混合动力汽车变速器

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学习单元一混合动力汽车变速器认知

一、混合动力汽车变速器的结构组成混合动力汽车变速器由行星齿轮机构、液力变矩器、电动机、离合器、制动器、油泵等组成。与传统汽车自动变速器相似，只是在液力变矩器后端增设了电动机/发电机。混合动力汽车变速器结构如图5-1所示。图5-1混合动力汽车变速器结构

二、行星齿轮机构的结构与工作原理

1.简单的行星齿轮机构的组成类型

简单的行星齿轮机构如图5-2所示，由太阳轮、一个内齿圈、一个行星架组成，一般称为单排行星齿轮机构。太阳轮、齿圈和行星架是构成行星排的三个基本元件。图5-2简单的行星齿轮机构

1)行星齿轮机构布置

行星齿轮安装于行星架的行星齿轮轴上，与内齿圈和太阳齿轮两者啮合。行星齿轮既可绕行星齿轮轴自转，又可在内齿圈内绕行，绕太阳轮公转，如图5-3所示为行星齿轮数

量不同的两种行星齿轮机构布置方式，这两种布置方式均有两个自由度。图5-3行星齿轮机构布置

2)行星齿轮排数

按齿轮排数的不同，行星齿轮机构分为单排行星齿轮机构和多排行星齿轮机构。如图5-4(a)所示为单排行星齿轮机构，如图5-4(b)所示为双排行星齿轮机构，它由两个单排行

星齿轮机构组成。自动变速器中的行星齿轮变速器采用的就是双排行星齿轮机构。图5-4行星齿轮机构

3)行星齿轮组数

按照太阳轮和齿圈之间行星齿轮组数的不同，行星齿轮机构又分为单星行星排和双星行星排。双星行星排在太阳轮和齿圈之间有两组互相啮合的行星齿轮，其中外面一组行星齿轮与内齿圈啮合，里面一组行星齿轮与太阳轮啮合，如图5-5所示。图5-5双星行星排

2.单排行星齿轮机构变速原理

单排行星齿轮机构变速原理如图5-6所示，设太阳轮、齿圈和行星架的转速分别为n1、n2和n3，齿圈与太阳轮的齿数比为2，则根据能量守恒定律，由作用在该机构各元件

上的力矩和结构参数可导出表示单排行星齿轮机构一般运动规律的特性方程为

可知，由于单排行星齿轮机构具有两个自由度，在3个基本元件中，任选两个分别作为主动件和从动件，而使另1个元件固定不动(该元件转速为０)或使其运动受到一定的

约束(该元件的转速为定值)，则机构只有1个自由度，整个轮系将以一定的传动比传递动力，如图5-7所示。图5-6单排行星齿轮机构变速原理图5-7单排行星齿轮机构动力传递方式

单排行星齿轮机构动力传递方式有以下几种：

(1)太阳轮为主动件，行星架为从动件，齿圈固定。如图5-8所示，特性方程中n2＝0，从而有：n1-(1+α)n3=0，传动比为n1/n3=1+α，传动比大于１且为正值，因此为同向降速。

图5-8行星齿轮机构同向降速(1)

(2)齿圈为主动件，行星架为从动件，太阳轮固定。如图5-9所示，特性方程中n1=0，从而有αn2-(1+α)n3=0，传动比为n2/n3=(1+α)／α，传动比大于1且为正值，因此为同向降速。

图5-9行星齿轮机构同向降速(2)

(3)行星架为主动件，齿圈为从动件，太阳轮固定。如图5-10所示，特性方程中n1＝0，从而有αn2-(1+α)n3=0，传动比为n3/n2＝α/(1+α)＜1，传动比小于1且为正值，因此为同向增速。图5-10行星齿轮机构同向增速

(4)太阳轮为主动件，齿圈为从动件，行星架固定。如图5-11所示，特性方程中n3=0，从而有n1+αn2=0，传动比为n1/n2=-α，因传动比为负值，所以为反向传力。图5-11行星齿轮机构反向传力(倒挡)

(5)任意两元件互相连接，如图5-12所示。也就是说n1=n2或n2=n3，则由运动特性方程可知，第三个基本元件的转速必与前两个基本元件的转速相同，即行星排按直接挡传动，传动比为1。图5-12行星齿轮机构按直接挡传动

