汽车自动变速器工作原理与检修技巧

自动变速器大多采用四档辛普森行星齿轮机构，一般有三个行星齿轮（排）机构，组成包括超速档在内的4个前进档和1个倒档的自动变速器。下面以丰田A140E电子控制自动变速器为例分析其传动原理。

A140E电子控制自动变速器是一种前置、前驱动四速电子控制自动变速器，由变矩器、四档辛普森行星齿轮机构、电子控制系统、液力控制系统组成，如图4-3所示。

A140E自动变速器由十个换档执行元件组成，包括三个离合器（超速档离合器C₀、前进档离合器C₁、直接档离合器C₂）、四个制动器（超速档制动器B₀、2档滑行制动器B₁、2档制动器B₂、低倒档制动器B₃）和三个单向离合器（超速档单向离合器F₁、2档单向离合器F₁、一档单向离合器F₂），各元件位置如图4-4所示。

图4-3 A140E电子控制自动变速器剖面图

图4-4 A140E电子控制自动变速器各元件位置图

a）布置图 b）原理图

A140E自动变速器传动原理如图4-5所示。各元件的功能见表4-2。

图4-5 A140E电子控制自动变速器传动原理图

表4-2 丰田A140E电子控制自动变速器各元件功能

A140E自动变速器变速杆有P、R、N、D、2、L六个位置，在各个不同位置时，各元件工作状况见表4-3。

表4-3 丰田A140E电子控制自动变速器不同档位时各元件工作情况

注：*——只能降档，不能升档。

下面，具体分析辛普森行星齿轮变速器传动档位及执行机构的工作，通过分析，除对自动变速器工作过程加深理解外，还可了解具体工况及档位下应有哪些执行机构参与工作，从而在一但出现相应故障时，好按图索骥，找出症结所在。

1.P位

这时，只有离合器C₀，离合器C₁和C₂都不工作，因此动力无法传递到后排行星齿轮机构，处于空档位置。

另外，为保证可靠停车，机械锁止机构将输出轴上的外齿锁住，如图4-6所示。因而自动变速器的输出轴和汽车的驱动轮都无法转动，处于驻车制动工况，又称驻车档。

2.R位

R位也称倒档，此刻参与工作的执行机构元件有C₀、C₂、B₃和F₀。

如图4-7所示，动力由超速行星齿轮机构经输入轴、C₂传给前、后太阳轮，使前、后太阳轮顺时针转动。后排行星齿轮机构的行星架被B₃锁住，前、后太阳轮带动后行星轮逆时针转动，使后齿圈也逆时针转动，带动超速行星架逆时针转动。由于C₀工作，超速太阳轮与超速行星架以同一速度转动，因此超速行星机构不起变速作用。此时，输出轴的转动方向与发动机转动方向相同，车辆倒行。

图4-6 P位锁止机构

图4-7 R位传动原理图

动力传递路线：

输入轴→C₂→前、后太阳轮→后排行星轮（逆时针）→后齿圈（逆时针）→超速行星齿轮机构→输出齿轮

有无发动机制动效果：

所谓发动机制动，是指在车辆行驶过程中驾驶人放松加速踏板，由于汽车的质量较大，其惯性使得车辆仍要以原来速度行驶，而此时发动机以怠速转速运转，因此车轮通过传动系使发动机转速升高，以此来消耗汽车动能达到减速的目的。

在R位放松加速踏板时，车轮带动输出齿轮高速转动，由于C₀作用超速行星机构作为一整体带动超速行星架转动使后齿圈（转速高）转动，后齿圈力图使后行星架逆时针转动，由于B₃、F₂的作用，无法实现，因此，后轮动力通过后行星齿轮传至前、后太阳轮并经过C₂、输入轴传至发动机，产生发动机制动效果。

