《汽车电子控制技术》课件-第三部分：自动变速器

第三部分：自动变速器情境一自动变速器概述一、自动变速器定义所谓自动变速器，即在汽车行驶过程中，驾驶员仅仅操纵油门踏板，汽车就可以根据行驶阻力(车速高低、地面坡度大小等)和节气门开度大小自动变换档位改变车速的变速器，简称AT(AutomaticTransmission)。奥迪A8六档自动变速器如图3-1所示。图3-1奥迪A8六档自动变速器二、自动变速器的类型在自动变速器的发展过程中出现了多种结构形式。自动变速器的驱动方式、档位数、变速齿轮的结构形式、变矩器的结构类型及换档控制形式等都有不同之处。下面从不同角度对自动变速器进行分类。（一）按汽车驱动方式分类自动变速器按照汽车驱动方式的不同，可分为前轮驱动自动变速器（如图3-2所示）和后轮驱动自动变速器（如图3-3）所示两种。后轮驱动自动变速器的变矩器和行星齿轮机构的输入轴及输出轴在同一轴线上，因此轴向尺寸较大，阀体总成则布置在行星齿轮机构下方的油底壳内。图3-2前驱自动变速器图3-3后驱自动变速器（二）按自动变速器前进档位数分类自动变速器按前进档的档数的不同，可分为2（前进）档自动变速器、3档自动变速器、4档自动变速器等。早期的自动变速器通常为2个前进档或3个前进档。这两种自动变速器都没有超速档，其最高档为直接档。现代轿车装用的自动变速器基本上都是4个前进档，即设有超速档。这种设计虽然使自动变速器的构造更加复杂，但由于设有超速档，大大改善了汽车的燃油经济性。在商用车上，大多采用5档和6档自动变速器，一些新型轿车上也开始采用5档和6档自动变速器。

（三）按变矩器的类型分类按液力变矩器的类型，自动变速器大致可分为普通液力变矩器式、综合液力变矩器式和带锁止离合器的液力变矩器式自动变速器三种。普通液力变矩器是指由泵轮、涡轮和导轮三个元件组成的液力变矩器。综合式液力变矩器是指在导轮与固定导轮的套管之间装有单向离合器的液力变矩器，它可以自动进行变矩器工况与液力偶合器工况的转换。新型轿车的自动变速器普遍采用带锁止离合器的液力变矩器。当汽车达到一定车速时，控制系统使锁止离合器接合，将液力变矩器的输入部分和输出部分连成一体，使发动机动力直接传入齿轮变速器，从而提高了传动效率，降低了油耗。图3-4液力变矩器

（四）按齿轮传动机构的类型分类自动变速器按其齿轮传动机构的类型不同，可分为平行轴式和行星齿轮式两种。平行轴式自动变速器体积大，最大传动比小，只有少数几种车型使用。行星齿轮式自动变速器结构紧凑，能获得较大的传动比，为绝大多数轿车采用。如图3-5所示。图3-5齿轮传动机构的类型分类（五）按控制方式分类自动变速器按控制方式不同，可分为全液压自动变速器和电子控制自动变速器两种。全液压自动变速器是通过机械的手段，将汽车行驶的车速及节气门开度这两个参数转变为液压控制信号；阀体中的各个控制阀根据这些液压控制信号的大小，按照设定的换档规律，通过控制换档执行机构的动作，实现自动换档，如图3-6所示。图3-6液力控制自动变速器控制过程原理（六）按工作原理分类按工作原理不同，自动变速器分为液力自动变速器（AT）、机械自动变速器（AMT）和无级自动变速器（CVT）三种。液力自动变速器通常指含有液力变矩器的自动变速器；机械自动变速器是在普通手动机械变速器（MT）的基础上增加了一套自动换档控制系统构成；无级自动变速器指无级控制速比变化的变速器，它的种类很多，有机械式、流体式和电动式，目前应用最多的是金属带式机械无级变速器。三、自动变速器档位说明自动变速器档位有六个位置和七个位置两种，六个位置的档位标识一般是P、R、N、D、2、1位，有的厂家把2位标成S位，把1位标成L位。六个手柄位置的自动变速器一般另设一个超速档选择开关O/D。选档手柄所处的位置由档位指示器的指针或由仪表显示，如图3-8所示。图3-8自动变速器选档手柄和档位指示器液力变矩器安装在发动机的飞轮上，是构成自动变速器不可缺少的重要组成部分。液力变矩器的结构和性能直接决定自动变速器的传动效率。因此，需要了解液力变矩器的功用，掌握其结构、工作原理以及检修方法等相关知识。