1、 第二章 自动变速器第一节 概 述在 20 世纪 70 年代中期，丰田汽车最常用的变速器还是手动变速器。从 1977 年起，随着丰田公司装有 A40D 自动变速器的“皇冠”轿车问世（见表 2-1 所示） ，装有自动变速器的轿车产量逐年增多。现在连四轮驱动的车辆（SUV）及部分轻型卡车也安装了自动变速器。进入 90 年代，随着电子技术的发展，丰田公司重点发展电子控制型自动变速器（ECT） 。ECT 除换挡及锁止正时控制外，还具有故障诊断及故障防护功能。目前，绝大部分车型是发动机和 ECT（有些车型还包括定速巡航控制系统）共用一个 ECU 控制。丰田公司于 1996 年开发了 A350E5 挡自动
2、变速器并装备在凌志 GS300 轿车上，1997年又开发了 A650E 5 挡自动变速器装备在凌志 LS400、SC400、GS300400 等型号的轿车上。A350E 自动变速器将在本章第十一节介绍， A650E 将在本章第十二节介绍。表 2-1 丰田汽车自动变速器的发展历史第二节 液力变矩器一、概 述液力变矩器的作用是传递来自发动机的扭矩，并且将扭矩成倍增大后传给变速器。它安装在变速器齿轮传动系的输入端，壳体用螺栓固定在发动机的飞轮上。丰田公司近期生产的车用液力变矩器都有锁止离合器，其结构如图 2-1 所示。它是由泵轮、涡轮、定轮、单向离合器、锁止离合器等部件构成。变矩器内充满油泵提供的自
3、动变速器油。变速器油被泵轮甩出，成为一股强大的油流，推动变矩器的涡轮转动。图 2-1 液力变矩结构图泵轮与变矩器壳体连成一体，变矩器壳体用螺栓固定在飞轮上，因为泵轮与曲轴相连，它总是和曲轴一起转动。泵轮内部径向装有许多弯曲的叶片，叶片内缘装有让变速器油平滑流过的导环，其结构如图 2-2 所示。图 2-2 泵轮的结构与安装示意图同泵轮一样，涡轮也装有许多叶片（如图 2-3 所示） ，但涡轮叶片的弯曲方向与泵轮叶片的弯曲方向相反。涡轮转轮装在变速器输入轴上，其叶片与泵轮叶片相对放置，中间留有一很小的间隙。图 2-3 涡轮的结构与安装示意图涡轮转轮与变速器输入轴相连，在变速器换挡杆置于“D” 、 “
4、2”、 “L”或“R”挡位，当车辆行驶时，涡轮转轮就与变速器的输入轴一起转动；当车辆停驶时，涡轮转轮不能转动。在变速器换挡杆置于“P”或“N”挡位时，涡轮转轮与泵轮一起自由转动。定轮位于泵轮与涡轮转轮之间，安装在定轮轴上，而定轮轴则经单向离合器固定在变速器壳体上。定轮叶片截住离开涡轮转轮的变速器油液，改变其方向，使其冲击泵轮叶片背部，给泵轮一个额外的“助推力” ，如图 2-4 所示。图 2-4 定轮的结构及其功能单向离合器使定轮以与发动机曲轴运转相同的方向转动。但是，如果定轮要以与发动机曲轴运转相反的方向转动时，单向离合器就将定轮锁止住，使其无法朝相反方向转动。所以定轮是转动还是被锁止，取决于
5、变速器油液冲击定轮叶片的方向。单向离合器的工作如图 2-5 所示。当外座圈按图中箭头 A 方向转动时，就会推动楔块顶部，由于 I1 小于 I，楔块就会倾翻，使外座圈转动。但当外座圈要朝相反方向（ B 向）转动时，楔块就无法倾翻，因为 I2 大于 I。这样，楔块起到楔子的作用，锁住外座圈，使其无法转动。另外，离合器中还安装了定位弹簧，使楔块总是朝着锁止外座圈的方向略为倾斜，以加强楔块的锁止功能。楔块型单向离合器也用于控制行星齿轮系。图 2-5 单向离合器的运作图二、液力变矩器的工作原理1、动力传输原理如图 2-6 所示，将电风扇 A 与电风扇 B 靠近相对放置，然后打开电风扇 A，电风扇 B即使
6、未接电源也会按电风扇 A 转动的方向转动。这是因为电风扇 A 的转动会在两电风扇之间产生空气流动，由电风扇 A 产生的气流冲击电风扇 B 的叶片，使电风扇 B 随之转动。换句话说，电风扇 A 与 B 之间的动力传递是以空气为介质而实现的。图 2-6 空气传输动力示例变矩器的工作原理也是如此，泵轮相当于电风扇 A，涡轮转轮则相当于电风扇 B。不同的是变矩器是以变速器油为介质，而不是以空气为介质。如图 2-7 所示，当泵轮被发动机曲轴驱动时，泵轮中的变速器油液就会随同泵轮以相同的方向转动。当泵轮转速加快时，其离心力的作用使油液沿叶片表面及泵轮里面，离开泵心向外流动。当泵轮转速进一步提高时，液体就被
