作者：张永新 编
出版社：化学工业出版社
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汽车自动变速器原理·检测·拆装·维修试读：
前言
FOREWORD
汽车变速器是汽车传动系的重要组成部分。其功用是：按汽车的使用条件选择不同的传动比，以实现变速变矩；不改变发动机旋向也能实现汽车的倒车；必要时，即使发动机旋转也能中断动力传递。变速器有手动变速器与自动变速器两种基本类型。手动变速器由一系列齿轮和轴组成，司机通过操纵变速杆和断开离合器，选择不同的齿轮啮合以获得相应的传动比，把发动机的动力传递到驱动桥。自动变速器因其操作简便而获得人们的喜爱，但自动变速器的结构复杂、技术含量高，加大了维修和服务的技术难度，需要维修技术人员具有一定的理论与技能水平。
本书紧紧围绕培养汽车维修专门人才的目标，为适应不断发展的汽车新技术需求而编写。编写过程中，始终贯彻以能力为本位，理论知识为基础，突出技能知识为原则，并考虑职业学校学生现有的知识背景，插图尽可能采用立体图、简图，需要学习的理论知识也是通过循序渐进的方法逐步引入的。
本书比较系统地介绍了汽车自动变速器、CVT变速器以及双离合变速器的结构特点、工作原理、液压控制原理及电子控制原理、自动变速器试验、试验数据分析与维修基本方法。由于本书笔者来自教学一线，具有多年自动变速器教学经验，对自动变速器教学中的一些难点、重点的把握及处理方法有比较深的体会，所以本书特点是：语言简洁、通俗易懂、图文并茂、生动直观。特别是液压控制系统，由于其结构、工作原理的特殊性，不便学生理解，本书从简单示意图入手，逐步扩展到实际油路，更加符合学生的认知规律。
本书适用于高等职业院校汽车维修专业师生和相关层次的培训及自学，也可作为汽车维修工的参考书。第一章 自动变速器机械结构及工作原理
本章要点
(1) 了解自动变速器机械变速机构的种类。
(2) 掌握行星齿轮工作原理，知道如何获得不同传动比。
(3) 掌握辛普森行星齿轮机构的结构、工作特点，了解如何实现汽车需要的传动比。
(4) 掌握拉威娜行星齿轮机构的结构、工作特点，知道怎样实现汽车需要的传动比。
自动变速器已经有六十多年的历史，其技术成熟，性能可靠。对液力自动变速器的研究，主要围绕提高效率而展开。20世纪60年代研究重点是采用多元件工作轮，20世纪70年代使用闭锁离合器，而到20世纪80年代则采取增加行星齿轮变速器挡位的方法及使用电子控制。随着人们生活水平的不断提高，人们对汽车性能的要求也越来越高，都想要更加快捷、舒适、安全、可靠的车型。自动变速器的装用使人们对汽车的许多要求得以实现。第一节 行星齿轮变速器的结构及工作原理
行星齿轮变速器由行星齿轮机构和换挡执行机构两部分组成。行星齿轮机构的作用是改变传动比和传动方向，即构成不同的挡位。换挡执行机构的作用是自动实现挡位的变换。
液力自动变速器的行星齿轮机构由多个单行星齿轮机构组成，其多少取决于挡数。换挡执行机构包括片式离合器、片式制动器、带式制动器和换挡单向离合器等。
行星齿轮式变速器具有结构简单、体积小，不需要中间轴和中间齿轮，操纵容易，各齿轮处于常啮合状态，不存在换挡啮合冲击，传动比范围大等突出优点，因此现代轿车装用的液力自动变速器基本上都采用行星齿轮式变速器。一、行星齿轮机构的结构
行星齿轮机构有很多类型，其中最简单的行星齿轮机构由一个太阳轮、一个内齿圈、几个行星齿轮和行星轮轴、一个行星架组成。图1-1所示为单排行星齿轮机构。行星齿轮机构以太阳轮为中心齿轮，3～6个行星齿轮安装在行星架上，行星齿轮对称布置在太阳轮与内齿圈之间。图1-1 单排行星齿轮机构1—太阳轮；2—齿圈；3—行星架；4—行星轮图1-2 行星齿轮平面机构
