5速AT变速器操纵机构的设计

西南大学本科毕业论文（设计）

5速AT变速器操纵机构的设计

熊亮

西南大学工程技术学院，重庆 400716

摘要：随着时代的进步、科技的进步，在现代汽车中自动变速器的装备率是与日俱增，这是因为自动变速器相对机械式变速器来说有这诸多的优点。自动变速器分为三类：AT、AMT、CVT。这三种自动变速器各有其优缺点。本文研究的是5速的AT变速器，这是因为现在在我国的汽车中4速的AT变速器运用较多，但是5速AT比起4速AT有诸多的优点而且5速AT的工作原理和4速AT是一样的，两者的齿轮机构可以说是可以共用的，从各个方面考虑5速AT比4速AT更有研究的价值。本文主要研究了5速AT变速器的工作原理、齿轮机构、各档动力传递路线和电子控制系统。

关键词：自动变速器; 5速AT; 控制系统

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THE DESIGN OF OPERATING MECHANISM FOR 5-speed AT

Xiong Liang

College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, China

Abstract：With the progress of the times and advances in technology,The equipped with automatic transmission rate is increasing In modern vehicles, Because of the automatic transmission is better than mechanical transmission. Automatic transmission is divided into three categories:AT、AMT、CVT.There are advantages and disadvantages of the three automatic transmission. This study is the 5-speed AT transmission, This is because of 4-speed AT vehicles are more than 5-speed AT,but 5-speed AT is better than 4-speed AT and 4-speed AT works as the same as the 5-speed AT,they can use the same gear, 5-speed AT into account all aspects from the 4-speed AT is more than the value of research. This paper studies the 5-speed AT transmission works, gear, Power transmission and Electronic Control System. Key Words: Automatic Transmission ;5-speed AT ; Control System

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0文献综述

0.1自动变速器的发展简史及类型

1908年, 福特T型车最早采用一种两个速比的自动变速器。其构造是采用多组齿轮, 并且分成中央齿轮和周边齿轮, 最外边则是一个转轮, 随着中央齿轮从发动机引入的扭矩不同, 齿轮组相机行事, 从而得到低不一的转速, 包括倒车档的反向旋转。

从那以后, 自动变速器的构造原理并无大的改变, 但材料技术的进步与润滑油性能的提高, 使这种变速器的速比更为丰富。美国在第二次世界大战之前就生产过一种3 个速比的自动变速器, 只要把变速杆推至D的位置上, 便可由油门踏板随意地改变车速。传统的离合器由一个涡轮转换器所取代。后来, 又有人发明了涡流转换器的锁止机构, 消除了加速时打滑的感觉, 从而大大地降低了油耗。

转轮式自动变速器存在一个缺点, 即起步加速时令人有一种车轮打滑的感觉, 于是驾车人会猛加油门, 但车速又并不随即增高。驾车者根本无需扳动手柄, 便可以轻松自如地改变车速。

随着发动机燃油喷射与点火装置的不断完善, 自动变速器也有新的花样, 如设置了“运动式”或“雪地行驶”等不同的操控方式，有的在仪表盘上设有一个印有S 字母的按钮, 可以在加速时变得格外迅捷；或者印有雪花图案代表雪地行驶的按钮, 可避免在起步时打滑。更有甚者, 新一代“随机应变式”变速器还可以顺应驾车者不同的习惯、相应的反应、使驾驶变得更加得心应手。

近年, 保时捷公司又发明了一种“手控/自动变速器”, 凭靠一组复杂的电子装置, 可以使驾车者在自动与手动变速之间任意选择。例如, 在市内行驶时, 由于需要频繁地变换速度, 使用自动变速器便显得非常方便；而一旦来到高速公路或其它开阔的地方, 则又可将自动变速的功能关掉, 转为由手控制, 以此来领略驾车中的多种乐趣，这一点已逐渐成为高档车的特性。

目前使用的汽车自动变速器主要有3种类型：液力自动变速器(AutomaticTransmission，简称“AT”)；电控机械式自动变速器(Automatic MechanicalTransimission，简称“AMT”)；机械无级变速器(Continuously Variable

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Transmission，简称“CVT )[1]。

液力自动变速器的基本结构是由液力变矩器与动力换档的辅助变速装置组成。液力变矩器安装在发动机和变速器之间，以液压油为工作介质，起传递转矩、变矩、变速及离合的作用。液力变矩器可在一定范围内自动无级地改变转矩比和传动比，以适应行驶阻力的变化。但是由于液力变矩器变矩系数小，不能完全满足汽车使用的要求，所以，它必须与齿轮变速器组合使用，扩大传动比的变化范围。目前，绝太多数液力自动变速器都采用行星齿轮系统作为辅助变速器。行星齿轮系统主要由行星齿轮机构和执行机构组成，通过改变动力传递路线得到不同的传动比。由此可见，液力自动变速器实际上是能实现局部无级变速的有级变速器。

液力自动变速器是目前使用最多的自动变速器。采用此种类型的自动变速器，免除了手动变速器繁杂的操作，使开车变得省力。同时，电子控制也使自动切换速度柔和、平顺，因此汽车具有良好的乘坐舒适性和安全性、优越的动力性和方便的操纵性。但这种变速器效率低，结构复杂，成本也较高。

电控机械式自动变速器是一种由普通齿轮式机械变速器组成的有级式自动变速器。这种变速器主要包括3个部分：自动离合器、齿轮式机械变速器和电子控制系统。它基本保留了原离合器和手动变速器的结构，只是将换档杆改为液压(气压或电)执行机构。电子控制系统根据传感器送来的车辆当前的车速、加速度、节气门开度等参数决定换档点的选择，通过指令控制离合器分合与发动机供油或断油，对变速器发出换档指令并实现换档。