7、甩出泵轮，冲击涡轮叶片，使涡轮开始按泵轮转动的方向转动。图 2-7 液力变矩器的动力传输过程油液的能量在冲击涡轮叶片被耗散后，油液就沿着涡轮叶片向里流，在流至涡轮内部时，涡轮变曲的内表面使油液改变方向，流回泵轮。就这样，循环又将从头开始。如上所述，扭矩的传递，是通过油液在泵轮和涡轮之间流动来实现的。2、扭矩成倍放大的原理前面用两台电风扇作例子，解释了液力变矩器中扭矩传递的原理。如果如图 2-8 所示，加上一条输送管道，气流将穿过电风扇 B（被动电风扇）然后经管道，从电风扇 A 后面流回电风扇 A（主动电风扇） 。这就会加强电风扇 A 的叶片所吹动的气流，气流通过电风扇B 后所剩下的能量，将增强
8、电风扇 A 叶片的转动。图 2-8 空气传输动力扭矩放大示例在变矩器中，定轮和空气管道的作用是相似的。3、定轮单向离合器的功能在变矩器中，液体的实际流动是由涡流和环流叠加而成的。所谓涡流就是泵轮泵出的液流通过涡轮和定轮，然后再回到泵轮的液流。车辆起动时，泵轮和涡轮的转速差越大，涡流就越大。所谓环流就是变矩器内与变矩器转动方向相同的液流。当泵轮与涡轮转速差较小时，环流就大，车辆以恒速行驶时就是如此。环流随泵轮与涡轮转速差增大而成比例地变小。从涡轮转轮进入定轮的液流方向取决于泵轮与涡轮的转速差。当这一转速差相当大时，涡流的速度就高。如图 2-9 所示，液体从涡轮转轮流至定轮的液体流动方向（图中虚线
9、箭头）是阻止泵轮转动的。液体冲击定轮叶片的正面，使定轮与泵轮反向转动。但由于定轮被单向离合器锁住，并不转动，其叶片使液体流向改变（图中实线箭头） ，增强泵轮转动。图 2-9 液力变矩器（在涡流相当大时）扭矩放大的液流示意图当涡轮的转速接近泵轮转速时，环流速度就升高，而涡流速度则降低。因而从涡轮转轮流至定轮的液流与泵轮的转动方向是一致的。如图 2-10 所示，由于这时变速器油液冲击定轮叶片的背面，使定轮叶片对液流起阻挡作用。在这种情况下，单向离合器使定轮与泵轮同方向转动，从而使液流返回至泵轮。图 2-10 涡轮与泵轮转速接近时变矩器的液流示意图如上所述，当涡轮转速达到泵轮转速的某一给定比例时，定
10、轮就开始与泵轮同一方向转动。这就是变矩器的工作点，也称为耦合点。在达到耦合点以后，扭矩成倍放大效应不再发生，变矩器也仅起到普通液力变矩器的作用。三、液力变矩器的性能1、扭矩比如前所述，变矩器扭矩的成倍放大与涡流成比例增大。即在涡轮转轮停转时，扭矩达到最大。如图 2-11 所示，变矩器的工作分为两个区域：一个是变矩区，扭矩成倍放大；另一个是耦合区，只传递扭矩而无扭矩放大。耦合器工作点就是这两个区域的分界线。图 2-11 液力变矩器工作图图中：扭矩比（t）= 泵 轮 输 入 扭 矩涡 轮 输 出 扭 矩转速比（e）= 泵 轮 转 速涡 轮 转 速失速点是指涡轮停转，或转速比（e）为零时的定轮状态。
11、变矩器的最大扭矩比就在失速点，通常在 1.72.5 之间。在失速点（例如，当换挡杆置于“D ”挡位而车辆被阻止前进时） ，泵轮与涡轮之间的转速差达到最大。在以后要介绍的失速测试中，变矩器性能与发动机输出功率测试是在失速点将发动机节气门全开（满负荷）的情况下进行的。当涡轮开始转动，转速比上升时，涡轮与泵轮之间的转速差开始下降。当转速比达到某一规定值时，涡流变得最小，因而扭矩比几乎为 1:1。由于从涡轮转轮流出的液流以较高速比冲击定轮叶片的背后，单向离合器就使定轮与泵轮同向转动。换言之，变矩器在耦合工作点时，开始起一台液力耦合器的作用，防止扭矩比降至 1 以下。2、传动效率变矩器的传动效率是指泵轮
12、得到的能量传递至涡轮的效率，它与转速比（e）的关系如图 2-12 所示。图 2-12 液力变矩器传动效率与转速比的关系这里所说的能量是指发动机本身的输出功率，与发动机的转速和扭矩成正比。传动效率（n）= 100%泵 轮 输 入 功 率涡 轮 输 出 功 率= 转速比（e）100%泵 轮 输 入 扭 矩涡 轮 输 出 扭 矩在失速点时，泵轮转动而涡轮停住不转，这时传递到涡轮的是最大扭矩，而传动效率却为零。当涡轮开始转动时，随着其转速升高，涡轮输出功率增大，传动效率激增。在转速比达到耦合点前少许时，传动效率达到最大值，其后又开始下降，这是因为从涡轮转轮流出的部分油液开始流到定轮叶片背面。在达到耦合
