3.4 自动变速方式

3.4 自动变速方式1:变矩器式

之前我们已经全面了解了动力传动系(驱动系统)的基础部分——手动变速器,接下来我将讲解实用的自动变速器。由于使用自动变速器时驾驶员无需通过控制离合器进行变速,因此其结构也就相对更复杂一些。

虽然我曾笼统地介绍过自动变速器,但它实际上分为好几种。第一种是自动操作手动变速器中的离合器,我们通常称之为自动离合式

第二种是用液力变扭器取代离合器。切换齿轮的齿轮部分也与手动变速器不同。带液力变扭器的变速器是最常见的一种自动变速器,因此我们一般就直接把它称为自动变速器。

第三种是利用无级变速器,这种方法常被称为传动带式CVT。它是利用自动离合器和液力变扭器来驱动汽车的。

那么我就先讲一下最常见最普遍的、使用液力变扭器的自动变速器,先从取代了手动变速器中离合器的位置的液力变扭器开始讲起。

液力变扭器有两个功能。一个是与离合器相同的动力传递功能,负责将发动机的旋转力传递至变速器。另一个是增大发动机旋转力的功能。我会在介绍完液力变扭器之后,再讲解怎样利用带液力变扭器的自动变速器进行齿轮切换。

我在介绍离合器时讲过,变速器进行齿轮切换时,必须保证不把发动机的旋转力传递到齿轮。使用手动变速器时,人们通过踩下离合器踏板切断或者传递发动机的旋转力,而自动变速器必须自动完成这一过程,因此需要用到有一定黏性的液体(自动变速器油液)(表3.1)。之所以需要液体,是因为液体和气体所具有的一定的黏性有利于实现自动化。

表3.1 手动变速器和自动变速器主要的不同

手动变速器 自动变速器(液力变扭器式)
发动机和变速器的连接处 离合器 液力变扭器
连接处的结构 摩擦片压紧飞轮,连接发动机和变速器。摩擦片松开时发动机的旋转力就无法传递至变速器 发动机和变速器之间安装了盛有液体的液力变扭器,发动机的旋转力通过液体传递到变速器
切换齿轮的时机 驾驶员踩下离合器踏板进行齿轮切换时 液体的油压和离心力发生变化时。甚至要用到基于汽车的加减速状态的电脑控制
使用的齿轮 正齿轮 行星齿轮

液力变扭器类似于两个面对面的风扇(图3.9)。一侧的电风扇带来的风会带动另一侧电风扇的扇叶转动。并且,一侧的电风扇转速提高时,对面的电风扇也开始快速转动,这是因为空气的流动带动了另一侧电风扇扇叶的转动。但是用手下压另一侧电风扇的扇叶就能很快使其停止转动,这是因为驱动扇叶的只是空气流,些许阻力也能很快使其停转。这样一来,也就使得两个电风扇扇叶的转动不再同步。

液力变扭器的结构图

图3.9 液力变扭器的结构图
※扇叶相对,传递旋转力。

风带动另一侧的电风扇转动的状态,就相当于手动变速器中连接上离合器的状态。增加阻力使另一侧的电风扇停转,也就相当于踩下了离合器踏板。这样一来,就能利用气体和液体所具有的一定的黏性传递动力了。

与电风扇的例子相同,液力变扭器也配备了两个面对面的扇叶。虽说是扇叶,但其形状不同于电风扇的扇叶,而是类似于水车的转轮(图3.10)。一侧的扇叶安置在发动机后的飞轮(惯性轮)上,发动机的旋转力和飞轮的旋转共同带动发动机一侧的扇叶旋转,搅拌液力变扭器内的液体(自动变速器油液)。这就类似于刚才所说的电风扇带动了风。

液力变扭器的内部

图3.10 液力变扭器的内部
※两个扇叶之间是加快流势的导轮

自动变速器油液的流动带动另一侧的扇叶开始转动。这样一来,发动机的旋转力就传递到了位于液力变扭器之后的自动变速器的齿轮上。顺便提一句,自动变速器油液是可以循环使用的。

接下来我将讲解液力变扭器的第二个功能——增大旋转力。与离合器不同,液力变扭器还有一个附加功能,就是增大旋转力。刚才我讲到,由一侧扇叶的旋转带动的液体的流动会传递到另一侧的扇叶。其实,此时的液力变扭器还在完成另一个任务。

