重庆双碑旧城改造规划:自动变速器工作原理

如果您驾驶过配备自动变速器的汽车，则应该知道自动变速器和手动变速器之间有两个主要区别：
自动变速器汽车上没有离合器踏板。
自动变速器汽车上没有换挡机构。只要将变速器挂在前进挡，其他所有操作都会自动进行。
自动变速器（与它的液力变矩器）和手动变速器（与它的离合器）完成一模一样的事情，但它们完成的方式完全不同。 自动变速器的工作方式十分的神奇！

自动变速器的位置
在本文中，我们将详细讲述自动变速器的原理。 首先您将了解整套系统的关键部件： 行星齿轮组。 然后，我们将告诉您变速器的装配、控制装置的工作原理，并讨论在变速器的控制中涉及到的一些难点。
与手动变速器一样，自动变速器的主要工作是让发动机在较窄的转速范围下运行，并且提供较宽的输出速度范围。

戴姆勒-克莱斯勒公司 供图
梅赛德斯-奔驰CLK自动变速器
如果没有变速器，汽车将会只有一种传动比，而我们也只能选择让汽车以所需的最大速度行驶的那种传动比。 如果您想要的最大速度是130公里/小时，那么传动比应类似于大多数手动变速器中的三挡。
您可能从来没尝试过仅用三挡来驾驶配备手动变速器的汽车。 如果体验一下，您很快会发现在起动时几乎没有加速感。高速行驶时，发动机会发出尖叫，转速表会接近红线。这样的汽车很快就会磨损，以至于几乎无法驾驶。
因此，变速器使用齿轮，以便更有效地利用发动机的扭矩，从而保持发动机在合适的转速下运行。
手动变速器和自动变速器之间的关键不同在于：前者将不同组的齿轮分别锁定到输出轴，以得到各种传动比；而在自动变速器中，同一组齿轮就可得到所有不同的传动比，自动变速器则是通过行星齿轮组来实现这一功能的。
下面让我们来了解行星齿轮组的工作原理。
当我们分解自动变速器以了解其内部结构时，会发现其在相当小的空间内容纳了各种各样的部件。除了其他部件外，您还会看到：
一套精致的行星齿轮组
一组钢带，用于固定齿轮组的部件
一组三个湿盘离合器，用于固定齿轮组的其他部件
一套神奇的液压系统，用于控制离合器和钢带
一个大型齿轮泵，用于运送变速器液力传动油
我们关注的重点是行星齿轮组。 这个部件的大小与甜瓜相仿，它产生变速器所能生成的所有不同传动比。变速器内的其他所有部件都是为了帮助行星齿轮组完成此工作。博闻网之前已经介绍过这种神奇的齿轮装置，您可以从电动螺丝刀一文中认识这种装置。自动变速器包含两套完整的行星齿轮组，它们组合成一个部件。有关行星齿轮组的介绍，请参见齿轮比原理。

从左到右：齿圈、行星架、两个太阳轮
所有行星齿轮组都有三个主要部件：
太阳轮
行星齿轮和行星齿轮的齿轮架
齿圈
每种部件可以作为输入、输出，也可以保持不动。 当各种部件担任不同角色时，可相应得到齿轮组的某一传动比。下面让我们观察单个行星齿轮组。
变速器中的一个行星齿轮组包括一个72齿的齿圈和一个30齿的太阳轮。通过该齿轮组，可以得到很多不同的传动比。
输入输出不动计算传动比
A太阳轮（S）行星架（C）齿圈（R）1+R/S3.4:1
B行星架（C）齿圈 （R）太阳轮（S）1 /（1+S/R）0.71:1
C太阳轮（S）齿圈 （R）行星架（C）-R/S-2.4:1
另外，将其中任何两个部件锁定在一起，都会将整个装置锁定在1:1齿轮减速比。 请注意，上面列出的第一个传动比是减速挡——输出速度比输入速度慢。第二个是超速挡——输出速度比输入速度快。最后一个又是减速挡，但输出方向相反。 从这个行星齿轮组还能得到其他几种传动比，不过这几种传动比与我们的自动变速器相关。您可以从下面的动画中试验这几种传动比：
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移动换挡杆，观察动力是如何通过变速器传递的。
倒挡
倒挡和一挡极为类似，但由液力变矩器涡轮驱动的不是较小而是较大的太阳轮，较小的太阳轮反向空转，行星架被倒挡制动带固定到外壳上。 因此，根据上一页的公式，传动比为：
传动比=-R/S=72/36=2.0:1
这样，本变速器中，倒挡的传动比略小于一挡的传动比。
传动比
本变速器有四个前进挡和一个倒挡。下面让我们来总结一下传动比、输入和输出：
挡位输入输出固定传动比
一挡30齿太阳轮72齿齿圈行星架2.4:1
二挡30齿太阳轮行星架36齿齿圈2.2:1
行星架72齿齿圈36齿太阳轮0.67:1
二挡总计1.47:1
三挡30齿和36齿太阳轮72齿齿圈
1.0:1
超速挡行星架72齿齿圈36齿太阳轮0.67:1
倒挡36齿太阳轮72齿齿圈行星架-2.0:1
阅读了上述内容后，您大概想知道不同的输入装置是如何连接和断开的，其实这些装置是通过变速器内部的一系列离合器和制动带完成的。接下来，我们将了解这些离合器和制动带如何工作。
在上一节中，我们讨论了变速器如何得到每种传动比。例如，当我们讨论超速挡时，我们说：
在本变速器中，啮合超速挡后，连接到液力变矩器外壳的轴（通过螺栓固定到发动机的飞轮）会通过离合器连接到行星架。较小的太阳轮空转，较大的太阳轮被超速挡制动带固定。没有任何部件连接到涡轮，仅有的输入来自变矩器外壳。
为了将变速器转到超速挡，必须通过离合器和制动带连接和断开许多部件。行星架通过离合器连接到液力变矩器外壳。较小的太阳轮通过离合器从涡轮断开，使其能够空转。较大的太阳轮通过制动带固定到外壳，使其无法旋转。每次换挡都触发一系列类似的操作，只不过啮合与脱离的离合器和制动带不同。下面让我们观察一下制动带。
在本变速器中，有两副制动带。变速器中的制动带实际上是钢带，缠绕在齿轮系的截面上，连接到外壳，它们通过变速器壳内的液压缸驱动。

