相关知识

一、自动变速器发展概况

汽车自动变速器的研究和应用可以追溯到20世纪30年代。1939年，美国通用汽车公司首先在其生产的奥兹莫比尔（Oldsmobile）轿车上装用了液力变矩器——行星齿轮组成的液力变速器，可谓现代自动变速器的雏形。20世纪40年代末50年代初，出现了根据车速和节气门开度自动控制换挡的液力控制换挡自动变速器，使自动变速器进入了迅速发展时期。到1975年，自动变速器在重型汽车及公共汽车上的应用已相当普及。

自动变速器采用电子控制系统始于20世纪60年代中期。20世纪法国雷诺（Renault）公司于1968年率先在自动变速器上使用了电子元件。20世纪70年代中期，电子控制技术开始应用于汽车变速器，日本丰田汽车公司首先研制成功了世界上第一台电子控制变速装置，并在1976年实现了批量生产。但由于这种电子控制自动变速器在控制精度和自由度方面效果并不十分理想，因此，包括日本在内的许多国家又把精力转向计算机控制变速器的研究和开发，以计算机为控制核心的电子控制自动变速器迅速发展。

自1981年起，美国、日本等国家的一些汽车公司相继开发出各种微机控制的自动变速系统，如电子控制液力变矩式自动变速器、电子控制多级齿轮变速器等。电子控制自动变速器的真正飞跃发展是在1982年，这一年丰田公司将微机技术应用于电子控制变速器系统，实现了自动变速器的智能控制，首先应用于豪华型皇冠牌轿车上。电子控制自动变速器有最佳的换挡规律，换挡精确性好，具有良好的燃料经济性、动力性，降低污染。随后，德国Bosch公司于1983年成功研制了发动机和自动变速器共用的电子控制单元。

电控自动变速器可实现与发动机最佳匹配，并可获得最佳的经济性、动力性、安全性，达到降低发动机排气污染的目的。因此，电子控制变速器广泛用于轿车、客车、大型公共汽车、越野车及重型牵引车上，并且装车率迅速提高，尤其在美、日、德等国生产的轿车上，采用电子控制器的比例越来越高。

国产轿车中采用自动变速器最早的车型当属中国第一汽车集团公司生产的红旗CA770型三排座高级轿车，该型轿车在1965—1980年间共生产了1283辆，其所装用的自动变速器在结构上与美国克莱斯勒汽车公司生产的Power Flite自动变速器相似。一汽大众1998年底在国内首家推出批量生产的装有电控自动变速器的轿车捷达AT，该车采用德国大众（VW）原厂生产的第三代95型01M电控4挡自动变速器。神龙汽车公司亦于1999年初展示了其装备自动变速器的富康988轿车。这种电控4挡自动变速器由法国的雪铁龙和雷诺公司共同研制，在意大利生产，1998年6月开始应用。近年来，随着我国轿车工业的快速发展，各轿车制造企业都推出了装有自动变速器的车型，国产轿车普遍装用自动变速器的时代已经到来。

二、自动变速器的类型

在自动变速器的发展过程中出现了多种结构形式。自动变速器的驱动方式、挡位数、变速齿轮的结构类型、变矩器的结构类型及换挡控制形式等都有不同之处。下面就不同的分类方法加以概括。

（一）按变速器换挡操作的形式分类

按变速器换挡操作是否全自动化，分为半自动变速器和全自动变速器两大类。

1.半自动变速器

半自动变速器的换挡操作仍需手动。有两种类型：一种是自动离合器-手动换挡变速器的组合形式，因此也被称之为自动离合器式变速器；另一种是具有自动变速功能的液力变矩器式变速器，换挡用离合器-辅助手动变速器组合形式，被称之为选择式自动变速器。半自动变速器实际上是自动变速器发展过程中的一个过渡形式，目前汽车上已很少采用。

2.全自动变速器

全自动变速器简称自动变速器，是无须离合器操作和换挡（加减挡）操作的液力传动变速器。全自动变速器是现代自动变速器普遍采用的结构形式。

（二）按自动换挡的控制方式分类

按自动换挡的控制方式，分为液力控制式自动变速器和电子控制式自动变速器。

1.液力控制式自动变速器

液力控制式自动变速器换挡控制方式是通过机械手段将节气门开度和车速参数转化为压力控制信号，使阀板中各控制阀按照设定的换挡规律控制换挡执行机构动作，实现自动换挡。液力控制换挡过程如图1-1所示。

2.电子控制式自动变速器

电子控制式自动变速器通过各种传感器将发动机转速、节气门开度、车速、发动机温度、自动变速器液压油温度等参数转变为电信号，输入自动变速器计算机，计算机根据这些电信号确定变速器换挡控制信号。计算机输出的换挡信号控制相应的换挡电磁阀动作，并通过换挡阀产生相应的压力控制信号，使有关的换挡执行机构动作，实现自动换挡。电子控制式自动变速器的换挡过程如图1-2所示。

（三）按动力传递的方式分类

按动力传递的方式，分为液力式、气压式、电磁式和机械式等4种不同形式的自动变速器。液力式又可分为动压式（液力偶合式和液力变矩式）和静压式两种。目前普遍采用的是液力动压式自动变速器。

（四）按自动变速器前进挡位的多少分类

按自动变速器前进挡位，分为2挡、3挡、4挡自动变速器。现在的自动变速器一般为4前进挡，第4或6前进挡。

（五）按齿轮变速器部分的结构类型分类

按自动变速器齿轮变速器部分的结构不同，分为普通齿轮（平行轴）式和行星齿轮式两种。由于行星齿轮变速器结构紧凑，又能获得较大的传动比，因此目前的自动变速器普遍采用行星齿轮结构形式。

三、自动变速器的特点

现代汽车自动变速器普遍采用的是液力变矩器与行星齿轮式变速器组合而成的液力全自动变速器，换挡自动控制形式有纯液压式和电子控制式两种。相比于传统的手动机械式变速器，自动变速器具有如下特点。

