自動變速器研究與故障分析

摘 要：根據當今汽車應用自動變速器越來越廣泛和自動變速器學習和維修困難的特點。本文介紹了在沒有技術資料前提下，怎樣分析計算傳動比和確定自動變速器檔位，解決了自動變速器學習和維修中檔位識別和故障診斷難題。

關鍵詞：自動變速器；傳動比；分析；計算

引言

隨著汽車工業的不斷發展，汽車變速器的發展至今，經過了手動機械變速器（簡稱MT）、自動變速器（AT）、手-自一體變速器（AMT）、無級變速器（CVT）和雙離合器自動變速器四個階段。

根據ZF公司研究報告，目前汽車裝配各種變速器統計如下：

從表中看出，目前乃至今后較長時間汽車變速器主要以手動變速器和自動變速器為主，因此汽車維修市場對自動變速器維修人員的需求大，技術要求高的特點。

自動變速器的變速傳動原理與手動變速器相同，但結構不同。手動變速器的變速系統主要由普通齒輪輪系組成，其動力傳動路線和檔位根據傳動齒輪大小可以直觀分析判斷得知，不需要計算傳動比。而自動變速器除本田式變速器采用普通齒輪輪系外，其它自動變速器（如豐田A341E、通用4T65E、雷克薩斯LS460/AA80E、大眾途銳09D等）的變速系統均由周轉輪系構成，而周轉輪系的動力傳遞過程和檔位判斷就不能直觀的判斷。但是，現在很多維修自動變速器人員受到手動變速器的影響，用分析手動變速器的方法分析自動變速器檔位，造成維修自動變速器過程中不能分清檔位，不能做到準確分析判斷故障和維修。在維修中盲目更換零件，造成浪費。給車主造成經濟負擔。

針對目前在自動變速器維修人員培訓中，發現普遍存在不能正確分析、判斷自動變速器故障問題。究其原因，絕大多數不能識別自動變速器檔位和不知道怎樣分析檔位造成。

本人在長期從事自動變速器的教學研究中，發現要做到正確分析自動變速器故障，必須先掌握自動變速器動力傳遞路線分析，傳動比計算和確定檔位，認識檔位過程；再次掌握液壓和電子控制系統，才能正確判斷故障。

下面就如何分析、計算、確定行星齒輪自動變速器的檔位和故障剖析。以供自動變速器愛好者和維修人員參考。

1 怎樣分析確定自動變速器檔位

以辛普森式行星齒輪變速機構組成的自動變速器為例，進行動力傳遞路線分析、傳動比計算和檔位確定如下：

1.1 動力傳遞路線分析

以豐田A341E自動變速器為例（該變速器為辛普森式行星齒輪變速系統變形）分析：

1.1.1 解體豐田A341E自動變速器，將零件按裝配位置關系擺放，如圖1所示。

1.1.2根據豐田A341E自動變速器結構，繪出傳動簡圖，如圖2所示。

1.1.3 各行星排動力傳遞分析與傳動比計算：

（注：以下計算式中符號含義和編制規律說明：n為轉速；下標1、2、3分別指太陽輪、齒圈和行星架；i為傳動比；a為齒圈齒數與太陽輪齒數比，iI（13）2表示Ⅰ號行星排太陽輪和行星架輸入、齒圈輸出的傳動比）