其中一个副制动带
在上图中，您可以在变速器的外壳中看到其中一条制动带。齿轮系已移除，金属杆连接到活塞，而活塞驱动制动带。

此处可以看到驱动制动带的活塞。
在上图中，您可以看到驱动钢带的两个活塞。通过一组气门传送到气缸的液压使活塞推动钢带，将这个齿轮传动系的部件固定在外壳中。
变速器中的离合器有一点复杂。在本变速器中有四个离合器，每个离合器都是由增压过的液压油驱动，这些液压油进入到离合器内的活塞中。当弹簧确保当压力下降时，离合器松开。下面您可以看到活塞和离合器鼓。请注意活塞上的橡胶密封圈——当保养变速器时，它是要更换的部件之一。

变速器中的一个离合器
下图显示的是离合器摩擦材料和钢片的交互层。摩擦材料在内部用花键连接，从这里锁定到其中一个齿轮；钢片在外部用花键连接，从这里锁定到离合器壳。在大修变速器时，也要更换这些离合器片。

离合器片
通过轴上的通道为离合器提供压力，可以在任何时刻用液压系统来激发那些离合器和制动带。
如果汽车挂驻车挡
锁住变速器不让它旋转似乎很简单，但实际上对这种装置有一些复杂的要求：
汽车在斜坡上时，必须能脱离啮合（汽车的自重施加在机构上）。
即使换挡杆没有与齿轮对齐，您也必须能够接合此机构。
一旦接合，某个部件必须阻止换挡杆弹出和脱开。
要达到所有这些要求的机构相当精妙，接下来让我们首先观察其中的一些部件。

变速器的输出：方形槽口被驻车制动器机构啮合，保持汽车静止。
驻车制动器装置啮合输出装置上的齿，从而保持汽车静止。变速器的该部位钩住驱动轴。因此，如果该部位不旋转，汽车不会运动。

驻车制动器机构穿过变速器的空壳，如同汽车驻车时那样。
从上图中，您看到驻车装置凸出到齿轮所在的壳体中。请注意它有锥形边缘，这有助于在斜坡上驻车时，将驻车制动器脱离啮合——由于锥角的存在，汽车的重力可帮助将驻车装置推出位置。

此杆驱动驻车机构。
此杆连接到一根由车中的换挡杆所操纵的拉线。

驻车机构顶视图
当换挡杆置于驻车挡时，该杆推动弹簧紧靠小的锥形衬套。如果驻车装置已对齐，从而可以落入输出轴齿轮部分中的一个槽口，那么锥形衬套会向下推动驻车装置。如果该装置是在输出轴的某个高点上对齐，那么弹簧将推动锥形衬套，但换挡杆只有在汽车稍微移动并且齿正确对齐时才会锁入位。这就是为何有时候在你挂到驻车挡且松开制动踏板之后，汽车会移动很小距离的原因——它必须滚动少量距离，从而使得轮齿对齐，驻车装置落入适当的位置。
一旦安全驻车，衬套将压住换挡杆不动。所以即使汽车在坡上，换挡杆也不会弹出驻车挡。
汽车上的自动变速器必须完成很多任务，您可能没有意识到它的运行方式如此之多。 例如，以下是自动变速器的一些功能：
如果汽车位于超速挡（在四速变速器上），变速器将根据车速和节气门踏板位置，自动选择齿轮。
如果您缓慢加速，则换挡速度会比您在节气门全开状态下加速的换挡速度要低。
如果您把加速踏板踩到底，变速器将降到下一个较低挡。
如果您将选挡杆移到某个低挡，只要车速对于这一挡来说不是太快，变速器就会降挡。 如果车速太快，它将等到车慢下来，然后降挡。
如果您将变速器挂到二挡，那么，除非您移动换挡杆，否则即使变速器完全停止也不再降挡或升挡。

