自动变速箱构造与原理

自动变速箱简称AT,全称Auto Transmission,它是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成,通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。


和手动挡相比,自动变速箱在结构和使用上有很大不同。手动挡主要通过调节不同齿轮组合来更换挡位,而自动变速箱是通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速的目的。其中液力变扭器是自动变速箱最具特点的部件,它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成,泵轮和涡轮是一对工作组合,泵轮通过液体带动涡轮旋转,而泵轮和涡轮之间的导轮通过反作用力使泵轮和涡轮之间实现转速差并实现变速变矩功能,对驾驶者来说,您只需要以不同力度踩住踏板,变速箱就可以自动进行挡位升降。由于 液力变矩器自动变速变矩范围不够大,因此在涡轮后面再串联几排行星齿轮提高效率,液压操纵系统会随发动机工作变化自行操纵行星齿轮,从而实现自动变速变矩。为了满足行驶过程中的多种需要(如泊车、倒车)等,自动变速箱还设有一些手动拨杆位置,像P挡(停泊)、R挡(后挡)、N挡(空挡)、D挡(前进)等。

从性能上说自动变速箱的挡位越多,车在行驶过程中也就越平顺,加速性也越好,而且更加省油。除了提供轻松惬意的驾驶感受,自动变速箱也有无法克服的缺陷。自动变速箱的动力响应不够直接,这使它在“驾驶乐趣”方面稍显不足。此外,由于采用液力传动,这使自动挡变速箱传递的动力有所损失。

手自一体自动变速箱

手自一体变速箱的出现其实就是为了提高自动变速箱的经济性和操控性而增加的设置,让原来电脑自动决定的换挡时机重新回到驾驶员手中。同时,如果在城市内堵车情况下,还是可以随时切换回自动挡。


手自一体自动变速箱实际上还是自动变速箱的一种,最早出现在保时捷911上,手自一体变速箱通过电控系统模拟出手动变速箱 的操作。它的出现,在操作上给予驾驶者更大的自由度,可以通过挡把上的加减挡或者方向盘上的换挡拨片来选择自己认为合适的挡位和换挡时机,从而大大提高了驾驶乐趣。

上面只是简单介绍了自动变速箱的大体结构和工作原理,如果你想详细了解自动变速箱的具体结构请看下文。

自动变速箱的基本结构及其工作原理

自动变速器的核心部件为:液力变矩器、行星齿轮组、离合器 /制动器及其控制机构(电磁阀、油路),外围设备即为变速器壳体、传动轴等。我们就从动力流向为顺序,先从液力变矩器开始说起。

液力变矩器


曾有一种说法,AT上的液力变矩器相当于MT上的离合器,起到动力的连接和中断的作用。其实这种说法是错误的。AT与发动机曲轴 是直接连接的,不像MT有一个动力的开关:离合器。所以从点火的瞬间开始,液力变矩器便开始转动了,对于动力的连接和中断,仍由齿轮箱内部的离合器来完成,液力变矩器唯一与MT离合器相似的地方,也就是液力变矩器“软连接”的特性,与MT离合器的“半联动”工况相近。


液力变矩器的工作原理就像两个风扇相对,一个风扇工作,然后将另一个不工作的风扇吹动。这个比喻可以很形象的解释液力变矩器 中泵轮和涡轮之间的工作关系。不过详细解释其工作原理,则有些复杂。


动力输出之后,带动与变矩器壳体相连的泵轮,泵轮搅动变矩器中的自动变速箱油(以下简称ATF) ,带动涡轮转动,ATF在壳体中是一个循环的动作,由于泵轮旋转时的离心力,ATF会在泵轮的作用下,甩向外侧,冲向前方的涡轮,再流向轴心位置,回到泵轮一侧,如此周而复始的循环,将动力传向与齿轮箱连接的涡轮。

不过只有该零部件和传动方式,只能称为液力耦合器,若想成为液力变矩器 ,必然要改变涡轮叶片的形状,这样一来,ATF在经过涡轮再循环回泵轮时,会与泵轮旋转方向相反,因而造成冲击,所以为了成为液力变矩器还需另一个部件:导轮。导轮是存在于泵轮和涡轮之间的一个部件,用于调节壳体中ATF液流方向,通过单向离合器与箱体固定。


