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第十六章 汽车自动变速器. 16.1 概述. 16.2 液力机械式变速器. 16.3 机械式无级变速器. 16.1 概述. 机械传动系统结构简单可靠，传动效率高，价格便宜，维修方便。但需要频繁操作，容易使人疲劳，操作不当容易引起发动机熄火停车，需要驾驶员有一定的驾驶技巧。. 汽车自动变速器即自动操纵式变速器。 根据发动机负荷和车速等工况的变化自动变换传动系统的传动比，使汽车获得良好的动力性和燃油经济性，同时有效减少发动机排放污染，显著提高车辆行驶的安全性、乘坐舒适性和操纵轻便性。. 16.1 概述. 自动变速器的分类：.
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第十六章 汽车自动变速器 16.1 概述 16.2 液力机械式变速器 16.3 机械式无级变速器
16.1 概述 机械传动系统结构简单可靠，传动效率高，价格便宜，维修方便。但需要频繁操作，容易使人疲劳，操作不当容易引起发动机熄火停车，需要驾驶员有一定的驾驶技巧。 汽车自动变速器即自动操纵式变速器。 根据发动机负荷和车速等工况的变化自动变换传动系统的传动比，使汽车获得良好的动力性和燃油经济性，同时有效减少发动机排放污染，显著提高车辆行驶的安全性、乘坐舒适性和操纵轻便性。
16.1 概述 自动变速器的分类： （1）液力自动变速器(automatic transmission, AT)，也称为液力机械式变速器或综合式自动变速器; （2）机械无级变速器(constantly variable transmission,CVT); （3）机械有级自动变速器（自学） (automatic mechanical transmission,AMT)。
16.2 液力机械式变速器 16.2.1 液力机械变速器的组成 （1）液力变矩器，部分履行变速及增大转矩功能； （2）行星齿轮变速器，进一步增大转矩、实施倒车及怠速下驻车； （3）液压操纵系统。 锁止离合器 前进挡行星齿轮 倒挡行星齿轮 超速挡行星齿轮传动 驻车棘爪 驻车锁 驻车棘轮 中间轴 液压控制箱 1挡自由轮 油泵
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 1. 液力耦合器 工作轮： (1) 泵轮，主动元件, 刚性连接在外壳上，与曲轴一起旋转 (2) 涡轮，从动元件, 连接在从动轴上。 工作过程：泵轮接受发动机传来的机械能，传给工作液，工作液的动能升高，将动能传给涡轮，并由涡轮将动力输出。泵轮和涡轮之间没有机械连接关系，二者之间靠液体流动来传递动力。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 1. 液力耦合器 工作原理 液力耦合器实现传动的必要条件：泵轮和涡轮之间有液体循环流动，产生液体循环流动的原因是二者存在转速差。液力耦合器工作时泵轮的转速总是大于涡轮的转速。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 1. 液力耦合器 在泵轮与涡轮上，径向焊接了数目相同的叶片，用来传递动力。 泵轮与涡轮装合后，其通过输入轴或者输出轴的纵断面为环形，成为循环圆，传递动力的液体既绕轴线作圆周运动，又在循环圆内从高能区向低能区作循环运动。 在工作轮之间留有一定的间隙（ 3-4mm ），一方面保证安装精度，另一方面过小的间隙会增加液体流动的阻力，甚至引起涡流。 泵轮与涡轮的半径相同，泵轮的速度高于涡轮的速度，因此泵轮外缘工作液压高于涡轮外缘的工作液压，工作液自泵轮的外部流向涡轮，并形成首尾相连的螺旋线。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 1. 液力耦合器 优点:（1）保证汽车平稳起步； （2）衰减传动系的扭转振动； （3）防止传动系过载； （4）显著减少换档次数。缺点:（1）只能传递转矩，不能改变转矩大小； （2）不能取代离合器，使传动系统纵向尺寸增加； （3）传动效率较低。 目前在汽车上的应用逐渐减少。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 工作轮： • 泵轮，主动元件, 与变矩器壳连成一体，固定在发动机曲轴上，与曲轴一起旋转； • 涡轮，与从动轴相连； • 导轮，固定在不动的套管上。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 结构上多一个不动的导轮,不仅能传递转矩，还能在泵轮转速和转矩不变的前提下，改变涡轮转矩的大小。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 固定不动的导轮给涡轮一个反作用力矩，使涡轮输出的转矩不同于泵轮输入的转矩。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 涡轮 泵轮 导轮 工作过程：发动机带动泵轮旋转，油液获得动能，在离心力作用下，高速的油液从泵轮叶片冲出，射向涡轮的叶片，使涡轮旋转，液流从涡轮叶片下部流出，动能减少，流出的油液经导轮改变流向后，重新进入泵轮再次获得动能，如此不断循环流动，完成能量传递，使从动件获得转矩和速度。 导流芯环 涡轮 泵轮 导轮