为了加快循环的自动变速器油液的流势,在液力变扭器的两个扇叶之间安上了导轮(图3.10)。

当发动机一侧的扇叶转速与变速器一侧的扇叶转速不同时,自动变速器油液撞击到导轮叶片后会顺着导轮叶片的形状产生动力,加快液体的流势。这就使得发动机一侧的扇叶转速和变速器一侧的扇叶转速能够在短时间内实现同步。当两个扇叶的转速相同时,发动机的旋转力就能无损耗地传递到后面自动变速器的齿轮上。而当转速不同时,发动机的旋转力就无法充分传递到变速器。

当两个扇叶的转速相同时,导轮也与两个扇叶实现了同步。这就意味着导轮完成了加快自动变速器油液流势的任务。也就是说,当两个齿轮的转速相同时,导轮就实现了增大扭矩的功能。它不同于手动变速器中利用齿轮和差速器所进行的减速。

发动机一侧的扇叶转速与变速器一侧的扇叶转速不同,类似于手动变速器中的半联动状态。在半联动状态下,发动机的旋转力无法充分传递至驱动轮。利用导轮加快液体的流势,使变速器一侧的扇叶转速与发动机一侧的扇叶转速快速实现同步,就能减少旋转力的浪费。实际上,装上导轮后,驾驶员会觉得提速很快。

借助导轮和自动变速器油液,发动机的旋转力很难快速、无损耗传递的缺点得到了改善。

随着技术的进步,汽车生产商们又给液力变扭器增加了锁止装置

我在举电风扇的例子时讲过,利用液体传递旋转力时,只需些许阻力就能够使扇叶很快停转。就像手动变速器的飞轮和离合器一样,固体间的直接压紧的确能够无损耗地传递发动机的旋转力。因此,带有锁止装置的液力变扭器就诞生了。

这是在液力变扭器中同时安装离合器的方式,我们称之为锁止(lock up),是指在汽车完成发动、加速、变速后匀速行驶时,让离合器的摩擦片压紧飞轮盘。lock up本身就有落锁固定的意思。这样一来,发动机的旋转力就能利用离合器无损耗地传递至驱动轮了。

锁止离合器摩擦片的压紧,最初是利用了自动变速器油液的流势,但如今都是运用电脑控制离合器的开闭。这样一来,就能使离合器迅速压紧,也就能将发动机的旋转力高效快捷地传递到驱动轮了。同时能给乘车人带来强烈的行驶感,也有利于降低油耗。

有了锁止装置,搭载自动变速器汽车的提速时间也就短多了。

液力变扭器的后面是变速器,这一变速器内的齿轮不同于手动变速器中的普通齿轮(正齿轮)组合。

自动变速器中使用的齿轮是行星齿轮(图3.11,照片3.1)。齿轮的组合类似于太阳系的行星围绕着太阳公转,所以叫做行星齿轮(planetary gear)。

行星齿轮

图3.11 行星齿轮
※中间是太阳齿轮,周围是三个小齿轮,外侧是内齿圈

行星齿轮

照片3.1 行星齿轮
※左边是内齿圈,中间是装在行星架中的小齿轮,右边是太阳齿轮。照片由加特可1提供。

1 JATCO株式会社,世界最大自动变速箱的生产厂家之一,主要产品为汽车用有级变速箱(AT)和无级变速箱(CVT)。——译者注

行星齿轮组合有利于汽车进行自动变速。然而由于通常是很多齿轮同时啮合旋转,摩擦也就随啮合的齿轮数量相应增加。在这一点上,由于使用正齿轮的手动变速器中传递旋转的齿轮组合往往只有一组,也就能够减少齿轮啮合产生的摩擦所带来的损耗。因此手动变速器不用行星齿轮,而是使用正齿轮。

我再详细说一下行星齿轮。行星齿轮的中间是太阳齿轮,类似于太阳系中太阳所处的位置。周围排列着小齿轮,相当于行星。在最外面围绕着这些齿轮的是内齿圈

要理解各个齿轮之间是如何相互作用的或许有些难。如果你觉得很难理解,只需要记住一点,即在自动变速器中,是通过区别使用行星齿轮的三种齿轮进行自动变速的。接下来,你可以直接看3.5节的内容了。

