第二节
自动变速器结构原理

自动变速器由液力元件、控制系统和变速机构三大部分组成，液力元件主要是指变矩器；控制系统又可分为电控与液控两部分，为与全液压控制式自动变速器相区别，电控液压自动变速器又称为电控自动变速器；变速机构包括行星轮机构和换挡执行元件。前轮驱动车辆的自动变速器还包含主减速器和差速器，故又称自动变速器驱动桥；后轮驱动车辆的自动变速器内部一般不包含主减速器和差速器，这些部件安装在车辆后桥上。

一、液力元件

1.液力耦合器与液力变矩器

液力耦合器如图1-1所示，它由泵轮、涡轮和壳体（与泵轮一体）组成。它的工作过程如图1-2所示，相当于两个风扇。风扇A和B保持合适的距离，接通风扇A的电源，虽然风扇B处于断电状态，但通过A吹出的空气推动B的叶片，使风扇B随之旋转。液力耦合器中的泵轮就相当于风扇A，涡轮相当于风扇B，其工作介质是ATF，相当于空气。

液力耦合器的工作过程如图1-3所示，当工作轮旋转时，其中的工作液也被叶片带动一起旋转。在离心力作用下，工作液从叶片内缘向外缘流动。泵轮转速总是大于涡轮转速。如果二者转速相等，液力耦合器则不能起动力传递作用。

2.液力变矩器

由以上分析可知，液力耦合器利用液力传递动力，在泵轮和涡轮转速差较大时，涡流速度加快，传动效率降至很低将不能起到增矩作用。液力耦合器只在早期少数几种车型的自动变速器上使用过。目前轿车上装用的液力变矩器克服了这种缺点，它与液力耦合器的最大不同是增加了一个导轮，导轮单向固定（只能单向转动），从而改变了低转速时变矩器内油液的流动方向，使输出转矩增加。液力变矩器的组成如图1-4所示。液力变矩器的内部结构如图1-5所示。

1—泵轮 2—涡轮 3—油流方向

1—涡轮 2—导轮 3—泵轮

与液力耦合器一样，液力变矩器正常工作时，储存于环形内腔中的工作液，除环绕其做圆周流动外，还在图1-4所示的循环圆中沿箭头方向做循环流动，故能将转矩从泵轮传到涡轮上。与液力耦合器不同的是，液力变矩器不仅能传递转矩，还能在泵轮转矩不变的情况下，随着涡轮的转速（反映汽车行驶速度）不同而改变涡轮输出的转矩数值。液力变矩器之所以能起变矩作用，是由于结构上比液力耦合器多了导轮机构。在涡轮相对于泵轮低转速时，在液体循环流动的过程中，固定不动的导轮改变了回液流向，给涡轮一个反作用力矩，使涡轮输出的转矩高于泵轮输入的转矩。

液力变矩器的增矩作用可用图1-6来描述，其传动效率可用图1-7描述。

1—单向离合器 2—涡轮 3—变矩器壳体 4—泵轮 5—导轮 6—变矩器输入轴

液力变矩器的转矩比（ f ）是指输出转矩与输入转矩之比。如图1-6所示，图上涡轮转速为0时的点，称为失速点。此时液力变矩器的输出转矩最大，转矩比达到1.7～2.5。随着涡轮转速升高，转矩比减小，这一段称为变矩区。当涡轮转速接近泵轮转速时（传动比升为0.85左右），转矩比为1，液力变矩器进入耦合区，就和普通液力耦合器一样。

液力变矩器传动效率（ η ）=（涡轮输出转矩/泵轮输出转矩）×传动比。当传动比为0时，泵轮旋转而涡轮不转，最大转矩传递到涡轮，但因涡轮不转，故效率为0。当涡轮开始旋转时，效率陡然上升，在达到耦合点稍前一点时，一直处于上升趋势，之后开始下降。当导轮开始旋转时，液力变矩器变为液力耦合器，此时转矩比约为1，效率与速比直线上升。假定涡轮与泵轮转速相同，则变矩器效率为100%，但此时也就无法传递动力，因此液力变矩器效率无法达到100%，最高约为95%。正因为液力变矩器的效率受到一定限制，加之自动变速器内其他部件也存在一定的能耗，故装用自动变速器的车辆比装用手动变速器的车辆油耗要略高—些。