1.1.3.1 分析Ⅰ號行星排（超速行星排）存在的傳動路線和傳動比計算：

動力由變速器Ⅰ號行星排行星架輸入，齒圈輸出有兩種傳動方式：

（1）B0制動器工作（制動），Ⅰ號行星排齒圈輸出，傳動比為：

該傳動比小于1為超速傳動。

（2）C0離合器工作，F0單向鎖止，Ⅰ號行星排齒圈輸出：傳動比為：iI（13）2=1

該傳動比等于1為直接傳動。

1.1.3.2 分析Ⅱ號和Ⅲ號行星排傳動路線和傳動比計算：

動力由Ⅰ號行星排齒圈輸入到變速器輸出軸輸出有以下幾種：

（1）Ⅱ號行星排的行星架和Ⅲ號行星排齒圈共同輸出：

C1離合器工作（接合），單向離合器F2鎖止（或B3制動器制動），其它執行器不工作。

動力由Ⅰ號行星排齒圈輸入→C1離合器→Ⅱ號行星排齒圈→行星輪，此時，Ⅱ號行星排的太陽輪沒有鎖定，Ⅱ號行星排的行星架（被車輪鎖住）未輸出；由Ⅱ號行星排太陽輪繼續傳遞至Ⅲ號行星排太陽輪→Ⅲ號行星輪→Ⅲ號行星排齒圈（被車輪鎖住）未輸出；力反傳至Ⅲ號行星架，而F2單向離合器鎖止Ⅲ號行星排行星架順轉，動力就由Ⅱ號行星排的行星架和Ⅲ號行星排齒圈共同輸出。

傳動比計算由運動方程組：

該傳動比大于1為減速檔。

C1離合器工作（接合），單向離合器F2鎖止和B3制動器制動不同處在于：變速器排擋桿在1位時，B3制動器才制動，變速器被強制鎖止1擋不能升檔。排擋桿在D位時， C1離合器工作（接合），單向離合器F2鎖止，變速器可以在所有前進檔中自動升降擋。

（2）由Ⅱ號行星排的行星架直接輸出：

動力由Ⅰ號行星排齒圈輸入→C1離合器接合→Ⅱ號行星排齒圈→行星輪，B2制動器工作（制動）和F1單向離合器鎖止太陽輪反轉（或B1制動器制動），由Ⅱ號行星排的行星架直接輸出。

此時傳動比計算：

該傳動比大于1為減速檔。

B2制動器制動和B1制動器制動不同處在于：變速器排擋桿在2位時，B1制動器制動，變速器鎖止在1-3檔或1-2檔自動換擋。排擋桿在D位時， B2制動器工作，變速器可以在所有前進檔中自動換擋。

（3）由Ⅱ號行星排的行星架直接輸出：

動力由Ⅰ號行星排齒圈輸入→C1、C2離合器接合→Ⅱ號行星排齒圈和太陽輪→Ⅱ號行星排的行星架輸出。由于Ⅱ號行星排太陽輪和齒圈共同（等速）輸入，行星排三構件（太陽輪、齒圈和行星架）間不發生相對運動，此時傳動比計算：

該傳動比等于1為直接傳動。

（4） Ⅲ號行星排齒圈輸出

動力由Ⅰ號行星排齒圈輸入→C2離合器接合→公用太陽輪→B3制動器工作（制動）→Ⅲ號行星排齒圈輸出：此時傳動比計算：

該傳動比為負，且絕對值大于1為減速倒檔。

通過以上分析，Ⅰ號行星排僅有2種傳動方式，Ⅱ號和Ⅲ號行星排僅有4種傳動方式。

1.1.4 組合行星排動力傳動路線分析與傳動比計算

根據數學組合原則：該變速器的傳動比理論計算可以有8種傳動比。其中，超速行星排處于超速狀態時與Ⅱ號和Ⅲ號行星排減速檔和倒檔匹配3種傳動比沒有意義，其余5條傳動路線如下：

傳動路線A.Ⅰ號行星排（C0離合器工作，F0單向鎖止）動力傳遞→Ⅱ號行星排（C1離合器工作、B2制動器不工作、F1單向離合器不工作、F2單向離合器鎖止Ⅲ號行星排的行星架反轉）→Ⅱ號行星排的行星架和Ⅲ號行星排齒圈共同輸出：傳動比：

傳動路線B. Ⅰ號行星排（C0離合器工作，F0單向鎖止）動力傳遞→Ⅱ號行星排（C1離合器工作、B2制動器工作、F1單向離合器鎖止太陽輪反轉）→Ⅱ號行星排的行星架輸出：