太阳轮、齿圈及行星架有一个共同的旋转轴线，行星齿轮支承在固定于行星架的行星齿轮轴上，并同时与太阳轮和齿圈啮合。行星齿轮平面机构如图1-2所示。当行星齿轮机构运转时，空套在行星架上的几个行星齿轮，一方面可以绕自己的轴线旋转，另一方面又可以随行星架一起绕着太阳轮旋转，就像天上的行星运动。太阳轮、齿圈和行星架称为行星齿轮机构的3个基本元件。二、行星齿轮转速特性方程
行星齿轮机构的运动特点是：太阳轮、齿圈和行星架均为旋转构件，可以不同构件设定为输入或输出条件，随条件不同能获得多种传动比和旋向。为获得行星齿轮特征方程，先计算定轴轮系传动比。设转速由太阳轮输入，由齿圈输出。当行星架3固定不动时(参看图1-1)，此时为定轴轮系，则行星齿轮只是中间齿轮。定轴轮系的传动比取决于齿圈和太阳轮的齿数，其传动比可由下列公式获得：
当行星架未制动时，行星架3以速度n转动，行星轮4既绕行星架3轴自转，又围绕太阳轮公转。为便于运动分析，这时可视为对整体行星轮系施加了一个与行星架3大小相等、方向相反的速度-n，这对构3件的相对速度无影响，使行星轮系变为定轴式转动，则得
由式(1-2)可得单行星轮结构的转速特性方程为
或表达为
由转速特性方程可以看出，太阳轮、齿圈和行星架3个元件中，可任选两个分别作为主动件和从动件，而使另一个元件固定不动(该元件转速为零)，或使其运动受一定约束(即该元件的转速为某一定值)，则整个轮系即以一定的传动比传递动力。三、行星齿轮机构的变速原理
由于单排行星齿轮机构有两个自由度，因此它没有固定的传动比，不能直接用于变速传动。为了组成具有一定传动比的传动机构，必须将太阳轮、齿圈和行星架这3个基本元件中的一个加以固定(即使其转速为零，也称为制动)，或使其运动受到一定的约束(即让该构件以某一固定的转速旋转)，或将某两个基本元件互相连接在一起(即两者转速相同)，使行星排变为只有一个自由度的机构，获得确定的传动比。1.齿圈制动
(1)由太阳轮输入，由行星架输出时。若输入轴驱动太阳轮以顺时针方向旋转时，将引起行星齿轮分别绕各自的行星齿轮轴做逆时针旋转，这使与行星齿轮啮合的齿圈有逆时针转动的趋势，但它已被制动，于是行星齿轮必然绕行星轴逆时针自转，同时沿齿圈按顺时针方向绕太阳轮公转，即行星架顺时针转动。如图1-3所示。
由单行星齿轮运动规律特征方程式(1-3)，再根据所给定条件即可求得该状态下的传动比i：
因为齿圈的齿数z大于太阳轮的齿数z，因而这一传动比的数值21大于2，为减速传动。
(2)由行星架输入，太阳轮输出时。行星齿轮按顺时针方向沿齿圈转动，引起行星齿轮在各自行星齿轮轴上逆时针旋转，使太阳轮与输入轴同向旋转。
所以传动比i为：
该传动比小于1，是增速传动。图1-3 齿圈制动图1-4 太阳轮制动2.太阳轮制动
(1)由行星架输入，齿圈输出时。行星架按顺时针方向旋转，即行星齿轮按顺时针方向沿太阳轮转动，引起各行星齿轮分别在各自的行星齿轮轴上顺时针旋转，使齿圈与输入轴同向旋转。如图1-4所示。
所以传动比i为：
该值小于1，因此是增速传动。
(2)由齿圈输入，行星架输出时。齿圈顺时针旋转，引起各行星齿轮分别在各自的轴上做顺时针旋转。同时，它们还将沿太阳轮顺时针转动，即行星架顺时针转动。
可求得传动比i为：
此方案也是一种增矩减速传动，但传动比大于1小于2。3.行星架制动
(1)由太阳轮输入，齿圈输出。因行星架制动，各行星齿轮只有自转而无公转，此时它们作为惰轮工作，使齿圈与太阳轮反向旋转。如图1-5所示。
所以传动比i为：
因传动比大于1，故为反向减速传动。
(2)齿圈输入，太阳轮输出。很容易看出太阳轮与齿圈反向旋转。
所以传动比i为：
由于传动比小于1，故为反向增速传动。图1-5 行星架制动图1-6 太阳轮制动1—太阳轮；2—齿圈；3—行星架；4—行星齿轮4.直接挡传动