如图3-10所示。情境二液力变矩器图3-10液力变矩器实物一、液力变矩器组成及工作原理液力变矩器的三个基本元件是泵轮、涡轮和导轮（如图3-11所示）。变矩器壳体用螺栓与发动机飞轮连接在一起。壳体又和泵轮焊接在一起。因此，壳体与泵轮随发动机转动，作为发动机的动力输入。泵轮的叶片冲焊在壳体上。当泵轮转动时，在离心力的作用下，液体被从中央甩到泵轮的边缘。液体从泵轮外缘甩出，撞击到涡轮的外边缘。涡轮和泵轮相似，在其内部有叶片。液体撞击涡轮叶片边缘，冲击力使涡轮转动。机械变速器的输入轴用花键与涡轮相连，当涡轮和输入轴旋转时，动力输入到机械变速器。图3-11液力变矩器的组成二、液力变矩器结变矩原理1.前面提到的液力偶合器，只有两个叶轮是不能够实现增大扭矩功能的。导轮的引入使发动机扭矩的增大成为可能。这样，液力偶合器就成了变矩器。图3-12变矩器输出扭矩增大原理2.随着涡轮转速逐渐升高，即涡轮的牵连速度逐渐增加时，使得从涡轮流入导论的油液方向有所变化，在涡轮转动产生的离心力的作用下，油液不再直接射向导轮，而是越过导轮直接回到泵轮，因此失去了增扭作用。此时的液力变矩器变成了液力偶合器。如图3-13所示。图3-13油液在液力变矩器中的流向（导轮不动）3.涡轮转速的继续增加，从涡轮流入导轮的油液冲击到的背面，导轮在油液冲击力的作用下开始转动，方向与涡轮和泵轮的一致。如图3-14所示。当涡轮转数增大至与泵轮转速相等时，油液在循环圆中循环流动停止，液力变矩器失去传递动力的能力。图3-14油液在液力变矩器中的流向（导轮转动）三、液力变矩器的检修1.单向离合器检修单向离合器损坏失效后，如果在锁止方向上出现打滑，则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行驶，但车辆开始行驶后换档正常，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。如果单向离合器卡住，在汽车进入耦合工作区（即涡轮转速接近泵轮转速）、中高速行驶时，由于导轮卡住不转，从涡轮流出的涡流在导轮上受阻，因此使汽车中高速时动力性能变差。2.锁止离合器检修锁止离合器的常见故障有不锁止和常锁止。不锁止的故障现象是车辆的油耗高、发动机高速运转而车速不够快，故障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。常锁止的故障现象是发动机怠速正常，但变速杆置于动力档（R、D、2、L）后发动机熄火。3.液力变矩器的检查（1）检查液力变矩器的外部目视检查液力变矩器的外部有无损坏和裂纹，油泵驱动毂外径有无磨损、缺口有无损伤。如有异常，应更换液力变矩器。（2）液力变矩器的清洗当自动变速器曾有过热现象或ATF被污染后，应该清洗液力变矩器。（3）液力变矩器内部干涉的检查液力变矩器内部干涉主要指导轮和涡轮、导轮和泵轮之间的干涉。如果有干涉，液力变矩器运转时会有噪声。（4）液力变矩器轴套径向圆跳动检查将液力变矩器所在位置做个标记，暂时装到飞轮上，用千分表检查变矩器轴套的径向圆跳动误差，如图3-17所示。如果径向圆跳动超过0.30mm，则重新调整液力变矩器的安装方位；如果径向圆跳动过大而得不到修正，则应更换液力变矩器。图3-17液力变矩器轴套径向圆跳动检查4.液力变矩器噪声的诊断若液力变矩器有噪声，当轻踩制动踏板后噪声立刻消失，放松制动踏板后噪声又出现，反复测试现象依旧，则可判定锁止离合器有故障。可能原因有：液力变矩器泄油，锁止压力不足，由打滑引起噪声；锁止离合器锁止压盘与液力变矩器壳体因变形接触不良造成打滑；液力变矩器壳体端面摆动或失去动平衡造成旋转时共振引起噪声。一、行星齿轮机构传动结构及原理简单（单排）的行星齿轮机构是变速机构的基础，通常自动变速器的变速机构都由两排或三排以上行星齿轮机构组成。简单行星齿轮机构包括一个太阳轮、若干个行星齿轮和一个齿轮圈，其中行星齿轮由行星架的固定轴支承，允许行星轮在支承轴上转动。行星齿轮和相邻的太阳轮、齿圈总是处于常啮合状态，通常都采用斜齿轮以提高工作的平稳性（如图3-18所示）。