傳動比：

傳動路線C.Ⅰ號行星排（C0離合器工作，F0單向鎖止）動力傳遞→Ⅱ號行星排（C1離合器工作、C2離合器工作）→Ⅱ號行星排的行星架輸出：傳動比計算：

傳動路線D.Ⅰ號行星排（B0制動器工作）動力傳遞→Ⅱ號行星排（C1離合器工作、C2離合器工作）→Ⅱ號行星排的行星架輸出：傳動比：

傳動路線E.Ⅰ號行星排（C0離合器工作，F0單向鎖止）動力傳遞→Ⅱ號行星排（C2離合器工作）→Ⅱ、Ⅲ號行星排公用太陽輪→Ⅲ號行星排（B3制動器工作）齒圈輸出：

傳動比計算：

1.2.檔位確定

從以上組合行星排傳動路線和傳動比計算結果分析：

傳動比： 傳動路線A>傳動路線B>傳動路線C>傳動路線D，且傳動路線A、B傳動比>1為正值；說明輸入與輸出方向相同為前進減速檔；傳動路線A為1檔傳動路線、傳動路線B為2檔傳動路線；傳動路線C傳動比=1為3檔（直接檔）、傳動路線D傳動比<1為4檔（超速檔）；傳動路線E傳動比為負值，說明輸入與輸出相反為倒檔。

從以上分析得出豐田A341E自動變速器檔位和執行器工作情況如下：

傳動路線A為1檔，執行器工作情況：C0、C1離合器工作、F0單向鎖止，F2單向離合器工作鎖止Ⅲ號行星排的行星架反轉。

傳動路線B為2檔，執行器工作情況：C0、C1離合器工作、F0單向鎖止，B2制動器工作，F1單向離合器工作鎖止太陽輪反轉。

傳動路線C為3檔，執行器工作情況：C0、C1、C2離合器工作、F0單向鎖止。

傳動路線D為4檔，執行器工作情況：C1、C2離合器工作，B0制動器工作。

傳動路線E為倒檔，執行器工作情況：C0、C2離合器工作，B3制動器工作。

1.3 比較：

通過以上分析得出的豐田A341E自動變速器檔位和執行器工作情況，與表1提供的豐田A341E自動變速器技術資料檔位和換擋執行元件工作情況表完全一致。

2 自動變速器故障分析

故障現象1.裝配A341E自動變速器汽車出現在低速檔位加、減速時出現動力中斷，在車速檔行駛正常，汽車在下坡行駛時，掛低速檔無發動機制動作用。在故障診斷時，用解碼儀檢測無故障代碼。顯然該故障不屬于電控系統故障，是屬于液壓控制系統或換擋執行器故障。

根據故障現象分析，產生該故障的原因是汽車下坡或減速時發動機和底盤動力中斷，就像手動變速器下坡或松油門踩離合器踏板一樣，車速不減反而增加。該故障從表1自動變速器工作情況中分析不出是什么元件不工作或損壞。從液壓控制系統中不知道檢測哪條油路。但我們只要掌握動力傳遞路線分析，從圖3自動變速器傳動簡圖就知道是C0離合器打滑產生該故障。C0離合器和F0單向離合器在正傳動時作用相同，由于單向離合器傳遞的扭矩比離合器大，因此在1、2、3和倒檔是主要靠F0傳遞動力，C0離合器只起輔助作用。當汽車減速或下坡時，底盤的速度大于發動機轉速，F0單向離合器打滑，此時發動機和底盤靠C0離合器接合，使底盤反拖發動機產生發動機制動作用。發動機制動扭矩較小，因此C0離合器設計結構具有摩擦片很少，而且尺寸較小，摩擦面小。所以出現上述故障時，檢查C0離合器摩擦片是否磨損嚴重、油壓是否過低、活塞和油缸密封是否良好，問題就解決了。

故障現象2. A341E自動變速器汽車掛D檔位時，出現油門小不能起步，油門大時汽車竄出去。

產生該故障的原因從圖2自動變速器傳動簡圖分析，可能單向離合器F2損壞（打滑），造成汽車掛D檔位起步時無1檔傳動，油門大時汽車直接2檔起步。

診斷該故障時，將變速桿掛入1位起步是否正常，然后在行駛中直接掛入D檔試驗，如果正常說明故障由單向離合器F2損壞（打滑）造成。因為變速桿掛入1位起步正常，是該檔位動力傳遞不需要F2鎖止Ⅲ號行星排的行星架，而由B3制動器工作制動行星架，實現強制1檔動力傳遞。因此可以正常起步。

3 結論

通過以上兩個故障案例分析得知，只有掌握自動變速器檔位分析，才能做到準確、快速分析故障。

參考文獻

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作者簡介：張四鑫（1964.12-），男，白族，云南大理人，云南交通職業技術學院，工程師，大專，研究方向：汽車與工程機械。