电控机械式自动变速器是一种由普通齿轮式机械变速器组成的有级式自动变速器。这种变速器主要包括3个部分：自动离合器、齿轮式机械变速器和电子控制系统。它基本保留了原离合器和手动变速器的结构，只是将换档杆改为液压(气压或电)执行机构。电子控制系统根据传感器送来的车辆当前的车速、加速度、节气门开度等参数决定换档点的选择，通过指令控制离合器分合与发动机供油或断油，对变速器发出换档指令并实现换档。电控系统可存储多种规律提供驾驶员选用，不仅有经济性规律、动力性规律，而且还有防污染规律以及适应驾驶员爱好的规律等。电控机械式自动变速器具有液力自动变速器自动变速的优点，又保留了原手动变速器齿轮传动效率高、成本低、结构简单的长处，其性能价格比较高，生产改造投入较少。其缺点是非动力换档，这可通过电控软件方面得到一定弥补。

机械式无级变速器种类很多，有实用价值的仅有V形金属带式。金属带式无级变

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速器属摩擦式无级变速器，其传动与变速的关键件是具有V型槽的主动锥轮、从动锥轮和金属带，金属带安装在主动锥轮和从动锥轮的V形槽内。每个锥轮由一个固定锥盘和一个能沿轴向移动的可动锥盘组成，来自液压系统的压力分别作用到主、从动锥轮的可动锥盘上，通过改变作用到主、从动锥轮可动锥盘上液压力的大小，便可使主、从动锥轮传递扭矩的节圆半径连续发生变化，从而达到无级改变传动比的目的。

机械式无级自动变速器传动比连续，传递动力平稳，操纵方便，同时因加速时无需切断动力，因此汽车乘坐舒适，超车加速性能好。特别值得一提的是，由于可使发动机始终在其经济转速区域内运行，从而大大改善了燃油经济性。但与齿轮传动相比，效率并不高，且此种变速器起动性能差，需另加起动装置，制造困难，价格也较高。 0.2 我国自动变速器应用及发展状况

作为20世纪90年代汽车界关注焦点的电控机械自动变速器技术，也被国家列为“九五”重点技术开发项目，国内的一些研究机构和企业都先后参与到电控机械自动变速器的研究开发中。其中吉林工业大学、大连齿轮箱厂、重庆欧翔电子公司和北京理工大学等单位在此项技术上都取得了可喜的成就。吉林工业大学不仅在理论研究方面有很多成就，而且开发出的桑塔纳2000型电控机械式自动变速器在l998年也通过了国家级的样机鉴定。适用于各类汽车要求研制成功的电动式AMT，目前有华崴集团等几家，华崴集团居领先地位，已有实验样车。该公司专利产品有“车辆自动换档控制器”及“车辆自动离合器控制器”。适用重载并有压缩空气汽车的动式AMT研究的，有清华大学汽车系、吉林大学汽车系。吉林大学葛安林教授的专利技术“电子控制机械式自动变速方法及装置”；合肥工业大学通过校基金及安徽省发改委的技术创新项目等的资助，对车辆自动传动装置进行了多年研究，研制了样机，正处于装车试验阶段适用于高档高速跑车的液动式AMT 研究的，有吉林大学液力研究所、北京理工大学及重庆医疗机械工业公司，已有实验样车。由于液力元件价格高昂、制造及使用困难，国产元器件不过关，研制进展缓慢。国产AMT产品至今尚无大批量产品上车，只有样车。

近年来我国在自动变速器这一块发展很迅速。在商用车领域，2008年一汽、重汽已成功研发出自己的重型电控机械式自动变速器，2009年重汽集团的电控机械式自动变速器已实现批量生产，装配电控机械式自动变速器的重汽豪沃A7已成功上市。在乘用车方面，2009年4月9日，我国首款拥有完全自主知识产权的轿车电控机械式自动变速器在重庆青山变速器公司投产，并已成功配装在江淮同悦轿车上[2]。

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2006年，吉利汽车公司在研制出首款具有自主知识产权的三挡液力自动变速器的基础上，又推出了四挡液力自动变速器，并已装配在吉利熊猫轿车上。2009年，吉利汽车公司收购了澳大利亚DSI自动变速器公司，通过收购，吉利在原有小扭矩自动变速器自主知识产权的基础上，进一步丰富了产品线，强化了吉利自动变速器的研发与生产能力。长城等汽车企业也在研发四挡液力自动变速器。代表液力自动变速器最高水平的8A T也有了突破性进展。2009年6月17日，潍坊盛瑞传动机械股份有限公司与英国里卡多公司举行8A T项目工程化合作鉴字仪式，标志着该公司8A T研发项目已完成，开始进入工程开发阶段，不久之后自主品牌八挡液力自动变速器将面世。

在2007年北京车展上，吉利自主研发的无级自动变速器和王国斌发明的活齿无级自动变速器样机已经亮相。洛阳联合和湖南容大研发的无级自动变速器产品已装车路试，产业化有待实现突破。

2007年，我国科技部“十一五”“863”计划将双离合自动变速器列为“汽车开发先进技术”重大项目，由重庆青山、吉利、杭齿三家公司承担。2008年，上汽和华晨宣布联合开发双离合自动变速器。同年，在国家发改委支持下，国内12家汽车企业联合成立了“中发联”与美国的博格华纳公司进行合作开发双离合自动变速器。在2009年上海车展上，吉利汽车公司展出了我国第一款自主研发的七挡双离合自动变速器，据说吉利汽车公司已经基本掌握了双离合自动变速器的关键技术及双离合自动变速器的开发流程[2]。