有了导轮,才有了“变矩”的灵魂所在,在泵轮与涡轮转速差较大时,动力输出的扭矩也变大了,此时的变矩器想当一个无级变速器,通过转速差来提升扭矩,此时导轮处于固定状态,用以调节ATF回流;而当转速差降低,涡轮泵轮耦合或锁止时,扭矩接近对等,无需增矩,导轮随泵轮和涡轮同向转动,避免自身搅动ATF,造成动力的损耗。

至此我们了解到了液力变矩器 的最大特点——软连接,而这种动力的传输方式起到了两大功能:1、从静止到低速时的平稳起步;2、在加速过程中,较大动力输出时,起到增大扭矩的作用。如果与MT上的离合器相比较,则需注意的是,第一条起到了并优化了MT上离合器的功能,但第二条则是离合器无法实现的。

但液力变矩器 这先天“软连接”特点有一个弱点,动力不是直接输出的,在扭矩输出对等是,泵轮的转速要大于涡轮这样的话在传输动力时,ATF还在壳体中循环,浪费了动力,所以目前几乎所有液力变矩器都有一个高效节能的部件:液力变矩器锁止器。锁止器的形式是一个多片离合器 ,其作用就是当变矩器处于耦合状态,无需增矩时,将泵轮和涡轮锁止,这样的话动力传递即为“硬连接”,全部的无损(或者说有微量的动力流失)的将从曲轴传递到了下一站:变速箱。


简单解释一下上图:i轴为转速比,表示涡轮与泵轮转速之比,左端泵轮转速远大于涡轮,右边相等。起步或大脚油门时,转速比较小,泵轮比涡轮快很多,此时泵轮输出的扭矩要比涡轮输入扭矩 大很多,比较有力,但传动效率较低;轻踩油门,转速比增加,变矩比降低,传动效率也相应提高,转速比为60%时,效率最高;当稳定油门,速度较为稳定是,转速比进一步上升,变矩比接近1,但此时传动效率下降;为避免动力流失,变矩器用离合器锁止,转速比骤增至1,效率也达到最高。

液力变矩器 并非AT的特征

液力变矩器不是AT特有,一些CVT变速器也使用了液力变矩器作为优化动力的机构;AT也不是绝对使用液力变矩器来实现软连接的,例如某些奔驰AMG车型上用的SpeeDShift MCT自动变速器,就用一副多片离合器代替了液力变矩器。所以液力变矩器 并不是AT最大的特点,与多组离合器/制动器协同工作的行星齿轮组,才是自动变速器的最大特点。


行星齿轮以及AT齿轮箱中的行星齿轮组

在MT上,每一个挡位都有一组两个常啮合齿轮副,更换挡位只需要将输出轴与该挡位输出齿轮的花键连接即可。而AT中,并不是这么多的齿轮在工作,而是用一种非常独特的方式来完成变换:行星齿轮组。我们先来看下,一个最基础的三元行星齿轮有着怎样的特性:



『行星齿轮组模型』

而行星齿轮的最大特性即为,在组合出不同的输入输出轮之后,齿比和输入输出的相对方向都会有变化,这种特性用作汽车变速器可是再适合不过了。而为了增加挡位,汽车上的行星齿轮升级成了齿轮组、齿轮排,再通过一系列执行器便可以完成换挡了。

AT执行器:离合器、单向离合器、制动器

上面我们了解到,一组行星齿轮有着怎样的变换形式,而负责变换,以及用来输入输出的元件,就是一系列的执行器:离合器、单向离合器 、制动器。有了这些执行器,就可以将行星齿轮进行不同组合,从而配搭出不同的动力流,也有了不同的传动比。而控制这些操作的,就是与其配套的油泵、滑阀、液压活塞,以及复杂的液压线路。