（一）自动变速器的优点

（1）操作简化且省力。采用自动变速器可取消离合器踏板及变速杆，使驾驶操作大大简化。由于它设置了一个自动换挡区范围的选择手柄，所以在一般情况下，即使在城市交通繁忙的街道行驶，不需任何换挡操作，而由自动控制系统控制自动换挡甚至当遇到红灯需要短暂停驶时，也可不移动手柄。驾驶人控制车速时，就只需控制好加速踏板即可，必要时也可用制动踏板予以配合。其操纵简单省力，大大降低了对驾驶人员操作水平的要求。

（2）提高了行车安全，降低了劳动强度。由于简化了驾驶操作，使得驾驶人可以把注意力集中于观察交通情况，掌握好运行方向和车速，因此可以极大地提高运行安全性。

（3）提高了乘坐舒适性。车辆的乘坐舒适性取决于许多因素，例如汽车的悬挂系统、发动机的振动与噪声，以及换挡过程的平顺性等。由于自动变速器能把发动机的转速控制在一定范围内，无急剧的变化，有利于减弱发动机的振动和噪声。自动变速器经过专门的控制系统，可以得到很平稳的换挡过程和减少换挡次数，因此可以提高汽车行驶的平稳性，可有效地改善乘坐舒适性。

（4）延长了机件的使用寿命。由于自动变速器大多数采用液力元件，可消除和吸收传动装置的动载荷，而且由于自动换挡，减少了换挡时产生的冲击与动载荷，因此一般可使传动零件的使用寿命延长2～3倍。据统计，在恶劣的运行条件下，装用自动变速器的汽车，其传动轴上的最大扭矩振幅只相当于手动机械变速器的20％～40％。原地起步时的扭矩峰值只相当于手动机械变速器的50％～70％。因此也可使发动机的使用寿命提高1.5～2.0倍。

（5）改善了汽车的动力性能。改善车辆动力性能其表现在提高起步加速性、提高功率利用率和平均车速等方面。自动变速器由液力变矩器，使其能够自动换挡，从而使起步加速性得到极大提高。由于自动换挡过程中传动系统传递的功率不中断，而且没有手动换挡时减少供油的操作，再加上自动换挡在时机控制上能保证发动机功率得以充分利用，所以自动换挡可以得到很好的加速性能，而且提高了平均行驶速度。试验资料表明，装用自动变速器的汽车其起步加速到20km/h所需的时间，比手动机械变速器要少20％，而加速到40km/h时，要少10％。

（6）减少对空气的污染。由于手动变速器在换挡过程中常伴有供油量的急剧变化，发动机转速的变化较大，导致燃烧过程变坏，使废气中有害成分的含量增加。当使用自动变速器时，由于液力传动和自动换挡技术，能把发动机限制在污染较小的转速范围内工作，从而减少了发动机排气中有害物质的含量。

（二）自动变速器主要缺点

自动变速器具有很多优点，但也有一定的缺点和局限性。其主要缺点是：结构比较复杂、制造精度要求较高，因此，成本高。此外，大多数自动变速器因装有液力元件，传动效率较低。一般液力传动的传动效率，最高只能达到86％～90％，比机械传动效率要低8％～12％。当然，如果自动变速器与发动机匹配得好，或采用变矩器闭锁等措施，也可使燃料消耗比采用手动机械变速器少。

此外，自动变速器由于结构复杂，因此其故障分析和维修等方面，都要求有较高的技术水平。

四、电控自动变速器的结构与工作原理

（一）液力变矩器

液力变矩器是自动变速器的核心组成部分之一，位于自动变速器的最前端，安装在发动机的飞轮上，利用液力传递动力，具有一定的减速增扭功能，并能实现无级变速。

1.液力变矩器的结构和工作原理

液力变矩器主要由泵轮、涡轮、导轮组成，如图1-3所示。上述3个元件安装在完全充满自动变速器液（ATF）的密封变矩器壳体内，壳体通过驱动盘与曲轴相连。当发动机运转时，将带动泵轮一同旋转，泵轮内的ATF依靠离心力向外喷出，其喷射速度随发动机转速的提高而升高。高速喷出ATF冲击静止的涡轮使其转动。导轮叶片截住离开涡轮的ATF，改变其方向，使其冲击泵轮的叶片背部，给泵轮一个额外的“助推力”，使得液力变矩器能有效地增大涡轮的输出转矩。

液力变矩器的原理就像给两个对置的电风扇添加了一个空气管道（见图1-4），空气通过空气管道从没有电源的电风扇回流到有电源的电风扇，从而增加了有电源电风扇吹出的气流。导轮就起到了这种空气管道的作用，增加了从泵轮流出ATF的动能。实际上ATF以循环的方式流过液力变矩器，在其内部形成一条首尾相接的环行螺旋流线，如图1-5所示。

由此可知，泵轮将发动机的机械能转变为ATF的动能，涡轮将ATF的动能转变为涡轮轴上的机械能，而导轮改变ATF的流动方向，从而达到增矩的作用。

2.液力变矩器的性能分析

液力变矩器的性能一般用其特性曲线来描述。液力变矩器的特性曲线反映的是当发动机转速和转矩一定（即泵轮转速nB和转矩MB一定）时，液力变矩器的转矩比（K）、转速比（i）和传动效率（η）三者之间的变化关系。图1-6为车用液力变矩器的特性曲线。

（1）转速比（速比）i。涡轮转速n<Paragraph id="#0001500236">W</Paragraph>与泵轮转速nB之比为液力变矩器的转速比，一般以i来表示，即

转速比说明液力变矩器输出转速降低的倍数，用来描述液力变矩器的工况。

（2）转矩比（变矩系数）K。涡轮输出转矩MW与泵轮输入转矩MB之比为液力变矩器的转矩比，用K来表示，即

转矩比说明变矩器输出转矩增大的倍数，它随变矩器转速比而变化。

从图1-6中可以看出，液力变矩器的运作分为两个工作区域：当i＜0.8（K＞1）时，为变矩器的变矩区，在变矩区转矩成倍放大，当传动比i为零时，即在涡轮转轮停转时，转矩比K达到最大；当i≥0.8（K≤1）时，为变矩器的偶合区，只是传送转矩而并无转矩放大。K=1的速比点是这两个区域的转换点，亦称为“偶合点”。

