自动变速器工作原理

如果您驾驶过配备自动变速器的汽车，则应该知道自动变速器和手动变速器之间有两个主要区别：

• 自动变速器汽车上没有离合器踏板。
• 自动变速器汽车上没有换挡机构。只要将变速器挂在前进挡，其他所有操作都会自动进行。

自动变速器（与它的液力变矩器）和手动变速器（与它的离合器）完成一模一样的事情，但它们完成的方式完全不同。 自动变速器的工作方式十分的神奇！

自动变速器的位置

在本文中，我们将详细讲述自动变速器的原理。 首先您将了解整套系统的关键部件： 行星齿轮组。 然后，我们将告诉您变速器的装配、控制装置的工作原理，并讨论在变速器的控制中涉及到的一些难点。

与手动变速器一样，自动变速器的主要工作是让发动机在较窄的转速范围下运行，并且提供较宽的输出速度范围。

戴姆勒-克莱斯勒公司 供图 梅赛德斯-奔驰CLK自动变速器

如果没有变速器，汽车将会只有一种传动比，而我们也只能选择让汽车以所需的最大速度行驶的那种传动比。 如果您想要的最大速度是130公里/小时，那么传动比应类似于大多数手动变速器中的三挡。

您可能从来没尝试过仅用三挡来驾驶配备手动变速器的汽车。 如果体验一下，您很快会发现在起动时几乎没有加速感。高速行驶时，发动机会发出尖叫，转速表会接近红线。这样的汽车很快就会磨损，以至于几乎无法驾驶。

因此，变速器使用齿轮，以便更有效地利用发动机的扭矩，从而保持发动机在合适的转速下运行。

手动变速器和自动变速器之间的关键不同在于：前者将不同组的齿轮分别锁定到输出轴，以得到各种传动比；而在自动变速器中，同一组齿轮就可得到所有不同的传动比，自动变速器则是通过行星齿轮组来实现这一功能的。

下面让我们来了解行星齿轮组的工作原理。

当我们分解自动变速器以了解其内部结构时，会发现其在相当小的空间内容纳了各种各样的部件。除了其他部件外，您还会看到：

• 一套精致的行星齿轮组
• 一组钢带，用于固定齿轮组的部件
• 一组三个湿盘离合器，用于固定齿轮组的其他部件
• 一套神奇的液压系统，用于控制离合器和钢带
• 一个大型齿轮泵，用于运送变速器液力传动油

我们关注的重点是行星齿轮组。 这个部件的大小与甜瓜相仿，它产生变速器所能生成的所有不同传动比。变速器内的其他所有部件都是为了帮助行星齿轮组完成此工作。博闻网之前已经介绍过这种神奇的齿轮装置，您可以从电动螺丝刀一文中认识这种装置。自动变速器包含两套完整的行星齿轮组，它们组合成一个部件。有关行星齿轮组的介绍，请参见齿轮比原理。

从左到右：齿圈、行星架、两个太阳轮

所有行星齿轮组都有三个主要部件：

• 太阳轮
• 行星齿轮和行星齿轮的齿轮架
• 齿圈

每种部件可以作为输入、输出，也可以保持不动。 当各种部件担任不同角色时，可相应得到齿轮组的某一传动比。下面让我们观察单个行星齿轮组。

变速器中的一个行星齿轮组包括一个72齿的齿圈和一个30齿的太阳轮。通过该齿轮组，可以得到很多不同的传动比。

	输入	输出	不动	计算	传动比
A	太阳轮（S）	行星架（C）	齿圈（R）	1+R/S	3.4:1
B	行星架（C）	齿圈 （R）	太阳轮（S）	1 /（1+S/R）	0.71:1
C	太阳轮（S）	齿圈 （R）	行星架（C）	-R/S	-2.4:1

另外，将其中任何两个部件锁定在一起，都会将整个装置锁定在1:1齿轮减速比。 请注意，上面列出的第一个传动比是减速挡——输出速度比输入速度慢。第二个是超速挡——输出速度比输入速度快。最后一个又是减速挡，但输出方向相反。 从这个行星齿轮组还能得到其他几种传动比，不过这几种传动比与我们的自动变速器相关。您可以从下面的动画中试验这几种传动比：

与自动变速器相关的不同传动比的动画
单击上表左边的按钮。

因此，不需要啮合或脱离任何其他齿轮，这组齿轮就可以产生所有不同的传动比。两套这样的齿轮组排成一行，就可以得到变速器需要的四个前进挡和一个倒挡。在下一节中，我们会将这两组齿轮放在一起。

这个自动变速器使用一组齿轮，这组齿轮称为组合行星齿轮组。看似单个行星齿轮组，但实际上其运行方式像两个行星齿轮组组合在一起。该齿轮组具有一个始终作为变速器输出的齿圈、两个太阳轮和两组行星齿轮。