尽管我国自动变速器实现了一定的技术突破，有的企业研发出了样品，有的还进行了量产，但总的来说自主产品技术含量较低，产业化水平不高，还处于初级发展阶段，与汽车发达国家相比还有很大的差距。如目前技术最成熟、应用最广的液力自动变速器，国外汽车发达国家已基本淘汰了三挡、四挡液力自动变速器，大量应用油耗更低的五挡、六挡甚至八挡液力自动变速器，目前，我国还仅仅是产业化了四档液力自动变速器，而且数量不大。即使已经量产的产品其可靠性也有待于得到市场的检验，自主技术成熟度也不高，有待于进一步的发展和完善。有的企业尽管是自主开发，但是一些核心技术、精度要求特别高的一些关键零部件仍然需要进口或合作开发，如重型集团开发的电控机械式自动变速器的控制系统就是英国威伯特公司的，在液力自动变速器上使用的高效能的液力变矩器就需要进口等等。面对跨国公司的技术垄断或处于技术制高点，我们不能坐以待毙，必须加快发展自己的自动变速器技术。

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1 引言

1.1 自动变速器与手动机械式变速器相比较 1.1.1 AT变速器的优点

AT变速器与手动机械式变速器相比较有如下优点： （1）操纵轻便并提高行车安全性

装备液力自动变速器的汽车，采用液压操控或电子控制，使换挡实现自动化，比普通机械变速器换挡要简单轻便得多，由于简化操作，使得驾驶员可以把注意力从频繁的换挡操纵中解放出来，集中精力于观察道路状况和交通情况，提高行车安全性。 （2）提高发动机和传动系的使用寿命

液力传动对震动能起一定的吸收、衰减和缓冲作用，大大减少冲击的动载荷。这提高了相关机件的使用寿命。采用液力自动变速器的汽车与采用机械式变速器的汽车相比，前者发动机寿命可提高85%，变速器寿命提高1到2倍，传动轴、驱动半轴寿命可提高75%到100%。 （3）提高汽车通过性

采用液力自动变速器的汽车，起步容易而且平稳，它的稳定车速可以降低到很低，而且即使行驶阻力很大时，发动机也不至于熄火。在特别困难路面上行驶时，换挡没有功率间断，不会出现停车现象。 （4）具有良好的自动适应性

目前，液力自动变速器都采用了液力变矩器，它能自动适应汽车驱动轮负荷的变化，当行驶阻力增大时，汽车自动降低速度，使驱动轮转矩增加，当行驶阻力减小时，车速增加，减小驱动转矩。另外，自动变速是按照系统设计的最佳使用要求进行的，以使整车获得最佳的动力性和燃油经济性，消除了对驾驶员换挡的依赖。因此，液力变矩器能在一定范围内实现无级变速，大大减少了行驶过程中的换挡次数，另一方面随时处于最佳档位行驶，这样提高了汽车的动力性、燃油经济性和平均速度。 （5）减轻空气污染

在手动换挡变速器中，由于经常换挡，经常切断动力发动机的转速变化较大，节气门开度变化急剧，非稳定工况强烈，从而导致排气中的污染物较多。而自动换挡属于动力换挡，发动机工况相对比较稳定，且能把发动机设计在较小污染的转速范围内

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工作，从而使污染降低。 1.1.2 AT变速器的缺点

AT自动变速器相对于手动机械式变速器来说，结构要复杂得多，精密度高的零件变多，制造变得困难，成本增加，相应的维修技术要求较高。另外就是传动效率较低，对液力变矩器而言，最高效率一般只有82%到86%左右，而机械的齿轮传递效率可达到95%到97%。由于传动效率低，是汽车的燃油经济性有所降低。 1.2 AT自动变速器与其他自动变速器相比较

AT自动变速器与其他自动变速器的比较如下表1.1所示

表1.1 其他形式自动变速器与AT 的性能比较 Tab1.1 Performance Comparison Of AT、CVT and AMT

项目 驾驶性 可靠性 输入扭力容量 传动效率 基本前进挡数 机械结构 油压系统 控制系统 产品进入市场时间 开发费用（以AT 为1） 生产成本（以AT 为1）

AT 佳 佳 大 大约85% 4 挡 高 高 中高 1930年 1 1

CVT 特佳 中 小 约90% 无级

中高（但不适合后轮传动）

中高 高 1980年 1 1

AMT 中佳 佳 大 93% 5 挡 中 中 高 1990年 0.7 0.7

2 AT变速器的工作原理和基本组成

AT传动系统的结构与手动档相比，在结构和使用上有很大的不同。手动档主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩；而AT传动系统是由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。其中，液力变扭器是AT最具特点的部件，它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，它直接输入发动机动力，并传递扭矩，同时具有离合作用。泵轮和涡轮是一对工作组合，

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它们就好似相对放置的两台风扇，一台风扇吹出的风力会带动另一台风扇的叶片旋转，风力成了动能传递的媒介，如果用液体代替空气成为传递动能的媒介，泵轮就会通过液体带动涡轮旋转，再在泵轮和涡轮之间加上导轮，通过反作用力使泵轮和涡轮之间实现转速差就可以实现变速变矩了。由于液力变矩器自动变速变矩范围不够大，因此在涡轮后面再串联几排行星齿轮来提高效率，液压操纵系统会随发动机工作的变化而自行操纵行星齿轮，从而实现自动变速变矩。辅助机构自动换档不能满足行驶上的多种需要，例如停泊、后退等，所以还设有干预装置(即手动拨杆)，标志P(停泊)、R(后位)、N(空位)、D(前进位)，另在前进位中还设有“2”和“1”的附加档位，用以起步或上斜坡之用。由于将其变速区域分成若干个变速比区段，只有在规定的变速区段内才是无级的，因此AT实际上是一种介于有级和无级之间的自动变速器。