（3）传动效率η。涡轮输出功率Nw与泵轮输入功率NB之比为变矩器的传动效率，用η表示。即

传动效率说明变矩器输出轴上所获得的功率比输入功率小的倍数。液力变矩器的传动效率是随传动比而变化的抛物线，其最高效率ηmax在i=0.6时获得，一般为80％～86％。

若液力变矩器中的导轮在工作时始终固定，则自偶合点起在大速比的偶合范围内，转矩比曲线变成K＜1，且传动效率急剧下降（如图1-6中的虚线）。这是由于固定不动的导轮，在速比较小的范围内，能起到增大转矩的作用，因为此时由循环流动的速度A和圆周流动的速度B所合成工作液按速度C流向导轮前部，经固定不动的导轮后改变了液流方向冲向泵轮的背面［见图1-7（a）］，产生增矩作用。但在速比较大的工作范围内，工作液的合成速度C将流向导轮的背面，固定不动的导轮使工作液产生涡流，将阻碍涡轮的旋转［见图1-7（b）］，降低其传动效率。其解决的办法就是在导轮上增设单向离合器。

3.导轮增设单向离合器用以提高传动效率

导轮单向离合器的作用是使其所连接的两个元件间只能相对地向一个方向转动，而无法朝相反方向转动，即它按受力关系不同，自动地实现锁定不动或分离自由旋转两种状态。其常见的结构类型有楔块式（见图1-8）和滚柱式（见图1-9）两种。

设置单向离合器后，当速比较小，泵轮与涡轮转速差较大时，沿涡轮叶片流动的工作液速度（涡流速度）A亦大，速度A在涡轮旋转速度（环流速度）B的影响下方向发生偏移，工作液实际上按速度C的方向流向导轮，冲击导轮叶片的正面，使导轮与泵轮有反向转动趋势，但由于导轮被单向离合器锁住不转动。因此，液体经固定导轮的叶片使流向改变，冲击到泵轮的背面，增强泵轮转动，产生增矩作用，如图1-10（a）所示。

当速比较大，泵轮与涡轮转速差较小时，同涡轮转轮一起同方向转动的液体速度B就升高。另一方面，流经泵轮及涡轮转轮的液体速度A则降低，工作液按速度C的方向流向导轮，冲击导轮叶片的背面，使导轮叶片对液流起阻挡作用。在这种情况下，单向离合器使导轮与泵轮同方向自由转动，从而使液流顺利流回至泵轮，如图1-10（b）所示。此时，变矩器不产生增矩作用，其功能同普通液力偶合器一样，传动效率为图1-6中斜直线所示，性能大幅度改善。

4.采用锁止离合器提高液力变矩器高速比工况下的传动效率

从图1-6车用液力变矩器的特性曲线中可以看出，当速比较高，进入偶合工作区时，变矩器没有增矩作用，几乎以1∶1的比例将来自发动机的输入转矩传送至变速器。但在泵轮与涡轮之间存在着至少4％～5％的转速差。所以，变矩器并不是将发动机动力100％地传送至变速器，而是有能量损失。为防止这种现象发生，也为了降低油耗，液力变矩器采用了锁止离合器。当车速在大约60km/h或以上时，锁止离合器会通过机械方式将泵轮与涡轮相连接，使发动机产生的动力100％地传送至变速器。

液力变矩器的锁止离合器位于涡轮的前端，装在涡轮轮毂上（见图1-11），由锁止活塞、减振盘和涡轮传动板等组成。锁止活塞和减振盘用键连接，可前后移动；减振盘和涡轮传动板通过减振弹簧固定，能衰减在离合器接合时的扭转振动；在变矩器壳体或变矩器锁止活塞上粘有一种摩擦材料，用以防止离合器接合时打滑。

锁止离合器的接合及分离由变矩器中的液压油的流向决定。当车辆低速行驶时，由液压控制系统控制工作液流至锁止活塞的前端，使锁止活塞向后移动［见图1-12（a）］，故锁止离合器分离。当车辆转入中、高速（通常60km/h）行驶时，由液压控制系统控制工作液流至锁止离合器的后端。使锁止活塞向前移动［见图1-12（b）］，这样，变矩器壳体就受到锁止活塞挤压，从而使锁止离合器及前盖一起转动，即锁止离合器接合。动力直接由发动机、驱动盘、前盖、锁止离合器、涡轮到变速器输入轴。由于泵轮与涡轮锁为一体，动力传递无须通过液体，从而提高了高速下液力变矩器的传动效率。

（二）齿轮变速传动装置

1.齿轮机构

自动变速器的齿轮变速传动装置主要由齿轮机构和换挡执行元件组成。自动变速器的齿轮机构主要由行星齿轮机构和平行轴齿轮机构组成，目前多采用行星齿轮机构。

（1）单排行星齿轮机构

①结构：图1-13所示为单排行星齿轮机构。它主要由太阳轮、行星齿轮、行星架和齿圈组成，其中行星齿轮通常有3～6个，沿行星架圆周均匀布置。行星齿轮一方面可绕自己的轴线回转，另一方面又可随着行星架一起绕其固定轴线旋转，既有自转又有公转。

②变速原理及传动比：设图1-13所示行星齿轮机构中的太阳轮、齿圈、行星架的转速分别为n1、n2、n3，太阳轮、齿圈的齿数分别为z1、z2，齿圈与太阳轮的齿数比为α。根据能量守恒定律，可得单一行星齿轮机构一般运动规律特性方程式：

n1+n2-（1+α）n3=0

式中： 。由上式可知，单一行星齿轮机构有两个自由度，因此它不能直接用于变速传动。为了组成具有确定传动比的齿轮机构，应将行星齿轮机构中的太阳轮、齿圈和行星架三个基本构件中的一个强制固定不动或使其运动受到一定的约束（称为制动），再将另外两个中的一个作为主动件与输入轴相连，另一个作为从动件与输出轴相连；或将某两个基本元件相互连接一起旋转，从而获得确定的传动比，实现动力传递。