(6)任一个为主动件，如图5-13所示。若任一个元件为主动件，无夹持部件，则该机构有两个自由度，因此不论以哪两个基本元件为主动件、从动件，都不能传递动力，处于

空挡状态，传动比n1+αn2-(1+α)n3=0。图5-13行星齿轮机构空挡状态

3.双星行星排行星齿轮机构的变速原理

双星行星排行星齿轮机构的变速原理如图5-14所示，设太阳轮、齿圈和行星架的转速分别为n1、n2和n3，齿圈和太阳轮的齿数比为α，则该行星齿轮的一般运动规律的特性方程式为图5-14双星行星排行星齿轮机构的变速原理

三、换挡执行机构的结构和工作原理

行星齿轮变速器中所有的齿轮都是处于常啮合状态，其挡位变换必须通过以不同的方式对行星齿轮机构的太阳轮、行星架及齿圈的元件进行约束(即固定或连接其中某些元件)来实现。能对这些元件实施约束的机构，就是行星齿轮变速器的换挡执行机构。行星齿轮变速器的换挡执行机构由离合器、制动器、单向离合器3种执行元件组成，能对太阳轮、行星架及齿圈起连接、固定和锁止作用。

连接是指将输入轴与行星排中的太阳轮、行星架及齿圈进行连接，以传递动力，或将前一个行星排中的太阳轮、行星架及齿圈的某一个元件与后一个行星排中太阳轮、行星架

及齿圈的某一个元件连接，以约束这两个行星排的运动；固定是指将行星排中太阳轮、行星架及齿圈中的某个元件与自动变速器的壳体连接，使之被固定住而不能旋转；锁止是指

把某个行星排的太阳轮、行星架及齿圈元件中的两个连接在一起，从而将该行星排锁止。

1.离合器的结构

离合器的结构如图5-15所示，它是由摩擦片、钢片、活塞、回位弹簧、单向阀、输入轴、输出轴、密封圈等组成的。离合器是连接轴和行星排的基本元件，或将行星排的某两个基本元件连接成一体，使之成为一个整体进行转动。图5-15离合器结构

(1)摩擦片。如图5-16所示，摩擦片由其内花键齿与离合器毂的外花键齿连接，也可沿键槽作轴向移动。

(2)钢片。钢片的外花键齿安装在离合器鼓的内花键齿圈上，可沿齿圈键槽作轴向移动。当活塞受液压力压紧在钢片上时，会压紧摩擦片起到传递动力的作用

(3)离合器鼓。离合器鼓以一定的方式和变速器输入轴或行星排中太阳轮、行星架及齿圈的某个元件相连接，一般离合器鼓为主动件。图5-16摩擦片

2.离合器的工作原理

离合器的工作原理主要是将油压转换为机械压紧能，如图5-17所示。通过对钢片、摩擦片的施压或泄压来完成离合器的结合或分离。图5-17离合器布置

(1)离合器接合：当来自控制阀的液压油进入离合器液压缸时，油压推动活塞克服弹簧的作用力将钢片和摩擦片相互压紧在一起，如图5-18所示，利用两者间的摩擦力使离

合器鼓和离合器连接为一个整体，使输入轴和行星排的某基本元件连接在一起，此时离合器处于接合状态，动力从输入轴传递到输出轴。图5-18离合器接合

(2)离合器分离：当液压控制系统将作用在离合器液压缸内的液压油的压力解除后，活塞被回位弹簧压回液压缸的底部，如图5-19所示，并将液压缸内的压力油从进油孔排出。此时，钢片与摩擦片相互分开，两者间无压紧力，离合器处于分离状态，切断动力从输入轴到输出轴的传递。图5-19离合器分离

四、制动器的结构和工作原理

1.片式制动器

(1)片式制动器由制动器鼓、制动器活塞、回位弹簧、钢片、摩擦片、卡环及挡圈等组成，如图5-20所示。图5-20片式制动器

(2)片式制动器的工作原理。它的工作原理和湿式多片离合器的基本相同，但片式制动鼓是固定在变速器壳体上的，当制动器工作时，与制动器鼓相连的行星排某一元件被固

定住而不能转动。

2.带式制动器

(1)带式制动器又称制动带，由推杆、活塞、外弹簧、制动带、制动鼓及内弹簧等组成，制动鼓与行星排的某一基本元件连接，并随之一起转动。

(2)带式制动器的工作原理。制动带的内表面敷摩擦材料，它包绕在制动鼓的外圆表面，制动带的一端固定在变速器壳体上，另一端则与制动油缸中的活塞相连。如图5-21(a)所示，当制动油进入制动油缸后，压缩活塞回位弹簧推动活塞，进而使制动带的活动端移动，箍紧制动鼓。由于制动鼓与行星齿轮机构中的某一元件构成一体，所以箍紧制动鼓即意味着夹持固定了该元件，使其无法转动。如图5-21(b)所示，在制动油压力解除后，回位弹簧使活塞在制动油缸中复位，并拉回制动带活动端，从而松开制动鼓，解除制动。图5-21带式制动器工作原理