13、点时，来自涡轮转轮的液流，大部分冲击定轮叶片背面，定轮开始转动，使传动效率不致进一步下降，变矩器则开始如同一台液力耦合器一样发挥作用。由于扭矩在液力耦合器中是以接近 1:1 传递的，在耦合区内的传动效率与转速比成正比例地直线上升。但由于液流的摩擦及撞击，使液流温度也上升，液流的循环又使部分动能被消耗。所以，变矩器的传动效率不可能达到 100，通常仅为 95左右。四、液力变矩器的运作液力变矩器在换挡杆位于“D ”（前进挡） “2”、 “L”（低速挡）或“R” （倒挡）挡位时工作情况，简述如下：1、车辆停住，发动机怠速运转发动机怠速运转时，自身产生的扭矩最小。若使用了制动器停车（手制动或脚制动）
14、，此时涡轮上的载荷最大，这是因为涡轮无法转动。但是，由于车辆停住时，涡轮与泵轮的转速比为零，而扭矩比却最大。所以涡轮总是随时准备以大于发动机所产生的扭矩转动。2、车辆启动时当制动器松开时，涡轮就能与变速器输入轴一起转动。当踩下加速踏板时，涡轮就以大于发动机所产生的扭矩转动，车辆开始前进。3、车辆低速行驶时随着车速的提高，涡轮的转速迅速接近泵轮的转速，从而使扭矩比也迅速接近 1.0。当涡轮与泵轮的转速比接近某一值（耦合器工作点）时，定轮开始转动，扭矩成倍放大效应下降。换言之，变矩器开始只作为一台液力耦合器工作。所以，车速几乎与发动机转速成正比例地直线上升。4、车辆以中、高速行驶时这时，变矩器仅仅
15、起到一台液力耦合器的作用。涡轮以与泵轮几乎一样的转速转动。 值得注意的是，在车辆正常启动的过程中，变矩器在车辆起步 23 秒后达到耦合点。但是如果载荷太大，即使车辆中、高速行驶，变矩器也有可能在变矩区内工作。五、锁止离合器在耦合区（即没有扭矩成倍放大的情况） ，变矩器以接近 1:1 的比例将来自发动机的输入扭矩传递至变速器。但在泵轮与涡轮之间存在着至少 45的转速差。所以，变矩器并不是将发动机的动力 100地传递至变速器，而是有一定的能量损失。为了防止这种现象发生，也为了降低油耗，当车速在大于 60km/h 时，锁止离合器会通过机械机构将泵轮与涡轮相连接。这样，使发动机产生的动力几乎 100地
16、传递至变速器。如图 2-13 所示，锁止离合器装在涡轮转轮毂上，位于涡轮转轮前端。减振弹簧在离合器接合时，吸收扭力，防止产生振动。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。图 2-13 锁止离合器脱开时的液流示意图锁止离合器的接合和分离由变矩器中的液压油的流向改变来决定，其工作过程如下：1、离合器分离时当车辆低速行驶时，由继动阀控制（阀的工作在本章第四节讲述）的油液流动方向如图 2-13 所示。加压油液流至锁止离合器的前端，锁止离合器前端及后端的压力就变得一样，锁止离合器处于脱开状态。这时由于变矩器内油液因涡流产生大量热量，流出变矩器的油液要经冷却器冷却后再送回
17、变速器。2、离合器接合时当车辆以中高速（50km/h）行驶时，继动阀控制（阀的工作在本章第四节讲述）的油液流动方向如图 2-14 所示，加压油液流至锁止离合器的后端。这时，变矩器壳体受到锁止活塞挤压，从而使锁止离合器和前盖一起转动，即锁止离合器接合。由于这时泵轮与涡轮转轮转速差为零，没有涡流产生，因而油液在变矩器内产生的热量很小，流出变矩器的油液不需要冷却，直接流回变速器。图 2-14 锁止离合器接合时的液流图锁止离合器分离或接合时的动力传输过程框图见图 2-15。分离接合图 2-15 液力变矩器动力传输过程图第三节 行星齿轮变速机构利用行星齿轮系统进行传递动力和变速，具有体积小、结构简单、操
18、纵容易和变速比大等优点，所以，行星齿轮系统在丰田自动变速器中得到广泛应用。一、单排行星齿轮组变速原理图 2-16 是单排行星齿轮组结构图。单排行星齿轮组由太阳轮、行星架和齿圈 3 个基本零件构成，另外还有安装在行星架上的行星小齿轮。工作时，行星小齿轮除绕行星小齿轮轴自转外，同时还要绕太阳轮公转，行星小齿轮的这种运动形式与太阳系行星的运动相似，所以称行星齿轮系统。动力输入泵轮转轮锁定离合器涡轮动力输出图 2-16 单排行星齿轮组结构图工作时，太阳轮、行星架和齿圈三者具有同一旋转轴线，将三者中的任一个构件与主动轴相连，作为输入件，第二个构件与被动轴相连作为输出件，第三个构件被强制固定（简称制动）
19、，就能够实现动力传递，这种连接与制动可有 6 种不同的组合方案。将任意二个构造锁成一体，各齿轮间均无相对运动，整个行星齿轮组成整体旋转作直接传动。三个构件中，既无任何一个构造固定，也无任何两个构件被锁成一体，各构件都可以自由转动，输入轴转动时，输出轴可以不动，这种情况行星齿轮组不传递动力，从而得到空挡。所以，包括直接传动和空挡在内，单个行星齿轮组可以得到 8 种不同的传动方案。1、传动比行星齿轮组传动比的计算公式如下：传动比= 主 动 件 齿 数被 动 件 齿 数由于行星小齿轮总是作为惰轮工作，行星小齿轮齿数不影响行星齿轮组的传动比。所以，行星齿轮组的传动比是由太阳轮、行星架和齿圈的齿数决定的