（2）复合行星齿轮机构

由于单排行星齿轮机构不能满足汽车行驶中速比范围的要求，为了增加自动变速器的速比范围，常将两组或多组单排行星齿轮机构组合为复合行星齿轮机构，用以满足汽车行驶中需要的速比范围。目前，常见的复合行星齿轮机构有辛普森式行星齿轮机构和拉维娜式行星齿轮机构，如图1-14所示。

2.换挡执行元件

（1）离合器

离合器的作用是将输入或输出轴与行星齿轮机构中某个基本元件连接起来，或将行星齿轮机构中某两个基本元件连接在一起，使之成为一个整体转动，以传递动力。

现代自动变速器中所使用的离合器多为湿式多片式离合器，它通常由离合器鼓、离合器活塞、回位弹簧、一组钢片、一组摩擦片、花键毂等组成，如图1-15所示。

（2）制动器

制动器的作用是约束行星齿轮机构中某个基本构件，使其不能运动，以获得必要的传动比。目前最常见的是湿式多片式制动器和带式制动器两种。

①湿式多片制动器：其结构与离合器结构相似，由制动器活塞、回位弹簧、活塞缸、摩擦片、钢片等组成，如图1-16所示。

②带式制动器：利用围绕在制动器鼓周围的制动带收缩而产生制动效果，它由制动带和伺服机构组成。

制动带的内侧涂有摩擦材料，以产生较大的摩擦力，帮助夹紧离合器鼓或制动器鼓。制动带的一端固定或支撑在间隙调整装置上，另一端由伺服机构中的活塞杆或推杆驱动。制动器的伺服机构用来控制制动带的工作。它主要由变速器壳体、活塞、活塞杆（或推杆）、弹簧等组成，如图1-17所示。伺服机构有直接作用式和间接作用式两种类型。

（3）单向离合器

单向离合器的作用是单向锁止行星齿轮机构中某个基本元件的旋转。它只能沿一个方向传送转矩，其结构有楔块式和滚柱式两种（如前所述）。通常液力变矩器采用滚柱式，而行星齿轮变速器采用楔块式。

单向离合器无须附加的液压或机械操纵装置，结构简单，且灵敏度高，可瞬间锁止或解除锁止，提高了换挡时机的准确性。

由于单向离合器在任何时候都只允许单向转动，因此在输出轴转速大于输入轴转速时，单向离合器旋转，动力不能从驱动轮传至发动机，避免了发动机制动。在降挡时还可避免换挡冲击。但若单向离合器打滑，将完全丧失工作效能；若单向离合器卡滞，所负责的挡位还有，但会造成异响和烧蚀；而单向离合器一旦装反，会造成严重故障。

3.行星齿轮式传动装置

（1）三速辛普森式行星齿轮传动装置

辛普森式行星齿轮传动装置由辛普森式行星齿轮机构和换挡执行元件组成。辛普森式行星齿轮机构是由共用一个太阳轮的两组行星齿轮、2个齿圈和2个行星架组成的双排行星齿轮机构。它是应用最为广泛的一种复合式行星齿轮机构，可以提供3个前进挡和1个倒挡。其前后排行星齿轮机构的尺寸或齿轮的齿数不必一定相同。其尺寸和齿轮的齿数决定了辛普森式行星齿轮机构所实现的实际传动比。辛普森式行星齿轮机构的排列方式有两种：前齿圈输入式（见图1-18）和后齿圈输入式（见图1-19）。

在三速辛普森式行星齿轮传动装置的执行元件有2个离合器、3个制动器和2个单向离合器。它们的名称及作用如表1-1所示。

三速辛普森式行星齿轮传动装置换挡执行元件工作情况如表1-2所示。

注：●代表换挡执行元件处于工作状态，比如P挡只有B3工作。

（2）四速辛普森式行星齿轮传动装置

四速辛普森式行星齿轮传动装置是在三速辛普森式行星齿轮机构基础上发展起来的。它有两种类型：

①在三速辛普森式行星齿轮机构添置一个行星齿轮组（即超速挡行星齿轮机构），成为由三组行星齿轮机构组成的四速辛普森式行星齿轮传动装置。

②仍采用两组行星齿轮机构，但改变了行星齿轮机构的连接关系，增加了换挡执行元件的数量，使其成为采用两组行星齿轮机构就可获得带超速挡的四速行星齿轮传动装置。由于两组行星齿轮机构不再共用太阳轮，故称其为辛普森改进型，如图1-20所示。

四速辛普森式行星齿轮传动装置所增加的超速行星齿轮组可安装在三速行星齿轮机构的后部（多用于FF型车，即发动机前置前轮驱动型车）或前部（多用于FR型车，即发动机前置后轮驱动型车），如图1-21所示。

超速行星齿轮机构换挡执行元件的名称及作用如表1-3所示。

不在超速挡时的运作：此时辛普森式行星齿轮机构处于前述的任意行车挡位。超速行星齿轮组的离合器C0工作，使超速挡行星架与超速挡太阳轮连接，由于行星齿轮组的任意两个元件的连接使第三元件失去原有的自由度，整个超速行星齿轮组成为一个整体旋转，超速行星齿轮组的传动比为1，不起改变传动比的作用。不在超速状态工作时，自动变速器的挡位由原三速辛普森式行星齿轮机构来确定。

在超速挡时的运作：在超速挡时，超速挡制动器B0锁定超速挡太阳齿轮。所以，当超速挡行星架顺时针方向转动时，超速挡行星齿轮一面绕其轴自转，一面绕超速挡太阳齿轮顺时针方向公转。带动超速挡齿轮快于超速挡行星架顺时针方向转动。

