1、第二章 自动变速器的结构和工作原理第一节 液力变矩器的基本原理简介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。一、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。1-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
2、液力偶合器1、泵轮的运动 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。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、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。二、液力偶合器和液力变矩器的能量转换原理1、液力偶合器的能量转
3、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，由于篇幅有限，不作介绍，请读者参考有关著作。当发动机转速（即为泵轮转速）不变时，下述效率公式（1-2）中的分母是一个常数；随着涡轮转速的升高，传动比变大，效率也高。反之，随着涡轮转速的降低，偶合器的效率也随之下降。需要指出的是，从理论上讲，当 n1=n2 时 i=0，效率最高。这只有在涡轮轴上没有负载时才可能出现。而实际是，当 n1=n2，偶合器的泵轮和涡轮之间没有速度差；泵轮里的
4、液体随泵轮作旋转运动产生的离心惯性力和涡轮里的液体随涡轮运动产生的离心惯性力大小相等而方向相反；偶合器内的液体不流动，也没有环流，偶合器也就失去了能量传递的作用。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
5、出而进入导轮，再经导轮 a 端流入泵轮而形成环流。偶 合 器 的 传 动 比偶 合 器 的 效 率 ：则 液 力 偶 合 器 的 效 率 为 ， 则 ：， 输 出 扭 矩 为入 扭 矩 为根 据 动 量 矩 定 理 ， 设 输 :i: )21()(1200nMMii oi1 泵轮，2-涡轮，3-导轮图 2-2 变矩器结构图图 2-3 叶栅展开图把变矩器的公式（1-8）和偶合器的公式（1-11）进行比较，我们可以看出，变矩器涡轮轴上的输出力矩和泵轮轴上的力矩并不是偶合器中的等量关系，而是多了一个导轮对流体的作用力矩 M3。这是导轮在变矩器中对变扭所起的关键作用。泵轮出口处的牵连速度为：UB2（U
6、B2 = R21） ，相对速度为：WB2泵轮出口处的绝对速度为：VB2 = UB2 + WB2涡轮出口处的牵连速度为：UT2（UT2 = R32） ，相对速度为：WT2涡轮出口处的绝对速度为：VT2 = UT2 + WT2泵轮的出口速度即涡轮的进口速度，涡轮的出口速度即导轮的进口速度，所以可得如下公式： VB2 = VT1 VT2 = VD1 VD2 = VB1 泵轮对流体的作用力矩为: M1 = (VB2R2 - VB1R1) (1-4)涡轮对流体的作用力矩为: M2 = (VT2R3 - VT1R2) (1-5)导轮对流体的作用力矩为: M3 = (VD2R1 - VD1R3) (1-6)
7、把以上三式相加: M1 + M2 + M3 = 0 (1-7)即: M1 + M3 = -M2 (1-8) 如果删去导轮力矩,则可得到偶合器的力矩方程为:M1 + M2 = 0 或 M1 = -M2 (1-11) （1）变矩原理（见图 2-4）涡轮转速为零或较低（相当于起步或重载低速时） ，涡轮出口的绝对速度（即导轮的进口速度）和导轮的出口速度相反，涡轮轴上的输出力矩大于泵轮轴上的力矩。当涡轮转速逐渐升高，即涡轮的牵连速度逐渐增加时，涡轮出口绝对速度逐渐减小，方向逐渐改变；当涡轮的转速增加到一定程度以后（导轮进出口绝对速度的方向相同） ，流体作用于涡轮的力矩（涡轮的输出力矩）小于泵轮作用于流体