那么,想要详细了解行星齿轮运作方式的读者,就来听我讲解一下吧。一套行星齿轮包括太阳齿轮、小齿轮和内齿圈这三种。如图3.11所示,小齿轮有三个,由里侧的框架(行星架)串起。当行星齿轮横向旋转时,三个小齿轮保持着一定的间隔共同移动。

变速时,只使用太阳齿轮、小齿轮和内齿圈中的两种齿轮,剩下的一种固定不动。关于如何只固定三种齿轮中的一种,我会在介绍完自动变速的结构后再进行说明。在行星齿轮中,是通过改变两种动态的齿轮进行切换的。

举一个具体的例子来说明。首先,保持外围的内齿圈固定不动,让发动机的旋转力传递至太阳齿轮使其转动。接着,与太阳齿轮啮合的小齿轮一边横向移动一边转动。此时,小齿轮在各自自转的同时,一起围绕着太阳齿轮公转。这就是1档的齿轮组合(图3.12)。借助行星架的转动,小齿轮的公转传递到驱动轮,使汽车发动。

行星齿轮中的直径关系

图3.12 行星齿轮中的直径关系
※假设太阳齿轮的半径为1,小齿轮的半径为2(从太阳齿轮的中心算起),内齿圈的半径为3。行星齿轮通过切换输入和输出的齿轮改变齿轮的半径比。

接着,固定中间的太阳齿轮,发动机的旋转就传递到了小齿轮上。小齿轮自转的同时围绕太阳齿轮公转,带动外围的内齿圈转动。这是2档。

然后,让所有齿轮开始转动,不久3个齿轮的转速就相同了。也就是说,大小齿轮在尺寸上的不同并没有引起减速,而是将发动机的旋转力原原本本地传递到了驱动轮。这时,发动机的旋转力无论传递到哪个齿轮,都能不减速、无损耗地传递到车轮。即处于发动机的旋转力无损耗地传递到驱动轮的直接传递状态,减速比为1:1。这是3档。

接下来与2档相同也是固定太阳齿轮,但需要让发动机的旋转传递到内齿圈。随后,小齿轮在自转的同时公转,形成大齿轮带动小齿轮的关系,类似于齿轮比反过来成为1:2的状态。这是4挡。

当与1档同样固定了内齿圈时,将发动机的旋转力传递到小齿轮,从而带动太阳齿轮转动,也体现了大齿轮带动小齿轮的关系。这就选定了5挡的齿轮组合。但4挡和5挡时,齿轮比会小于1,即齿轮转速快于发动机转速,我们称之为超速挡

自动变速器诞生时,3档变速是主流。这是因为当时不使用4挡和5挡这两个超速档,只用最初的1~3挡。后来出现的5挡和6挡自动变速器同时使用了两组行星齿轮。

之前我说过,即使看着图,也很难理解在行星齿轮中该让哪个齿轮固定、让哪个齿轮转动,从而带动哪个齿轮转动。但就基本方法来说,这与在手动变速器中通过变换大小齿轮的组合改变齿轮比并无二致。

请再看一遍图3.12,思考1档时使用的太阳齿轮和小齿轮的关系。试着比较一下从太阳齿轮的中心到其锯齿的半径和从其中心到行星架中心的半径就会发现:当小齿轮(太阳齿轮)的半径为1时,大齿轮(从太阳齿轮中心到行星架中心)的半径就是2,即齿轮的半径比为2:1。

说到这里,你或许会想到手动变速器所用的正齿轮在1档时的齿轮比为4:1,会觉得行星齿轮1档时半径比为2:1有些奇怪。实际上自动变速器一般都有两个行星齿轮。途经两个2:1的行星齿轮后,齿轮比就会变成4:1,与手动变速器的1档相同*1。同时使用两个行星齿轮的状态是十分复杂的,我们就只了解一下2档以上时一个行星齿轮中各齿轮半径的不同吧。

*1 在大多数情况下,自动变速器都使用能够借助导轮增大扭矩的液力变扭器。但自动变速器在增大扭矩后都是将旋转力传递到行星齿轮,这一点与手动变速器不同。并且,其最终齿轮比与差速器的齿轮比有关,因此需要从汽车的整体来考虑。

请比较一下2挡时从太阳齿轮中心到行星架的半径和从太阳齿轮中心到内齿圈锯齿的半径。1挡时小齿轮和太阳齿轮的半径比是2:1,2档时内齿圈和小齿轮的半径比为3:2。与1挡时的齿轮组合相比,2挡齿轮组合的半径差变小了。