3.N位

如前所述，N位为空档。此刻，辛普森行星齿轮机构中只有C₀工作，其余的各执行元件都不工作，所以其前、后行星排都处于空转状态，输出轴无动力输出。

4.D位

自动变速器变速杆位于D位时，自动变速器可根据发动机转速和车速的变化，自动使不同的离合器、制动器、单向离合器工作而变换从D₁～D₄间不同的档位。

（1）D₁档（21档）D₁档时，参与工作的执行机构元件有C₀、C₁、F₀和F₂。因为2₁档时各元件工作状况相同，故合并在一起介绍。

如图4-8所示，起步时，发动机动力由输入轴经C₁传给前齿圈，力图使前行星架顺时针转动。由于前行星架与超速行星架相连此时不能转动（因C₀作用，超速行星齿轮机构不起作用，输出齿轮与车轮相连，由于汽车起步，输出齿轮未转动），前行星架被固定，前齿圈接受发动机转矩，带动前行星轮顺时针旋转，前行星轮带动前、后太阳轮逆时针旋转。因汽车尚未起步，后齿圈也被固定，前、后太阳轮在促使后行星轮顺时针转动时，力图使后行星架逆时针转动，而这时F₂防止后行星架逆时针转动。故而强迫后齿圈顺时针转动，动力便经超速行星齿轮机构（由于C₀作用，超速行星机构不起作用）传至输出齿轮，汽车起步。

图4-8 D₁档传动原理图

汽车起步前动力传递路线：

输入轴→前齿圈→前行星轮→前、后太阳轮→后行星架（F₂作用，逆转被锁止）→后齿圈→超速行星齿轮机构→输出齿轮

起步后动力传递路线：

有无发动机制动效果：

放松加速踏板时，车轮动力经超速行星齿轮机构传给前行星架，前行星架转速高，前齿圈与发动机相连（转速低），由于此转速差使前行星轮逆时针转动，前、后太阳轮则顺时针转动。由于F₂不限制前、后太阳轮顺时针转动，后轮动力无法传至发动机，不产生发动机制动效果。

（2）D₂档D₂档时，参与工作的执行机构元件有C₀、C₁、B₂、F₀、F₁。

如图4-9所示，发动机动力由输入轴经C₁传给前齿圈，前齿圈带动前行星轮顺时针旋转，而前行星轮力图带动前、后太阳轮逆时针转动，但由于此时B₂将F₁的外圈锁止，使F₁的内圈不能逆时针转动（即前、后太阳轮不能逆时针转动），动力便由前行星架经超速行星架（由于C₀作用，超速行星齿轮机构不起作用）传给输出轴。这时后排行星齿轮机构不起作用。

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图4-9 D₂档传动原理图

动力传递路线：

输入轴→前齿圈→前行星轮→前行星架→超速行星齿轮机构→输出齿轮

有无发动机制动效果：

放松加速踏板时，车轮动力经超速行星齿轮机构传给前行星架，前行星架的转速高（后轮），前齿圈的转速低（发动机）。此时，行星轮力图使前、后太阳轮顺时针转动，而此时F1不限制太阳轮顺时针转动，后轮动力无法传至发动机，因而不产生发动机制动效果。

（3）D₃档D₃档时，参与工作的执行机构元件有C₀、C₁、C₂、B₂、F₀。

如图4-10所示，发动机动力经输入轴后再经由离合器C₁、C₂同时传给前太阳轮和前齿圈，使其以相同的速度旋转。这时前排行星齿轮机构作为一个整体将动力传给后行星架，再经超速行星齿轮机构（由于C₀作用，超速行星齿轮机构不起作用）传给输出齿轮。由于前、后排行星齿轮机构都不起变速作用，传动比为1，即直接档。

动力传递路线：

输入轴→前齿圈和前、后太阳轮→前行星架→超速行星齿轮机构→输出齿轮

有无发动机制动效果：

放松加速踏板后，由于前排行星齿轮始终被锁住，因此后轮动力可以传给发动机，产生发动机制动效果。

图4-10 D₃档传动原理图

（4）D₄档D₄档时，参与工作的执行机构元件有C₁、C₂、B₀、B₂。

如图4-11所示，动力经输入轴传给前、后两排行星齿轮机构，由于C₁、C₂的作用（这时前、后排行星机构传动比为1），动力经前行星架传给超速行星架。这时，超速档行星齿轮机构中的B₀工作，固定了超速太阳轮，动力经由超速行星架传给超速齿圈，因而是超速传动，总传动比小于1。

