汽车自动变速器结构与工作原理

早期的轿车自动变速器多采用3档行星齿轮变速器，其最高档3档是传动比为1的直接档。进入20世纪80年代后，随着发达国家对汽车燃油经济性的要求日趋严格，越来越多的轿车自动变速器采用了4档行星齿轮变速器。其最高档4档是传动比小于1的超速档。这种自动变速器的优点除了能降低汽车燃油消耗外，还可以使发动机经常处于较低转速的运转工况，以减小运转噪声，延长发动机的使用寿命。

辛普森式4档行星齿轮变速器是在辛普森式3档行星齿轮变速器的基础上发展起来的，它有两种类型：一种是在辛普森式3档行星齿轮变速器原有的双排行星齿轮机构的基础上再增加一个单排行星齿轮机构，用3个行星排组成4档行星齿轮变速器；另一种是对辛普森式双排行星齿轮机构进行改进，通过改变前后行星排各基本元件的组合方式和增加换档执行元件，使之成为带有超速档的4档行星齿轮变速器。

（1）3行星排辛普森式4档行星齿轮变速器结构与工作原理 这种4档行星齿轮变速器是在不改变原辛普森式3档行星齿轮变速器的主要结构和大部分零部件的情况下，另外再增加一个单排行星齿轮机构和相应的换档执行元件来产生超速档的。这个单排行星齿轮机构称为超速行星排，它安装在行星齿轮变速器的前端（见图4-9）。其行星架是主动件，与变速器输入轴连接；齿圈则作为被动件，与后面的双排行星齿轮机构连接。超速行星排的工作由直接离合器C₀和超速制动器B₀来控制，直接离合器C₀用于将超速行星排的太阳轮和行星架连接，超速制动器B₀用于固定超速行星排的太阳轮。根据行星齿轮变速器的变速原理，当超速制动器B₀放松、直接离合器C₀接合时，超速行星排处于直接传动状态，其传动比为1；当超速制动器B₀制动，直接离合器C₀放松时，超速行星排处于增速传动状态，其传动比小于1。

图4-9 3行星排辛普森式4档行星齿轮变速器

当行星齿轮变速器处于1档、2档、3档或倒档时，超速行星排中的超速制动器B₀放松，直接离合器C₀接合，使超速行星排处于传动比为1的直接传动状态，而后半部分的双排行星齿轮机构各换档执行元件的工作和原辛普森式3档行星齿轮变速器在1档、2档、3档及倒档的工作完全相同（见表4-3）。来自变矩器的发动机动力经超速行星排直接传给后半部的双排行星齿轮机构，此时行星齿轮变速器的传动比完全由后半部的双排行星齿轮机构及相应的换档执行元件来控制。当行星齿轮变速器处于超速档时，后半部的双排行星齿轮机构保持在3档的工作状态，其传动比为1；而在超速行星排中，由于超速制动器B₀产生制动，直接离合器C₀放松，使超速行星排处于增速传动状态，其传动比小于1（该传动比即为该行星齿轮变速器在超速档时的传动比）。

由于直接离合器C₀在自动变速器处于超速档之处的任一档位（包括停车档、空档和倒档）都处于接合状态，因此当发动机刚起动而油泵尚未建立起正常的油压时，直接离合器C₀就已处于半接合状态，这样容易使其摩擦片因打滑而加剧磨损。为了防止出现这种情况，在直接离合器C₀并列的位置上布置了一个直接单向超越离合器F₀，使超速行星排的行星架能在逆时针方向上对太阳轮产生锁止作用。在发动机刚起动并带动自动变速器输入轴转动时，它就让超速行星排的太阳轮和行星架锁止为一个整体，防止直接离合器C₀的摩擦片在半接合状态下打滑。