液力变矩器位于自动变速器最前端，它能切断发动机与变速器间的动力传递，还能增加发动机飞轮的旋转质量，使发动机运转平稳；多数自动变速器油泵也是由液力变矩器驱动。不同型号的自动变速器所配用的液力变矩器的内部构造基本相似，图1-8所示为01M液力变矩器结构分解图。

1—变矩器壳体 2—锁止离合器（带扭转减振器） 3—涡轮 4—导轮 5—泵轮

3.液力变矩器工作原理

发动机转动时，带动泵轮一起转动，泵轮内的工作液受离心力作用沿泵轮叶片通道向叶片外缘流动，并以一定的速度冲击涡轮叶片，使涡轮转动，然后沿着涡轮叶片通道向中间的导轮流动，同时导轮给工作液一个反向作用力，进一步推动涡轮转动，如图1-9所示。

若从涡轮流出的工作液直接流回泵轮（不经导轮）其方向如图1-9b所示，这和泵轮的转动方向相反，而此时由于工作液仍有能量，会对泵轮产生逆向作用力。因此须通过导轮，使工作液流入泵轮方向如图1-9a所示，与泵轮的转动方向一致，会对泵轮产生正向作用力，使泵轮转速加快，进而增大输出转矩。

导轮转速越慢，转矩增加越大（最大转矩增加2.5倍），且导轮可以使工作液的能量继续循环。泵轮快速转动涡轮低速转动，就可以得到很大的驱动力，与一对大小齿轮组合的原理一样。

因此，在汽车起动和上坡时，发动机和泵轮高速转动，涡轮低速转动，转矩增加。汽车车速增加时，涡轮转速不断增加，不久就和泵轮转速相同，此时工作液的流向如图1-9c所示，工作液冲击导轮叶片背面。故在液力变矩器中设置了单向离合器，使导轮不能逆向转动，只能绕导轮固定套管空转。这样就可以继续保持液力变矩器的增矩性能。这和变速器挂直接挡效果相同，直接传递发动机动力。

二、行星轮机构

1.简单的行星轮机构

最简单的行星轮机构由一个太阳轮、一个内齿圈和一个行星架组成，如图1-10所示，

1—行星架 2—行星轮 3—内齿圈 4—太阳轮

1—内齿圈 2—行星轮 3—行星架 4—太阳轮

这种结构称为单排行星轮，其实物如图1-11所示。由于单排行星轮机构具有两个自由度，为了获得固定的传动比，需将太阳轮、内齿圈或行星架三者之一制动（转速为0）或约束（以某一固定的转速旋转），以获得所需的传动比；如果将三者中的任何两个连接为整体，则整个行星轮机构以同一速度旋转。单排行星轮机构在不同状态下的旋转速度和方向见表1-1。

由表1-1可知，驱动行星架时，内齿圈和太阳轮均为增速；固定行星架时，内齿圈和太阳轮互为反向输出。

2.行星轮机构的组合

在实际应用中，常常采用多个单排行星轮机构进行串、并联或串联主、从动构件的方法来满足汽车行驶挡位的需要。两个单排单级行星轮机构组合起来形成辛普森式行星轮结构；一个单排单级行星轮机构和一个单排双级行星轮机构按特定的方式组合起来形成的机构，称为拉维奈式行星轮机构。

（1）辛普森式行星轮机构 图1-12所示为辛普森式行星轮机构，其特点是前、后两个行星排的太阳轮连为一体，称为共用太阳轮；前排的行星架和后排的内齿圈连接为一体，称为前行星架/后内齿圈组件，常作为动力输出端。该行星轮机构共有4个独立元件，分别是：共用太阳轮、前内齿圈、前行星架/后内齿圈组件和后行星架。