『图为老别克君威4T65E自动变速器,空挡时各个部件位置以及工作情况』


『在多个执行器与行星齿轮的不同组合下,形成了不同的挡位』

至此,来自发动机的动力便完成了重组,将时刻变化的 扭矩和转速,传递给车轮。相比MT,便捷性提升,而内部结构和工作情况则复杂得多。

Tiptronic

Tiptronic技术变速器由保时捷发明并在1990年第一次出现在964 Carrera 2车型上。其实早在1969年,911就使用了一台名为Sportomatic的4速“准手自一体变速器”。但由于当时电控技术落后,大部分车型又被替换为手动变速箱。现在,此项技术由保时捷授权给日本AW爱信、德国ZF采埃孚以及其他车厂生产。



Tiptronic是在传统的自动变速器基础上增加了一套手动换挡模式以及电子保护程序,结构并没有很大变化,都是通过 液力变矩器以及行星齿轮进行扭矩传动和挡位变换。手动模式通过一套可以进行升降挡控制通道及相应的电子程序予以实现。另外,电子发动机保护程序是其一大特点。目前,Tiptronic变速箱有4速至8速五个等级,形式也有横置式以及纵置式两种。在刚刚结束的底特律车展上,ZF宣布将研发用于前驱车的9速手自一体变速箱。

Tiptronic特点

1.实用的手动模式:首先,手动模式可以最大程度体现驾驶者的意志,按照自己的需求选择挡位。追求激烈驾驶时可强制使用较低挡位与较高转速;在需要经济驾驶时亦可保持较低转速换挡。其次,在遇到较陡下坡时,可将挡位维持在一挡或二挡以利用发动机本身阻力来控制车速。

2.发动机 保护程序:在享受手动挡驾驶乐趣的同时电子保护程序会一直监测驾驶者的换挡动作。Tiptronic原则上允许驾驶者在发动机红线转速以外区域进行各种操作,但当侦测到转速达到红线时变速箱会强制介入升挡以防烧毁。若转速低至刻度起始线附近而挡位又较高时变速箱会采取降挡措施避免熄火。由于各个车型扭矩 、车身重量等差异,Tiptronic程序也会略有不同,例如奥迪的Tiptronic就不允许用一挡高转速行驶。

3.自学习功能:带有ECU控制单元的车辆都具有根据驾驶员习惯来调整自身动力输出的功能,以贴合其偏好。同样,Tiptronic也会这么做。它通过“模糊逻辑”控制程序和从ECU 传回的信息来学习车主的驾驶习惯调整换挡时机,使车辆更为“听话”。

带有Tiptronic技术变速箱的车型

大众6速手速一体、标致/雪铁龙的4速和6速手自一体、奥迪8速手自一体、丰田 5速手自一体等众多车型均使用的是Tiptronic技术变速器。








其中大众POLO、速腾、途观、斯柯达晶锐、明锐、福特蒙迪欧、宝马Mini等的6速手自一体车型全部使用的是由大众、宝马和保时捷共同研发并委托日本爱信公司制造的TF60-SN(大众、奥迪编号为09G,零件代号AQ250)前驱横置式6速Tiptronic手自一体变速器。它具有S运动挡,其承受最大扭矩为310N·m。






标致307、408、雪铁龙世嘉、凯旋使用的是PSA集团联合雷诺 与西门子合作研发的AL4横置前驱Tiptronic4速手自一体变速器,带有雪地以及运动模式,可传输最大扭矩为210N·m。雪地模式能够以二挡起步并快速升挡避免出现车轮打滑现象。




奥迪Q5、Q7则使用一台德国ZF采埃孚8HP纵置式全时四驱 Tiptronic8速手自一体变速箱。其最大特点第一是200毫秒的换挡速度可与双离合变速器媲美;第二是可以跳过两至三个挡位直接换挡,极端状态下可从八挡跳至二挡。

7G-Tronic

7G-Tronic是梅赛德斯-奔驰在2003年秋季推出的一款纵置式7速手自一体变速器,其最大承受扭矩为735N·m,匹配V6及V8汽油以及共轨柴油发动机,适用于后驱或4MATIC四驱车型。由于最大扭矩不及上一代5G-Tronic的1079N·m,故S600以及S65AMG V12车型没用采用这台变速器。