20、。由于行星架并非齿轮，没有轮齿，其齿数是虚拟的，并可用下式计算得出：行星架齿数（Z C）=太阳轮齿数（Z S）+齿圈齿数（Z R）可以看出，太阳轮齿数（Z S）最小，齿圈齿数（Z R）居中，虚拟的行星架齿数（Z C）最多。从传动比的计算公式可知，用齿数小的构件做主动件，传动比大于 1，获得的是减速传动；用齿数多的构件做主动件，传动比小于 1 获得的是增速传动。所以，在行星齿轮组中，用太阳轮做主动件获得的总是减速传动，用行星架做主动件获得的总是增速传动。下面假定太阳轮齿数（Z S）为 24，齿圈齿数（Z R）为 56，行星架齿数（Z C=ZS+ZR）为80，计算行星齿轮组各种组合方案的传动比。2
21、、减速传动如图 2-17 所示，太阳轮固定，齿圈输入，行星架输出。当齿圈顺时针转动时，行星轮则围绕太阳轮顺时针转动。这样，行星架就获得了与齿圈相同转向的减速运动。图 2-17 单排行星齿轮组减速传动示意图传动比= 429.15680)(RCZ齿 圈 齿 数行 星 架 齿 数同样，齿圈固定，太阳轮输入，行星架输出，这种方案能获得太阳轮和行星架相同转向的减速传动，其传动比的计算如下式：传动比= 3.2480)(SCZ太 阳 轮 齿 数行 星 架 齿 数3、增速传动如图 2-18 所示，太阳轮固定，行星架输入，齿圈输出。当行星架顺时针方向转动时，行星小齿轮就围绕太阳轮顺时针方向转动，这样，齿圈就获得
22、了与行星架相同转向（顺时针）的增速运动，其传动比的计算如下式：传动比= 7.0856)(CRZ行 星 架 齿 数齿 圈 齿 数同样，齿圈固定，行星架输入，太阳轮输出，这种方案能获得太阳轮和行星架相同转向的增速传动，其传动比的计算如下式：传动比= 3.0824)(CSZ行 星 架 齿 数太 阳 轮 齿 数4、倒挡传动如图 2-19 所示，行星架固定，太阳轮输入，齿圈输出。当太阳轮顺时针转动时，固定在行星架上的行星小齿轮就逆时针转动，结果齿圈获得与太阳轮相反转向（逆时针方向）的减速运动，其传动比的计算如下式：传动比= -2.3332456)(SRZ太 阳 轮 齿 数齿 圈 齿 数式中：“-”号表示
23、太阳轮和齿圈转动方向相反同样，行星架固定，齿圈输入，太阳轮输出，这种方案太阳输和齿圈的转动方向也相返，不过其传动是增速传动，传动比的计算如下式：传动比= 429.0563)(RSZ齿 圈 齿 数太 阳 轮 齿 数式中：“-”号表示太阳轮和齿圈转动方向相反图 2-18 单排行星齿轮组增速传动示意图 图 2-19 单排行星齿轮组倒挡传动示意图综上所述，单个行星齿轮组的工作情况可概括成表 2-2。从表中可以看出，行星架分别作为输入件，输出件，固定件，单个行星齿轮组可以依次得到增速传动、减速传动和倒挡传动。表 2-2 单个行星齿轮组的传动方案传动形式 输入件 固定件 输出件 传动比齿圈 太阳轮 ZC/
24、ZR1.429减速传动太阳轮 齿圈 行星架 ZC/ZS3.333太阳轮 齿圈 ZR/ZC0.7增速传动 行星架齿圈 太阳轮 ZS/ZC0.3太阳轮 齿圈 - ZR/ZS-2.333倒挡传动齿圈 行星架 太阳轮 - ZS/ZR-0.429备注：（1）假定太阳轮齿数（Z S）为 24，齿圈齿数（Z R）为 56，则行星架齿数（Z C=ZS+ZR）为 80。（2）传动比项目中的负号（“-” ）表示太阳轮和齿圈转动方向相反。二、3 速行星齿轮机构丰田汽车自动变速器，采用辛普森（Simpson）行星齿轮机构，即两套单排行星齿轮排列在同一轴上。根据这两套齿轮在变速器中的位置，分别称作“前行星齿轮组”和“后
25、行星齿轮组” 。这二套齿轮组由单个太阳轮连接起来，加上控制其转动的制动器和离合器，以及传递扭矩的轴承和轴，组合起来就构成 3 速行星齿轮机构，即有三个前进挡和一个倒挡。图 2-20 是典型的 3 速行星齿轮机构。中间轴主动齿轮，相当于前置发动机后轮驱动车辆变速器的输出轴，通过花键与中间轴连接，与中间轴被动齿轮啮合；前后太阳轮作一个整体转动，中间轴从轴心穿过。前行星架和后行星齿圈，各自通过花键与中间轴连接。下面先介绍 3 速行星齿轮机构的换挡执行元件，然后再介绍其工作过程。图 2-20 丰田 3 速行星齿轮机构结构图1、换挡执行元件的工作过程（1）离合器的工作过程。丰田汽车自动变速器采用多片摩擦