辛普森式行星轮机构结构简单，传动效率高，运转平稳，噪声低，多用于日本及美国轿车，特别是后轮驱动式轿车。

1—前排内齿圈 2—共用太阳轮 3—前排行星轮 4—后排行星轮 5—后排行星架 6—前排行星架/后排内齿圈组件

1—行星架 2—短行星轮 3—长行星轮 4—共用内齿圈 5—后排太阳轮 6—前排太阳轮

（2）拉维奈式行星轮机构 图1-13所示为拉维奈式行星轮机构，其前排为双级结构，后排是单级结构，前后排共用一个内齿圈和一个行星架。在行星架上，外行星轮为长行星轮，与后排太阳轮啮合；内行星轮为短行星轮，与前排小太阳轮和长行星轮同时啮合。这种结构被01M型自动变速器所采用，共用内齿圈为输出端。

拉维奈式行星轮机构结构简单，尺寸小，传动比变化范围大，灵活多变，被许多欧、日（如奥迪、大众、福特、马自达等）汽车公司生产的前轮驱动式轿车所采用。

三、换挡执行元件

换挡执行元件用于约束（固定并使其转速为0或连接某部件使其按某一规定转速旋转）行星轮机构的某些构件，通过适当选择被约束的基本元件和约束方式，得到不同的传动比，形成不同的挡位。换挡执行元件包括离合器、制动器和单向离合器。

1.离合器

离合器的常见结构是湿式多片式离合器，图1-14所示是4T65E型自动变速器中的2挡离合器分解图。离合器壳又称离合器鼓，是主动件，其内装有活塞，无液压时，活塞被回位弹簧压回至离合器壳底部。在离合器壳体内表面有轴向内花键，与钢片的外花键嵌合，将动力传递给离合器钢片。在从动花键毂的外表面有外花键，与纤维摩擦片的内花键嵌合。湿式多片离合器的工作原理如图1-15所示，当油压流入活塞前端的腔体时，活塞受液压力后移，使离合器钢片与摩擦片接合，动力得以传递。波纹片是为了使离合器接合平稳而设计的，有的离合器装用，有的离合器不装用。如果用普通钢板代替波纹板，会造成换挡冲击。

一般情况，离合器的进油和泄油只有一个油道，为保证油压迅速泄放，在离合器活塞或壳体的液压腔壁上中装有一个单向球阀，当油压建立时，钢球顶住锥形阀座，液压腔成为封闭的油腔；当油压消失时，随着液压力的下降，钢球与阀座脱开，油液从阀座中排出，使离合器迅速完全脱开。图1-16为4T65E型自动变速器二挡离合器上的单向阀，它位于离合器的壳体上。有些单向球阀位于活塞上。

1、9—纤维摩擦片 2—钢片 3—接合板 4—波纹板 5—回位弹簧 6—活塞 7—离合器壳体（主动件） 8—钢片 10—衬板 11—卡环 12—从动花键毂（从动件）

a）未接合状态 b）接合状态 1—油孔 2—回位弹簧 3—活塞 4—离合器壳 5—钢片 6—卡簧 7—压板（衬板） 8—纤维摩擦片 9—从动毂 10—回位弹簧保持座

2.制动器

制动器的作用是固定行星轮机构中的某一基本元件，工作时将被制动元件与变速器壳体连接在一起，使其固定不能转动。制动器可分为湿式多片制动器和带式制动器两种。

（1）湿式多片制动器 湿式多片制动器的结构与离合器相似，图1-17为4T65E型自动变速器4挡制动器结构图。制动器壳与变速器壳体相连，固定不动，其内装有活塞及钢片、摩擦片。在制动器壳体内表面有轴向内花键，与钢片的外花键嵌合，在4挡轴花键毂的外表面有外花键，与纤维摩擦片的内花键嵌合。制动器工作时，钢片与摩擦片接合，使4挡轴不能转动。

