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自动变速箱维修

AT自动变速箱原理

今天来聊聊AT自动变速箱的工作原理吧。

这边先讲一个小故事。虽然手动变速箱的结构与双离合DCT变速箱最接近。但是第一款能够自动换挡、不需要离合踏板的变速箱则是AT自动变速箱。这也是这个名词的由来。

AT自动变速箱原理(图1)

↑Hydra-Matic自动变速箱应用在凯迪拉克的车型中(来自通用汽车)


虽然早在1908年福特T型车就引入了两挡自动变速箱,但AT自动变速箱的真正商用来自通用汽车为二战坦克M24研发的Hydra-Matic自动变速箱。该变速箱在战后1947年被成功应用在凯迪拉克的车型中。能够自动换挡不用踩离合成为高端车型的一大卖点。Hydra-Matic自动变速箱也奠定了现代AT自动变速箱的雏形。

AT自动变速箱原理(图2)

↑1947年通用集团Hydra-Matic自动变速箱(来自通用汽车)


AT自动变速箱包含两大特征部件

1. 液力耦合器

2. 行星齿轮组


液力耦合器

AT自动变速箱原理(图3)

↑液力耦合器结构示意图(来自大众自学教材SSP)

AT自动变速箱能够取代人完成换挡和踩离合的过程可以说最大的功臣就是液力耦合器。它就像两个相对的电风扇。一侧通电旋转后,气流会带动另一侧跟着旋转。这种允许转速差的动力传递方式完美解决了换挡后如何进行转速同步的问题。在早期电控技术不成熟的条件下,液力耦合器帮助AT自动变速箱成功绕开了最大的技术难点。同时还引入了AT自动变速箱新的优势。那就是转速差越大扭矩越大。使AT自动变速箱在车辆起步时可提供非常大的起步扭矩。


液力耦合器视频

行星齿轮组

AT自动变速箱原理(图4)

↑行星齿轮组拆解照片(来自大众自学教材SSP)

之前小星介绍的手动变速箱和双离合DCT变速箱都使用平行多轴组成的齿轮组。不同挡位的选择通过犬牙离合器Dog-Clutch完成。而AT自动变速箱的推出为了避免使用犬牙离合器这种对电控精度要求较高的执行器,创新的引入了行星齿轮组。行星齿轮组最大的特点就是输入轴和输出轴都是同轴的。相应的采用对电控要求较低的多片离合器作为执行器。

AT自动变速箱原理(图5)

↑行星齿轮组结构示意图,左普通型,右双小齿轮型(来自大众自学教材SSP)

行星齿轮组就像今天的太阳与地球的行星系统一样。中心轴为太阳轮,外部由行星齿轮环绕。为了固定绕太阳轮旋转的行星齿轮,行星架一头作为支架承载行星齿轮,一头进行同轴动力传输。而行星齿轮的最外圈就是内齿轮(也称齿圈)。为了提升动力传输能力,有些行星齿轮组变形为两组小齿轮相互传输动力。一组与太阳轮接触,另一组与内齿圈接触。它被称为双小齿轮行星齿轮组。

AT自动变速箱原理(图6)

↑多片离合器执行器结构示意图(来自BOSCH教科书)

为了用行星齿轮组制造出多个不同挡位,多片离合器在此作为执行器。通过离合器来控制太阳轮,行星架和内齿圈的旋转还是停止形成不同齿比。当多片离合器用来锁止(轴与变速箱壳体静止)时称为制动器Brake。用来轴与另一个轴共同旋转时称为离合器Clutch。

AT自动变速箱原理(图7)

↑复合行星齿轮组结构示意图,左共齿圈,右共太阳轮(来自BOSCH教科书)

同时为了在扩大挡位组合简化结构缩小变速箱体积。前人想出了复合行星齿轮组的方法。复合行星齿轮组就是通过结构整合的手段,在一个机构中制造多个行星齿轮组。常用的有共用太阳轮,而分别有两套行星齿轮(行星架)和内齿圈的方案。以及共用内齿圈,而分别有两套行星齿轮(行星架)和太阳轮的方案。


AT自动变速箱视频

3. 实例分析

AT自动变速箱原理(图8)


↑大众6速横置AT自动变速箱,左原理图,右结构示意图(来自大众自学教材SSP)

由于大众集团在国内的销量巨大,因此我们以大众使用的6速横置AT变速箱作为例子分析一下结构。由左至右,分别是连接发动机的液力耦合器。然后紧贴着的是机油泵。之后动力传输至第一个行星齿轮组。如之前提到的,它由太阳轮S1,行星齿轮P1,行星架PT1和内齿圈H1组成。而变速箱的右侧是一组复合行星齿轮组。两个行星齿轮组共用内齿圈H2,而分别有两个行星齿轮P2/P3,行星架PT2和太阳轮S2/S3。通过不同多片离合器组成的制动器B1/B2和离合器K1/K2/K3来组合出6个前进档/1个倒挡。


4. Tiptronic变速箱控制策略



AT自动变速箱原理(图9)

↑Tiptronic换挡策略流程图(来自BOSCH教科书)

大家对大众AT变速箱的了解很多都开始于一个名字Tiptronic。实际上这个名字代表的不是一个机械结构,而是一种变速箱控制策略。它最早起源于保时捷对跑车AT变速箱申请的控制策略专利。其特色就是赋予AT自动变速箱不同驾驶模式以及手动加减挡功能。在收集车辆状态(油门,发动机转速,车速,加速度)的前提下,最上层换挡策略按照换挡模式匹配换挡特性曲线。第2层则按车辆状态(过弯或雪地)进行短时瞬态响应。最底层则可按照发动机转速极限对手动加减档进行响应。


以上,介绍了AT自动变速箱原理。它是最早的自动变速箱类型。并且一如既往的提供舒适平顺的换挡体验。与大排量发动机匹配也堪称完美。不过它也正进行着变革来满足油耗要求。希望这个简单介绍为大家了解AT自动变速箱有所帮助。

参考文献和扩展阅读:

BOSCH教科书—BOSCH传统动力传动系统和混合动力驱动系统


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