五、混合动力汽车耦合器

混合动力汽车耦合器是把发动机输出的动力源与电动机输出的动力源耦合在一起的装置，既可以分离为两个相互独立的动力源，又可以把这两个动力源按输出转速互成比例耦合为一个整体输出扭矩，最终的合成扭矩是两动力源输出扭矩的耦合叠加，其合成扭矩大小为

1)齿轮耦合式

齿轮耦合式通过啮合齿轮(组)将多个输入动力合成在一起输出，如图5-22所示。图5-22齿轮耦合式

3.转速耦合式

转速耦合式是指在耦合过程中，两动力源的输出转速相互独立，而输出扭矩必须互成比例，最终的合成转速是两动力源输出转速的耦合叠加，合成扭矩则不是两动力源输出扭

矩的叠加，合或转速大小为

式中：p、q由耦合器的结构确定。

1)行星齿轮式

行星齿轮式耦合方式如图5-24所示，这是一种普遍采用的动力耦合形式，通常发动机输出轴与太阳轮连接，电机与齿圈连接，行星架作为输出端。图5-24行星齿轮式耦合方式

2)差速器式

差速器实际上是行星齿轮系数k=1时的一种特殊情况。一般差速器是将动力分解，对此功能逆用即可实现动力的耦合，如图5-25所示。图5-25差速器式耦合方式

4.牵引力耦合式

牵引力耦合式的耦合方式比较特殊，发动机驱动汽车前轮(后轮)，电动机驱动后轮前轮)，通过前、后车轮驱动力将多个动力源输出动力合成在一起，如图5-26所示，动

力合成规律为图5-26牵引力耦合式

6.各种动力耦合方式的比较(见表5-1)

学习单元二混合动力汽车变速器故障维修

一、自动变速器不能换挡1.故障现象汽车行驶中自动变速器始终只能以某个挡位行驶，无论怎样踩踏加速踏板，变速器始终不能换挡。

2.故障主要原因

对于电液控制型自动变速器，挡位的变换由电子控制装置决定，利用液压控制装置来操作齿轮变速器来换挡，引起变速器不能换挡的故障部位可能是电子控制装置中的传感器、

动力管理控制单元、执行器、液压控制装置等。

3.处理方法

这种故障的一般处理方法是检修电路、更换电子元件、清洗液压控制装置、更换阀板等。对于这种故障需要解释说明的问题如下：

(1)如果自动变速器油发黑，则说明有执行元件烧毁，造成汽车不能行驶，必须解体大修。

(2)自动变速器油是自动变速箱中重要的润滑剂，负责润滑变速箱中大量的齿轮阀门和其他所有运动部件。

(3)自动变速器油还要带走变速箱中产生的热量，起到冷却的作用。

(4)检查自动变速器的过程：先行驶至少15min以上，关闭发动机，找到自动变速器的油标尺，拔出，用纸巾擦干净，后插回原位再拔出来，这时候油标尺上沾上的油液面处

应该在油尺标记的HOT与COLD之间，如图5-28所示，最佳位置是在标记中上处；然后把油标尺上的油滴到干净的纸巾上观察，颜色为淡红色，均匀扩散，应没有任何黑点和细小碎末，变速器新旧油质对比如图5-29所示。

(5)如果动力管理控制单元(ECU)中有故障代码，则变速器电子控制系统可能会锁挡，即只产生一个挡位。

(6)如果油压过低，且外部调整已经没有意义，必须解体检修油泵、液压装置等。图5-28混合动力汽车自动变速器油标尺图5-29自动变速器新旧油质对比

二、自动变速器无超速挡

1.故障现象

在汽车行驶中，车速已经升至超速挡范围，但自动变速器仍不能从低速挡换入超速挡。

2.故障主要原因

无超速挡的原因往往是由于转速传感器或传感器电路问题、接触不良、液压控制装置故障、换挡执行元件损坏等，使动力管理控制单元(ECU)无法接收到有效信号，而限制超速挡的使用。