一般来说电控液力式自动变速器AT系统由以下四大部分组成：被控制对象、电子控制器、传感器、执行机构。

(1)被控制对象

电控液力式自动变速器AT系统要实现其功能，并不是孤立的、单纯控制变速器就能实现的，需要对变速器、离合器、发动机进行综合的控制，才能达到自动控制的目的，实现自动变速的效果。因此被控制对象包含变速器、离合器、发动机。

(2)电子控制器

电子控制器接受换档范围及换档规律选择机构和控制参数信号发生器传来的信号，进行比较和处理，并按照预定的换档规律选择档位和换档时刻，同时发出相应的换档指令令换档执行机构进行换档。它是系统的核心部分，主要包括各信号处理单元、CPU单元、程序及数据存储器单元、驱动电路单元、显示单元、电源单元等。

(3)传感器

传感器为换档控制器提供控制参数信号。常用传感器有速度传感器(包括发动机转速、输入轴转速、车速传感器)、温度传感器、压力传感器、位移传感器、档位传感器、加速度传感器等。

(4)执行机构

执行机构接受换档控制器的指令，完成变速器中档位的变换。包括离合器执行机构和换档执行机构两部分。执行机构主要由节气门开度自动调节执行机构、离合器自动执行机构、选换档自动执行机构、坡道启动辅助装置等组成。

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3 AT自动变速器的具体组成

AT自动变速器可以分为液力机械式自动变速器和电子控制式自动变速器，现由于电子控制技术的成熟，并且电控操纵式有如下优点：①电控单元可以实现更合理更复杂的换挡控制，可以获得更理想的燃油经济性；②简化了液压系统，从而使结构紧凑、质量轻；③控制精度高、反应快且动作准确；④适应性强，开发周期短；⑤便于整车的控制系统（如发动机控制、巡航控制、牵引控制、制动系统控制等）集成，控制系统兼容性好。所以的AT自动变速器都是采用电子控制式的。电子控制式自动变速器，它主要由液力变矩器、行星齿轮变速系统、换挡执行系统、液压操纵系统和电子控制系统五部分组成。 3.1 液力变矩器

液力变矩器位于发动机和变速器之间，以自动变速器油为（ATF）工作介质，完成以下公用：（1）传递扭矩，发动机的转矩通过液力变矩器的主动元件，在通过ATF传给它的从动元件，最后给变速器。（2）无极变速，根据工况的不同，液力变矩器可以在一定范围内实现转速与转矩的无极变化。（3）自动离合，液力变矩器采用ATF传递动力，起着离合器的作用。（4）驱动油泵，ATF工作时需要油泵提供一定的压力，油泵一般由液力变矩器的壳体驱动。另外液力变矩器还有着防止传动系过载的功能。 现在的液力变矩器绝大部分都带有锁止离合器，因为带有锁止离合器的当汽车在平稳路面行驶时，锁止离合器发生作用，变速器泵轮和涡轮直接机械连接，能提高汽车的效率。所以我们选择的是带锁止离合器的液力变矩器，其结构示意图如图3.1所示

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图3.1 液力变矩器结构示意图

Fig.3.1 Schematic diagram of torque converter

3.2 行星齿轮变速系统

图3.2 单排行星齿轮机构 Fig.3.2 Single Top Star Gear

星齿轮变速系统的主要工作机构是行星齿轮齿轮排，通过行星排中各齿轮之间的啮合来实现传动比的改变从而实现汽车的变速。我们来看看行星齿轮排的工作原理，

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行星齿轮排结构如图所示。一个单排行星齿轮机构分为太阳轮、齿圈、行星轮和行星架。行星排的运动可以看成是两部分运动的合成：（1）行星架带着其上个齿轮以行星架转速做整体转动，这是牵连运动，连运动中各齿轮不产生啮合传动；（2）行星架上相互啮合的齿轮相对行星架做啮合运动，这是相对运动。所以如果将一个行星排中的三个元件：太阳轮、齿圈、行星架分别作为主动件和固定件，就可以组成单排行星传动装置，有两个减速，两个增速，两个倒档，共计六种传递方案。 3.3 液压操纵系统

3.3.1 供油调压和流量控制系统

提供压力油源，保证变矩器供油，向整个油压操纵系统提供一定压力和足够流量的油液，按需调节压力和流量。

该系统最关键的是需要一个油泵，油泵的类型可以分为定量泵和变量泵。该系统中还有主调压阀，主调压阀可以分为几类：1是定量泵、定压式调压阀，2是定量泵有级变压式调压阀。 3.3.2 换挡操纵系统

保证正确的操纵控制结合元件的接合和分离，以实现换挡。 3.3.3 换挡品质控制系统

控制换挡过度过程：控制正在分离的结合元件和正在接合的结合元件之间转换搭接，控制分离的结合元件油压下降特性和接合的结合元件油压上升特性，以实现迅速平稳的换挡。

3.3.4 变矩器供油和闭锁控制系统和冷却润滑系统

变矩器供油和闭锁控制系统：保证向变矩器供油，保持足够的油压，防止液力变矩器产生气蚀现象，补偿液力变矩器中工作液体的漏损，以完成传递动力的功能。操纵控制变矩器闭锁离合器的接合和分离以及闭锁离合器的接合程度，保持一定的打滑率。

3.3.5 电子控制系统

动变速器的操纵是自动操纵系统，它可以分为液控式（全液压）操纵系统和电控式操纵系统两种。电子控制系统包括传感器、电控单元（ECU）、执行器以及各种控制开关等。电子控制系统的组成框图如图3.2下：

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图3.2 电子控制系统组成框图

Fig.3.2 block diagram of electronic control system

电子控制单元（ECU）根据传感器传来的电信号，即车速和发动机负荷等参数转变的电信号，按照设定的换档程序对这些信号进行比较计算，作出是否需要换档的判断。当需要换档时，通过电磁阀操纵液压的换档阀去控制执行装置的油路，实现换档[7].

