自動變速箱構造與原理 更新時間: 2019-09-13

自動變速箱簡稱AT,全稱Auto Transmission,它是由液力變扭器、行星齒輪和液壓操縱系統組成,通過液力傳遞和齒輪組合的方式來達到變速變矩。


和手動擋相比,自動變速箱在結構和使用上有很大不同。手動擋主要通過調節不同齒輪組合來更換擋位,而自動變速箱是通過液力傳遞和齒輪組合的方式來達到變速的目的。其中液力變扭器是自動變速箱最具特點的部件,它由泵輪、渦輪和導輪等構件組成,泵輪和渦輪是一對工作組合,泵輪通過液體帶動渦輪旋轉,而泵輪和渦輪之間的導輪通過反作用力使泵輪和渦輪之間實現轉速差并實現變速變矩功能,對駕駛者來說,您只需要以不同力度踩住踏板,變速箱就可以自動進行擋位升降。由于 液力變矩器自動變速變矩范圍不夠大,因此在渦輪后面再串聯幾排行星齒輪提高效率,液壓操縱系統會隨發動機工作變化自行操縱行星齒輪,從而實現自動變速變矩。為了滿足行駛過程中的多種需要(如泊車、倒車)等,自動變速箱還設有一些手動撥桿位置,像P擋(停泊)、R擋(后擋)、N擋(空擋)、D擋(前進)等。

從性能上說自動變速箱的擋位越多,車在行駛過程中也就越平順,加速性也越好,而且更加省油。除了提供輕松愜意的駕駛感受,自動變速箱也有無法克服的缺陷。自動變速箱的動力響應不夠直接,這使它在“駕駛樂趣”方面稍顯不足。此外,由于采用液力傳動,這使自動擋變速箱傳遞的動力有所損失。

手自一體自動變速箱

手自一體變速箱的出現其實就是為了提高自動變速箱的經濟性和操控性而增加的設置,讓原來電腦自動決定的換擋時機重新回到駕駛員手中。同時,如果在城市內堵車情況下,還是可以隨時切換回自動擋。


手自一體自動變速箱實際上還是自動變速箱的一種,最早出現在保時捷911上,手自一體變速箱通過電控系統模擬出手動變速箱 的操作。它的出現,在操作上給予駕駛者更大的自由度,可以通過擋把上的加減擋或者方向盤上的換擋撥片來選擇自己認為合適的擋位和換擋時機,從而大大提高了駕駛樂趣。

上面只是簡單介紹了自動變速箱的大體結構和工作原理,如果你想詳細了解自動變速箱的具體結構請看下文。

自動變速箱的基本結構及其工作原理

自動變速器的核心部件為:液力變矩器、行星齒輪組、離合器 /制動器及其控制機構(電磁閥、油路),外圍設備即為變速器殼體、傳動軸等。我們就從動力流向為順序,先從液力變矩器開始說起。

液力變矩器


曾有一種說法,AT上的液力變矩器相當于MT上的離合器,起到動力的連接和中斷的作用。其實這種說法是錯誤的。AT與發動機曲軸 是直接連接的,不像MT有一個動力的開關:離合器。所以從點火的瞬間開始,液力變矩器便開始轉動了,對于動力的連接和中斷,仍由齒輪箱內部的離合器來完成,液力變矩器唯一與MT離合器相似的地方,也就是液力變矩器“軟連接”的特性,與MT離合器的“半聯動”工況相近。


液力變矩器的工作原理就像兩個風扇相對,一個風扇工作,然后將另一個不工作的風扇吹動。這個比喻可以很形象的解釋液力變矩器 中泵輪和渦輪之間的工作關系。不過詳細解釋其工作原理,則有些復雜。


動力輸出之后,帶動與變矩器殼體相連的泵輪,泵輪攪動變矩器中的自動變速箱油(以下簡稱ATF) ,帶動渦輪轉動,ATF在殼體中是一個循環的動作,由于泵輪旋轉時的離心力,ATF會在泵輪的作用下,甩向外側,沖向前方的渦輪,再流向軸心位置,回到泵輪一側,如此周而復始的循環,將動力傳向與齒輪箱連接的渦輪。