26、式离合器，离合器片上贴有纸基摩擦材料，它具有磨损小，使用中不需要调整，传递扭矩的容量大等特点。离合器的接合如图 2-21 所示。当加压油液流至活塞缸，就推动活塞止逆球，使其关闭单向阀。此时，缸内压力升高，活塞向左运动，迫使离合器片接触离合器盘。由于离合器片与离合器盘之间的巨大摩擦力，使驱动侧盘与离合器从动盘以相同速度转动。这样，离合器接合，输入轴与齿圈连接，动力从输入轴传送到齿圈。图 2-21 离合器接合状态示意图离合器的分离如图 2-22 所示。当加压的液压传动装置卸压时，液压缸内的油液压力下降，这就使得止逆球因离心力的作用而离开底座，液压缸内的油液经单向阀流出。此时，由于回位弹簧的作用，活
27、塞又返回到原位，使离合器分离。图 2-22 离合器分离状态示意图3 速行星齿轮机构使用 2 个离合器（C 1 和 C2） 。如图 2-23 所示，离合器 C1 接合时，动力从输入轴传递至齿圈。如图 2-24 所示，离合器 C2 接合时，动力从输入轴传 递至太阳轮。如图 2-25 所示，离合器 C1 和 C2 同时接合，太阳轮和齿圈均与输入轴固 定连接，实现动力从输入轴到与行星架花键连接的中间轴直接传递。图 2-23 离合器 C1 工作时动力传输图图 2-24 离合器 C2 工作时动力传输图图 2-25 离合器 C1 和 C2 同时工作时动力传输图（2）制动器（B 1、B 2 和 B3） 。制动
28、器有两种类型：带式制动器和多片湿式制动器。3 速行星齿轮机构中的 B1 制动器采用带式制动器。而 B2 和 B3 采用多片湿式制动器。不过，在有些自动变速器中， B1 制动器也采用多片湿式制动器。1）带式制动器（B1）如图 2-26 所示，制动带缠于制动鼓的外缘上。制动带的一端用一锁销固定在变速器的壳体上，而另一端与液压操纵的制动分泵活塞相接触。制动分泵活塞压缩内弹簧，在活塞连杆上运动。为了使制动带和制动鼓之间的间隙能够调整，有二种长度的活塞连杆供选择。图 2-26 带式制动器的工作图如图 2-26 所示。当油压力施加在活塞上时，活塞就移至活塞缸的左边，压缩外弹簧，活塞连杆随同活塞移至左边，推
29、动制动带的一端。由于制动带的另一端固定在变速器壳体上，制动带的直径就变小，箍紧在制动鼓上，使之无法转动。这时，在制动带与制动鼓之间产生很大的摩擦力，使行星齿轮组中与制动鼓固定连接的元件无法转动。当活塞中的加压液体流出时，活塞和活塞连杆由于外弹簧的弹力而被推回，制动鼓就由制动带松开。内弹簧有两个功能：一个是吸收制动鼓的反作用力；另一个是减少制动带箍紧制动鼓时所产生的振动。如图 2-27 所示。当制动鼓高速转动时，制动带要箍紧它，就会受到一反作用力。若活塞与活塞连杆制成一整体，由于反作用力的作用，活塞会产生振动。为避免这种情况，活塞通过一内弹簧与活塞连杆相连。当制动带受到反作用力时，活塞连杆被推回
30、，压缩内弹簧，以吸收此反作用力。图 2-27 内弹簧的减振工作图当活塞缸内油压力上升时，活塞与活塞连杆进一步压缩外弹簧，并在活塞缸内运动，使制动带收缩，从而均匀地箍紧制动鼓。当活塞缸内油压进一步上升，而活塞连杆在活塞缸内无法再运动时，只有活塞运动，压紧内、外弹簧。当活塞开始接触活塞连杆垫圈时，活塞直接推动活塞连杆，制动带便以更大的压力箍紧制动鼓。2）多片湿式制动器（B 2 和 B3）的结构和离合器（C 1 和 C2）相似，所不同的是制动片固定在变速器壳体上。制动器 B2 通过 1 号单向离合器防止前后太阳轮逆时针转动。制动器B3 用以防止后行星齿轮架的转动。如图 2-28 所示，当制动器活塞缸
31、受到油压作用时，活塞在活塞缸内运动，使制动片与制动盘相互接触。结果，在每个制动片与制动盘之间产生很大的摩擦力，使行星齿轮架锁定在变速器壳体上。当加压油液被排出活塞缸时，由于回位弹簧的作用，活塞退回至原位，使制动器松开。图 2-28 多片式制动器的结构运作图在 A40 和 340 系列自动变速器中，有一个由外活塞和内活塞构成的双活塞型离合器（C 2）和制动器（B 3） ，用以缓冲离合器或制动器接合时产生的振动。如图 2-29 所示，首先向小直径的内活塞施加油压，使盘和片接合少许，然后外活塞开始运作，施加较大油压。这样，内活塞产生的较小压力，再加上外活塞产生的较大压力，使盘和片完全接合。由于作用在