下面我们来看看其中的一些部件：

变速器中的齿轮如何组合在一起 从左到右：齿圈、行星架、两个太阳轮

下图显示了行星架中的行星齿轮。请注意，右边的行星齿轮比左边的行星齿轮位置低，并且它不与齿圈啮合，而是与其他行星齿轮啮合。只有左边的行星齿轮与齿圈啮合。

行星架：请注意两组行星齿轮。

接下来，您可以看到行星架的内部。较短的行星齿轮只与较小的太阳轮啮合，较长的行星齿轮既与较大的太阳轮啮合，也与较小的太阳轮啮合。

行星架内部：请注意两组行星齿轮。

下面的动画显示了所有部件在变速器中是如何啮合传动的。

移动换挡杆，观察动力是如何通过变速器传递的。

一挡
在一挡中，较小的太阳轮由液力变矩器中的涡轮顺时针驱动。行星架要逆时针旋转，但被单向离合器（只允许顺时针方向旋转）固定，齿圈成为输出。小齿轮有30齿，齿圈有72齿，因此，根据下方的图表，传动比为：

传动比=-R/S=-72/30=-2.4:1

因此，旋转传动比是负的2.4:1，这意味着输出方向与输入方向相反。但输出方向与输入方向实际上相同——这就是两组行星齿轮的奥秘。第一组行星齿轮与第二组啮合，第二组行星齿轮带动齿圈，这种组合引起反向。可以看到，这还使较大的太阳轮旋转。但由于离合器已松开，因此较大的太阳轮能以与涡轮相反的方向（逆时针）自由旋转。

移动换挡杆，观察动力是如何通过变速器传递的。

二挡
为了获得二挡所需的传动比，变速器的操作十分巧妙。它的运作就像两个行星齿轮组通过一个公共的行星架相互连接。

行星架的第一级实际上使用较大的太阳轮作为齿圈。 因此，第一级包括太阳轮（较小的太阳轮）、行星架和齿圈（较大的太阳轮）。

输入是较小的太阳轮、齿圈（较大的太阳轮）由制动带固定，输出是行星架。对于这一级，由于太阳轮作为输入，行星架作为输出，齿圈固定，因此公式为：

1+R/S=1+36/30=2.2:1

较小的太阳轮每转动一圈，行星架就转动2.2圈。 在第二级，行星架作为第二个行星齿轮组的输入，较大的太阳轮（不动）作为太阳轮，齿圈作为输出，因此传动比为：

1/(1+S/R)=1/(1+36/72)=0.67:1

为得到二挡的整体减速比，我们将第一级乘以第二级：2.2x0.67，得到1.47:1减速比。这听起来有点古怪，但的确有效。

移动换挡杆，观察动力是如何通过变速器传递的。

三挡
多数自动变速器三挡的传动比为1:1。您会记得在上一节中提到我们要得到1:1的输出，所需做的只是将行星齿轮三个部件中的任意两个锁定在一起。对于本齿轮组的排列，甚至更简单——所需做的只是啮合离合器，将每个太阳轮锁定到涡轮。

如果两个太阳轮同向转动，行星齿轮会锁住，因为它们只能反向旋转。这便将齿圈锁定到行星齿轮，使得所有部件作为一个整体旋转，从而产生1:1的传动比。

移动换挡杆，观察动力是如何通过变速器传递的。

超速挡
按照定义，超速挡的输出速度比输入速度快。它的速度会提高，正好与减速挡相反。在本变速器中，啮合超速挡会一次完成两件事情。如果您阅读过液力变矩器工作原理，可能已经了解了锁定液力变矩器。为了提高效率，某些汽车有一个锁定液力变矩器的机构，以便发动机的输出直接传递到变速器。

在本变速器中，啮合超速挡后，连接到液力变矩器外壳的轴（通过螺栓固定到发动机的飞轮）会通过离合器连接到行星架。较小的太阳轮空转，较大的太阳轮被超速挡制动带固定。没有任何部件连接到涡轮，仅有的输入来自变矩器外壳。我们回到图表，这次以行星架作为输入、太阳轮固定、齿圈作为输出。

传动比=1/(1+S/R)=1/(1+36/72)=0.67:1

因此，发动机每转动三分之二圈，输出装置就旋转一圈。如果发动机转速为2000 转/分（RPM），则输出速度为3000RPM。这使得在保持发动机转速缓慢的同时，汽车可以以高速行驶。

移动换挡杆，观察动力是如何通过变速器传递的。

倒挡
倒挡和一挡极为类似，但由液力变矩器涡轮驱动的不是较小而是较大的太阳轮，较小的太阳轮反向空转，行星架被倒挡制动带固定到外壳上。 因此，根据上一页的公式，传动比为：

传动比=-R/S=72/36=2.0:1

这样，本变速器中，倒挡的传动比略小于一挡的传动比。

传动比
本变速器有四个前进挡和一个倒挡。下面让我们来总结一下传动比、输入和输出：

挡位	输入	输出	固定	传动比
一挡	30齿太阳轮	72齿齿圈	行星架	2.4:1
二挡	30齿太阳轮	行星架	36齿齿圈	2.2:1
	行星架	72齿齿圈	36齿太阳轮	0.67:1
			二挡总计	1.47:1
三挡	30齿和36齿太阳轮	72齿齿圈		1.0:1
超速挡	行星架	72齿齿圈	36齿太阳轮	0.67:1
倒挡	36齿太阳轮	72齿齿圈	行星架	-2.0:1

阅读了上述内容后，您大概想知道不同的输入装置是如何连接和断开的，其实这些装置是通过变速器内部的一系列离合器和制动带完成的。接下来，我们将了解这些离合器和制动带如何工作。