不過只有該零部件和傳動方式,只能稱為液力耦合器,若想成為液力變矩器 ,必然要改變渦輪葉片的形狀,這樣一來,ATF在經過渦輪再循環回泵輪時,會與泵輪旋轉方向相反,因而造成沖擊,所以為了成為液力變矩器還需另一個部件:導輪。導輪是存在于泵輪和渦輪之間的一個部件,用于調節殼體中ATF液流方向,通過單向離合器與箱體固定。


有了導輪,才有了“變矩”的靈魂所在,在泵輪與渦輪轉速差較大時,動力輸出的扭矩也變大了,此時的變矩器想當一個無級變速器,通過轉速差來提升扭矩,此時導輪處于固定狀態,用以調節ATF回流;而當轉速差降低,渦輪泵輪耦合或鎖止時,扭矩接近對等,無需增矩,導輪隨泵輪和渦輪同向轉動,避免自身攪動ATF,造成動力的損耗。

至此我們了解到了液力變矩器 的最大特點——軟連接,而這種動力的傳輸方式起到了兩大功能:1、從靜止到低速時的平穩起步;2、在加速過程中,較大動力輸出時,起到增大扭矩的作用。如果與MT上的離合器相比較,則需注意的是,第一條起到了并優化了MT上離合器的功能,但第二條則是離合器無法實現的。

但液力變矩器 這先天“軟連接”特點有一個弱點,動力不是直接輸出的,在扭矩輸出對等是,泵輪的轉速要大于渦輪這樣的話在傳輸動力時,ATF還在殼體中循環,浪費了動力,所以目前幾乎所有液力變矩器都有一個高效節能的部件:液力變矩器鎖止器。鎖止器的形式是一個多片離合器 ,其作用就是當變矩器處于耦合狀態,無需增矩時,將泵輪和渦輪鎖止,這樣的話動力傳遞即為“硬連接”,全部的無損(或者說有微量的動力流失)的將從曲軸傳遞到了下一站:變速箱。


簡單解釋一下上圖:i軸為轉速比,表示渦輪與泵輪轉速之比,左端泵輪轉速遠大于渦輪,右邊相等。起步或大腳油門時,轉速比較小,泵輪比渦輪快很多,此時泵輪輸出的扭矩要比渦輪輸入扭矩 大很多,比較有力,但傳動效率較低;輕踩油門,轉速比增加,變矩比降低,傳動效率也相應提高,轉速比為60%時,效率最高;當穩定油門,速度較為穩定是,轉速比進一步上升,變矩比接近1,但此時傳動效率下降;為避免動力流失,變矩器用離合器鎖止,轉速比驟增至1,效率也達到最高。

液力變矩器 并非AT的特征

液力變矩器不是AT特有,一些CVT變速器也使用了液力變矩器作為優化動力的機構;AT也不是絕對使用液力變矩器來實現軟連接的,例如某些奔馳AMG車型上用的SpeeDShift MCT自動變速器,就用一副多片離合器代替了液力變矩器。所以液力變矩器 并不是AT最大的特點,與多組離合器/制動器協同工作的行星齒輪組,才是自動變速器的最大特點。


行星齒輪以及AT齒輪箱中的行星齒輪組

在MT上,每一個擋位都有一組兩個常嚙合齒輪副,更換擋位只需要將輸出軸與該擋位輸出齒輪的花鍵連接即可。而AT中,并不是這么多的齒輪在工作,而是用一種非常獨特的方式來完成變換:行星齒輪組。我們先來看下,一個最基礎的三元行星齒輪有著怎樣的特性:



『行星齒輪組模型』

而行星齒輪的最大特性即為,在組合出不同的輸入輸出輪之后,齒比和輸入輸出的相對方向都會有變化,這種特性用作汽車變速器可是再適合不過了。而為了增加擋位,汽車上的行星齒輪升級成了齒輪組、齒輪排,再通過一系列執行器便可以完成換擋了。

AT執行器:離合器、單向離合器、制動器

上面我們了解到,一組行星齒輪有著怎樣的變換形式,而負責變換,以及用來輸入輸出的元件,就是一系列的執行器:離合器、單向離合器 、制動器。有了這些執行器,就可以將行星齒輪進行不同組合,從而配搭出不同的動力流,也有了不同的傳動比。而控制這些操作的,就是與其配套的油泵、滑閥、液壓活塞,以及復雜的液壓線路。


