2.4 自動變速器
自動變速器是借助液體壓力或其他構件（如鋼帶等）操控動力傳輸與自動換擋，可省去駕駛人換擋的操作，車輛能在較經濟及配合路況需求的情況下行駛。
自動變速器可大致分為機械式、液力機械式及電子控制式3類，而電子控制式自動變速器（見圖2-34）是目前自動變速器的代表。主要由液體傳動系統(tǒng)、行星齒輪系統(tǒng)與電子（或油壓）控制系統(tǒng)所組成。
圖2-34 電子控制式自動變速器的系統(tǒng)圖
一 液體傳動系統(tǒng)
液體傳動系統(tǒng)（如液力變矩器）自動控制發(fā)動機動力的接合或分離，用以取代離合器踏板、離合器總成等的操作。
二 行星齒輪系統(tǒng)
行星齒輪系統(tǒng)提供不同速度比及改變轉動方向，以符合各種路況的需求。
三 電子（或油壓）控制系統(tǒng)
隨著發(fā)動機轉速、負載及行車速度的變化，可用電子（或油壓）控制系統(tǒng)自動控制行星齒輪系統(tǒng)，產生變速、換擋的作用。
2.4.1 液體傳動系統(tǒng)
液體傳動系統(tǒng)的演進：由液力偶合器改良為液力變矩器，近來更發(fā)展為鎖止式液力變矩器，以提高高速時的動力傳遞效率。
一 液力偶合器
液力偶合器由泵輪（又稱主動葉輪）與渦輪（又稱被動葉輪）組成，如圖2-35所示。當泵輪被發(fā)動機曲軸帶動時，產生離心力將油液傳送到渦輪內，推動渦輪轉動，發(fā)動機動力得以傳送到變速器輸入軸上。
圖2-35 液力偶合器
（1）泵輪：裝置在發(fā)動機曲軸上，與飛輪成為一體。葉片為平板形且葉片間隔不等，以減少液體流動時產生的諧振。
（2）渦輪：裝置在變速器（行星齒輪組）輸入軸上。葉片亦為平板形，且間隔也不等，以減少諧振。渦輪葉片數目與泵輪不相等，可避免液體從泵輪流到渦輪時所產生的干擾，并可避免皆由相對的葉片承受，以延長使用壽命。
（3）兩葉輪盡量靠近，以增進液體傳動效率。內部存儲85％～90％的油液，在油液受熱時，有空隙可供其膨脹，可減少油封受損。
（4）泵輪與渦輪的轉速差稱為滑差，以泵輪轉速的百分比表示。一般當發(fā)動機轉速為1500～2000r/min時，滑差為2％～5％。如泵輪轉速為2000r/min，而渦輪轉速為1900r/min，則
二 液力變矩器
液力變矩器（見圖2-36）由泵輪、渦輪與導輪（又稱定子）所組成。液力變矩器是液力偶合器的改良。因為當液力偶合器泵輪將油液傳送到渦輪改變方向后，再折回泵輪，所以此時油液方向與泵輪轉動方向相反，因而阻礙泵輪轉動，亦即消耗發(fā)動機動力；而液力變矩器即在液力偶合器內加裝一導輪，以增加輸出扭力，如圖2-37所示。其構件說明如下所述。
圖2-36 液力變矩器
圖2-37 液力偶合器與液力變矩器的比較
（1）泵輪（渦輪）：葉片為彎曲形，可減少油液回彈，動力消耗較少。
①如圖2-38（a）所示，當油液噴向輪上漏斗時，因沖擊漏斗時間短，故從漏斗流出的油液能量與流入時差不多，即只做動力傳遞而無增加扭力的作用。
②如圖2-38（b）所示，當油液噴向輪上漏斗時，因裝有一曲形葉片（如導輪），可使從漏斗流出的油液再次沖擊漏斗，經過連續(xù)多次作用后，從漏斗流出（如渦輪）的油液能量比噴入（如泵輪）時的油液能量大，故具有增大扭力的作用。
圖2-38 液力變矩器構件
（2）導輪：導輪能改變油液流動方向，具有增大扭力的作用。在液力變矩器中裝置1個導輪者，稱為單級扭力變換器，有2個者稱為二級扭力變換器。
在液力變矩器中的導輪，當渦輪轉速慢時可改變油液流動方向，以增加輸出扭力；但當渦輪轉速快時，油液在導輪背面流動，此時非但不能改變油液流動方向及增加輸出扭力，油液的流動反而因導輪的阻撓生熱，致使動力損失；改善方法即將導輪裝在單向離合器上。
如圖2-39（a）所示，單向離合器內的滾子，其對角線AA'比對角線BB'長，當滾子被迫逆時針方向轉動時，則成鎖止傳動狀態(tài)；當滾子順時針方向轉動時，則成自由空轉狀態(tài)。
如圖2-39（b）所示，低速時，從渦輪流出的油液，經導輪正面（此時單向離合器在鎖止的方向）改變傳動方向后，導入泵輪，使輸出扭力增加。
如圖2-39（c）所示，高速時，從渦輪流出的油液，經導輪背面流過，并借由推動單向離合器向前轉動，產生空轉，因而導輪不會阻撓油液流動，致使動力損失，但也無法增加輸出扭力，而作為液力偶合器用。
圖2-39 液力變矩器的作用
圖2-40所示為液體扭力變換接合器的特性曲線。
（1）渦輪與泵輪的速度比為零（渦輪靜止）時，液體扭力變換接合器傳動效率為零。