四速辛普森式行星齿轮传动装置换挡执行元件工作情况如表1-4所示。

（3）四速拉维娜式行星齿轮传动装置

拉维娜式行星齿轮传动装置（见图1-22）由拉维娜式行星齿轮机构和换挡执行元件组成。拉维娜式行星齿轮机构也采用双行星排：前太阳轮、长行星轮、行星架和齿轮组成一个单行星轮式行星排；而后太阳轮、短行星轮、长行星轮、行星架和齿轮组成一个双行星轮式行星排。前后行星排共用1个齿轮输出，且前后2个行星排的行星架连为一体。拉维娜式行星齿轮传动装置的换挡执行元件包括4个离合器、2个制动器和2个单向离合器，它们的名称及作用如表1-5所示。

四速拉维娜式行星齿轮传动装置各挡的传动路线分析：

①D1挡：前进挡离合器C1接合，前进挡单向离合器F2锁止，将输入轴与后太阳轮连接，1挡单向离合器F1锁止，将行星架固定。传动路线为：输入轴→离合器C1→单向离合器F2→后太阳轮→短行星轮→长行星轮→齿圈→输出轴。

②D2挡：前进挡离合器C1接合，前进挡单向离合器F2锁止，将输入轴与后太阳轮连接，2、4挡制动制动器B1接合，前太阳轮被固定。传动路线为：输入轴→离合器C1→单向离合器F2→后太阳轮→短行星轮→长行星轮（前太阳轮固定，使行星架运动确定）→齿圈→输出轴。

③D3挡：前进挡离合器C1接合，前进挡单向离合器F2锁止，将输入轴与后太阳轮连接；高挡离合器C4接合，将输入轴与行星架连接，这样后太阳轮与行星架同步转动，使得齿圈随其一起同步转动，形成直接挡。

④D4挡：高挡离合器C4接合，将输入轴与行星架连接；2、4挡制动器B1工作，前太阳轮被固定。传动路线为：输入轴→离合器C4→行星架→长行星轮→齿圈→输出轴。

⑤L1挡：前进挡强制离合器C3接合，将输入轴与后太阳轮连接；低、倒挡制动器B2接合，行星架固定，传动路线和传动比与D1挡相同。但由于单向离合器F2不起作用，制动器B2又代替了单向离合器F1的工作，从而使汽车滑行时可以用发动机制动。

⑥L2挡：前进挡强制离合器C3接合，将输入轴与后太阳轮连接；2、4挡制动器B1接合，前太阳轮被固定，传动路线和传动比与D2挡相同。但由于单向离合器F2不起作用，使汽车滑行时可以用发动机制动。

⑦L3挡：前进挡强制离合器C3接合，将输入轴与后太阳轮连接；低、高挡离合器C4接合，将输入轴与行星架连接，使后太阳轮与行星架一起带动齿圈转动，形成直接挡。传动路线与传动比与D3挡相同。当汽车滑行时，离合器C3与离合器C4都能反向传递动力，所以有发动机的制动作用。

⑧R挡：倒挡离合器C2接合，将输入轴与前太阳轮连接，低、倒挡制动器B2接合，行星架被固定。传动路线为：输入轴→离合器C2→前太阳轮（顺时针）→长行星轮→齿圈（逆时针）→输出轴。

（三）液压控制系统

自动变速器的液压控制系统由动力源部分（油泵）、执行机构部分（离合器、制动器等）和控制机构部分（控制阀体、蓄压器等）组成。动力源是被液力变矩器泵轮驱动的油泵，它向控制机构和执行机构供应压力油以完成换挡，同时为液力变矩器提供传动介质并进行冷却补偿，向行星齿轮系统提供润滑油；执行机构是指行星齿轮系统的离合器、制动器；控制机构的作用是在汽车行驶过程中接收换挡信号，控制执行机构的动作，使变速器得到不同挡位。有关离合器、制动器在前已述，故此处重点介绍油泵和控制机构等的结构和工作原理。

1.油泵

油泵一般位于液力变矩器和行星齿轮传动装置之间，由液力变矩器外壳驱动。常用的油泵有3种类型：齿轮泵、转子泵和叶片泵，如图1-23所示。

自动变速器常用的是内啮合的齿轮泵，图1-24为齿轮泵的典型结构。较小的外齿轮是主动齿轮安装在较大的内齿轮中，外齿轮是从动齿轮偏心地安装在泵体中，在内外齿轮之间安装一个月牙形的隔板，将内外齿轮之间的容积分为两部分，因此这种泵俗称月牙泵。油泵主动齿轮由变矩器驱动，在齿轮转动时，月牙形隔板一侧的容积因齿轮退出啮合而增大进油腔，另一侧容积因齿轮进入啮合而减小是出油腔。在进油腔产生一定的真空将自动变速器油吸入油泵内，油液充满齿槽在齿轮转动时被带入月牙形隔板的另一侧，在出油腔内因齿轮进入啮合，齿轮之间的间隙减小，容积减小使油液压力增加从出油口排出进入液压回路。由于主动齿轮转动一圈油泵输出的油量是固定的，因此齿轮泵是一种定量油泵。

由于油泵由变矩器驱动，其转速与发动机转速完全相同，则油泵的输出油量和压力实际上在很大的范围内变化，在某些转速下机油泵的输出压力可能高于变速器工作需要的压力，这时除了油泵消耗的发动机功率会增加以外，过高的油压还会引起系统的渗漏。为避免这种现象的出现，在自动变速器的主油道上设置限压阀。

使用油泵时应注意以下几点：

（1）发动机不工作时，油泵也不工作，变速器内无控制油压，故无法采用推车方式起动发动机。

（2）当车辆出现故障而被其他车辆拖动时，由于发动机不工作，油泵无法运转，变速器内没有润滑油的循环流动，离合器和制动器片会出现严重磨损。因此，必须将拖动的速度控制在30km/h以内，拖动距离不能超过50km。

（3）当变速器齿轮系统有故障或严重漏油时，在拖动车辆时应将驱动轮脱离地面或拆掉传动轴。

2.主油路调压阀

因油泵由发动机直接驱动，故其理论泵油量与发动机转速成正比，液压油由油泵输出后进入主油路系统，从而使主油路系统压力发生变化。发动机高速时，泵油量多，主油路压力高，引起换挡冲击及泵油消耗功率增大；发动机低速时，泵油量少，主油路压力低，引起制动器、离合器打滑。