在电子控制系统中，ECU根据各种传感器传回的数据对其工作状态进行分析，然后通过控制各种液压阀来执行换挡操作。那么智能控制软件系统的程序框图如图3.3所示下：

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手 动 干 预 模式选择键 起步操纵评价 油门操纵评价 行驶操纵评价 强制低档评价 制动操纵评价 司机类型识 别 行驶模式选择加修正 档 位 选 择 选档杆位置 手动换挡 环境条件识 别

高原识别 冬天模式识别 山路挂车识别 曲线行驶识别 市区工况识别 下坡行驶识别 行驶状况识 别 图3.3 智能控制软件系统的程序框图

Fig.3.3 block diagram of intelligent control software system

根据这个框图，我们就能对ECU的控制方式进行编程，以实现换挡的自动控制。

4 AT5速与4速的比较

4.1 两者使用优缺点的比较

5速与4速自动变速器相比较，最本质的区别就是结构上使5速比4速多了一个前进档位。就汽车而言，增加变速器的档数，能够改善汽车的动力性和燃油经济性以及平均车速，并且增加变速器的档数会是变速器相邻的低档与高档之间的传动比比值减小，使换挡工作容易，减小换挡冲击，提高了汽车的乘坐舒适性。虽然增加一个档位

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会使变速器的结构变复杂，增加了制造成本，但是在一些中档以上的车上，运用5速自动变速器的越来越多。由于5速相对于4速而言的优点与应用的越来越多，所以研究5速AT变速器的是很有必要的。 4.2 两者结构上的比较

5速与4速自动变速器从结构上相比较，按采用辛普森式行星齿轮的自动变速器来说，齿轮结构这块是一样的，都是采用了3组行星齿轮排如图4.1与图4.2所示，那么这两者之间的区别就在操纵机构这一块，5速想比于4速来说要多一些的控制油路等，那么相比而言布置上就复杂一些。那么我们可以看出5速相对于4速而言，在结构上相差的东西并不是很多，所有我们研究相对于4速来说有许多优点的5速来说很有实际意思的。

图4.1 5速AT变速器行星齿轮机构图

Fig.4.1 transmission planetary gear mechanism of 5-speed AT

图4.2 4速AT变速器行星齿轮机构图

Fig4.2 transmission planetary gear mechanism of 4-speed AT

4.3 两者原理上的比较

4速与5速自动变速器都是由一个超速行星齿轮排和一个双排辛普森齿轮机构组成。其实两者的基本原理都是一样。我们以4速的为例子来讲下一下工作原理，由于其结构是由两部分组成，那我们先说明一下超速行星齿轮排其结构如下图4.3所示其

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中C表示的离合器B表示制动器，其工作情况由表4.1。

图4.3 单排行星齿轮机构 Fig.4.3 Single Top Star Gear 表4.1 单排行星齿轮机构换挡表 Tab.4.1 shift of Single-ranked star gear

档位 1 2

C Ο ×

B × Ο

传动比 1

?1??

注：?为齿圈与太阳轮的齿数比，Ο表示元件工作，×表示元件不工作。

双排辛普森齿轮机构的结构示意图如图4.4所示：

图4.4 双排辛普森齿轮机构 Fig.4.4 Double Simpson Gear

其中1-输入轴、2-公共太阳轮、3-前行星齿轮、4-前行星架、5-前齿圈、6-后行星齿轮、7-后行星架、8-后齿圈、9-输出轴、C1-前进挡离合器、C2-高倒档离合器、B1-制动器、B2-制动器。

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表4.2 双排辛普森齿轮机构换挡表 Tab.4.2 gear shift of Double Simpson Gear

档位 1 2 3 R

C1 C2 B1 B2 传动比

1?2?? 1???

Ο Ο Ο ×

× × Ο Ο

× Ο × ×

Ο × × Ο

1 -?

注： ?为齿圈与太阳轮的齿数比，Ο表示元件工作，×表示元件不工作。

由以上两个表我们可以看出将超速行星排和辛普森行星齿轮组窜连起来的变速器从理论上来说可以得到8个档位。

5速与4速变速器冲原理上来比较，5速比4速就是多了一个档位，也就是多了一个传动比，一个行星齿轮排能实现3个传动比，也就是从理论说对于3个行星齿轮排的变速器完全能实现更多的档位，但是由于传动比的关系，一些档位的传动比之间是十分相近的，所以一些档位时没有实际意义的，但是我们把4速变速器变成5速完全是能做到的，但是4速与5速每个档位的传动比是不同的如表3.1所示，需要的就是在4速的基础改变一下传动比，即改变一下齿轮的齿数。