1—纤维摩擦片 2—钢片 3—4挡轴（连接前排太阳轮） 4—卡环 5—回位弹簧6—活塞 7—密封圈 8—制动器壳体（与变速器壳体相连）

由上述可知，离合器和制动器不能从其外形和结构来区分，只能从工作效果来区分，工作时驱动某元件的是离合器；工作时制动某元件的则是制动器。在一些别克轿车维修资料中将上面的“4挡制动器”说成“4挡离合器”或“第四级离合器”是不确切的，不利于理解其工作原理，请读者注意。

（2）带式制动器 由制动带及伺服器组成。制动带内敷摩擦材料，包绕在制动鼓的外表面，制动带一端固定在变速器壳体上，另一端与伺服器的活塞相连。带式制动器的工作原理如图1-18所示，当液压施加于活塞时，活塞克服回位弹簧（内弹簧）的阻力向左移动，压缩与推杆相连的缓冲弹簧（内弹簧），使推杆左移，推动制动带的一端，制动带夹紧制动鼓，使制动鼓不能转动。伺服器里面有两个弹簧，其中内弹簧起缓冲作用，可以防止换挡冲击；外弹簧是回位弹簧，在制动解除后，使活塞回位。在制动带未夹紧时，与制动鼓间有一定的间隙，间隙的调整有两种方法，一是调整固定端（支承点）的位置，二是调整伺服器推杆的长度。但是现在的新型自动变速器中因加工精度能够保证合适的间隙，这种调整装置已不多见。

3.单向离合器

1—变速器壳体 2—制动带 3—推杆 4—缓冲弹簧 5—活塞 6—回位弹簧 7—伺服油路

单向离合器具有单向锁止的特点，当与之相连接的零件的受力方向与其锁止方向相同时，该元件被固定制动，或连接驱动；当受力方向与锁止方向相反时，该元件被释放脱离连接。单向离合器在不同的状态下具有与离合器、制动器相同的作用。常见的单向离合器有楔块式和滚柱式两种。

（1）楔块式单向离合器 楔块式单向离合器由内圈、楔块、保持架和外圈组成，工作原理如图1-19所示，楔块长端的长度大于内圈和外圈之间的距离，而短端的长度小于内、外圈之间的距离。当内圈固定，外圈沿图中A方向（逆时针）旋转，摩擦力使楔块向倒下的方向转动，楔块对外圈没有阻力，外圈可以转动，单向离合器的这种状态为超越状态；当外圈沿图中B方向（顺时针）旋转，摩擦力使楔块向立起的方向转动，便内圈和外圈卡死连为一体，外圈不能转动，单向离合器处于锁止状态。

1—楔块 2—外圈 3—保持架 4—内圈

（2）滚柱式单向离合器 滚柱式单向离合器由内圈、滚柱、保持架和外圈组成，工作原理如图1-20所示，在外圈中开有楔形槽，当内圈固定，外圈沿图1-20a所示方向（逆时针）旋转时，摩擦力使滚柱压缩弹簧向楔形槽的宽端移动，内圈与外圈脱开，外圈可以转动，单向离合器的这种状态为超越状态；当外圈沿图1-20b所示方向（顺时针）旋转，摩擦力和弹簧力使滚柱向楔形槽的窄端移动，滚柱将内圈与外圈连为一体，外圈不能转动，单向离合器处于锁止状态。楔形槽在外圈上，也有的是开在内圈上，两者的效果是一样的。

a）超越状态 b）锁止状态 1—外圈 2—滚柱 3—弹簧 4—内圈

四、01M型自动变速器各挡动力传递路线分析

1.1挡动力传递路线

如图1-21所示，液力传动1挡时，K ₁ 、F工作。由液力变矩器传来的动力经输入轴、离合器K ₁ 传到小太阳轮，带动小太阳轮顺时针旋转，小太阳轮又驱动短行星轮逆时针旋转，短行星轮带动长行星轮顺时针旋转，长行星轮和内齿圈啮合，长行星轮在顺时针自转的同时有带动行星架沿内齿圈逆时针转动的趋势。此时单向离合器F工作，防止行星架逆时针旋转，所以行星架固定不动，这时长行星轮按顺时针方向旋转，驱动内齿圈按顺时针方向旋转，通过内齿圈把动力向后输出。