情境三行星齿轮变速机构图3-18单排单级行星齿轮机构下面分别讨论三种情况。（1）见图3-20，齿圈固定，太阳轮为主动件且顺时针转动，而行星架则为被动件。在这种状态下，就出现了行星齿轮机构作用的传动方式，而且被动件行星架的旋转方向与主动件同方向。在这里，太阳轮是主动件而且是小齿轮，被动件行星架没有具体齿数的传动关系，因此定义行星架的当量齿数等于太阳轮和齿圈齿数之和。这样，太阳轮带动行星架转动仍属于小齿轮带动最大的齿轮，是一种减速运动且有最大的传动比。图3-20齿圈固定，太阳轮为主动件（2）见图3-21，太阳轮固定，行星架为主动件且顺时针转动，齿圈为被动件。当行星架顺时转动时，势必造成行星轮的顺时针转动，结果行星轮带动齿圈顺时针转动。在这里，主动件行星架的旋转方向和被动件齿圈相同。由于行星架是一个当量齿数最大齿轮，因此被动的齿圈以增速的方式输出，两者间传动比小于1。图3-21太阳轮固定，行星架为主动件（3）见图3-22，行星架固定，太阳轮为主动件且顺时针转动，而齿圈则作为被动件。由于行星架被固定，则机构就属于定轴传动，太阳轮顺时针转动，行星轮则逆时针转动，而行星轮又带齿圈同方向转动，结果齿圈的旋转方向和太阳轮相反。在定轴传动中，行星轮起了过渡轮的作用，改变了被动件齿圈的旋向。为了便于计算行星齿轮机构的传动比，假设行星架有齿数Zj，则根据转速特性方程，太阳轮、齿圈和行星架三者的齿数关系为：

Zj=Zt+Zq=Zt+KZt

可见，Zj>Zq>Zt。图3-22行星架固定，太阳轮为主动件二、复合式行星齿轮机构的结构及工作过程1.辛普森式齿轮机构辛普森式（SIMPSON）齿轮机构是由公用一个太阳轮的两组行星齿轮、两个齿圈和两个行星架组成，辛普森式齿轮机构的两组单排行星齿轮机构；分别将其称为前行星齿轮机构和后行星齿轮机构。它可以提供空档、第一降速档、第二降速档、直接档和倒档。辛普森变速器驱动太阳轮需要大轮毂，体积大。如图3-23所示。图3-23辛普森式结构2.拉威那式齿轮结构拉维娜行星齿轮机构是一种双排单、双级复合式行星齿轮机构，图3-24为其结构示意图。前排为单级机构，后排是双级机构，前后排共用一个齿圈和一个行星架。在行星架上，外行星轮为长行星轮，它的小端与齿圈啮合，大端与太阳轮啮合。内行星轮为短行星轮，与小太阳轮和长行星轮的小端同时啮合。大众、奥迪、别克、三菱等公司生产的自动变速器多采用此结构。图3-24拉维娜行星齿轮机构结构示意图三、换档执行机构将行星齿轮机构改组换档的执行机构有：离合器、制动器和单向离合器。1.离合器离合器是换档执行机构中进行连接的主要组件。离合器连接输入轴与行星齿轮机构，把液力变矩器输出的动力传递给行星齿轮机构；或把行星排的某两个组件连接在一起，使之成为一个整体。2.制动器自动变速器中的制动器是用来固定行星排中的元件。通过制动器的接合，把行星排中的某个元件和变速器壳体连接起来，使之不能转动。自动变速器中的制动器有两种：一种是片式制动器；一种是带式制动器。片式制动器与离合器的结构和原理相同，不同之处是离合器是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。带式制动器又称制动带，下面介绍其结构和原理。3.单向离合器单向离合器又称自由轮离合器，在液力变矩器和行星排中均有应用。在行星排中，它用来锁止某个元件的某种转向。它同时还具有固定作用，当与之相连元件的受力方向与锁止方向相同时，该元件立即被固定；当受力方向与锁止方向相反时，该元件即被释放。单向离合器的锁止和释放完全由与之相连元件的受力方向来控制。常见的单向离合器有滚柱式（图3-29）和楔块式（图3-30）两种。图3-29滚柱式单向离合器的结构与工作原理图3-30楔块式单向离合器的机构与工作原理自动变速器的发展，得益于电子技术的发展，更得益于发动机电子控制技术的发展。因为自动变速器的许多输入信号，都来自电控发动机的传感器。由于共享这些信号资源，使得自动变速器的结构和控制变得比较简单。自动变速器（ECAT）是在液压控制系统的基础上增加了电子控制系统，更精确地控制换档时机和提高换档品质。如图3-31所示。情境四电子控制系统图3-31自动变速器电子控制系统简图一、电子控制系统的组成自动变速器的电子控制系统由传感器、电控单元（ECU）及执行器组成，换档控制ECU及输入与输出信号关系如图3-32所示。图3-32自动变速器的电子控制系统组成