直接单向超越离合器F₀的另一个作用是改善由3档升至超速档的换档平顺性。在3档升至超速档的换档过程中，为了防止超速制动器B₀和直接离合器C₀同时接合，造成超速行星排各基本元件之间的运动干涉，必须在直接离合器C₀完全释放后再让超速制动器B₀接合。这样，有可能因直接离合器C₀释放后超速制动器B₀来不及接合而使行星齿轮变速器出现打滑现象。直接单向超越离合器F₀可以在直接离合器C₀已释放而超速制动器尚未完全接合时代替直接离合器C₀的工作，将超速行星排的太阳轮和行星架锁止在一起，防止超速行星排出现打滑现象，并在超速制动器B₀接合后又能及时脱离锁止，让超速行星排顺利进入超速档工作状态。

由3个行星排组成的辛普森式4档行星齿轮变速器各换档执行元件在不同档位的工作情况见表4-3。

表4-3 改进后的辛普森式4档行星齿轮变速器换档执行元件工作规律

注：○——接合、制动或锁止；●——接合或制动，但不传递动力。(www.xing528.com)

这种型式的4档行星齿轮变速器可以使原辛普森式3档行星齿轮变速器的大部分零部件都得到利用，有利于减少生产投资，降低成本。目前大部分轿车都采用这种型式的4档自动变速器。有些车型的这种自动变速器将超速行星排设置在原辛普森式3档行星齿轮变速器的后端，其工作原理是相同的。

（2）双行星排辛普森式4档行星齿轮变速器结构与工作原理 这种4档行星齿轮变速器是对原辛普森式3档行星齿轮变速器中的双排行星齿轮机构进行改进而成的。它增加了换档执行元件的个数，让前后行星排的各个基本元件之间有更多更复杂的组合，从而使前进档的个数增多，形成包括超速档在内的4个前进档。

改进后的辛普森式行星齿轮机构除了前齿圈和后行星架仍互相连接为一体之外，前行星排和后行星排的其他基本元件全部各自独立，形成一种具有5个独立元件的辛普森式行星齿轮机构。在这5个独立元件中，后太阳轮始终和输入轴连接，输出轴则与前齿圈和后行星架组件连接。

在这种辛普森式行星齿轮机构中只要设置4个离合器、2个制动器及2个单向超越离合器，就能使之成为具有4个前进档和1个倒档的4档行星齿轮变速器，并且在1档、2档、3档都有两种工作状态，即有发动机制动或无发动机制动。这8个换档执行元件的布置方式如图4-10所示。其中离合器C₁用于连接输入轴和前太阳轮；离合器C₂用于连接输入轴和前行星架；离合器C₃和单向超越离合器F₁串联布置，一同用于连接前行星架和后齿圈，单向超越离合器F₁在逆时针方向对后齿圈产生锁止作用；离合器C₁也用于连接前行星架的后齿圈，和离合器C₁、单向超越离合器F₁并联布置；制动器B₁用于固定前太阳轮；制动器B₂和单向超越离合器F₂并联布置，一同用于固定前行星架，单向超越离合器F₂在逆时针方向对前行星架产生锁止作用。

图4-10 双行星排辛普森式4档行星齿轮变速器

这8个换档执行元件在行星齿轮变速器各档位的工作情况见表4-4。由表中可知，在停车档和空档之外的任一档位中都只有2～3个换档执行元件处于工作状态。其中，离合器C₃在变速杆位于前进档位置时始终都处于接合状态，故称为前进离合器；离合器C₄在变速杆位于前进低档位置时始终处于接合状态，其作用是使行星齿轮变速器的前进档具有发动机制动作用，故称为前进强制离合器；离合器C₂只在3档或超速档时才接合，故称为高档离合器；离合器C₁只在倒档时才接合，故称为倒档离合器；制动器B₁在2档或4档（超速档）时工作，故称为2档及4档制动器；制动器B₂在1档（变速杆位于前进低档位置）及倒档时工作，故称为低档及倒档制动器；单向超越离合器F₁在1档、2档、3档（变速杆位于前进档）时工作，故称为前进单向超越离合器；单向超越离合器F₂只在变速杆位于前进低档时的1档才工作，故称为低档单向超越离合器。

表4-4 双行星排辛普森式4档行星齿轮变速器换档执行元件工作规律

注：○——接合、制动或锁止；●——接合或制动，但不传递动力。