如图1-6所示，若太阳轮与齿圈同时输入同一转速，即n=n时，12可求得行星架的转速为：
故可知：太阳轮、行星架和齿圈三者中，任意两个构件被联锁成一体，齿轮间均无相对运动，整个行星轮机构将成为一个整体而旋转，此时为直接挡传动。5.空挡
如果太阳轮、行星架和齿圈三者中，无任何一个构件被制动，而且也无任何两个构件被锁成一体，各构件自由转动，行星齿轮机构就不能传递动力，从而得到空挡。
一个行星齿轮机构的传动比范围有限，往往不能满足汽车的实际要求，因此在实际应用的行星齿轮变速器中，是由2～3个单排行星齿轮机构组成的，从而组成不同的传动比或挡位，但其工作原理，仍与单一行星齿轮机构相同，可由其运动规律特性方程推导出传动比。四、双行星齿轮机构
现代汽车自动变速器上还使用一种双行星齿轮机构，如图1-6所示。双行星齿轮机构在太阳轮和齿圈之间有两组互相啮合的行星齿轮，其中外面的一组行星齿轮和齿圈啮合；里面的一组行星齿轮和太阳轮啮合。按上述单行星齿轮机构的计算方法，根据分析，双排行星齿轮机构的运动特性方程为：
式中，n、n、n分别为太阳轮、内齿圈和行星架的转速。行星123齿轮的传动比可根据不同设定状况，分别求得。第二节 辛普森式行星齿轮变速器的结构与工作原理
辛普森(Simpson)式行星齿轮变速机构被广泛应用于汽车自动变速器。它是以其设计者霍华德·辛普森(Howard Simpson)的名字命名，辛普森行星齿轮机构由两个单行星齿轮机构组合而成，能够提供3个前进挡(三速或三挡)和一个倒挡。其特点是：由一个长太阳轮将前后两个行星轮机构连成一体，俗称“前后行星排共用一个太阳轮”。
辛普森式行星齿轮机械结构总体布置如图1-7所示。图1-7 辛普森式行星齿轮机械结构总体布置一、辛普森式行星齿轮变速器的结构
辛普森式行星齿轮变速器的两个行星齿轮机构组成元件完全相同，换挡执行机构由前离合器(C1)、后离合器(C2)、单向离合器(F)、前制动器(B1)和后制动器(B2)组成。在不同挡位时，动力经不同换挡执行机构及不同的行星轮实现传动比的改变。
由于不同的离合器和制动器在改变传动比时承担不同的动力传递任务，为学习方便，本节以图1-8的名称来描述机构元件。执行元件工作规律如表1-1所示。表1-1 执行元件工作规律二、辛普森式行星齿轮变速机构工作情况
(1)N位(空挡) 各执行元件均不工作，前后行星排所有元件均不受约束，变速机构无法传递动力。
(2)D位一挡 后离合器C2处于接合状态，使输入轴与左排齿圈连接成一体而成为输入元件。单向离合器F产生制动作用，使右行星架固定不动。如图1-8所示。
因后离合器C2与单向离合器F分别作用于左右两个行星机构，不易直接看出它们之间的联系。利用行星齿轮运动规律特性方程，通过联立求解，可获得该状态下的传动比与旋向。
设左排的行星机构为L，右排的行星机构为R，可建立各自的运动规律特性方程：
由给定条件已知：输入转速为n。L2
解：n=0(已知)R3
由式（1-6）得：
则
由结构条件可知
则有
将式(1-8)代入方程式(1-5)求解后得：
或，为减速传动且旋向相同。
其路线为：输入轴→后离合器C2→前排齿圈→前排行星轮→太阳轮→后排行星轮→后排齿圈与前排行星架(一体结构)→输出轴。
(3)D位二挡 后离合器C2处于接合状态，前制动器B1处于锁止状态，如图1-9所示。后离合器C2接合使前排齿圈与输入轴连接成一体而成为输入元件。前制动器B1锁止将前太阳轮固定不动。
此时，两执行元件作用于前排行星机构，可只计算前行星机构的传动比与旋向。图1-8 辛普森式行星齿轮变速器结构C1—前离合器；B1—前制动器；C2—后离合器；B2—后制动器；F—单向离合器
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