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  2. 自动变速器原理与结构

改变液力变矩器性能的一些措施

导轮增设单向离合器

将液力变矩器的导轮通过单向离合器固定在变速器外壳上,单向离合器内圈与导轮和变速器外壳相连,是固定不动的;外圈与导轮相连,可与导轮一起按泵轮同一方向旋转。设置单向离合器后,当速比较小,转速差大时,导轮仍被锁住不动,ATF改变方向后流向泵轮背面,促使泵轮旋转,仍能起增扭作用;转速比较大,涡轮与泵轮转速差小时,ATF冲击导轮背面,这时导轮按泵轮的相同方向自由旋转,ATF即顺利地回流到泵轮。这时,变矩器不产生增扭作用,其功能同普通液力耦合器一样。因此,改变液力变矩器性能的一些措施改变液力变矩器性能的一些措施。同时,转矩也增加,这是因为导轮内的ATF在导轮自由旋转时,对液流方向的阻力减小,循环流速增大的缘故。其特性如图3-11所示。
液力变矩器内单向离合器的结构型式有棘轮型、滚柱型和楔块型三种,现在广泛使用的是后两种。单向离合器是单向传递力矩的,即用单向离合器连接起来的两个元件之间,可按受力关系不同,自动地实现锁定不动或分离自由旋转两种状态,单向离合器传递力矩的容量比摩擦离合器大,能够按回转方向自动平稳地进行驱动和空转的转换。

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图3-11 综合式液力变矩器特性曲线

(1)滚柱型单向离合器

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(滚柱轴承离合器(Roller Bearing Clutch),是一种新型的摩擦式超越离合器,与以前的超越离合器相比具有承载能力高、楔紧可靠、寿命长等特点,同时兼有离合器和轴承的功能,可以简化传动结构,因此具有广泛的应用前景。滚柱轴承离合器主要由内圈、滚子、外圈、滚子保持架、挡块、卡圈、弹簧片、密封圈等组成。)


图3-12是滚柱型单向离合器的结构图。它由轮毂、滚柱、外圈和压紧弹簧等组成,单向离合器外圈被铆钉铆在导轮上,轮毂用花键连接在导轮轴套上,是固定件。外圈的内表面被开有若干偏心的弧形滚道,与轮毂外表面围合成一个楔形腔室,滚柱位子楔形腔室内。

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图3-12滚柱型单向离合器
1-外圈 2-滚柱 3-压紧弹簧 4-轮毂 5-铆钉 6-导轮

工作时,外圈是主动件,在外力矩作用下使外圈按逆时针方向回转,图中“锁止”方向旋转,滚柱将卡死在外圈内表面和轮毂外表面构成的楔形室的较窄的一端,外圈被楔紧不能旋转(导轮处于锁止状态)。当外力矩改变作用方向,图中“自由”方向,滚柱在压紧弹簧的作用下,仍停留在楔形腔室的较窄的一端,但在摩擦力的作用下,有向较宽的一端移动的趋势,由于此时接触表面上的压力很小,使其不能楔紧而处于分离状态。于是外圈与轮毂脱开,并相对轮毂自由旋转(导轮处于分离状态)。

(2)楔块型单向离合器

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(楔块式单向离合器由外圈、8字形楔块、保持弹簧和内圈组成,这些楔块以与滚子式单向离合器中的滚子类似的方式工作。当图示中的外圈相对于内圈沿逆时针方向转动时,楔块被推动发生倾斜,在内、外围之间让出一定空间,因而不会锁止离合器。换言之,图示楔块式单向离合器在任何时候都允许其外圈相对于内圈沿逆时针方向旋转,或允许其内圈相对于外围沿顺时针方向旋转。)


图3-13是楔块型单向离合器的结构及工作原理图。它是由外座圈、内座圈、楔块、保持架及片状弹簧等组成,保持架借助于片状弹簧把楔块等分布置在圆形的内外座圈之间,外座圈与导轮固定连接,随导轮一起回转;内座圈通过花键与导轮轴套连续而固定在变速器外壳上。

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图3-13楔块型单向离合器
1-楔块 2-外座圈 3-片状弹簧 4-保持架 5-内座圈

当速比大而转速差小时,ATF冲击导轮叶片背面,外座圈在所受力矩的作用下按图3-13b所示方向回转,楔块在摩擦力作用下,有向相同方向回转的趋势,此时,因楔块短对角距离改变液力变矩器性能的一些措施小于内外座圈间距改变液力变矩器性能的一些措施,所以,楔块倾斜后,使内外座圈分开,外座圈可以自由旋转(导轮处于分离状态)。反之,当速比小转速差大时,ATF冲击导轮叶片前面,外座圈在所受力矩的作用下如图3-13c所示方向回转,楔块在摩擦力作用下,有向相同方向回转的趋势,此时,因楔块长对角距离改变液力变矩器性能的一些措施大于内外座圈间距改变液力变矩器性能的一些措施,所以,楔块倾斜后卡在内外座圈之间,外座圈被卡死不动(导轮处于锁止状态)。

二、采用多个导轮

为了使液力变矩器的高效率区域更宽,可将导轮分割成两个,分别装在各自的单向离合器上,使之在所设置的单向离合器上实现锁止和分离空转状态,会比整体导轮空转时更能减少冲击损失而提高性能。图3-14是四元件综合式液力变矩器。

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图3-14 四元件综合式液力变矩器
1-启动齿圈 2-变矩器壳 3-曲轴凸缘4-第一导轮(I) 5-涡轮
6-泵轮 7-第二导轮(Ⅱ) 8-自由轮机构 9-输出轴 10-导轮固定套管