表4.3 4速与5速各档位传动比对比数据表 Tab.4.3 transmission ratio of 4-speed and 5-speed

变速器型号 1档传动比 2档传动比 3档传动比 4档传动比 5档传动比 R档传动比

5F31J 3.801：1 2.131：1 1.364：1 0.935：1 0.685：1 2.970：1

4HP-14 2.412：1 1.369：1 1.000：1 0.739：1

2.828：1

总的来说，5速AT自动变速器比4速的结构并复杂不了多少，并且原理也完全是建于4速的基础上的，从技术上来实现并不算难，而且5速相比4速来说，在使用方面有更多的优点，所以说研究5速AT自动变速器是很有意义的，尤其是研究5速的操纵系统

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是很有意义的。

5本文设计

5.1 行星变速机构传动比的确定

单排行星齿轮的工作原理满足一个特征方程式：

n1??n2?(1??)n3?0

式中：n1、n2、n3——分别为太阳轮、齿圈和行星架的转速，?为齿圈与太阳轮的齿数

比。

可以看出，在太阳轮、齿圈和行星架这3个元件中，可任选2个分别作为主动件和从动件，而使另一个元件固定不动（即用执行元件使该元件转速为零），或使其运动受一定的约束（即该元件的转速为某定值），则整个轮系以一定传动比传递动力。下面分别讨论各种情况：

（1）太阳轮为主动元件，行星架为从动件，齿圈固定。即n2=0，故传动比

i13?n1z?1???1?2 n3z1（2）齿圈为主动件，行星架为从动件，太阳轮固定。即n1=0，故传动比

i23?n21??z??1?1 n3?z2（3）太阳轮为主动件，齿圈为从动件，行星架固定。即n3=0，故传动比

i12?n1z?????2 n2z1在此情况下，n1与n2符号相反，即表示主动轴与从动轴的旋转方向相反，故为倒档传动情况。

（4）若使n1=n2，则

n3?n1??n1?n1?n2 1??在n1?n3或n2?n3时，同样可得n1=n2=n3。故知若使三元件中的任何两个元件连成一

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体转动，则第三元件的转速必然与前两者转速相等，即行星齿轮系中所有元件之间没有相对运动，从而形成直接档传动，传动比i=1[8]。 5.2 5速AT变速器的齿轮结构

图5.1 5速AT变速器的齿轮结构

Fig.5.1 gear structure of 5-speed AT transmission

该自动变速器行星齿轮机构由三排单级行星齿轮机构组成，分别称为前行星齿轮机构、中间行星齿轮机构及后行星齿轮机构。行星齿轮机构与换挡执行元件示意图如图6.1所示。由图可知，前行星架与后齿圈为一体；后行星架与中间齿圈为一体；中间行星架是动力输出端。换挡执行元件包括三个离合器K1、K2、K3和三个制动器B1、B2、B3及二个单向离合器F1、F2，各换挡执行元件的作用见表5.1，不同挡位时各换挡执行元件的状态见表5.2。

表5.1 各换挡执行元件的作用 Tab.5.1 The role of the shift actuator

换挡执行元件 离合器K1 离合器K2 离合器K3 制动器B1 制动器B2 制动器B3 单向离合器F1 单向离合器F2

作用

连接前行星架和前太阳轮 连接输入轴和中间齿圈/后行星架 连接中间太阳轮和后太阳轮

固定前太阳轮 固定中间太阳轮 固定后行星架/中间齿圈 防止前太阳轮逆时针方向旋转 当B2工作时，防止后太阳轮逆时针旋转

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表5.2 不同挡位时各换挡执行元件的状态 Tab.5.2 the Actuator status of Each gear 档位 传动比 1 2 3 4 5 R

3.59 2.19 1.41 1 0.83 -3.16

K1 × Ο Ο Ο × ×

K2 × × Ο Ο Ο ×

K3 Ο Ο × Ο Ο Ο

B1 O × × × Ο Ο

B2 Ο Ο Ο × × ×

B3 × × × × × Ο

F1 Ο × × × Ο Ο

F2 Ο Ο × × × ×

注：图中Ο标示换挡执行元件工作，×表示元件不工作。

5.3 变速器各挡动力传递路线 5.3.1 一档动力传递路线

一挡动力传递路线如图所示，各行星齿轮机构的状态如下所述。

图5.2 一档动力传递路线

Fig.5.2 power transmission line of 1 file

注：其中●表示换挡执行元件工作

（1）前行星齿轮机构：输入轴驱动前齿圈顺时针旋转，前太阳轮有逆时针旋转的趋势，单向离合器F1锁止(或制动器B1工作)，阻止前太阳轮逆时针旋转，则前行星架同向减速输出，将动力传递给后齿圈。

（2）后行星齿轮机构：后齿圈顺时针旋转，是动力输入端，后太阳轮有逆时针旋转的趋势，因制动器B2、单向离合器F2(或离合器K3)工作，阻止后太阳轮逆时针旋转，则后行星架同向减速输出，将动力传递给中间齿圈。

（3）中间行星齿轮机构：中间齿圈顺时针旋转，是动力输入端，中间太阳轮有逆

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时针旋转的趋势，因制动器B2工作，阻止中间太阳轮逆时针旋转，则中间行星架同向减速旋转，是动力输出端。

由以上分析可知，1挡时，三个行星机构都在执行减速运动，传动比最大。 5.3.2 二档动力传递路线

二挡动力传递路线如图所示，各行星齿轮机构的状态如下所述。

图5.3 2档动力传递路线

Fig.5.3 power transmission line of 2 file

注：其中●表示换挡执行元件工作

（1）前行星齿轮机构：输入轴驱动前齿圈顺时针旋转，离合器K1工作，连接前行星架和前太阳轮，则前行星齿轮机构以一个整体等速旋转，前行星架将动力同向等速传递给后齿圈。