7G-Tronic与传统纵置式自动变速相同,使用液力变矩器以及串列行星齿轮进行扭矩传动和变速。有别于传统变箱离合器 只能在高挡进行锁定不同,7G-Tronic的锁止离合器在一挡就可投入工作,避免打滑而损失动力。除了标准的M手动及C自动模式外还提供了S运模式。

7G-Tronic的特点

1.宽泛变矩范围及紧密尺比:7G-Tronic七个挡位尺比从4.377至0.782,比上一代5G-Tronic的3.59至0.83更为宽泛,使得百公里加速时间减少0.3秒,油耗百公里降低0.6升。三挡以后的挡位间尺比落差逐渐减小,特别是最后三个挡位甚是绵密,换挡十分平顺。

2.可进行跳挡的手动模式:7G-Tronic可以不按顺序依次减挡,最大可跳过四个挡位进行换挡操作。这使得急加速时挡位变换更为直接,能够最大程度发挥发动机的动力。手动模式在转速进入红线区间时同样会自动升挡以保护发动机和变速箱。

3.两速倒挡:该款变速箱与众不同地提供了两个倒车挡,传动比分别为3.416和2.231。第二个倒车挡尺比接近前进第三挡,时速可达80km/h,在遇到紧急情况时可能才会体现出它的价值。

装备7G-Tronic变速器的车型







Geartronic

Geartronic是沃尔沃旗下车型所装备Tiptronic 技术的手自一体变速器名称。6速手自一体变速器实际为日本爱信TF80-SC。最大可承受440N·m扭矩,传动比从4.148至0.686。


Geartronic的特点

1.与Tiptronic 相同的安全手动模式:由于此变速器同样带有Tiptronic技术,手动模式同样会受到电脑监控以保证安全。

2.体积小巧:该款变速箱采用将五个小型行星齿轮组与复合辅助齿轮组相结合的方式有效减小了变速箱的体积和重量。

3.寿命更长:有别于传统自动变速器的外置控制模块,Geartronic的TCM控制模块被置于变速箱内,使得变速箱油可以帮助其冷却,同时较少的外部布线降低了受外力损坏的风险。

装备Geartronic变速器的车型





引进国内的沃尔沃C30、S60、S80L以及XC60、XC90等带有6速手自一体变速箱的车型均装备此款 Tiptronic技术TF80-SC变速器。

平行轴式AT

本田使用的自动变速器叫做“平行轴式自动变速器”,本田公司旗下的几乎所有车型(本田的5AT,讴歌的6AT)都是在使用这种变速器,而且除本田之外,几乎没有其他厂牌使用(因为这是本田 的专利)。那么接下来我们就分析一下,这个熟悉的品牌,但却陌生的机器。


预备知识

在介绍平行轴AT之前,我们先来啰嗦一下MT、AMT和AT的特点。MT变速箱的基本结构,就是两根平行轴(两轴为基础结构,另有三轴变速器,原理基本相同),以及平行轴上的多个常啮合齿轮,然后通过带有花键的套筒输出。选择挡位的套筒,由换挡杆,带动变速箱内的拨叉来控制。AMT变速器与MT极为类似,只是增加了电控系统,用机械的方式代替手动操作。

AT变速器较为复杂,其结构与MT大相径庭,没有套筒和拨叉等元件,也没有平行轴上的啮合齿轮,其主要特点是使用行星齿轮机构来实现齿比的变换,并使用一系列的离合器来控制挡位。

为什么文章迟迟不进入主题,而是先来描述MT和AT等变速器呢?因为这两种变速器是不可或缺的预备知识,本田平行轴式AT从某种意义上讲,就是MT和AT的联姻的结果。

平行轴AT结构分析


从结构图上可以看到,平行轴式AT明显没有行星齿轮机构,常啮合齿轮很像MT或是AMT,但多片离合器的形式却与传统AT相似,并且在输入端有一个明显的液力变矩器,这种形式的变速器在常规的眼光下显得有些匪夷所思,至于匪夷所思的东西我们以后再去考虑,先来研究一下它是怎么运转的。