『圖為老別克君威4T65E自動變速器,空擋時各個部件位置以及工作情況』


『在多個執行器與行星齒輪的不同組合下,形成了不同的擋位』

至此,來自發動機的動力便完成了重組,將時刻變化的 扭矩和轉速,傳遞給車輪。相比MT,便捷性提升,而內部結構和工作情況則復雜得多。

Tiptronic

Tiptronic技術變速器由保時捷發明并在1990年第一次出現在964 Carrera 2車型上。其實早在1969年,911就使用了一臺名為Sportomatic的4速“準手自一體變速器”。但由于當時電控技術落后,大部分車型又被替換為手動變速箱。現在,此項技術由保時捷授權給日本AW愛信、德國ZF采埃孚以及其他車廠生產。



Tiptronic是在傳統的自動變速器基礎上增加了一套手動換擋模式以及電子保護程序,結構并沒有很大變化,都是通過 液力變矩器以及行星齒輪進行扭矩傳動和擋位變換。手動模式通過一套可以進行升降擋控制通道及相應的電子程序予以實現。另外,電子發動機保護程序是其一大特點。目前,Tiptronic變速箱有4速至8速五個等級,形式也有橫置式以及縱置式兩種。在剛剛結束的底特律車展上,ZF宣布將研發用于前驅車的9速手自一體變速箱。

Tiptronic特點

1.實用的手動模式:首先,手動模式可以最大程度體現駕駛者的意志,按照自己的需求選擇擋位。追求激烈駕駛時可強制使用較低擋位與較高轉速;在需要經濟駕駛時亦可保持較低轉速換擋。其次,在遇到較陡下坡時,可將擋位維持在一擋或二擋以利用發動機本身阻力來控制車速。

2.發動機 保護程序:在享受手動擋駕駛樂趣的同時電子保護程序會一直監測駕駛者的換擋動作。Tiptronic原則上允許駕駛者在發動機紅線轉速以外區域進行各種操作,但當偵測到轉速達到紅線時變速箱會強制介入升擋以防燒毀。若轉速低至刻度起始線附近而擋位又較高時變速箱會采取降擋措施避免熄火。由于各個車型扭矩 、車身重量等差異,Tiptronic程序也會略有不同,例如奧迪的Tiptronic就不允許用一擋高轉速行駛。

3.自學習功能:帶有ECU控制單元的車輛都具有根據駕駛員習慣來調整自身動力輸出的功能,以貼合其偏好。同樣,Tiptronic也會這么做。它通過“模糊邏輯”控制程序和從ECU 傳回的信息來學習車主的駕駛習慣調整換擋時機,使車輛更為“聽話”。

帶有Tiptronic技術變速箱的車型

大眾6速手速一體、標致/雪鐵龍的4速和6速手自一體、奧迪8速手自一體、豐田 5速手自一體等眾多車型均使用的是Tiptronic技術變速器。








其中大眾POLO、速騰、途觀、斯柯達晶銳、明銳、福特蒙迪歐、寶馬Mini等的6速手自一體車型全部使用的是由大眾、寶馬和保時捷共同研發并委托日本愛信公司制造的TF60-SN(大眾、奧迪編號為09G,零件代號AQ250)前驅橫置式6速Tiptronic手自一體變速器。它具有S運動擋,其承受最大扭矩為310N·m。






標致307、408、雪鐵龍世嘉、凱旋使用的是PSA集團聯合雷諾 與西門子合作研發的AL4橫置前驅Tiptronic4速手自一體變速器,帶有雪地以及運動模式,可傳輸最大扭矩為210N·m。雪地模式能夠以二擋起步并快速升擋避免出現車輪打滑現象。




奧迪Q5、Q7則使用一臺德國ZF采埃孚8HP縱置式全時四驅 Tiptronic8速手自一體變速箱。其最大特點第一是200毫秒的換擋速度可與雙離合變速器媲美;第二是可以跳過兩至三個擋位直接換擋,極端狀態下可從八擋跳至二擋。