32、离合器或制动器的压力被分为两个阶段施加，从而缓冲了离合器或制动器接合时产生的振动。图 2-29 双活塞型离合器（或制动器）运作图在制动器 B2、B 3 的活塞中与离合器 C1、C 2 不一样，它没有止逆球。这是因为当油压卸压时，由于离心力的作用，没有油液留在活塞缸中。因此，即使没有止逆球，液压油也能迅速地被排出。离合器 C1、C 2 和制动器 B2、B 3 的情况一样，盘数和片数随自动变速器型号而异。即使是同一型号的自动变速器，由于配套的发动机不同，其盘和片的数目也可能不同。在更换新的离合器片、制动器片或制动带时，要先将其浸泡在自动变速器油中 15min以上，使摩擦材料（纸底板）充分膨胀。（3
33、）单向离合器（F1 及 F2） 。单向离合器的结构和工作原理在本章的第二节中已作介绍。1 号单向离合器（F 1）通过制动器 B2 运作，以防止前后中心齿轮逆时针转动。 2 号单向离合器的外座圈固定在变速器壳体上。后行星齿轮架（内座圈）逆时针转动时，被外座圈锁住；后行星轮架顺时针转动时，则可以自由转动。所以，2 号单向离合器（F 2）可防止后行星齿轮架逆时针转动。对于为什么要设置单向离合器 F1 和 F2，将在本节中介绍。2、换挡工作过程图 2-30 是 3 速行星齿轮机构示意图。表 2-3 是各换挡执行元件的功能。表 2-4 是离合器、制动器在各挡位时的工作情况。现将各挡位的传动路线叙述如下。
34、图 2-30 3 速行星齿轮机构表 2-3 3 速行星齿轮机构换挡执行元件的功能执行元件 功能前进挡离合器（C 1） 连接输入轴与前齿圈直接挡离合器（C 2） 连接输入轴与前后太阳轮第 2 挡滑行制动器（B 1） 锁定前后太阳轮，使之既不能顺时针也不能逆时针旋转第 3 挡制动器（B 2） 锁定前后太阳轮，使之在制动器工作时不能逆时针旋转第 1 挡及倒挡制动器（B 3） 锁定后行星齿轮架，使之既不能顺时针也不能逆时针旋转1 号单向离合器（F 1） 在 B2 工作时，锁定前后太阳轮，使之不能逆时针旋转2 号单向离合器（F 2） 锁定后行星齿轮架，使之不能逆时针转动表 2-4 3 速行星齿轮机构换挡
35、执行元件的工作状况换挡杆位置 挡位 C1 C2 B1 B2 F1 B3 F2P 驻车挡R 倒挡 N 空挡D，2 第 1 挡 D 第 2 挡 D 第 3 挡 2 第 2 挡 L 第 1 挡 ：工作（1）D1 挡和 21 挡。如图 2-31 所示，前进挡离合器 C1 接合，输入轴的转动传送至前行星齿圈，使前行星小齿轮在顺时针旋转时，前行星架绕前太阳轮顺时针转动。由于前行星架与中间轴相连，其转动受阻力作用，使动力传给前后太阳轮，使前后太阳轮逆时针转动。而前后太阳轮又使后行星小齿轮绕后太阳轮逆时针方向转动。但是，后行星齿轮架被 2 号单向离合器（F 2）阻止，不能逆时针转动。所以后行星小齿轮顺时针方向
36、转动，使后行星齿圈也顺时针转动。与此同时，前行星小齿轮在顺时针转动时，使前行星架也顺时针转动。由于后行星齿圈和前行星架均通过花键与中间轴连接，中间轴也作顺时针转动，其动力传递路线如图 2-32 所示。图 2-31 D1 挡和 21 挡传动原理图图 2-32 D1 挡和 21 挡驱动功率传输路线（2）D2 挡。如图 2-33 所示，前进挡离合器（ C1）接合，输入轴的转动传送至前行星齿圈，使前行星小齿轮既顺时针旋转，同时又绕前太阳轮顺时针转动。这使前行星架也跟着顺时针转动，由于前行星架与中间轴相连，其转动受到阻力作用，这样，前行星小齿轮的转动会力图使前后太阳轮逆时针转动。但是，由于前后太阳轮被第
37、 2 挡制动器（B 2）和 1 号单向离合器（F 1）阻止，不能逆时针转动。于是，前行星小齿轮绕太阳轮以比 D1 挡更高的速度旋转。这一提高的速度，经前行星架传送至中间轴输出，其动力传递路线如图 2-34 所示。图 2-33 D2 挡传动原理图图 2-34 D2 挡驱动功率传输路线（3）D3 挡。如图 2-35 所示，前进挡离合器（ C1）以及直接挡离合器（C 2）都接合。输入轴的转动既通过 C1 直接传送至前行星齿圈，又通过 C2 直接传送到前后太阳轮，从而使前行星齿圈与前后太阳轮作同速、同方向的转动。这样，前行星小齿轮被锁住，前行星齿轮机构与输入轴连成为一体旋转，动力从前行星架传递至中间轴
