汽车变速器的结构及工作原理

汽车变速器的结构及工作原理分析

【摘要】自动变速器的特点。液力自动无级变速器也存在不足，如传动效率较低，结构复杂等。但因其无比优越的性能，自动无级变速器的应用仍相当普及。

【关键词】变速器；结构；组成；原理

1 变速器的结构特点

自动变速器的特点。液力自动无级变速器也存在不足，如传动效率较低，结构复杂等。但因其无比优越的性能，自动无级变速器的应用仍相当普及。目前,国内大多数汽车采用手动变速器，手动变速器因采用机械传动，故传动效率高、工作可靠、结构简单。但是，因其动载荷大，易使零件过早地磨损。特别是手动变速器要求驾驶员在外界条件比较复杂的情况下，频繁地操纵离合器和换挡，增加了驾驶员的负担，使驾驶员易于疲劳，也不利于安全行车。

自动变速器能进行繁复的加速、减速变速器换挡等功能，具有变速平滑、驾驶轻便等优点。可以根据发动机的工况和车速情况，自动选择挡位，而且具有下列显著特点:

1.1 良好的行驶性能。自动变速装置的挡位变换不但快而且平稳，提高了汽车的乘坐舒适性。通过液体传动和微电脑控制换挡，可以消除或降低动力传递系统中的冲击和动载，这对在地形复杂、路面恶劣条件下作业的工程车辆、军用车辆尤为重要。试验表明，在坏路段行驶时，自动变速器的车辆传动轴上，最大动载转矩的峰值只有手动变速器的20%～40%。原地起步时最大动载转矩的峰值只有手动变速器的50%～70%，且能大幅度延长发动机和传动系零部件的寿命。

1.2 操纵简单。只需设置液压工作阀的位置，自动变速器就可以根据需要进行自动加挡和减挡，省去了起步和换挡时踏离合器、更换变速杆位置和放松油门等复杂的操作规程，大大减小了驾驶员的劳动强度。

1.3 高行车安全性。在车辆行驶过程中，驾驶员必须根据道路、交通条件的变化，对车辆的行驶方向和速度进行改变和调节。以城市大客车为例，平均每分钟换挡3～5次，而每次换挡有4～6个手脚协同动作。正是由于这种连续不断的频繁操作，使驾驶员的注意力被分散，而且容易产生疲劳，造成交通事故增加;或者是减少换挡，以操纵油门大小代替变速，即以牺牲燃油经济性来减轻疲劳强度。自动变速的车辆，取消了离合器踏板和变速操纵杆，只要控制油门踏板，就能自动变速,从而减轻了驾驶员的疲劳强度，使行车事故率降低，平均车速提高。

1.4 降低废气排放。发动机在怠速和高速运行时，排放的废气中,CO或CH化合物的浓度较高，而自动变速器的应用，可使发动机经常处于经济转速区域内运转，也就是在较小污染排放的转速范围内工作,从而降低了排气污染。

1.5 可以延长发动机和传动系的使用寿命。因为自动变速器采用液力变矩器和发动机“弹性”连接，外界的冲击负荷可以通过藕合器缓冲，有过载保护的功能。在汽车起步换挡、制动时能吸收振动，相应减小了发动机和传动系的动载荷。

1.6 提高生产率。换挡时功率基本没有间断，可保证汽车有良好的加速性和较高的平均车速，使发动机的磨损减少，延长了大修间隔里程，提高了出车率。

1.7 提高了汽车的平顺性。因采用液力变矩器在汽车起步时，车轮上的牵引力逐步增加，无振动并减少车轮滑动，使起步容易平稳。汽车在行驶中的稳定车速也可以降到最低，甚至为零。行驶阻力增大时，发动机也不会出现熄火。

但自动变速器缺点是:与手动变速器相比，其结构较复杂，零件加工难度大，生产成本较高，修理也较麻烦。另外自动变速器的传动效率不够高,当然，通过与发动机的匹配优化、液力变矩器锁止、增加挡位数等措施，可使自动变速器的传动效率效率接近手动变速器的水平。