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 工作原理 中间流线：将流道分割成面积相等的两部分的流线。 将循环圆的中间流线展开一条直线，三个工作轮便成了三个环形平面。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 工作原理 设发动机转速和负荷不变，即泵轮的转速nb和转矩Mb不变。 起步工况(nw=0)： 工作液在泵轮叶片带动下，沿箭头1冲向涡轮叶片，因涡轮静止不动，液流沿着叶片流出并冲向导轮，再沿箭头3流入泵轮。 设泵轮、导轮、涡轮对工作液的作用转矩分别为Mb、Md、M′w，则有：M′w =Mb + Md 因为: M′w = -Mw（涡轮输出转矩） 因此： Mw > Mb 液力变矩器起到了增大转矩的作用。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 工作原理 汽车开始起步加速(nw> 0) 涡轮叶片出口处的速度为： v= w + u u—牵连速度； w—沿叶片的相对速度。 当v与导轮的出口方向一致时:Md=0 此时： Mw=Mb
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 工作原理 nw继续增大时： v继续向左倾斜如v′，导轮转矩方向与泵轮转矩方向相反。 此时：Mw=Mb－ Md，输出转矩比输入转矩小。 直至: nw = nb 此时：Mw=0，循环圆中的循环流动停止，将不能传递动力。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 液力变矩器特性：在变矩器的泵轮转速nb和转矩Mb不变的条件下，涡轮转矩Mw随其转速nw变化的规律。 液力变矩器特性参数： 传动比i：输出转速与输入转速之比 i=nw/nb 变矩系数K：输出转矩与输入转矩之比 K=Mw/Mb，K随着涡轮转速变化而连续变化。nw=0时最大。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 • 结论： • 1）液力变矩器的传动比为小于等于1的连续可变实数； • 2）液力变矩器的输出转矩随着汽车的行驶工况自动的改变。 • 当涡轮速度低时具有较大的输出转矩；涡轮速度为0时输出转矩最大； • 当涡轮速度高时具有较小的输出转矩； • 涡轮速度高于nw1时，涡轮的输出转矩小于泵轮的输入转矩，效率低、动力性低。 • 涡轮速度与泵轮的速度相等时的输出转矩为0，不传递转矩； • 3）液力变矩器具有液力耦合器保证汽车平稳起步，衰减传动系统的扭转振动，防止系统过载的特点；
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 a. 三元件综合式液力变矩器 三元件：泵轮、导轮、涡轮。 • 泵轮通过壳体、起动齿圈托盘、螺钉固定在曲轴凸缘上。 • 涡轮通过涡轮轮毂上的花键与输出轴连接。 • 导轮通过单向离合器及其花键连接在固定不动的套管上。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 a. 三元件综合式液力变矩器 单向离合器：只允许导轮单向旋转，不允许其逆转。 导轮用铆钉或花键固定在外座圈上，内座圈与导轮固定套管用花键连接，导轮固定套管被固定在齿轮变速器的壳体上，外座圈上有若干偏心的圆弧面，滚柱经常被碟片弹簧压向内外坐圈之间滚道比较窄的一端，而将内外座圈楔紧。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 a. 三元件综合式液力变矩器 • 当nw较低，与nb相差较大时，液流冲击叶片，力图使导轮顺时针旋转，滚柱楔形槽的宽槽处滚动，导轮同单向离合器外座圈一起被卡紧在内座圈上固定不动，液力变矩器起增大转矩作用； • 当nw升高到一定值，液流对导轮的冲击力反向，导轮自由地相对于离合器内座圈逆时针与涡轮同向转动，滚柱向窄槽处滚动，变矩器转入耦合器工作装态。