3.处理方法

这种故障的一般处理方法是先使用解码器读取有无故障码，检查传感器、电磁阀功能，然后拆下阀体进行清洗、调整或更换。

三、锁止离合器工作不良

1.故障现象

在汽车行驶中，车速、挡位已满足变速器进入锁止状态的条件，但迅速踩踏加速踏板时，发动机转速或驱动电机的转速先上升，然后车速才上升，汽车油耗和电能耗损较大，经济性下降。

2.故障分析

根据故障现象可知动力耦合器处于结合状态，但动力传递不良，从动力耦合器到自动变速器之间的动力传递中能产生这样故障现象的只有锁止离合器。影响锁止离合器工作的

因素有节气门位置传感器信号达不到要求、自动变速器油温过高、动力管理控制单元中断或延迟锁止离合器工作。

3.处理方法

锁止离合器工作不良的一般处理方法是先进行故障自诊断，检查有无故障代码。如有故障代码，则可按显示的故障代码查找相应的故障原因，或按如图5-30所示，进行锁止

离合器无锁止的诊断操作流程。

图5-30锁止离合器无锁止的诊断操作流程

四、自动变速器无倒挡

1.故障现象

汽车能够向前行驶，且前进挡位正常换挡，但换挡控制手柄移动到R位后，汽车不能向后行驶。

2.故障原因

当手动阀移至R位时，液压控制装置直接导通倒挡油路，除了主油路调压阀外，几乎没有其他阀参与控制倒挡，故障常常是倒挡执行元件摩擦片烧毁、倒挡执行元件油道密

封元件损坏和液压阀卡滞引起的。

3.处理方法

自动变速器无倒挡的处理方法一般是解体后清洗、检修或更换。

五、自动变速器换挡过迟

1.故障现象

在汽车行驶中，升挡时车速明显高于标准值，升挡前发动机转速或电机转速偏高；必须采用松、踩加速踏板，提前升挡的方式才能使变速器升入高速挡或超速挡。降挡时车速

明显降低，并有较强的冲击感。．

2.故障主要原因

对于自动变速器，挡位的变化时刻由动力管理控制单元根据车辆运行的参数决定，而影响车辆运行参数的因素如下：

(1)节气门位置传感器调整不当或信号不良。

(2)自动变速器输出轴转速传感器(OSS)或车速传感器(VSS)不良。

(3)自动变速器油温传感器不良。

(4)强制降挡开关短路。

(5)自动变速器电脑需进行自学习过程，或有故障。

(6)发动机动力不足。

(7)全液控自动变速器的节气门油压过高或速控油压过低。

3.处理方法

自动变速器换挡过迟的诊断流程分为电控自动变速器与全液控自动变速器两种，如图5-31所示。图5-31自动变速器换挡过迟诊断流程

六、自动变速器频繁跳挡

1.故障现象

在汽车行驶中，即使加速踏板保持不动，自动变速器仍然会突然降挡，降挡后发动机转速或驱动电机转速异常升高，同时产生换挡冲击；然后，变速器又会突然升挡，发动机

转速或驱动电机转速下降，同时产生换挡冲击。

2.故障主要原因

变速器的挡位是由动力管理控制单元(ECU)根据传感器的信号控制换挡电磁阀来确定的。如果换挡电磁阀的状态频繁变化，将造成挡位的频繁变动。引起电磁阀状态频繁变

化的原因一般有节气门位置传感器及电路故障、车速传感器及电路故障、控制系统电路搭铁不良、换挡电磁阀接触不良和动力管理控制单元(ECU)故障。

3.处理的方法

这种故障的一般处理方法是对电路部分进行检修或更换。

七、自动变速器换挡冲击

1.故障现象

汽车在行驶中能够在各个换挡点正确换挡，但换挡时车辆有强烈的振动和冲击，有的车辆是发生在升挡过程中，有的车辆是发生在降挡过程中，不换挡时车辆一切正常。

2.故障主要原因

引起换挡冲击的最根本原因是两个挡位之间的换挡执行元件变化状态的时间差与标准不符。如果时间差过大，则变速器处于空挡的时间长，使发动机升速过高或驱动电机转速

过高而产生冲击；如果时间差过小，则变速器可能会出现