1—输入轴 2—中间轴 3—长行星轮 4—短行星轮 5—行星架 6—小太阳轮 7—内齿圈 8—大太阳轮

1挡动力传递路线为：液力变矩器→输入轴→离合器K ₁ →小太阳轮→短行星轮→长行星轮→内齿圈→动力输出。

在1挡动力传递过程中要注意的是：内齿圈是向后输出动力的元件，所以在克服地面行驶阻力之前，内齿圈是固定不动的。

2.2挡动力传递路线

如图1-22所示，液力传动2挡时，K ₁ 、B ₂ 工作。由液力变矩器传来的动力经输入轴、离合器K ₁ 传到小太阳轮，带动小太阳轮顺时针旋转，小太阳轮又驱动短行星轮逆时针旋转，短行星轮带动长行星轮顺时针旋转，长行星轮和大太阳轮外啮合，制动器B ₂ 工作，把大太阳轮固定，此时长行星轮在顺时针自转的同时绕大太阳轮顺时针公转，所以行星架也随着长行星轮一起顺时针公转，长行星轮又和内齿圈啮合，就带动内齿圈顺时针旋转，最后通过内齿圈向后输出动力。

2挡动力传递路线为：液力变矩器→输入轴→离合器K ₁ →小太阳轮→短行星轮→长行星轮→内齿圈→动力输出。

3.3挡动力传递路线

如图1-23所示，液力传动3挡时，K ₁ 、K ₃ 工作，由液力变矩器传来的动力经输入轴、离合器K ₁ 传到小太阳轮，带动小太阳轮顺时针旋转，由液力变矩器传来的动力又经输入轴、离合器K ₃ 传到行星架，带动行星架顺时针旋转，此时，小太阳轮和行星架转速相同，旋转方向也相同，行星轮机构相当于一个整体而同步旋转，并由内齿圈向后输出动力，此时为直接挡，传动比为1∶1。3挡动力传递路线为：液力变矩器→输入轴→ 长行星轮→内齿圈→动力输出。

4.4挡动力传递路线

如图1-24所示，液力传动4挡时，K ₃ 、B ₂ 工作，由液力变矩器传来的动力经输入轴、离合器K ₃ 传到行星架，带动行星架顺时针旋转，制动器B ₂ 工作，制动大太阳轮。因长行星轮和大太阳轮外啮合，行星架又顺时针旋转，所以长行星轮围绕大太阳轮顺时针自转和公转。长行星轮和内齿圈啮合，带动内齿圈顺时针旋转，最后通过内齿圈向后输出动力。

4挡动力传递路线为：液力变矩器→输入轴→离合器Κ ₃ →行星架→长行星轮→内齿圈→动力输出。

5.倒挡动力传递路线

如图1-25所示，变速杆位于“R”位时，Κ ₂ 、B1工作，由液力变矩器传来的动力经输入轴、离合器Κ ₂ 传到大太阳轮，带动大太阳轮顺时针旋转，制动器B ₁ 工作，制动行星架。大太阳轮和长行星轮外啮合，带动长行星轮逆时针旋转，长行星轮又和内齿圈啮合，带动内齿圈逆时针旋转，最后通过内齿圈向后输出动力。

倒挡动力传递路线为：液力变矩器→输入轴→离合器K ₂ →大太阳轮→长行星轮→内齿圈→动力输出。 bBYTh8jpoTwmPQe+FU8aELvhy7nPonee70O3wAJWU4Mzg+7NLSppoKzudKc5CRtu