7G-Tronic

7G-Tronic是梅賽德斯-奔馳在2003年秋季推出的一款縱置式7速手自一體變速器,其最大承受扭矩為735N·m,匹配V6及V8汽油以及共軌柴油發動機,適用于后驅或4MATIC四驅車型。由于最大扭矩不及上一代5G-Tronic的1079N·m,故S600以及S65AMG V12車型沒用采用這臺變速器。



7G-Tronic與傳統縱置式自動變速相同,使用液力變矩器以及串列行星齒輪進行扭矩傳動和變速。有別于傳統變箱離合器 只能在高擋進行鎖定不同,7G-Tronic的鎖止離合器在一擋就可投入工作,避免打滑而損失動力。除了標準的M手動及C自動模式外還提供了S運模式。

7G-Tronic的特點

1.寬泛變矩范圍及緊密尺比:7G-Tronic七個擋位尺比從4.377至0.782,比上一代5G-Tronic的3.59至0.83更為寬泛,使得百公里加速時間減少0.3秒,油耗百公里降低0.6升。三擋以后的擋位間尺比落差逐漸減小,特別是最后三個擋位甚是綿密,換擋十分平順。

2.可進行跳擋的手動模式:7G-Tronic可以不按順序依次減擋,最大可跳過四個擋位進行換擋操作。這使得急加速時擋位變換更為直接,能夠最大程度發揮發動機的動力。手動模式在轉速進入紅線區間時同樣會自動升擋以保護發動機和變速箱。

3.兩速倒擋:該款變速箱與眾不同地提供了兩個倒車擋,傳動比分別為3.416和2.231。第二個倒車擋尺比接近前進第三擋,時速可達80km/h,在遇到緊急情況時可能才會體現出它的價值。

裝備7G-Tronic變速器的車型







Geartronic

Geartronic是沃爾沃旗下車型所裝備Tiptronic 技術的手自一體變速器名稱。6速手自一體變速器實際為日本愛信TF80-SC。最大可承受440N·m扭矩,傳動比從4.148至0.686。


Geartronic的特點

1.與Tiptronic 相同的安全手動模式:由于此變速器同樣帶有Tiptronic技術,手動模式同樣會受到電腦監控以保證安全。

2.體積小巧:該款變速箱采用將五個小型行星齒輪組與復合輔助齒輪組相結合的方式有效減小了變速箱的體積和重量。

3.壽命更長:有別于傳統自動變速器的外置控制模塊,Geartronic的TCM控制模塊被置于變速箱內,使得變速箱油可以幫助其冷卻,同時較少的外部布線降低了受外力損壞的風險。

裝備Geartronic變速器的車型





引進國內的沃爾沃C30、S60、S80L以及XC60、XC90等帶有6速手自一體變速箱的車型均裝備此款 Tiptronic技術TF80-SC變速器。

平行軸式AT

本田使用的自動變速器叫做“平行軸式自動變速器”,本田公司旗下的幾乎所有車型(本田的5AT,謳歌的6AT)都是在使用這種變速器,而且除本田之外,幾乎沒有其他廠牌使用(因為這是本田 的專利)。那么接下來我們就分析一下,這個熟悉的品牌,但卻陌生的機器。


預備知識

在介紹平行軸AT之前,我們先來啰嗦一下MT、AMT和AT的特點。MT變速箱的基本結構,就是兩根平行軸(兩軸為基礎結構,另有三軸變速器,原理基本相同),以及平行軸上的多個常嚙合齒輪,然后通過帶有花鍵的套筒輸出。選擇擋位的套筒,由換擋桿,帶動變速箱內的撥叉來控制。AMT變速器與MT極為類似,只是增加了電控系統,用機械的方式代替手動操作。

AT變速器較為復雜,其結構與MT大相徑庭,沒有套筒和撥叉等元件,也沒有平行軸上的嚙合齒輪,其主要特點是使用行星齒輪機構來實現齒比的變換,并使用一系列的離合器來控制擋位。

為什么文章遲遲不進入主題,而是先來描述MT和AT等變速器呢?因為這兩種變速器是不可或缺的預備知識,本田平行軸式AT從某種意義上講,就是MT和AT的聯姻的結果。

平行軸AT結構分析


從結構圖上可以看到,平行軸式AT明顯沒有行星齒輪機構,常嚙合齒輪很像MT或是AMT,但多片離合器的形式卻與傳統AT相似,并且在輸入端有一個明顯的液力變矩器,這種形式的變速器在常規的眼光下顯得有些匪夷所思,至于匪夷所思的東西我們以后再去考慮,先來研究一下它是怎么運轉的。