双导轮液力变矩器的结构是由一个泵轮、一个涡轮和两个可单向传动的导轮构成,两个导轮分别与两个单向离合器的外圈相连,单向离合器的内轮通过花键与导轮轴套相连并固装在变速器外壳上,可以实现两个变矩器工况和一个液力耦合器工况。双导轮液力变矩器在液力耦合工作区较单导轮液力变矩器的转矩比和传动效率都有明显的提高,而该工作区是液力变矩器经常所处的工况,因此提高此工况的传动效率十分必要。
两个导轮具有不同的叶片进口角度,在低转速比时,两个导轮均被单向离合器锁住,按变矩器工况工作。在中转速比时,涡轮出口液流开始冲击第一导轮叶片背面,第一单向离合器松开,第一导轮与涡轮同向旋转,仅第二导轮仍起变矩作用。在高转速比时,涡轮出口液流冲击第二导轮叶片背面,其单向离合器松开,第二导轮也与涡轮作同向旋转,变矩器全部转入耦合器工况工作。图3-15是双导轮分开的液力变矩器特性曲线,整体式导轮的耦合工作点在分开式导轮的第一耦合点与第二耦合点之间,与图中虚线表示的不分开情况相比,传动效率得到提高。
双导轮液力变矩器综合了前述液力变矩器和液力耦合器的特点,它的高效区很宽,启动时变矩系数也较大,这种变种器不仅适用于重型汽车,也适用于具有较宽车速范围的其他类型汽车。但是,由于增加了工作轮,相应带来结构、制造工艺比较复杂,质量增加的缺点,因此很少使用。

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图3-15 双导轮液力变矩器特性曲线
三、采用闭锁离合器

汽车使用液力变矩器,具有很多优点,如提高起步性能、加速性能和换档性能,增加了动传动系统的减震隔振,减小了动载荷,使工作寿命延长等。但是,由于液力变矩器存在着液力损失,与机械传动相比其效率较低,但效率曲线随工况变化,最高效率也只有0.85~0.9,因而在正常行驶时油耗较高,经济性差。同时,因变矩器的效率低,损失的能量转变成热量,必须进行强制散热,从而增加了自动变速器的体积和重量。考虑到汽车在平坦路面上行驶时,液力传动的优点不太明显,相反,如用机械传动,则可以提高效率,改善经济性。根据上述想法,出现了闭锁式液力变矩器。它可以实现液力变矩器传动和机械直接传动两种情况,把两者优点结合于一体。
从图3-11液力变矩器的特性曲线中可以看出,当速比较高,即进入耦合工作区时,变矩器没有增扭作用,曲轴传递多大转矩给泵轮,最终传到涡轮的转矩仍是多大。而实际上在转矩传递过程中,因ATF摩擦、冲击会引起部分能量损失(ATF升温),且泵轮和涡轮之间至少存在有4%~5%的转速差,所以变速器并没有100%地传递发动机所产生的动力。这也就是变矩器传动效率没有机械式变速器高的原因。与机械变速器相比,汽车正常行驶时燃油经济性较差。
为了提高变矩器在高工况下的传动效率,改善汽车正常行驶的燃油经济性,于是在液力变矩器中设置锁止离合器,用机械方式连接泵轮和涡轮(锁止后两工作轮成为一体),以实现100%的动力直接传递。锁止离合器在电液自动操纵系统的控制下,可以适当的时机进行锁止切换,一般在转矩比改变液力变矩器性能的一些措施时的耦合工作点切换成动力直接传递方式。其特性如图3-16所示。

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图3-16 带锁止离合器的液力变矩器特性曲线

液力变矩器的锁止离合器位于涡轮前端,如图3-17所示,由离合器压盘、毂、泵轮、导轮、涡轮等件组成。离合器压盘,可前后移动。

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图3-17 带锁止离合器的液力变矩器
1-变矩器壳2-离合器压盘 3-涡轮 4-泵轮 5-变矩器轴套 6-输出轴花键套 7-导轮
改变液力变矩器性能的一些措施

(a) 锁止离合器分离          (b) 锁止离合器结合

图3-18 锁止离合器工作原理

1-变矩器壳2-离合器压盘 3-涡轮 4-泵轮 5-变矩器轴套 6-输出轴花键套 7-导轮

车辆低速行驶时,速比较小,液力变矩器处于变矩工况。此时,由电液控制,ATF经变速器输入轴中心油道进入锁止离合器前部,在油压的作用下,离合器压盘向右移动,故锁止离合器分离(见图3-18a);当车辆转入高速行驶时,速比之增大至一定值,液力变矩器转换成液力耦合工况,此时,电液自动操纵系统控制通向变矩器的液流方向反向,即ATF由轮轴套上的油道流入变矩器内部,经变速器输入轴中心油道排除,故离合器压盘前后侧油压不等,前侧油压低,后侧油压高,存在着油压差。因此,离合器压盘在该油压差的作用下向前移动压靠在前盖上,锁止离合器闭锁(见图3-18b),泵轮与涡轮作为一个整体部件旋转,这样就提高了高速下液力变矩器的传动效率。

当闭锁离合器接合时,导轮单向离合器即脱开,导轮自由旋转。泵轮和涡轮虽然是同速转动,但与导轮有一定的转速差,因此,在变矩器内仍有少量液流作循环流动,从而有一定的液力损失,即使成为直接机械传动,传动效率也略低于100%,损失在1%~3%之间。

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