8、的作用力矩（泵轮的输入力矩） 。A 起步时 B 车速较高时1 由泵轮冲向涡轮的液流方向；2 由涡轮冲向导轮的液流方向；3 由导轮冲向泵轮的液流方向。图 2-4 导轮流体方向的变化图3 单向离合器和锁止离合器的应用涡轮转速升高以后，由涡轮流出流体的绝对速度的方向改变，使这些流体冲击导轮叶片的背部而引起了导轮流进泵轮的流体的方向改变而使流体对泵轮产生了一个阻滞泵轮运动的力矩。要改变这种状况，关键是改变导轮流出流体绝对速度方向的改变。 单向离合器的作用当涡轮的转速不高，导轮力矩 M30 时，由于涡轮出口流体力图使导轮反转（指和泵轮转向相反） ，此时单向离合器反向锁止，导轮被固定不动。最终使涡轮的输出
9、力矩大于泵轮力矩。当涡轮转速再升高，涡轮出口流体开始冲击导轮叶片背部，导轮力矩 M30 时，导轮旋转，导轮出口流体的绝对速度改变，使导轮输出力矩保持在 M3=0 状态（即偶合状态） 。 锁止离合器的作用当涡轮转速达到一定值以后，它就只能工作在耦合器的工作状态，成为一个耦合器。当汽车处于高速轻载时，其效率必然很低。当汽车高速轻载时，把变矩器的泵轮和涡轮直接锁止在一起形成机械传动，充分发挥机械传动效率高的特点，汽车在良好路面行驶时，通过锁止装置把泵轮和涡轮锁止在一起，使汽车高速行驶时的效率大为提高。第二节 油泵液压系统的动力源主要是油泵。在自动变速器中的电液控制系统中所用的油泵大致有三种类型。一种
10、是齿轮泵，一种是转子泵，第三种是叶片泵。一、齿轮式油泵的结构和原理在自动变速器中所用的齿轮泵一般是内啮合齿轮泵。图 2-5 是日本丰田汽车公司常用的齿轮泵的另部件分解图。这种泵主要由泵体、从动论（齿圈） 、主动轮和导轮轴组成。由于从动论是一个齿圈且较大，而主动轮是一个较小地外齿轮，所以，在主、从动齿轮之间的空隙用一个月牙型隔板把这个容腔分为两部分（见图 2-5） 。其中一腔是进油腔（或称吸油腔） ，另一腔是压油腔（或称排油腔） 。图 2-5 内啮合齿轮泵二、转子式油泵的结构与原理转子泵实际也是内啮合齿轮泵系列中的一种。但它的齿型不是一般的渐开线齿轮而多用摆线，所以又称为摆线转子泵。它主要由一对
11、内啮合的转子组成。内转子为外齿轮，且为主动件；外转子为内齿轮，是从动件。内转子一般比外转子少一个齿。内外转子之间是偏心安装。内转子的齿廓和外转子的齿廓是由一对共轭曲线组成，因此内转子上的齿廓和外转子上的齿廓相啮合，就形成了若干密封容腔。图 2-6 转子泵原理图三、叶片泵的结构和原理自动变速器叶片泵的工作原理如图 4-5，和普通液压传动用的单作用叶片泵的工作原理一样。这种油泵由转子 1、定子 2 和叶片 3 及端盖等组成。定子具有圆柱形内表面，定子和转子之间有偏心距 e。叶片装在转子槽中，并可在槽中滑动。当转子回转时，由离心力的作用，使叶片紧贴在定子内壁，在定子、转子、叶片和端盖间就形成了若干个
12、密封空间。图 2-7 叶片泵原理图1 转子 2 叶片 3 定子四 变量泵的结构与原理上述三种油泵的排量都是固定不变的，称为定量泵。为保证自动变速器的正常工作，油泵的排量应足够大，以便在发动机怠速运转的低速工况下也能为自动变速器各部分提供足够大的流量和压力的液压油。定量泵的泵油量是随转速的增大而成正比的增加的。当发动机在中高速运转时，油泵的泵油量将大大的超过自动变速器的实际需要，此时油泵泵出的大部分液压油将通过油压调节阀返回油底壳。由于油泵泵油量愈大，其运转阻力也愈大，因此这种定量泵在高转速时，过多的泵油量使阻力增大，从而增加了发动机的负荷和油耗，造成了一定的动力损失。图 2-8 变量泵1-泵壳
13、 2-定子 3-转子 4-叶片5-进油口 6-滤清网7-回位弹簧 8-销轴 9-反馈油道 10-出油口 11-卸压口为了减少油泵在高速运转时泵油量过多而引起的动力损失，目前用于汽车自动变速器的叶片泵大部分都设计成排量可变的形式（称为变量泵或可变排量式叶片泵） 。采用这种油泵的车型有福特、马自达、大宇等轿车。这种叶片泵的定子不是固定在泵壳上，而是可以绕一个销轴做一定的摆动，以改变转子与定子的偏心距（图 2-8） ，从而改变油泵的排量。在油泵运转时，定子的位置由定子侧面控制腔内来自油压调节阀的反馈油压来控制。当油泵转速过低时，泵油量较小，油压调节阀将反馈油路关小，使反馈压力下降，定子在回位弹簧的作