接下來就是平行軸部分了,一根輸入軸,一根輸出軸,各齒比的組合方式與MT沒有太大差異。而接下來就是這個變速器的重點:電液控制的多片離合器,替代了MT上的撥叉和套筒。


這就是平行軸AT的特點,多片離合器 代替撥叉套筒的方式,在原始階段就將結合方式變得軟化一些。因為MT變速器中,擋位是通過擋桿控制撥叉來選擇套筒及套筒位置,與相應擋位的常嚙合齒輪結合,從而生成某個擋位,每個擋位下,都有一個相應的套筒(撥叉)位置。這樣的話,動力的銜接是突然一下沒有緩沖(套筒上的齒一下就結合,緩沖全憑離合器 半聯動,更極端的例子便是賽車上序列變速器以及摩托車變速器上的“狗牙”,“哐”的一下便完成換擋)。而本田平行軸AT上雖然常嚙合齒輪與MT一樣,但多片離合器的控制方式,顯然要比套筒(撥叉)控制迅速,而且也更加平順。而且更重要的是,前端液力變矩器的加入,更讓本田平行軸AT的換擋節奏更加平順,與常規AT幾乎沒有差異。


平行軸AT與AMT的對比

實際上這個對比有些貶低平行軸AT。由于有了常規AT的液力變矩器和多片離合器,本質上有了常規AT的性格。平行軸AT和AMT無論是結構方面還是實際駕駛感受方面都有著明顯差異。雖然都是平行軸結構,但AMT畢竟是MT的電控版,畢竟無法和AT相比。兩者處于不同的層面,平行軸AT可以裝配在百萬級的車型上(謳歌 ),而AMT則是微車和重卡的經濟型配置。然而問題來了,本田平行軸AT和傳統AT可以分出高低嗎?

平行軸AT與AT的對比

實際上這個問題很好解答,看一下凱美瑞和雅閣的銷量對比就好。而且,或者可以通過這個數據得出,本田 平行軸AT和傳統AT已然相差無幾了。而且從執行機構上面看,平行軸AT換擋的操作要比常規AT簡單。前文說過,MT上面的撥叉和套筒,在平行軸AT上面用一個多片離合器便可完成。也就是說,一個擋位對應著一個多片離合器,非常直接,非常簡單。而常規AT上面的多片離合器,則比較麻煩,因為要控制行星齒輪組,一個擋位需要多個離合器 協同工作才能形成,而且有的離合器要對應著多個擋位。這顯然不如平行軸AT專一,換而言之,平行軸AT比常規AT單純許多。


平行軸AT的弱勢

有利便有弊,平行軸AT自然也有一些缺陷。

第一,多軸(稍高端一點的便是三軸)的結構設計讓其在體積上無法壓縮,而常規AT通常都是一軸,稍粗一些便可容納其內部的行星齒輪組和離合器;

第二,平行軸AT由于體積的原因,無法實現更多的擋位,而常規AT目前已經發展到8擋的數量級,這在面子上顯然不夠。

但這并非致命弱點,所以在一定時間內,仍然無法阻擋平行軸AT的腳步。而對于消費者來講,本田的5AT或者謳歌 的6AT在使用方面和常規AT并沒有太大的差異。

講到最后,我們自然要分析一下,本田為何要堅持自己的平行軸AT?

原因一:在初期,AT技術很好掌握,但生產工藝要求和成本上,行星齒輪的形式要高于平行軸。所以本田一歪腦子就想出辦法,用MT的手段實現了AT的性能,。

原因二:平行軸AT相比傳統AT在執行方面更簡單。液力控制機構(油路、電磁閥)也相對簡單,成本也得以控制。

原因三:主流車型裝備的AT,幾乎都由愛信、ZF等幾個廠家生產。本田很有思維,就用自己家的,不受人控制也跟諸位無關。


所以,作為本田的專利產品,本田有理由堅持著自己的平行軸,并堅信平行軸AT是非常合理的傳動方式。

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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