您之前可能已看到过类似的东西，这的确是自动变速器的大脑，它管理所有这些功能，甚至还有更多功能。您所看到的通道将变速器油引到变速器中的所有不同部件。浇铸到金属中的通道是一种高效的流体引导工具，如果没有它们，您将需要很多软管来连接变速器的各种部件。接下来，我们将讨论液压系统的关键部件。然后，我们再来观察它们是如何一起工作的。
自动变速器有一个精妙的泵，称为齿轮泵。这个泵通常位于变速器的盖中，它从变速器底部的贮槽中抽取变速器油并供应到液压系统。此外，它还供应变速器的冷却器和液力变矩器。


自动变速器的齿轮泵
泵的内部齿轮连在液力变矩器的壳上，因此它与以发动机相同的转速旋转。内部齿轮带动外部齿轮转动，在齿轮转动时，变速器油从月牙形一侧的贮槽抽出，被推到另一侧的液压系统。
调速器是一个聪明的阀，它可以告诉变速器汽车的速度。它连接到输出装置，因此汽车运动越快，调速器旋转就越快。调速器内部是一个弹簧加载阀，它的打开程度与调速器旋转速度成正比，即调速器旋转越快，阀打开程度越大。变速器油从泵通过输出轴供应到调速器。
车速越快，调速器打开程度越大，它允许通过的液体压力就越大。

调速器
为正确换挡，自动变速器必须了解发动机的负载状况。它通过两种不同方式做到这点。某些汽车有一个简单的拉线连杆，连接到变速器中的节气阀。加速踏板踩下的越多，施加给节气阀的压力就越大。另一些汽车则使用真空调节器，向节气阀施加压力。真空调节器感知总管压力，当发动机负载加大时，总管压力便下降。
换挡杆连接到手动阀。根据所选的齿轮，手动阀供应抑制相应齿轮的液压回路。例如，如果换挡杆位于三挡，它会供应防止超速挡啮合的回路。
换挡阀将液压供应到离合器和制动带，以啮合各个齿轮。变速器的阀体包含数个换挡阀，换挡阀确定何时从一个挡位换挡到下一个挡位。例如，1到2换挡阀确定了何时从第一挡换到二挡。换挡阀通过来自一侧调速器的液体加压，节气阀则通过另一侧的调速器加压，它们共同由泵来供应液体，将液体引到两个回路之一，以控制汽车以哪个挡位运行。

换挡回路
如果汽车飞快加速，换挡阀将延迟换挡；反之，如果汽车缓慢加速，将在较低的速度下换挡。接下来让我们讨论一下当汽车缓慢加速时的情形。
随着汽车速度提升，来自调速器的压力逐渐累积。 这使得换挡阀超压，直到一挡回路关闭，二挡回路打开。 由于汽车在节气门略微打开的情况下加速，因此节气阀无法对换挡阀提供很大的压力。
当汽车飞快加速时，节气阀对换挡阀提供更大的压力。这意味着，来自调速器的压力必须更高（从而车速必须更快）。只有这样，换挡阀才能移动足够距离，以啮合二挡。
每个换挡阀对应特定的压力范围，因此当汽车速度较快时，将由2到3换挡阀接管，因为来自调速器的压力足以触发该阀。
有时，在某些新型汽车上出现了电控变速器，它仍使用液压来驱动离合器和制动带，但每个液压回路都是通过电磁阀来控制的。这便简化了变速器上的管道系统，可实现更高级的控制模式。
在上一节中，我们已看到机械控制变速器所用的一些控制策略。而电控变速器的控制模式则更为精妙：除了监视车速和节气门位置以外，变速器控制器还能监视发动机转速，监视驾驶者是否在踩制动踏板，甚至监视防抱死制动系统。
通过使用这些信息以及基于模糊逻辑的高级控制策略（模糊逻辑是一种编程控制系统使用人类推理的方法），电控变速器可完成以下工作：
下坡时自动降挡，以控制速度并减少制动器磨损
在光滑表面刹车时升挡，以减小发动机施加的制动力矩
在蜿蜒的公路上转弯时限制升挡
下面让我们来说说最后一项功能——在蜿蜒的公路上转弯时限制升挡。假定您正在蜿蜒的山路上开车上坡，当您在道路的直线部分驾驶时，变速器换到二挡，给您足够的加速度和爬坡动力。当您进入弯道时会减速，将脚从加速踏板移开，可能还要踩刹车。当您将脚从加速踏板移开时，大多数变速器将升到三挡，甚至超速挡。然后，当您出弯加速时，它们再降挡。但是，如果您在驾驶手动变速器的汽车，可能会在整个过程中将汽车置于同一挡位。当您经历了几次这样的弯道之后，某些具有高级控制系统的自动变速器可以探测到此情况，并“学会”不再升挡。