（2）后行星齿轮机构：后齿圈是动力输入端，其与输入轴同向等速顺时针旋转，后太阳轮有逆时针旋转的趋势，因制动器B2、单向离合器F2(或离合器K3)工作，阻止后太阳轮逆时针旋转，则后行星架同向减速输出，将动力传递给中间齿圈。 （3）中间行星齿轮机构：中间齿圈顺时针旋转，是动力输入端，中间太阳轮有逆时针旋转的趋势，因制动器B2工作，阻止中间太阳轮逆时针旋转，则中间行星架同向减速旋转，是动力输出端。

由以上分析可知，与1挡相比，2挡时只有后行星齿轮组和中间行星齿轮组在执行减速运动，传动比小于1挡。 5.3.3 三档动力传递路线

三挡动力传递路线如图4所示，各行星齿轮机构的状态如下所述。

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图5.4 3档动力传递路线

Fig.5.4 power transmission line of 3 file

注：其中●表示换挡执行元件工作

（1）前行星齿轮机构：输入轴驱动前齿圈顺时针旋转，离合器K1工作，连接前行星架和前太阳轮，则前行星齿轮机构以一个整体等速旋转，前行星架将动力同向等速传递给后齿圈。

（2）后行星齿轮机构：后齿圈与输入轴等速顺时针旋转，同时离合器K2工作，连接输入轴和中间齿圈/后行星架，后行星齿轮机构的齿圈和行星架被同时以输入轴转速驱动，则后行星架同向等速输出，将动力传递给中间齿圈。

（3）中间行星齿轮机构：离合器K2工作，连接输入轴和中间齿圈，离合器K2和后行星架同时驱动中间齿圈顺时针与输入轴等速旋转，是动力输入端；中间太阳轮有逆时针旋转的趋势，因制动器B2工作，阻止中间太阳轮逆时针旋转，则中间行星架同向减速输出，是动力输出端。

由以上分析可知，3挡时，前、后行星齿轮机构都是同向等旋转，只有中间行星齿轮机构在执行减速运动，传动比小于2挡。 5.3.4 四档动力传递路线

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图5.5 4档动力传递路线

Fig.5.5 power transmission line of 4 file

注：其中●表示换档执行元件工作

四档动力传递路线如图所示，四档时离合器K1、K2、K3都工作。由以上1、2、3挡动力传递路线分析可知，离合器K1工作时，前行星齿轮机构为直接传动；离合器K2工作时，后行星齿轮机构为直接传动；离合器K3工作时，中间太阳轮和后太阳轮连接为一体，则中间太阳轮以输入轴转速旋转，因中间行星齿轮机构的齿圈和太阳轮同时以输入轴转速旋转，即中间行星齿轮机构也为直接传动，总传动比为1：1。 5.3.5 五档动力传递路线

五档动力传递路线如图5.6所示，各行星齿轮机构的状态如下所述。

图5.6 5档动力传递路线

Fig.5.6 power transmission line of 5 file

注：其中●表示换挡执行元件工作

（1）前行星齿轮机构：输入轴驱动前齿圈顺时针旋转，前太阳轮有逆时针旋转的趋势，单向离合器F1锁止(或制动器B1工作)，阻止前太阳轮逆时针旋转，则前行星架同向减速输出，将动力传递给后齿圈。

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（2）后行星齿轮机构：后行星齿轮机构有两组输入，一是后齿圈顺时针减速旋转；二是离合器K2工作，连接输入轴和中间齿圈/后行星架，即后行星架也与输入轴等速旋转，则后太阳轮顺时针增速旋转。

后太阳轮转速可以这样理解：后行星架被以输入轴转速等速驱动，如果后齿圈固定，则后太阳轮为同向增速旋转；如果后齿圈也被以输入轴转速等速驱动，则后太阳轮为等速旋转现在后齿圈被减速驱动，则后太阳轮的转速介于以上两种情况之间。 （3）中间行星齿轮机中间行星齿轮机构也有两组输入，一是离合器K2工作，连接输入轴和中间齿圈/后行星架，即中间齿圈与输入轴等速旋转；二是离合器K3工作，使中间太阳轮和后太阳轮连接为一体，即同向增速旋转，则中间行星架同向增速旋转，传动比小于1，为超速挡。

中间行星架的转速可以这样理解：中间齿圈被以输入轴转速等速驱动，如果中间太阳轮固定，则中间行星架为同向减速旋转；如果中间太阳轮也被以输入轴转速同向等速驱动，则中间行星架为同向等速输出；现在，中间太阳轮被同向增速驱动，则中间行星架同向增速旋转[13]。 5.3.6 R挡动力传递路线

R挡动力传递路线如图5.7所示，各行星齿轮机构的状态如下所述。

图5.7 R档动力传递路线

Fig.5.7 power transmission line of R file

注：其中●表示换挡执行元件工作

（1）前行星齿轮机构：输入轴驱动前齿圈顺时针旋转，前太阳轮有逆时针旋转的趋势，单向离合器F1锁止(或制动器B1工作)，阻止前太阳轮逆时针旋转，则前行星架同向减速输出，将动力传递给后齿圈。

（2）后行星齿轮机构：后齿圈顺时针旋转，是动力输入端。制动器B3工作，固定后行星架，则后太阳轮反向增速旋转，即逆时针增速旋转。

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（3）中间行星齿轮机构：离合器K3工作，将后太阳轮和中间太阳轮连接为一体，则中间太阳轮也逆时针旋转，是中间行星齿轮机构的动力输入端。制动器B3工作，固定中间齿圈，则中间行星架相对于中间太阳轮同向减速旋转，即相对于输入轴逆时针减速旋转[13]。