38、输出，其传递路线如图 2-36 所示。与此同时，第 2 制动器（B 2）也在工作，但由于 1 号单向离合器（F 1）也工作，使前后太阳轮继续作顺时针转动。其动力传输路线如图 2-36 所示。图 2-35 D3 挡传动原理图图 2-36 D3 挡驱动功率传输路线（4）22 挡（发动机制动） 。当车辆的换挡杆位于“2”挡位，以 2 挡减速行驶时，第 2 挡滑行制动器（B 1）便立即工作。同时工作的还有当换挡杆位于“D ”挡位，车辆以 2 挡行驶时工作的机构 即前进挡离合器（C 1） 、1 号单向离合器（ F1）及第 2 挡制动器（ B2） 。这样就可以实现发动机制动。如图 2-37 所示，当变速器
39、的换挡杆在 “2”挡位时，驱动车轮的动力传递路径与换挡杆在“D”挡位是相同的。但是，当变速器被车轮驱动（出现发动机制动）时，中间轴的输入传递至前行星架，从而使前行星小齿轮绕前后太阳轮顺时针旋转。由于前后太阳轮被第 2 挡滑行制动器（B 1）制动而不能转动，从而使前行星轮顺时针旋转，前行星齿圈也顺时针转动。这样，车轮旋转力被传递至输入轴带动发动机转动，从而实现发动机制动。图 2-37 22 挡发动机制动（时）传动原理图换挡杆置于“2”挡位，变速器驱动车辆行驶时，其传输路径与换挡杆置于“D”挡位时相同；但在变速器由车轮驱动时（发动机制动） ，来自中间轴的输入传递至前行星架，通过输入轴驱动发动机，从
40、而实现发动机制动，其动力传递路线如图 2-38 所示。图 2-38 22 挡发动机制动时制动力传输路线当换挡杆置于“D”挡位，车辆在第 2 挡减速行驶时，由于 1 号单向离合器（F 1）并不阻止前后太阳轮顺时针转动，于是太阳轮空转。由于此时行星齿轮机构中没有固定件，处于空挡位置，不能传递动力。这样车辆行驶时就不会出现发动机制动。（5）L1 挡（发动机制动） 。车辆的换挡杆位于“L” ，以 1 挡前进时，第 1 挡和倒挡制动器（B 3）工作。同时工作的还有当换挡杆位于“D”或 “2”挡位时车辆行驶工作的机构（即前进挡离合器 C1，2 号单向离合器 F2） 。这就实现了发动机制动。在换挡杆置于“L
41、”挡位，变速器驱动车轮时，其驱动力传递路线与换挡杆置于“D”或“2”挡位时相同。但在变速器受车轮驱动（发动机制动）时（如图 2-39 所示） ，驱动力由中间轴传至后行星齿圈，使后行星小齿轮（后行星架）要绕前、后太阳轮顺时针转动。但由于后行星架被第 1 和倒挡制动器 B3 制动阻止，不能转动，后行星小齿轮就作顺时针旋转，而前、后太阳轮则逆时针转动。结果，前行星小齿轮既绕前、后太阳轮顺时针转动，同时又绕各自轴线顺时针转动。这样，就将顺时针转动传送到前行星齿圈与输入轴。与此同时，中间轴的转动使前行星架顺时针旋转，也使前行星齿圈和输入轴顺时针方向转动，而前行星小齿轮也顺时针转动。这样，当换挡杆置于“L
42、”挡位，车辆在第 1 挡减速行驶时，便会出现发动机制动，其驱动力传递路线如图 2-40 所示。图 2-39 L1 挡发动机制动传动原理图图 2-40 L1 挡发动机制动时制动力传输路线当换挡杆置于“D”或“ 2”挡位，车辆在第 1 挡减速行驶时，2 号单向离合器（F 2）并不阻止后行星架顺时针转动，后行星架空转。所以，这时便不会出现发动机制动。（6）R倒挡。如图 2-41 所示，当车辆倒挡行驶时，直接挡离合器 C2 工作，输入轴的顺时针转动直接传送至前后太阳轮。所以，前后太阳轮顺时针转动。这样，后行星小齿轮一面逆时针转动，一面要绕前后太阳轮顺时针方向转动。但由于后行星架被第 1 挡和倒挡制动器
43、（B 3）制动，不能转动。所以，后行星小齿轮也不能绕前后太阳轮转动，只能逆时针旋转。这样就使后行星齿圈也逆时针转动。结果，中间轴随后行星齿圈一起逆时针转动，驱动车轮倒转，其动力传动路线如图 2-42 所示。图 2-41 R 挡传动原理图图 2-42 R 挡驱动力传输路线（7）P驻车和 N空挡。当换挡杆置于“N”或“P ”挡位时，由于前进挡离合器（C 1）与直接挡离合器（C 2）不工作，所以，来自输入轴的输入并不传递至中间轴输出，自动变速器处于空挡状态。另外，当换挡杆置于“P”挡位时，驻车锁定爪便与中间轴主动齿轮啮合，而差速器主动小齿轮轴又与中间轴主动齿轮花键连接，从而阻止车辆移动。驻车锁定机构
