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轻松惬意的驾驶感受 自动变速箱简介

出处:三圈汽车网 时间:2012-12-19

    三圈讲堂今天要介绍是自动变速箱。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

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    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。

 

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    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。

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    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。

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    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。

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    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。

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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:

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『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。

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『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』

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『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。 

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