自動變速器閥體的液壓控制

作者簡介

齊明，任美國索奈克斯工業有限公司駐中國代表處首席代表，畢業于美國常春藤名校之一的達特茅斯學院（Dartmouth"College），獲工程科學碩士學位。近年來致力于將國外先進的自動變速器維修技術（尤其是國外變速器原制造廠商不提供技術支持的技術領域）介紹給中國（包括港臺地區）同行，推動國內自動變速器維修技術水平深度發展。

當變速器的換擋品質出現問題時，用戶經常用沖擊或打滑等詞來形容不舒適的換擋感覺，這可能是升擋時、降擋時、某一擋位上或在所有擋位上都有不舒適的感覺。自動變速器多年來一直使用蓄壓器和液壓控制油路作為控制換擋感覺的主要手段。其原理主要是對作用在離合器上的液壓沖擊進行減振，吸收一部分的沖擊能量，從而使離合器能夠逐漸結合而不是一下子硬碰硬的結合。這些年來，蓄壓器的設計一直在改變，其背后的推動力是對汽車有著更高節油性能、駕駛舒適性和更低制造成本的要求，同時也要求變速器的尺寸和質量變得更小。

在傳統完全液壓控制的3擋和4擋變速器中，蓄壓器活塞的尺寸通常被設計的很大，彈簧也很硬，而且多個控制閥芯需要配合蓄壓器一起來控制液壓和流量。當電磁閥出現在變速器里的時候，電磁閥會對蓄壓器進行控制，從而使變速器可以根據駕駛狀態來動態調整換擋感受，在設計上就直接取代了一些閥體的控制閥芯，使閥體的液壓控制結構更簡潔。豐田和愛信在5擋和6擋變速器中都還使用傳統的、體積較大的蓄壓器設計，但在很多6擋和8擋以及更新的變速器中，傳統的蓄壓器和相關的液壓控制閥已經不再需要了。控制單元和電磁閥可以直接控制離合器的結合與釋放油壓，更精確地調節換擋感受。

然而無論變速器設計如何改變，離合器結合時的蓄壓始終會發生，但是與之相關的裝置卻發生了改變。為了成功解決換擋品質的問題，人們需要理解各種控制元件（包括電子元件和液壓元件）是如何工作的，以及它們的典型失效模式，這樣才能找到問題根源。

首先從早期的全液壓控制的變速器開始，理解蓄壓器是如何做到對換擋品質進行控制的。如圖1所示，這是一款全液壓控制的通用4擋變速器。當車輛從P擋換入D擋時，前進擋離合器開始結合，手控閥將系統油壓導入。當車輛處于低速或怠速狀態時，油壓較低，通過節流孔，然后逐漸推動蓄壓器克服彈簧的阻力，從而使液壓先得到緩沖然后再流向前進擋離合器。當踩下加速踏板，節氣門開度增加時，油壓增加，推動前進擋控制閥克服彈簧阻力運動，從而打開油路的開口，使油壓繞過原來的節流孔，直接流向蓄壓器和離合器。這種設計就使變速器在氣門開度較大時，可以使前進擋離合器更快地進行結合。

離合器油壓必須隨節氣門開度和車輛行駛速度的變化而隨之改變。車輛在高速行駛時，離合器結合要更快，這樣換擋感受才會更好，也可以避免換擋時間過長，離合器因為打滑而造成熱量堆積，縮短離合器壽命。實際的情況是，圖1中前進擋控制閥會由于磨損而導致油壓泄漏，或者蓄壓器的銷子與活塞之間產生磨損而導致油壓泄漏（這種帶銷子的蓄壓器設計在后來的變速器中逐漸消失，較新款的蓄壓器都不再帶有中心銷子）。油壓的泄漏造成蓄壓器活塞不能被足夠推動，蓄壓器失去了應有的蓄壓和壓力緩沖的作用，造成入擋沖擊。大量的泄壓也會使離合器的結合油壓不足，造成離合器過早失效。

當車速繼續增加時，變速器需要從1擋升到2擋，這時2-4制動帶需要開始作用。如圖2所示，顯示了換擋油壓從1-2換擋閥那里流過來，流向伺服器中的2擋活塞（伺服器就是用來作用制動帶的，這種設計以后也逐漸被制動器取代），以及1-2蓄壓器。可以看到，油壓在推動2擋伺服器時通過1-2蓄壓器得到了緩沖，使伺服器能平順地推動制動帶。油壓克服1-2蓄壓器的彈簧力以及蓄壓器背后的一個隨節氣門變化而變化的背壓，這個背壓由蓄壓器閥來控制，而蓄壓器由節氣門控制閥（MTV）和彈簧力來控制。這樣設計的目的是使車輛隨著車速的變化而調節蓄壓器的蓄壓能力，從而在車速變化過程中可以達到更好的換擋感受。比如，當車速增加時，圖2中綠色的蓄壓器活塞背壓就會提高，這樣就可以產生更快速和更結實的換擋感覺。如果出現1-2和2-1換擋問題，維修人員就可以分析出與之相關的可能失效因素，包括蓄壓器閥的磨損、1-2蓄壓器活塞以及伺服器的問題。