由以上分析可知，R1挡时，前行星齿轮机构为同向减速旋转；后行星齿轮机构为反向增速旋转中间行星齿轮机构为同向减速运动。总的传动比为反向减速，即中间行星架逆时针减速旋转。 5.4 自动变速器的电子控制系统

自动变速器电子控制系统的组成如图5.8所示，它由以下三个基本部分组成：

图5.8 自动变速器电子控制系统

Fig.5.8 Electronic Control System of Automatic Transmission

5.4.1信号输入传感器和各种控制开关

通过各种传感器和各种控制开关箱控制器输入车辆行驶情况、发动机和变速器工况以及司机操纵要求等信息，从输入信号类型来看，归纳起来有以下三种输入量： （1） 模拟量 例如节气门位置传感器，变速器油温传感器等。

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（2） 脉冲量 例如车速传感器，发动机转速传感器，变速器输入轴传感器等。 （3） 开关量 例如选档杆位开关，行驶模式开关，低档开关，制动开关，空调开关

和巡航控制开关等。 5.4.2 微机控制部分

微机控制部分一般也称为电子控制单元（ECU）。电子控制单元接受各种输入信号，进行处理，做出判断，发出控制命令，实现自动变速器各种控制，并实现与其他控制器（发动机等）和检测仪器等的通信联络。 5.4.3 输出执行部分

主要是各种电磁阀，通过电磁转换实现各种控制功能，通过开关电磁阀实现开关型控制，通过比例电磁阀实现比例型控制[7]。 5.5 ECU控制流程图

自定变速器能进行自动变速是因为ECU接受到各种传感器传回的信号，然后通过ECU的计算处理，然后决定是否对液压操纵系统中的电磁阀进行通电，这样改变液压油的流向，从而使需要的换挡执行元件（离合器、制动器、单向自动器）工作，这样使变速器的动力传递路线改变，实现传动比的改变，这样就实现了自动换挡。

自动变速器排挡杆在不同位置时ECU的控制思路大体上一致的，我们在这只说明汽车换挡阀在N位和在L位时的大概的流程，其他情况的换挡流程都差不多，只是执行元件的工作状况不同。 5.5.1 N位换挡流程图

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排档杆 N位 转速传感器信号 节气门位置传感器等 ECU 分析计算 控制K3、B1、B2、F1、F2对应的各个电磁阀 离合器K3 工作 制动器B1、B2 工作 单向离合器F1、F2 工作 挂入一档

图5.9 N位换挡流程图 Fig.5.9 Shift flowchart of N file

汽车档位在N位时，ECU接受各个传感器输入的信号然后经过计算分析，然后控制离合器K3，制动器B1、B2和单向离合器F1、F2相对应的各个电磁阀，然后使离合器K3，制动器B1、B2和单向离合器F1、F2工作，实现变速器挂入一档。 5.5.2 L位换挡流程图

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排档杆 L位 转速传感器信号 节气门位置传感器等 ECU 分析计算 控制K1、K3、B1、B2、F1、F2对应的各个电磁离合器K1、K3 工作 制动器B1 停止工作 制动器B2 工作 单向离合器F1停止工作 单向离合器F2 工作 由一档挂入二档

图5.10 N位换挡流程图 Fig.5.10 Shift flowchart of L file

汽车档位在L位时，ECU接受各个传感器输入的信号然后经过计算分析，然后控制离合器K1、K3，制动器B1、B2和单向离合器F1、F2相对应的各个电磁阀，然后使离合器K1、K3工作，制动器B1停止工作，制动器B2继续工作，单向离合器F1停止工作，单向制动器F2工作，实现变速器由一档挂入二档。

整个自动变速器换挡的过程都是由传感器输入各种信号，然后ECU进行分析运算，然后ECU发出各种指令，控制电磁阀的通断电，然后实现各个离合器、制动器、单向离合器的工作，最后实现换档。

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6总结

本文研究自动变速器的发展历程和我国现阶段自动变速器的研究及生产情况，介绍了自动变速器的分类。在我们国家现在配在汽车上的自动变速器大多都是4速AT，而5速AT相对于4速AT来说有很多优点，并且它和4速的结构和工作原理都是差不多一样，唯一的区别就是操纵系统和齿轮的传动比，如果解决好这两点就能在4速的基础上把4速变成5速。本文研究5速AT的基本结构，工作原理，动力传递和电子控制。详细的解释了4速与5速结构及工作原理上的区别，在研究其基本结构，工作原理和动力传递时通过学习对这三项知识都基本掌握，而在电子控制部分，由于自己学识浅薄只能对ECU控制编写出一个大概的流程，具体的程序编写我没有涉及。

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致谢

在论文完成之际，我首先要感谢国家与学校给我提供了一个良好的学习环境，感谢的我父母对我学习的支持，让我心无旁骛的学习，在过去的四年里，学到了许许多多的知识。

本论文是在钱晓胜老师的悉心指导下完成。老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽于待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。让我在完成论文的过程中学会了许多的专业知识以及许多待人接物和为人处世的道理。本文从选题到完成，都是在老师的一步步指导下完成的，耗费了老师大量的心血，在此，对老师表达衷心的感谢。

本论文的顺利完成，离不开学院老师和各位同学的关怀与帮助，在此，由衷的表示感谢。

最后感谢在百忙中抽出时间来参加答辩的老师，谢谢你们！

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