为防止上述两种现象发生，油泵的泵油量应在发动机处于怠速时即可满足自动变速器各部分所需，而在发动机转速增加时利用主油路系统中的主油路调压阀来调节压力，让多余的液压油返回油底壳，使主油路系统的压力稳定在一定的范围之内。同时，主油路调压阀应能满足主油路系统在不同工况、不同挡位时，具有不同油压的要求。

主油路调压阀的作用主要体现在以下三方面：

（1）节气门开度较小时，自动变速器所传递的扭矩较小，离合器、制动器不易打滑，主油路压力可以降低；而当节气门开度较大时，因传递的扭矩较大，为防止离合器、制动器打滑，主油路压力要升高。

（2）汽车低速挡行驶时，所传递的扭矩较大，主油路压力要高；而在高速挡行驶时，所传递的扭矩较小，可降低主油路油压，以减小油泵运行阻力。

（3）倒挡的使用时间较少，为减小自动变速器的尺寸，倒挡执行机构做得较小（摩擦片数少），为防止打滑，主油路压力要比前进挡时有所提高。

主油路调压阀通常采用阶梯形滑阀，如图1-25所示。它由上部的阀芯、下部的柱塞套筒及调压弹簧组成。在阀门的上端A处，受来自油泵的液压力的作用；下端则受到柱塞下部C处的来自发动机节气门所控制的节气门阀的液压力的作用（该液压力与节气门开度成正比关系），以及调压弹簧的作用力。柱塞上下两端的力的平衡，决定阀体所处的位置。

若油泵泵油量增大，油压升高，作用在A处向下的液压力增大，推动阀体下移，出油口打开，液压泵输出的部分油液排回油底壳，使主油路压力调整到规定值。当节气门开度大时，发动机转速增加，油泵产生液压力也升高，A处向下的液压力增大，但此时受节气门控制的节气门阀油压也增大，使得在C处向上的作用力也增大，于是主油路调压阀继续保持平衡，满足了节气门开度大时对主油路油压增大的要求。

倒挡时，手控阀打开另一条油路，将压力油引入主油路调压阀柱塞的B腔，使作用在下端向上的油压力增大，阀芯上移，出油口变小，主油路压力增高，从而满足了倒挡时油压较前进挡有所增大的要求。

3.手动阀

手动阀是由变速杆控制的多路换向阀。它位于控制系统的阀板总成中，经机械传动机构和自动变速器的变速杆连接。由驾驶人手工操作，用于控制自动变速器的工作状态。

驾驶人通过变速杆拨动手动阀，当变速杆位于不同位置时，手动阀也随之移至相应的位置，使进入手动阀的主油路与不同的控制油路接通，或直接将主油路压力油送入相应的换挡执行元件（如前进离合器、倒挡离合器等），并使不参加工作的控制油路与泄油孔接通，这些油路中的压力油泄空，从而使控制系统及自动变速器处于不同挡位的工作状态。

图1-26为自动变速器手动阀，图1-27为变速杆与手动阀的连接。

当手柄置于前进（D）位置时，对三挡自动变速器而言，变速可根据换挡信号在1至3挡之间自动变换；对四挡自动变速器而言，变速器则可根据换挡信号在1至4挡之间自动变换。当手柄置于前进挡2位（或S位）时，自动变速器只能在1至2挡间自动变速换。

当手柄置于前进低挡1位（或L位）时，自动变速器被限制在1挡工作。手动阀还提供倒挡（R位）、空挡（N位）、停车挡（P位）等功能。

在阀体上有多条油道，一条油道与主油路相连，其余为出油道，分别通至D、S、L、P和R挡位相应的滑阀或直接通往换挡执行元件。

4.换挡阀

换挡阀是一种由弹簧和液压力作用的方向控制阀，当自动变速器为电控时，它由电磁阀控制作用其一端的主油压与其另一端的弹簧力的平衡状况，自动切换通往执行元件油路来完成换挡。因为每个换挡阀只有两个工作位置，只能在两个挡位之间切换，故对四挡变速器而言，要有3个换挡阀。

图1-28为电控式自动变速器换挡阀的工作原理图。换挡电磁阀通过开启或关闭换挡阀控制油路的泄油孔来控制换挡阀的工作。主油压经电磁阀后，通至换挡阀的上端。当换挡电磁阀开启时，泄油孔打开，没有主油压作用在换挡阀上端，换挡阀在下端弹簧力的作用下处于上端；当换挡电磁阀关闭时，泄油孔关闭，主油压作用在换挡阀上端，使换挡阀克服弹簧力下移，从而改变油路，实现挡位变换。

5.锁止信号阀和锁止继动阀

变矩器内锁止离合器的工作是由锁止信号阀和锁止继动阀一同控制的。

锁止信号阀上方作用着速控阀油压。在车速较低时，速控阀油压低，锁止信号阀阀芯在弹簧的作用力作用下处于图1-29（a）中上端位置，将通向锁止继动阀下端的主油路切断，从而使锁止继动阀在上端弹簧的作用力及主油路油压的作用下，保持在图1-29（a）所示中的下方位置。

变矩器中锁止离合器压盘左侧的油腔与来自第二调节阀的进油道相通，压盘两侧无压差，锁止离合器处于分离状态，发动机动力完全由液力变矩器来传递［见图1-29（a）］。

当汽车以超速挡行驶，且车速及相应的速控阀油压升高到一定数值时，锁止信号阀阀芯下端的速控阀油压推动阀芯至图1-29（b）中下方位置，使来自超速挡油路的主油路压力油进入锁止继动阀的下端，并推动锁止继动阀阀芯上移至上方位置。锁止离合器压盘左侧的油腔与泄油口相通，压盘右侧压力使压盘左移与主动盘（变矩器壳体）接合，锁止离合器接合，发动机动力经锁止离合器直接传递［见图1-29（b）］。