44、如图 2-43所示。FR（前置发动机、后轮驱动）车辆驻车锁定机构如图 2-44 所示，当自动变速器换挡杆置于“P”挡位时，驻车锁爪便和前行星齿圈啮合，而前行星齿圈又与输出轴花键连接，从而阻止车辆的移动。图 2-43 前轮驱动车辆驻车锁定机构 图 2-44 后轮驱动车辆驻车锁定机构三、超速挡行星齿轮机构3 速自动变速器添置一个行星齿轮组，就成为 4 速自动变速器，即增加了一个超速挡。车辆超速行驶时，输出轴的转速大于输入轴转速，即传动比小于 1.0。超速挡通常是在车辆轻载（即无需较大扭矩）行驶、车速超过 40km/h 时使用，可降低所需发动机转速。图 2-45 是丰田 A140 系列自动变速器的结
45、构原理示意图。超速挡行星齿轮机构安装在3 速行星齿轮机构后部。超速挡行星齿轮机构是由一个简单行星齿轮组、一个固定太阳轮的超速挡制动器 B0、一个连接太阳轮与行星架的超速挡直接离合器 C0、一个超速挡单向离合器 F0 等组成。各换挡元件的功能如表 2-5 所示；离合器及制动的工作情况如表 2-6 所示。图 2-45 丰田 A140 系列自动变速器结构原理示意图表 2-5 丰田 A140 系列自动变速器各元件的功能名称 功能超速直接挡离合器（C 0） 连接超速挡行星齿轮架与太阳轮前进挡离合器（C 1） 连接输入轴与前齿圈直接挡离合器（C 2） 连接输入轴与前后太阳轮超速挡制动器（B 0） 锁定超速
46、挡太阳轮，使之既不能顺时针，也不能逆时针转动第 2 挡滑行制动器（B 1） 锁定前后太阳轮，使之既不能顺时针也不能逆时针转动第 2 挡制动器（B 2） 锁定前后太阳轮，使之在 F1 运作的同时，不能逆时针转动第 1 挡及倒挡制动器（B 3） 锁定后行星齿轮架，使之既不能顺时针也不能逆时针转动超速挡单向离合器（F 0） 锁定超速挡行星齿轮架，使之不能绕太阳轮逆时针转动1 号单向离合器（F 1） 在 B2 运作时，锁定前后太阳轮，使之不能逆时针方向转动2 号单向离合器（F 2） 锁定后行星齿轮架，使之不能逆时针转动表 2-6 丰田 A140 系列自动变速器各元件的运作换挡杆位置挡位 C0 F0 C
47、1 C2 B0 B1 B2 F1 B3 F2P 驻车挡 R 倒挡 N 空挡 D，2 第 1 挡 D 第 2 挡 D 第 3 挡 D 超速挡 2 第 2 挡 L 第 1 挡 ：运作当车辆不在超速挡行驶时，C 0接合，超速行星齿轮组成为一体同向转动，如同一个直接传动机构，将输入功率（转速及扭矩）照原样输出。当车辆在超速挡行驶时，如图 2-46 所示，超速挡制动器 B0 锁定超速太阳轮。所以当超速挡行星架顺时针转动时，超速挡齿圈在超速挡行星轮的驱动下顺时针转动，并且其转速要比超速挡行星架快，其传动路线如图 2-47 所示。图 2-46 超速挡传动原理图图 2-47 超速挡驱动功率传输路线四、单向离合
48、器的作用行星齿轮机构中的单向离合器的作用，是保证变速器换挡时平滑。如图 2-48 所示，当自动变速器位于第 3 挡时，B 2 虽然工作，但对动力的传输不起任何作用，但此时 B2 的工作是有实际意义的。例如，如果 B2 在第 3 挡不工作，当自动变速器从第 3 挡降至第 2 挡时，在 C2 上的油压卸下的一瞬间，有必要将油压施加至 B2 上。但要使这两个步骤同时运作是很困难的，而且那怕是少许正时误差，都会产生换挡振动，为了避免这种情况发生，在第 3 挡就将油压施加在 B2 上，当换低挡至第 2 挡时，单向离合器立即工作，施加到 C2 的油压同时被释放。相反，施加至 C2 的油压使 C2 工作，前
49、后太阳轮顺时针转动，单向离合器 Fl 马上松开。图 2-48 第 3 挡的传动原理和单向离合器 F1 的作用如上所述，由于应用了单向离合器，施加油压至一离合器或制动器，或者从离合器或制动上卸下油压进行换挡，就成为可能了。是否有发动机制动功能，取决于功率传递路线中有无单向离合器，如果没有单向离合器，就有发动机制动功能；如果有单向离合器，从中间轴传出的功率，就不会传至发动机，因而没有发动机制动功能。由于应用了单向离合器，使功率无法从驱动轮传送至发动机，即单向离合器使发动机没有制动功能。为了弥补这一点，使发动机在 L 挡和 D2 挡都具有制动功能，C 0 并联F0，B 3 并联 F2，B 1 并联 F1 加 B2 都是必要的。如果变速器的设计不需要考虑换挡振动，F 0、F 1 和 F2 就都不必要了。仅有B0、C 0、C 1、C 2 和 B3 就够了。五、自动换挡图自动变速器的换挡是根据车速和发动机负荷自动实现的。换挡实现的点称为换挡点。每种车型的换挡点以一固定车速表示。这一