二、电子控制系统的工作原理自动变速器的控制原理如图3-33所示。图3-33自动变速器控制原理三、电子控制系统的部件1.控制单元自动变速器的基础元件是类似计算机的电控单元（ECU），它具有“大脑”的功能。它接收、存储、处理和发送信息，决定车辆的工作条件。Digimat控制单元安装在右侧座椅前方搁脚空间的地毯下面，其外形如图3-34所示。Digimat控制单元J217处理来自传感器的信息并且根据收到的信息控制执行元件工作。Digimat控制单元配备了一个自诊断系统并能连接上故障阅读仪（VAG1552）进行快速数据传送。Digimat控制单元的在行驶过程中，控制单元有故障或电源有故障以及电磁阀有故障时，变速器将在紧急状态下继续工作。电子模块将电子控制单元和传感器一般合成在一个不可分割的整体内图3-34Digimat控制单元外形2.传感器（1）节气门电位计G69节气门电位计G69位于进气道旁边，与节气门安装在一起并且由节气门驱动。其作用是持续为Digimat控制单元提供关于节气门位置的信息。在变速器工作时，换档点、主油压和换档过程的最优化功能是根据节气门信息来进行控制的。节气门电位计有副滑动环，它可以用来替代装备Digifant电喷系统中的怠速和全负荷开关，节气门电位计的结构及电路原理图如图3-35、3-36所示。图3-35节气门位置传感器结构图3-36节气门位置传感器电路原理及输出特性（2）车速传感器G68车速传感器G68位于变速器壳体顶部的右侧上（图3-37），它属于磁脉冲式的，通过脉冲轮的齿轮获得车速信息。车速传感器提供车速信号给Digimat控制单元用于换档，并且使换档过程平稳。图3-37车速传感器安装位置（3）多功能开关F125多功能开关F125位于变速器壳体旁，由换档杆驱动并完成以下功能：1）将换档杆位置提供给Digimat控制单元；2）接通倒车信号灯；挂行驶档位时阻止发动机起动；接通或切断巡航控制系统的信息。（4）发动机转速传感器和变速器转速传感器Digimat控制单元通过发动机控制单元从分电器中的霍尔传感器获得发动机转速信号，在车速传感器发生故障时，它可以作为车速传感器的替代信号。（5）换低档开关F8换低档开关F8与油门拉索做成一体并且安装在发动机舱的横隔板上，当加速踏板踩下并超过节气门全开点时，换低档开关便动作。开关动作时，将在较高状态的换档点上强制换档并且从高档换入低档位。（6）ATF油温度传感器G93ATF油温度传感器G93位于阀体旁，处于ATF油中，如图3-38所示。ATF油温度传感器始终监测ATF油温度，当油温超过限定值时，换档过程将在发动机较高转速下进行，通过提高的发动机转速来减小液力变矩器滑转以此来降低ATF油温。ATF油温一下降，将再次恢复正常的换档模式。图3-38ATF油温度传感器（7）制动灯开关F制动灯开关安装在制动踏板旁，如图3-39所示，对于换档杆锁止功能来讲，它需要制动踏动作的信息。图3-39制动灯开关（8）ECO/SPORT切换键E122ECO/SPORT切换键E122位于换档杆旁，每按切换键一次，实现SPORT和ECO换档模式之间的一次切换。发动机起动后，最后选择的换档模式通过运动型指示灯显示出来。3.执行元件（1）开关式电磁阀电控液力式电子控制自动变速器中，电脑根据各传感器和开关提供的信号，控制各电磁阀的接通和断路。开关式电磁阀的作用：开启和关闭自动变速器油路，可用于控制换挡阀及液力变矩器的锁止离合器锁止阀。开关式电磁阀由电磁线圈、衔铁、阀芯和回位弹簧等组成。如图3-40所示。不通电通电图3-40开关电磁阀的工作原理（2）脉冲式电磁阀脉冲式电磁阀其作用是控制油路中油压的大小，它的结构与开关式电磁阀很相似，也是由电磁线圈、衔铁、阀芯等组成，如图3-41所示