6.蓄压减振器

蓄压减振器也称储能减振器。常见的蓄压减振器由减振活塞和减振弹簧组成。图1-30中的3个蓄压减振器分别与3个挡位换挡执行元件的油路相通，对应在各挡起作用。

蓄压减振器工作原理如图1-31所示，当自动变速器换挡时，主油路压力油进入离合器（或制动器）的液压缸的同时也进入蓄压减振器。压力油进入的初期，油压不是很高，不能推动减振器活塞下移，因此液压缸油压升高快，这样便于离合器，制动器迅速消除自由间隙。此后，油压迅速增大，油压克服减振弹簧的弹力将减振活塞下移，容积增大，油路部分压力油进入减振器工作腔，使液压缸内压力升高速度减缓，离合器、制动器接合柔和，减小换挡冲击。

通常，在减振活塞上方还作用有节气门油压（也称减振器背压），D油路。在节气门开度较大时，它能适当降低蓄压减振器的减振能力，加快换挡过程，防止大扭矩传递时执行元件打滑，以满足汽车在各种行驶条件下对换挡过程的不同要求。

（四）电子控制系统

1.电子控制系统的组成和基本工作原理

自动变速器的电子控制系统由输入部分（即传感器/开关）、电子控制单元（即ECT的ECU）和执行器（即电磁阀）等组成，如图1-32所示。

自动变速器的电子控制系统根据各传感器和开关获得车辆和节气门开度等信号，并将此类信号输入ECT（电控液压自动变速器）的ECU（电子控制单元），与ECU中存储的数据进行比较，经ECU处理后，输出最适合于发动机及变速器行驶条件的换挡指令给电磁阀，利用电磁阀控制液压换挡阀移动，切换换挡执行元件（离合器和制动器）的油路，实现换挡时机的精确控制。

2.电控系统的输入装置

自动变速器电子控制系统的输入部分包括多个传感器和开关，常用的有节气门位置传感器、车速传感器、温度传感器、超速挡开关、模式开关、挡位开关、制动开关等。

（1）节气门位置传感器

节气门位置传感器是将节气门开启角度转换为电压信号送至电子控制单元，作为决定换挡点和变矩器锁止时机的基本信号之一。它安装在发动机节气门体上并与节气门联动。

节气门位置传感器采用输出型，其结构、外形及线路连接如图1-33所示。

（2）车速传感器

车速传感器用于产生信号频率与车速成正比的电信号，并输入给自动变速器的ECU，作为确定换挡点和变矩器锁止时机的基本依据之一。

①电磁感应式车速传感器：主要由永久磁铁和电磁感应线圈两部分组成，用于检测自动变速器输出轴转速。它安装在变速器输出轴附近，为了获取感应信号，须靠近装在输出轴上的停车锁止齿轮或感应转子。当输出轴转动时，停车锁止齿轮或感应转子的凸齿不断地靠近和离开车速传感器，使感应线圈内的磁通量发生变化，从而产生交流感应电压（见图1-34）。车速越高，输出轴转速就越高，感应电压的脉冲频率也就越高。ECU则按照单位时间内感应出的电压脉冲频率数。计算输出轴转速，然后换算成车速。

②笛簧开关式车速传感器：笛簧开关由小玻璃管内安装的两个细长触点构成，触点由铁、镍等磁性材料制成。受玻璃管外磁极控制，触点可因互相吸引而闭合，也可由于互相排斥而断开，从而形成触点的开关作用。笛簧开关置于车速表的转子附近（见图1-35），当车速表软轴旋转时磁铁也旋转，N、S磁极则靠近或离开笛簧开关的触点。当N、S极接近笛簧开关时，上、下两触点变为同一极性的磁极，互相排斥，开关断开。因为所用磁铁一般是4极的，所以当软轴转1圈，就会输出4个脉冲。

（3）输入轴转速传感器

输入轴转速传感器与车速传感器类似，也是一种电磁感应式转速传感器。它安装在行星齿轮变速器输入轴（液力变矩器涡轮输出轴）附近或与输出轴连接的离合器鼓附近的壳体上（见图1-36），用于检测输入轴转速，并将信号送入ECU，以便精确地控制换挡过程。它还作为变矩器涡轮的转速信号，与发动机转速即变矩器泵轮转速信号进行比较，计算出变矩器的转速比，以优化闭锁离合器的解、闭锁控制过程，减小换挡冲击，改善汽车的行驶平顺性。

（4）变速器油温度传感器

变速器油温度传感器安装在自动变速器油底壳内或液压阀阀板上，用于连续监控自动变速器中变速器油的温度，作为微计算机进行换挡控制、油压控制、闭锁离合器控制的依据。

变速器油温度传感器内部有一热敏电阻（见图1-37）。它是依靠热敏电阻阻值随温度变化而变化这一特性来检测油温的。通常使用具有负温度系数的热敏电阻，温度越高时，电阻值越小。微计算机就是根据其电阻值的变化计算出变速器油的温度。

（5）超速挡开关

超速挡开关通常安装在自动变速器选挡变速杆上（见图1-38），由驾驶人自主选择是否需要超速挡。当该开关打开时，超速挡电磁阀通电，作用在3-4挡换挡阀阀芯上端的压力油卸荷。此时，只要变速器选挡变速杆处于D位，作用在3-4挡换挡阀下端的油压随着车速的提高到足够高，就可以将3-4挡换挡阀推至4挡位置（即超速挡）。而该开关关闭时，超速挡电磁阀断电，主油压作用在3-4换挡阀阀芯上端，使阀芯不能移动到4挡位置。此时，无论车速怎样高，自动变速器最多只能升至3挡。

在驾驶室仪表盘上，有“O/D OFF”指示灯显示超速挡开关的状态。当超速挡开关打开时，“O/D OFF”指示灯熄灭；而当超速挡开关关闭时，“O/D OFF”指示灯随之亮起。