3挡时三种齿轮都在转动,请想象一下此时如果没有行星齿轮会怎样。如果三种齿轮由1根轴串成直线,发动机的旋转力就能不减速、无损耗地传递到轮胎。

当固定了太阳齿轮、将发动机的旋转力传递到内齿圈时,内齿圈的半径和从太阳齿轮中心到行星架中心的半径之间的关系,就与1挡和2挡时完全相反了。当固定了内齿圈、将发动机的旋转力传递至小齿轮从而带动太阳齿轮转动时,大小齿轮的关系也与1挡和2挡时相反。

如上所述,行星齿轮相当复杂,但与正齿轮一样,也要选择大小齿轮的组合。并且,关注一下旋转齿轮的半径,就很容易明白齿轮比的原理了。

那么,怎样才能使三种齿轮停转、选择输入发动机旋转力的齿轮呢?那就需要区别使用负责切断或传递动力的离合器、用于停转的制动器和只传递一个方向旋转的单向离合器。利用这些装置,可以随时连接或切断与太阳齿轮、小齿轮、内齿圈相连的轴,并使齿轮停转。

与讲解发动机和锁止时所介绍的离合器相同,这里使用的离合器装置也是利用摩擦片切断或传递旋转力的。但它不是位于发动机之后的大圆盘状的装置,而是重叠了几个小圆盘状的离合器的多板式离合器(图3.13)。

行星齿轮中使用的多板式离合器

图3.13 行星齿轮中使用的多板式离合器
※装有行星齿轮和多板式离合器的变速箱的剖面图。右侧是行星齿轮,左侧是重叠了几个小圆盘状的离合器的多板式离合器。啮合哪一个多板式离合器,决定了要将旋转力传递到哪个齿轮。箭头是指啮合了左侧的多板式离合器,沿①~④的路线传递到轮胎。

图3.13是装有行星齿轮和多板式离合器的变速箱的剖面图。图左侧的线是多板式离合器,右侧着色的长方形是行星齿轮中的小齿轮。图中并排着两组行星齿轮。啮合哪一个多板式离合器,决定了要将旋转力传递到行星齿轮的哪个齿轮。例如,啮合左上角的多板式离合器(①)时,旋转力随箭头所指通过中心轴(②)传递到右侧的小齿轮(③)。随后经过小齿轮中心时,小齿轮行星架(④)开始转动,将旋转力传递至轮胎。自动变速器就是通过如此复杂的切换自动变速的。

与多板式离合器一样,这里所用的制动器也是重叠了几个带有摩擦片的小圆盘的装置。利用摩擦片压紧变速箱,使齿轮停转,也就起到了制动器的作用。

单向离合器就类似于我们常用的厨房用具——擦菜板。只能沿着一个方向,无法反向使用。比如只能传递右旋转,却使左旋转处于空转状态而无法传递其旋转力。

自动变速器包含了多板式离合器、制动器和单向离合器三个装置。结合实际情况区别使用这三个装置,就能将旋转力传递至行星齿轮的太阳齿轮、小齿轮和内齿圈,同时能够使其中任意一个固定不动。

多板式离合器、制动器和单向离合器的运转,利用了自动变速器油液产生的油压和液体旋转时的离心力。正因如此,自动变速器才要用到液体。设计好油液循环路线,决定何时让油压和离心力发挥作用,也就把握住了自动变速器的关键。油液循环路线如迷宫一样规定了油液的循环通道,其设计的好坏直接关系到驾驶员能否顺利平稳地加速。

现在的汽车中除了使用油液循环路线之外,还利用了智能控制。它首先判断汽车是在加速、减速还是在匀速行驶,再利用电子信号提示目前应该使用的齿轮组合,同时负责切换离合器、制动器和单向离合器等各个装置。这样一来就减小了齿轮切换时的振动,降低了油耗。

自动变速器由液力变扭器、行星齿轮和油液循环路线等复杂的装置组合而成,光讲解这些装置就可以写成一本书了。

但是在这里,你只需了解两点就够了。一是自动变速器与手动变速器一样,都是利用大小齿轮的组合改变齿轮比。二是自动变速器利用的是不同于手动变速器中正齿轮的行星齿轮进行自动变速的。

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