2 变速器的组成

自动变速器的基本组成。自动变速器的厂牌型号很多，外部形状和内部结构也有所不同，但它们的组成基本相同，都是由液力变矩器和齿轮式自动变速器组合起来的。常见的组成部分有液力变矩器、行星齿轮机构、离合器、制动器、油泵、滤清器、管道、控制阀体、速度调压器等，按照这些部件的功能，可将它们分成液力变矩器、变速齿轮机构、供油系统、自动换挡控制系统和换挡操纵机构等五大部分。

2.1 液力变矩器。液力变矩器位于自动变速器的最前端，安装在发动机的飞轮上，其作用与采用手动变速器的汽车中的离合器相似。它利用油液循环流动过程中动能的变化将发动机的动力传递自动变速器的输入轴，并能根据汽车行驶阻力的变化，在一定范围内自动地、无级地改变传动比和扭矩比，具有一定的减速增扭功能。

2.2 变速齿轮机构。自动变速器中的变速齿轮机构所采用的型式有普通齿轮式和行星齿轮式两种。采用普通齿轮式的变速器，由于尺寸较大，最大传动比较小，只有少数车型采用。目前绝大多数轿车自动变速器中的齿轮变速器采用的是行星齿轮式。

2.3 供油系统。自动变速器的供油系统主要由油泵、油箱、滤清器、调压阀及管道所组成。油泵是自动变速器最重要的总成之一，它通常安装在变矩器的后方，由变矩器壳后端的轴套驱动。在发动机运转时，不论汽车是否行驶，油泵都在运转，为自动变速器中的变矩器、换挡执行机构、自动换挡控制系统部分提供一定油压的液压油。油压的调节由调压阀来实现。

2.4 自动换挡控制系统。自动换挡控制系统能根据发动机的负荷(节气门开度)和汽车的行驶速度，按照设定的换挡规律，自动地接通或切断某些换挡离合器和制动器的供油油路，使离合器结合或分开、制动器制动或释放，以改变齿轮变速器的传动化，从而实现自动换挡。

2.5 换挡操纵机构。自动变速器的换挡操纵机构包括手动选择阀的操纵机构和节气门阀的操纵机构等。驾驶员通过自动变速器的操纵手柄改变阀板内的手动阀位置，控制系统根据手动阀的位置及节气门开度、车速、控制开关的状态等因素，利用液压自动控制原理或电子自动控制原理，按照一定的规律控制齿轮变速器中的换挡执行机构的工作，实现自动换挡。

电子控制自动换档系统:很多现代汽车装有电子控制的自动换挡装置，能更有效地控制变速箱换挡，达到增进驾驶性能、节省燃油消耗的效果。

3 工作原理分析

自动变速器之所以能够实现自动换挡是因为工作中驾驶员踏下油门的位置或发动机进气歧管的真空度和汽车的行驶速度能指挥自动换挡系统工作，自动换挡系统中各控制阀不同的工作状态将控制变速齿轮机构中离合器的分离与结合和制动器的制动与释放，并改变变速齿轮机构的动力传递路线，实现变速器挡位的变换。

传统的液力自动变速器根据汽车的行驶速度和节气门开度的变化，自动变速挡位。其换挡控制方式是通过机械方式将车速和节气门开度信号转换成控制油压，并将该油压加到换挡阀的两端，以控制换挡阀的位置，从而改变换挡执行元件(离合器和制动器)的油路。这样，工作液压油进入相应的执行元件，使离合器结合或分离，制动器制动或松开，控制行星齿轮变速器的升挡或降挡，从而实现自动变速。

电控液力自动变速器是在液力自动变速器基础上增设电子控制系统而形成的。它通过传感器和开关监测汽车和发动机的运行状态，接受驾驶员的指令，并将所获得的信息转换成电信号输入到电控单元。电控单元根据这些信号，通过电磁阀控制液压控制装置的换挡阀，使其打开或关闭通往换挡离合器和制动器的油路，从而控制换挡时刻和挡位的变换，以实现自动变速。

液力变矩器利用液体的流动,把来自发动机的扭矩增大后传递给行星齿轮机构,同时,液压控制装置根据行驶需要(节气门开度、车速)来操纵行星齿轮系统,使其获得相应的传动比和旋转方向,实现升挡、降挡、前进或倒退。以上过程中,扭矩的增大、油门开度和车速信号对液压控制装置的操纵、行星齿轮机构传动比和旋转方向的改变,都是在变速器内部自动进行的,不需要驾驶员操作，即进行自动换挡(变速)。