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 a. 三元件综合式液力变矩器 当液力变矩器的涡轮速度达到一定值时，使液力变矩器转化为液力耦合器工作，以增大涡轮在高速时的输出转矩，提高其动力性。 因为液力变矩器可以转化为液力耦合器工况，因此称之为综合式的。 液力变矩器的相：液力变矩器的工作状态的数目。 液力变矩器的级：导轮与泵轮之间的涡轮数称之为。 上述液力变矩器的全称为：单级双相三元件综合式液力变矩器。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 a. 三元件综合式液力变矩器 楔块式单向离合器工作原理：内座圈固定，当外座圈顺时针旋转时，楔块顺时针旋转，L1<L，外座圈可相对楔块和内座圈旋转；反之，当外座圈逆时针旋转时，楔块逆时针旋转，L2>L，楔块阻止外座圈旋转。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 a. 三元件综合式液力变矩器 楔块式单向离合器工作过程演示
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 • 三元件综合式液力变矩器 变矩器的效率：输出功率与输入功率之比。 在变矩系数K>1 （i<ik1）范围内： 变矩器的效率比耦合器高； 在变矩系数K<1 （i>ik1）范围内： 变矩器的效率比耦合器低。 综合式液力变矩器的优点：增加变矩器高效区。变矩器转为耦合器工作的点为工况转换点。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 • 三元件综合式液力变矩器 三元件综合式液力变矩器特点： 结构简单，工作可靠，性能稳定，效率高，在变矩器状态下的最高效率为92%，在耦合器状态下的高传动比区的效率可达96%。在轿车上得到广泛应用，在大型客车、自卸车及工程车辆上应用也逐渐增多。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 b. 四元件综合式液力变矩器 比三元件液力变矩器多了一个导轮，两个导轮分别装在各自的单向离合器上。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 b. 四元件综合式液力变矩器 采用原因： 对于启动变矩系数大的变矩器，三元件的液力变矩器在最高效率工况到耦合器工况始点之间区段上效率显著较低。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 b. 四元件综合式液力变矩器 • 当nw低，液流速度v1冲击在两导轮凹面上，两导轮被固定，按变矩器工况工作； • 当nw增加到一定值，液流速度为v2时，对第一导轮冲击力反向，第二导轮起变矩作用； • 当nw继续升高到接近泵轮转速即液流速度为v3时，变矩器全部转入耦合器工况。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 b. 四元件综合式液力变矩器 • 特性：是两个变矩器特性和一个耦合器特性的综合。 • 在传动比0至i1区段，两个导轮固定不动，保证在低传动比工况下获得大的变矩系数。 • 在传动比i1至iK区段，第一导轮脱开，第二导轮工作，可得到较高的效率。 • 当传动比为iK时，转入耦合器工况，效率按线性规律增长。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 c. 带锁止离合器的液力变矩器 原因： 因为液力损失和泵轮与涡轮之间的转速差，液力变矩器的效率比机械传动低，导致燃油经济性差。 锁止离合器的作用： 汽车在变工况下行驶时（如起步、经常加减速），锁止离合器分离，相当于普通液力变矩器；当汽车在稳定工况下行驶时，锁止离合器接合，动力不经液力传动，直接通过机械传动传递，变矩器效率为1。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 c. 带锁止离合器的液力变矩器 锁止离合器的组成： 主动部分：油缸活塞和传力盘，与泵轮一起旋转。 从动部分：从动盘，通过铆钉与涡轮轮毂连接，并通过涡轮轮毂花键将动力传给输出轴。 分离（压紧）部分：油缸与活塞。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 c. 带锁止离合器的液力变矩器
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 c. 带锁止离合器的液力变矩器