接下来就是平行轴部分了,一根输入轴,一根输出轴,各齿比的组合方式与MT没有太大差异。而接下来就是这个变速器的重点:电液控制的多片离合器,替代了MT上的拨叉和套筒。


这就是平行轴AT的特点,多片离合器 代替拨叉套筒的方式,在原始阶段就将结合方式变得软化一些。因为MT变速器中,挡位是通过挡杆控制拨叉来选择套筒及套筒位置,与相应挡位的常啮合齿轮结合,从而生成某个挡位,每个挡位下,都有一个相应的套筒(拨叉)位置。这样的话,动力的衔接是突然一下没有缓冲(套筒上的齿一下就结合,缓冲全凭离合器 半联动,更极端的例子便是赛车上序列变速器以及摩托车变速器上的“狗牙”,“哐”的一下便完成换挡)。而本田平行轴AT上虽然常啮合齿轮与MT一样,但多片离合器的控制方式,显然要比套筒(拨叉)控制迅速,而且也更加平顺。而且更重要的是,前端液力变矩器的加入,更让本田平行轴AT的换挡节奏更加平顺,与常规AT几乎没有差异。


平行轴AT与AMT的对比

实际上这个对比有些贬低平行轴AT。由于有了常规AT的液力变矩器和多片离合器,本质上有了常规AT的性格。平行轴AT和AMT无论是结构方面还是实际驾驶感受方面都有着明显差异。虽然都是平行轴结构,但AMT毕竟是MT的电控版,毕竟无法和AT相比。两者处于不同的层面,平行轴AT可以装配在百万级的车型上(讴歌 ),而AMT则是微车和重卡的经济型配置。然而问题来了,本田平行轴AT和传统AT可以分出高低吗?

平行轴AT与AT的对比

实际上这个问题很好解答,看一下凯美瑞和雅阁的销量对比就好。而且,或者可以通过这个数据得出,本田 平行轴AT和传统AT已然相差无几了。而且从执行机构上面看,平行轴AT换挡的操作要比常规AT简单。前文说过,MT上面的拨叉和套筒,在平行轴AT上面用一个多片离合器便可完成。也就是说,一个挡位对应着一个多片离合器,非常直接,非常简单。而常规AT上面的多片离合器,则比较麻烦,因为要控制行星齿轮组,一个挡位需要多个离合器 协同工作才能形成,而且有的离合器要对应着多个挡位。这显然不如平行轴AT专一,换而言之,平行轴AT比常规AT单纯许多。


平行轴AT的弱势

有利便有弊,平行轴AT自然也有一些缺陷。

第一,多轴(稍高端一点的便是三轴)的结构设计让其在体积上无法压缩,而常规AT通常都是一轴,稍粗一些便可容纳其内部的行星齿轮组和离合器;

第二,平行轴AT由于体积的原因,无法实现更多的挡位,而常规AT目前已经发展到8挡的数量级,这在面子上显然不够。

但这并非致命弱点,所以在一定时间内,仍然无法阻挡平行轴AT的脚步。而对于消费者来讲,本田的5AT或者讴歌 的6AT在使用方面和常规AT并没有太大的差异。

讲到最后,我们自然要分析一下,本田为何要坚持自己的平行轴AT?

原因一:在初期,AT技术很好掌握,但生产工艺要求和成本上,行星齿轮的形式要高于平行轴。所以本田一歪脑子就想出办法,用MT的手段实现了AT的性能,。

原因二:平行轴AT相比传统AT在执行方面更简单。液力控制机构(油路、电磁阀)也相对简单,成本也得以控制。

原因三:主流车型装备的AT,几乎都由爱信、ZF等几个厂家生产。本田很有思维,就用自己家的,不受人控制也跟诸位无关。


所以,作为本田的专利产品,本田有理由坚持着自己的平行轴,并坚信平行轴AT是非常合理的传动方式。

three reasons: the mainstream models equipped AT, almost by Aisin ZF and several other manufacturers. Honda has a lot of thinking, use their own home, not to be controlled without you.


so, as Honda's patented products, Honda has reason to stick to its parallel axis, and firmly believe that the parallel axis AT is a very reasonable transmission.

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