元通過發(fā)動機(jī)控制單元從分電器中的霍爾傳感器獲得發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，在車速傳感器發(fā)生故障時，它可以作為車速傳感器的替代信號。（5）換低檔開關(guān)F8換低檔開關(guān)F8與油門拉索做成一體并且安裝在發(fā)動機(jī)艙的橫隔板上，當(dāng)加速踏板踩下并超過節(jié)氣門全開點時，換低檔開關(guān)便動作。開關(guān)動作時，將在較高狀態(tài)的換檔點上強(qiáng)制換檔并且從高檔換入低檔位。（6）ATF油溫度傳感器G93ATF油溫度傳感器G93位于閥體旁，處于ATF油中，如圖3-38所示。ATF油溫度傳感器始終監(jiān)測ATF油溫度，當(dāng)油溫超過限定值時，換檔過程將在發(fā)動機(jī)較高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，通過提高的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速來減小液力變矩器滑轉(zhuǎn)以此來降低ATF油溫。ATF油溫一下降，將再次恢復(fù)正常的換檔模式。圖3-38ATF油溫度傳感器（7）制動燈開關(guān)F制動燈開關(guān)安裝在制動踏板旁，如圖3-39所示，對于換檔桿鎖止功能來講，它需要制動踏動作的信息。圖3-39制動燈開關(guān)（8）ECO/SPORT切換鍵E122ECO/SPORT切換鍵E122位于換檔桿旁，每按切換鍵一次，實現(xiàn)SPORT和ECO換檔模式之間的一次切換。發(fā)動機(jī)起動后，最后選擇的換檔模式通過運動型指示燈顯示出來。3.執(zhí)行元件（1）開關(guān)式電磁閥電控液力式電子控制自動變速器中，電腦根據(jù)各傳感器和開關(guān)提供的信號，控制各電磁閥的接通和斷路。開關(guān)式電磁閥的作用：開啟和關(guān)閉自動變速器油路，可用于控制換擋閥及液力變矩器的鎖止離合器鎖止閥。開關(guān)式電磁閥由電磁線圈、銜鐵、閥芯和回位彈簧等組成。如圖3-40所示。不通電通電圖3-40開關(guān)電磁閥的工作原理（2）脈沖式電磁閥脈沖式電磁閥其作用是控制油路中油壓的大小，它的結(jié)構(gòu)與開關(guān)式電磁閥很相似，也是由電磁線圈、銜鐵、閥芯等組成，如圖3-41所示