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 c. 带锁止离合器的液力变矩器 • 注意： • 锁止离合器接合时，单向离合器应该分离，否则被固定的导轮仍然会带来很大的液力损失。 • 带锁止离合器的液力变矩器称之为闭锁式液力变矩器。
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 视频时长5分钟
16.2 液力机械式变速器 16.2.2 液力耦合器和液力变矩器 2. 液力变矩器 视频时长17分钟，建议自学
16.2 液力机械式变速器 16.2.3 行星齿轮机构 • 作用： • 液力变矩器的变矩系数较小，不能满足汽车的需要，弥补变矩器功能不足，完成附加传动功能之外，还承担汽车倒车行驶及怠速驻车功能。 • 组成： • 行星齿轮传动和换挡执行机构-离合器、制动器等。 • 行星齿轮变速器结构紧凑，承载能力大，可以用较小的齿轮实现较大的传动比，传动效率高，机构运动平衡，抗振能力强。所以与液力变矩器配合使用的一般是行星齿轮变速器（轴线旋转式）但也有采用轴线固定式的。
16.2 液力机械式变速器 16.2.3 行星齿轮机构 行星架 行星齿轮传动机构 齿圈 行星齿轮 太阳轮
16.2 液力机械式变速器 16.2.3 行星齿轮机构 1.单排行星齿轮机构
16.2 液力机械式变速器 16.2.3 行星齿轮机构 1.单排行星齿轮机构 行星轮受力分析： 设齿圈2与太阳轮1的齿数比 α=z2/z1=r2/r1 • 太阳轮1作用在行星轮上的力矩： M1=F1×r1 (1) • 齿圈2作用在行星轮上的力矩： M2=F2×r2 (2) • 行星架3作用在行星轮上的力矩： M3=F3×r3 (3) • 又： r3=(r1+r2)/2=(1+ α)r1/2 (4) • 由行星轮的力平衡条件得： • F1=F2 (5) • F3=－2F1=－2F2 (6)
16.2 液力机械式变速器 16.2.3 行星齿轮机构 1.单排行星齿轮机构 行星轮受力分析： 将（4）~（ 6 ）代入（1）~（3）可以得到： M1=F1×r1; M2= α F1×r1; (7) M3=－(α +1)F1×r1; 根据能量守恒，三个元件输入和输出的功率代数和为0： M1×ω1+M2×ω2+M3×ω3=0 (8) 其中ω1，ω2，ω3为太阳轮、齿圈和行星架的角速度。 ｛ 将（7）代入（8）可以得到：ω1+ α ω2－(1+ α) ω3=0 (9) 将角度替换为转速，(9)可写为：n1+ α n2－(1+ α)n3=0 (10)
16.2 液力机械式变速器 16.2.3 行星齿轮机构 1.单排行星齿轮机构 行星齿轮机构运动学特性方程式： n1+ α n2－(1+ α)n3=0 (10) • 可以看出： • 太阳轮、齿圈与行星齿轮架3者任意两个可作为传动件； • 如果有两个被固定在一起，则第三个的速度与前两个相同，传动比为1； • 如果三个均为自由转动，则行星齿轮不能传递动力，相当于空档。 • 行星架被固定时，太阳轮、齿圈转速相反，可作为倒档。
16.2 液力机械式变速器 16.2.3 行星齿轮机构 1.单排行星齿轮机构
16.2 液力机械式变速器 16.2.3 行星齿轮机构 1.单排行星齿轮机构 行星齿轮变速机构传动换挡工作原理
16.2 液力机械式变速器 16.2.3 行星齿轮机构 2.复合式行星齿轮机构 定义： 具有两排以上行星齿轮的行星齿轮机构。 原因： 单排行星齿轮机构所提供的传动比数目是有限的，为了获得较多的档数，采用两排或三排行星齿轮机构。 典型类型： （1）辛普森（Simpson）式 （2）拉威挪（Ravigneaux）式
16.2 液力机械式变速器 16.2.3 行星齿轮机构 两排行星齿轮机构共用一个太阳轮，前齿圈与后行星架连接，并作为整个行星齿轮机构的输出单元，有四个控制元件：离合器C1和C2，制动器B1和B2。 2.复合式行星齿轮机构 （1）辛普森（Simpson）式
16.2 液力机械式变速器 16.2.3 行星齿轮机构 2.复合式行星齿轮机构 （1）辛普森（Simpson）式 辛普森行星齿轮机构的运动方程式： nB1+ αn2－(1+ α)nB2=0 nB1+ αns－(1+ α)n2=0 nc1 = n1－ ns nc2 = n1－ nB1 在离合器完全结合时：nc1和nc2为0。 分析： ①机构自由度数为3，未知数为7个（ n1、 n2 、 nB1 、nB2、 nC1 、nC2、 ns ）； ②方程式有4个，所以挂入某一档位时，需要同时使用两个执行元件。
16.2 液力机械式变速器 16.2.3 行星齿轮机构 2.复合式行星齿轮机构 （1）辛普森（Simpson）式 一档动力传动路线（nC1 =0，Fw卡住 nFw=nB2=0）： 轴1→C1→轴S→后齿圈→共用太阳轮→前齿圈→轴2。 传动比：i1=n1/n2=(1+2 α)/ α