以上分析的是全液控的一款4擋變速器，后來這款變速器也引入了電磁閥控制，基本結構沒有變，依然使用原來的蓄壓器和伺服器，只是原來的機械式調壓器被EPC電磁閥和速度傳感器取代，原來的機械式節氣門控制器被EPC電磁閥和節氣門位置傳感器取代。液控變速器中的機械調壓器是連接在變速器輸出軸上的，這樣就可以根據車速變化而輸出不同的油壓信號。而液壓控制的節氣門油壓信號是根據連著加速踏板的節氣門拉桿來控制的，這樣為了達到理想的換擋感受，需要大量的液壓控制閥來配合完成。而在使用電磁閥和電子傳感器控制后，液壓控制結構被大幅簡化（圖3）。

這種電子控制還屬于間接型的，在離合器和控制單元之間還是需要通過蓄壓器來實現平滑的換擋感覺，只是電子控制通過速度傳感器來實時監控車輛行駛速度，從而可以隨時調整蓄壓器油路中的液壓。開關電磁閥也開始被引入，它們可以在控制單元的驅使下進行換擋操作。因此控制單元可以根據不同的車輛、發動機、駕駛狀況（如坡度、溫度或海拔高度等）以及駕駛員的需求而改變換擋點和調整換擋感受。在這種設計中，如果要分析換擋品質問題，不僅需要考慮上述的蓄壓器和控制閥會失效，還得考慮電磁閥、傳感器及控制單元這些因素。

2006年后，通用在其6擋的后驅變速器（RWD）中，取消了傳統的蓄壓器和伺服器的設計，將該系列中各種型號的變速器采用相同的液壓控制閥和標定，比如6L45、6L50、6L80和6L90。相同的硬件，可以應付不同的扭矩，這種新型的控制結構有效地降低了變速器的尺寸和制造成本。能做到這個效果，主要是因為變速器的電控程度更高了。每個離合器都由一個專用的油壓電磁閥來直接控制離合器作用油壓，控制單元可以根據更聰明的算法來完成變速器的自學習過程，控制換擋時間點和換擋感覺。當變速器的內部零件開始出現老化和磨損時，這種設計可以實時調整換擋感覺，而在以前的全液控變速器和間接電控型變速器中，由于沒有控制單元的彌補功能，這種情況下就會出現換擋品質問題。

當然，控制單元的補償作用是有極限的，當油路中的零件磨損到一定程度后，還是會出現換擋故障，因為油壓的失常已經超出了控制單元調節的極限。控制單元對每個離合器的油壓電磁閥直接控制，將電磁閥輸入油壓直接調節為電磁閥的離合器控制油壓，這個油壓然后去推動閥體內的離合器調壓閥和離合器增壓閥（圖4），這2個閥芯將主油壓轉化為通往離合器的作用油壓。這就可以使變速器控制單元根據駕駛狀況，隨時控制各個離合器的結合和釋放油壓。圖4中顯示了1-2-3-4離合器是如何被電磁閥控制的。5號油壓電磁閥的輸出油壓通往1-2-3-4離合器調壓閥和1-2-3-4離合器增壓閥，當這個油壓開始克服彈簧力和1-2-3-4反饋油壓推動1-2-3-4離合器調壓閥時，來自手控閥的系統油壓經過這個閥的調節流向1-2-3-4離合器。

當5號油壓電磁閥的輸出壓力增大時（圖5），1-2-3-4離合器增壓閥會被完全推到底（克服彈簧力），從而切斷1-2-3-4反饋油壓，使1-2-3-4離合器調壓閥被推動的幅度達到最大，1-2-3-4離合器因而得到最大的油壓。

在這種設計中，控制單元來控制油壓電磁閥，在少量的閥芯配合下，離合器得到一個逐漸增加的油壓，這樣就代替了傳統的蓄壓器，同樣可以達到離合器油壓緩沖的作用，而且控制更精密。控制單元同時還檢測輸入和輸出傳感器信息，當離合器和其他零件磨損時，控制單元就可以通過改變電磁閥輸出油壓來進行補償，從而達到合適的換擋感受。但是當閥體內的離合器調壓閥或離合器增壓閥的磨損程度超過了控制單元的補償范圍，換擋故障就會表現出來。同樣，電磁閥調壓閥（AFL閥）或者電磁閥本身的失效也會造成相同的換擋故障。

這里還要注意一個影響到1-2-3-4離合器、3-5-R離合器和4-5-6離合器作用油壓的閥，它極大地影響換擋品質，這就是補償油壓調節閥。這個閥的作用和新型的離合器結構有關系。傳統的離合器只有一個作用活塞，而新型的變速器采用雙活塞的離合器設計。除了作用活塞外，在其背后還多了一個補償活塞，它的作用是使離合器能更快速地結合與釋放，從而實現更快換擋速度。其原理為，當離合器釋放時，離合器活塞前面的作用油壓并不排空，活塞背后的補償油壓與活塞前面的殘余作用油壓相互平衡，使殘余的離心力不至于使離合器活塞在轉動時被提前推動而造成離合器提早結合。離合器主活塞背后的那個平衡補償油壓就是由這個補償油壓調節閥來控制的（圖6），它將主油壓經過調節后導入離合器主活塞的背后（主活塞前面的作用油壓由上述的油壓電磁閥、離合器調壓閥和離合器增壓閥來控制）。當這個閥磨損泄壓后，離合器的結合與釋放就受到影響，于是會出現各種換擋故障。

隨著變速器的擋位數不斷提升，更新的創造性離合器控制方法不斷出現，換擋感受也會更好。比如通用后驅的8擋變速器通過控制單元監控每個油壓電磁閥的流量，從而制定更先進的自適應程序。因此傳統的液壓蓄壓器以前曾是決定換擋感受的主要因素，在今后更新的變速器中蓄壓器以外的其他部件將會起到更重要的作用。