（6）模式开关

模式开关又称程序开关，用于选择自动变速器的控制模式，即选择自动变速器的换挡规律，以满足不同路况的使用要求。换挡规律不同，提供的换挡点也不同。图1-39所示为一安装在变速杆旁的模式开关。一些车型的模式开关有动力模式（PRW）和常规模式（NORM）两种驾驶模式供选择。而有的车型还有经济模式（ECONO）、运动模式（SPORT）、雪地模式（SNOW）、手动模式（MANUL）供选择。

（7）空挡起动开关

空挡起动开关装在变速器壳体的手动阀臂轴或变速杆上，由变速杆进行控制，故有时也被称为挡位开关（见图1-40）。其作用如下：

①指示变速杆位置，将选位信息传给自动变速器控制单元。

②控制倒挡信号灯的开启。

③控制起动继电器线圈电路的功能。

发动机只有当变速杆在位置P或N时才能起动。当空挡起动开关探测到变速杆位置处于P或N位时，将信号传给起动机继电器，使点火开关能工作。同时，在挂前进挡时中断起动机，即制止起动机在汽车进入行驶状态后啮合，并锁住变速杆。

（8）强制降挡开关

强制降挡开关（见图1-41）用来检测加速踏板打开的程度。当加速踏板超过节气门全开位置时，强制降挡开关接通，并向电控单元输送信号，这时电控单元按其内存设置的程序控制换挡，并使变速器降一个挡位，以提高汽车的加速性能。

（9）制动灯开关

制动灯开关（见图1-42）用以判断制动踏板是否被踩下。当制动踏板被踩下时，制动灯开关输送信号给电控液压自动变速器的电控单元，电控单元便取消锁止离合器的结合，保证车辆的稳定行驶。

该开关安装在制动踏板支架上。当制动踏板踩下时，该开关传送一个信号至ECU，通知ECU制动器已经使用。

3.电控系统的执行器

电控自动变速器用电磁阀作为控制系统的执行器。通过它们控制液压系统中的换挡阀，以使离合器、制动器等执行组件工作，从而实现自动换挡和变矩器闭锁。

（1）开关式电磁阀

开关式电磁阀的作用是开启和关闭变速器油路，可用于控制换挡阀及液力变矩器的闭锁离合器锁止阀。

开关式电磁阀由铁芯、线圈、骨架、限流钢球等组成（见图1-43）。它只有两种工作状态：全开或全关。当线圈不通电时，阀芯被油压推开，打开泄油孔，该油路的压力油经电磁阀卸荷，油路压力为零；当线圈通电时，电磁力使铁芯下移，关闭泄油孔，油路压力上升。

（2）脉冲式电磁阀

脉冲式电磁阀的结构与开关式电磁阀基本相似，也是由电磁线圈、限流钢球等组成（见图1-44）。其作用是控制油路中油压的大小。与开关式电磁阀不同之处在于，控制脉冲式电磁阀工作的电信号不是恒定不变的电压信号，而是一个频率固定的脉冲电信号。电磁阀在脉冲电信号的作用下不断反复地开启和关闭泄油孔，计算机通过改变每个脉冲周期［见图1-45（a）］内电流接通和断开的时间比例（占空比）［见图1-45（b）］，而达到控制油路压力的目的。占空比越大，经电磁阀泄出的变速器油就越多，油路压力就越低；反之，占空比越小，油路压力就越高。

4.自动变速器ECU的控制功能

（1）换挡正时控制

换挡正时控制即换挡点（变速点）控制，它是ECT的ECU最基本的控制功能。在ECT中，挡位（速比）自动进行切换的点称为换挡点，换挡点由节气门开度和车速决定。换挡（升挡或降挡）车速与节气门开度的关系通常称为换挡规律。图1-46所示为换挡手柄处于D位时常规与动力驾驶模式的换挡规律图。

当换挡手柄在前进挡位D，且节气门开度相同时，动力型换挡规律的各挡升挡车速以及降挡车速都要比常规（或经济）型换挡规律的升挡及降挡车速高，这样升挡车速越高，加速动力性越好，降挡时亦然；反之，升挡车速越低则燃油经济性就越好。

（2）变矩器离合器锁止正时控制

根据锁止电磁阀的接通或断开，锁止信号阀（或锁止控制阀、锁止继电器阀）变换作用于变矩器上的液压油路，使锁止离合器接合或分离。锁止系统工作时，在升挡或降挡期间ECU会把锁止电磁阀电路暂时切断，以减轻换挡冲击。此外，制动开关接通；节气门位置传感器的IDL（怠速触点）触点接通（节气门全闭）；冷却水温低于70℃；巡航控制计算机系统正在工作，实际车速低于其预置车速，但高于10km/h。只要发生上述4种情况之一，ECU都将切断锁止电磁阀电路，强制锁止离合器分离。ECT的ECU不仅可利用锁止电磁阀来控制锁止正时，还可利用电磁阀来调节锁止离合器液压，从而使锁止离合器平顺地接合和分离。

（3）发动机转矩控制

当发动机和ECT的ECU根据接收的各种信号判定变速器需要换挡变速时，会暂时使发动机点火时间滞后点火延迟，使发动机转矩下降以使离合器接合平缓，换挡平顺。

（4）自诊断功能

当速度传感器、电磁阀等发生故障时，ECU通过O/D OFF指示灯的闪烁输出故障码以指示故障发生的部位。当ECU监测和识别出上述元件有故障时，便将相应的故障码存储在存储器中，由于有备用电源，即使发动机熄火也不会消失。所以，在故障排除后要通过消除故障码的专门程序才能将故障码从存储器中抹掉。

（5）失效安全保护功能

若换挡（1号或2号）电磁阀失灵时，ECT的ECU将继续控制正常电磁阀工作，使一些换挡仍能进行，车辆能继续行驶。当换挡（1、2号）电磁阀都失灵时.可通过变速杆换挡。例如，丰田A140E自动变速器，当变速杆移到前进挡低（L）、2（S）位和D位时.变速器将分别在1挡、3挡和超速（OD）挡工作。另外，在正常情况下，ECT的ECU利用主速度传感器（No.2）信号进行控制，当主速度传感器失灵时，则利用辅助速度传感器（No.1）信号。