图4-11 D₄档传动原理图

动力传递路线：

输入轴→前齿圈和前、后太阳轮→前行星架→超速行星架→超速齿圈→输出齿轮

有无发动机制动效果：

放松加速踏板后，超速行星机构的齿圈转速高（后轮），超速行星架转速低（发动机）。此时，超速行星架与行星齿轮顺时针转动的同时，力图使超速太阳轮逆时针转动。由于B₀限制了超速太阳轮逆时针转动，因此后轮动力可以传给发动机，产生发动机制动效果。

5.2位

变速器变速杆处于2位置时，有2个档位：21档和22档。由于21档与D₁档工作的元件和传动原理相同，在此只叙述22档。

22档时，参与工作的执行机构元件有C₀、C₁、B₁、B₂、F₀、F₁。

变速器变速杆处于2位置时，变速器只能升到2档或强制从高档（汽车在3档、超速档行驶时，驾驶人将变速杆从D位置拨至2位置）降到2档。

如图4-12所示，动力输入轴经C₁传给前齿圈，前齿圈使前行星轮顺时针方向转动，而前行星齿轮力图使前、后太阳轮逆时针转动，但由于B₂、F₁（和B₁）的作用，前、后太阳轮不能逆时针转动，动力由前行星架传给超速行星架，经超速齿圈（由于C₀作用，超速行星齿轮机构不起作用）传给输出齿轮。这时，后排行星齿轮机构不起作用。

图4-12 2₂档传动原理图

动力传递路线：

输入轴→前齿圈→前行星轮→前行星架→超速行星齿轮机构→输出齿轮

有无发动机制动效果：

放松加速踏板时，车轮动力经超速行星架带动前行星架转速高，前齿圈转速低（发动机），由于转速差，行星轮力图使前、后太阳轮顺时针转动（与D₂档时相似，但D₂档时B₁不起作用），由于B₁的作用，前、后太阳轮不能顺时针转动，因而动力可以从后轮传至发动机，产生发动机制动效果。

6.L位

L位时，参与工作的执行机构元件有C₀、C₁、B₃、F₀、F₂。

变速器处于L位置时，变速器只能升至一档或被从高档强制降为一档。

如图4-13所示，动力由输入轴C₁传给前齿圈，前齿圈带动前行星轮齿轮顺时针转动，前行星齿轮带动前、后太阳轮逆时针转动。此时，太阳轮力图使后行星架逆时针转动，但由于B₃、F₂工作，后行星架逆时针转动被锁止，后行星轮便带动后齿圈顺时针转动，动力经超速行星齿轮机构（由于C₀作用，超速行星齿轮机构不起作用）传给输出齿轮。

图4-13 L位传动原理图

动力传递路线：

有无发动机制动效果：

放松加速踏板时，车轮会同时带动前行星架和后齿圈转动。

在带动后齿圈转动时，由于B₃、F₂的作用，后行星架被锁止，这时车轮便会通过后行星轮使前、太阳轮一定的速度逆时针转动（相当于固定元件）。

由于前、后太阳轮速度一定，而车轮带动前行星架转动时（转速高），发动机带动前齿圈转动（转速低），由于前、后太阳轮的逆转速度是固定的（相当于一个约束），这时行星轮便会在绕行星架自转的同时，带动齿圈（发动机）顺时针转动，因而动力可由车轮传给发动机产生制动效果。

7.单向离合器的作用

在行星齿轮机构中使用单向离合器，其作用是保证换档平顺。

以D₂换D₃档为例，理论上，挂入D₃档时并不需要制动器B₂工作，但如果在D₃档时B₂不工作，当从D₃档降至D₂档时，在对离合器C₂进行减压时，又要对制动器B₂进行加压，同时进行这两个动作时是很困难的，很小的时间差便会引起换档冲击。

参见D₃档和D₂档传动原理图，当汽车从高速档换至低速档时（换档瞬间若车速不变，根据齿轮传动原理，则发动机转速会从低速向高速转变），根据D₃档原理图，当前齿圈速度高（发动机转速）而前行星架转速低（车速）时，如果没有F₁的作用，不可避免的会在换档瞬间使太阳轮逆时针转动，但前、后太阳轮不管是在D₃档或是D₂档都是顺时针转动的），因而在换档瞬间会产生较大的冲击，有了F₁以后，由于F₁可配合B₂防止太阳轮逆时针转动，这样在对C₂和B₂的液压进行控制时，减小了换档瞬间的冲击。