14、用下绕销轴向顺时针方向摆动一个角度，加大了定子与转子的偏心距油泵的排量随之增大；当油泵转速增高时，泵油量增大，出油压力随之上升，推动油压调节阀将反馈油路开大，使控制腔内的反馈油压上升，定子在反馈油压的推动下绕销轴向逆时针方向摆动，定子与转子的偏心距减小，油泵的排量也随之减小，从而降低了油泵的泵油量。图 2-9 是定量泵和变量泵的泵油曲线图。由图中可知，定量泵的泵油量与发动机的转速成正比，并随发动机转速的增加而增加；变量泵的泵油量在发动机转速超过某一数值后就不在增加，保持在一个能满足 油路压力的水平上，从而减少了油泵在高转速的运转阻力，提高了汽车的燃油经济性。 图 2-9 泵油量曲线图1-定量泵
15、泵油量曲线图 2-变量泵泵油量曲线图第三节 自动变速器的机械变速机构手动变速器一般用外啮合普通齿轮变速机构，而自动变速器一般用内啮合的行星齿轮机构。和普通手动变速器相比，在传递同样功率的条件下，内啮合行星齿轮机构可以大大减小变速机构的尺寸和重量；并可以实现同向、同轴减速传动。此外，由于采用内啮合传动，变速过程中动力不间断，加速性好，工作可靠。一、行星齿轮机构的基本结构和工作原理行星齿轮机构按照齿轮排数不同。可以分为单排和多排行星齿轮机构。多排行星齿轮机构一般由几个单排行星齿轮机构组成。在自动变速器中一般应用 2-3 个单排行星齿轮机构组成一个多排行星齿轮机构。但单排行星齿轮机构是分析多排行星齿
16、轮机构的基础。1 单排行星齿轮机构和它的传动原理（见图 2-10）如图 2-10 所示为一个单排行星齿轮机构的基本结构简图。从图中可以看出，一个单排行星齿轮机构由太阳轮 1、行星齿轮和行星齿轮架 2 及环齿圈 3 组成。由于行星齿轮和行星架是一个整体（以下简称行星架） ，所以，在一个行星排中只有三个基本组件：太阳轮、行星架和环齿圈。1 太阳轮 2 行星齿轮和行星齿轮架，3 环齿圈图 2-10 行星齿轮机构简图2. 单排行星齿轮机构的组合方式由于单排行星轮机构有两个自由度，因此，它没有固定的传动比，不能直接用于变速传动，也就不能传递功率。所以，行星排在传递功率时，三组件中的一个必须被锁止，使其它
17、二个组件中的一个为主动件，另一个为从动件。通过这两个组件才可能传递功率，也才有固定的传动比。一个行星排可以得到八种不同的组合方式。3 . 传动比的基本计算行星排在运转时 ，由于行星轮存在自转和公转两种运动状态，因此其传动比的计算方法和定轴式齿轮传动机构的计算方法稍有不同。一种是根据定轴式齿轮传动计算传动比的模式来计算，当行星架作为主动件或从动件时，赋予行星架一个当量齿数，就可以直接计算传动比；另一种计算方法是根据单排行星轮的运动特性方程来进行计算。两者殊途同归。 直接计算 环齿圈锁止或制动 太阳轮制动 行星架制动 根据运动特性方程的计算直接计算公式 1-15从 动 件 转 速主 动 件 转 速
18、主 动 件 齿 数从 动 件 齿 数传 动 比 )(i直 接 计 算 示 例Z1=24 Z2=56 ZC=Z1+Z2=80公式 1-16 运动特性方程： 从 动 件 转 速主 动 件 转 速传 动 比 ：式 中 ： 运 动 方 程 式 为 ：， 行 星 架 的 转 速 为转 速 为 ，环 齿 圈 的 齿 数 为， 转 速 为设 太 阳 轮 的 齿 数 为i nn ZZ12312 211 )6()(,Z4. 辛普森行星排 1 的结构及传动规律如图 2-11 所示为一个辛普森（Simpson）式双排行星齿轮机构的简图。它是由两个内啮合单排行星齿轮机构组合而成。从图中可以看出，两个行星排共享一个太阳轮。称前后太阳轮组件 1；前行星架和后环齿圈固连为一体，称前行星架和后环齿圈组件 3；这个组件和输出轴 5 连接在一起。经过这样的组合，本来两个行星排的六个基本组件就变成一个只有四个独立组件的行星齿轮机构。143.0562.17.085643.1.0823.4121iZiZifeCdCbCaBABABA： 环 齿 圈 为 主 动 件 ： 太 阳 轮 为 主 动 件 ：行 星 架 制 动： 行 星 架 为 主 动 件 ： 环 齿 圈 为 主 动 件 ：太 阳 轮 制 动 ： 行 星 架 为 主 动 件 ： 太 阳 轮 为 主 动 件 ：环 齿 圈 锁 止 或 制 动