圖2-40 液體扭力變換接合器的特性曲線
（2）速度比為0.6～0.75時（A點），其傳動效率最高，約為0.85。
（3）速度比為0.82時，渦輪與泵輪的扭力比為1（即B點），傳動效率約0.8（C點），導輪此時開始空轉，亦即液體扭力變換接合器變成液力偶合器；之后，速度比再增大，其傳動效率即沿液力偶合器特性曲線變化，速度比到達0.94（D點）左右，其傳動效率最高。若速度比超過0.94，傳動效率就迅速下降。
三 鎖止式液力變矩器
傳統(tǒng)液力變矩器因滑差作用，致使泵輪無法毫無損失地將動力傳遞到渦輪，造成燃料浪費。近代自動變速器使用鎖止式液力變矩器，以改善高速擋的傳動效率。
鎖止式液力變矩器作用在高速擋時，由鎖止活塞將渦輪與液力變矩器蓋互相鎖止，使其直接傳動，提高動力傳遞效率，節(jié)省燃料；同時由于鎖止傳動，油液不再傳遞動力，因而油溫不致過高。其作用如下：
（1）如圖2-41（a）所示，當自動變速器在低速擋（鎖止離合器OFF）時，油液從入口進入到鎖止活塞左側，壓迫鎖止活塞向右移動，致使渦輪與液力變矩器分離，即不鎖止傳動。其動力由發(fā)動機→液力變矩器蓋→泵輪→渦輪輸出。
（2）如圖2-41（b）所示，當自動變速器在高速擋（鎖止離合器ON）時，油液從出口處泄放，油壓將鎖止活塞向左移動，致使渦輪與液力變矩器互相鎖止，即直接傳動。其動力由發(fā)動機→液力變矩器蓋→鎖止活塞→減振彈簧→渦輪→自動變速器主軸輸出。
圖2-41 鎖止式液力變矩器
頭腦風暴
◎你駕駛手動變速器的車在城市中行駛，出現堵車時，會不會想到如果現在是自動變速器的車多好？為什么？
2.4.2 行星齒輪系統(tǒng)
簡單行星齒輪系統(tǒng)由太陽輪、行星齒輪、行星齒輪架及齒圈（又稱內齒輪）等組成，如圖2-42所示。其構造簡單、體積小、齒輪永久嚙合，換擋時無須撥動齒輪，且其齒輪接觸點多，可傳輸較大的扭矩；但其控制機構較復雜，且故障多，故大多用于自動變速器或超速傳動裝置上。
圖2-42 簡單行星齒輪系統(tǒng)構造
設太陽輪齒數a=36，行星齒輪齒數b=24，齒圈齒數d=84。當太陽輪主動，而齒圈固定，則行星齒輪架被動，其減速比計算如下：
（1）若行星齒輪架逆時針方向轉1圈，則行星齒輪在齒圈上滾動（自轉），即
（2）若行星齒輪逆時針在齒圈上滾動（自轉）1圈，則帶動太陽輪順時針轉，即
（3）若行星齒輪逆時針在齒圈上滾動3.5圈時，則太陽輪將順時針轉，即
（4）當太陽輪與行星齒輪架鎖為一體時，其速度比為1：1，故當行星齒輪架轉1圈，太陽輪也會轉1圈。但實際上太陽輪與行星齒輪架速度比為
，因而行星齒輪架轉1圈，太陽輪實際轉數為
圈。所以
當太陽輪主動，齒圈固定，行星齒輪架被動時，行星齒輪系統(tǒng)產生大減速作用。其余各擋作用，如此推算，整理如表2-2所示。
表2-2 簡單行星齒輪系統(tǒng)作用
※當行星齒輪架主動時，則成超速（大、小加速）傳動，減速比小于1；行星齒輪架被動時，則成加大扭矩（大、小減速）傳動，減速比大于1；行星齒輪架固定時，則成倒擋作用。
頭腦風暴
◎為何行星齒輪系統(tǒng)中的太陽輪、齒圈及行星齒輪架等無一固定時（即空擋），無法將發(fā)動機動力輸出？
2.4.3 液壓控制系統(tǒng)
液壓控制系統(tǒng)，如圖2-43所示，包括油泵、真空控制閥、手動控制閥、速控閥、換擋控制閥、換擋閥、油壓調節(jié)閥及伺服機構等構件；由油泵建立油壓，并經各油壓控制閥以操縱伺服機構（制動帶、離合器等），使行星齒輪系統(tǒng)產生速度比變化（即自動換擋動作）。
一 油泵
油泵位于液力變矩器后方，由發(fā)動機驅動的主動軸（如泵輪）帶動，產生油壓以使各控制閥、離合器及制動帶等動作，并將油液充滿液力變矩器及在油料冷卻器內循環(huán)以協(xié)助散熱。一般可分為轉子式與齒輪式兩大類。
圖2-43 液壓控制系統(tǒng)
二 真空控制閥（又稱節(jié)流油閥）
由發(fā)動機進氣歧管真空大小，控制送到換擋控制閥的油壓，進而操控伺服機構，以進行換擋動作，如圖2-44所示。當進氣歧管真空降低，以致彈簧彈力將膜片左移，因而輸出油壓增加，經由換擋控制閥、換擋閥及伺服機構作用，使行星齒輪系統(tǒng)處在適當擋位。
圖2-44 真空控制閥（節(jié)流油閥）
三 速控閥
速控閥將車速（或自動變速器輸出軸轉速）轉換成油壓變化，以控制作用到換擋閥的油壓，如圖2-45所示，當車速（變速器輸出軸）慢時，配重離心力小，被彈簧彈力收縮在合攏位置上，只允許低油壓送至換擋閥，因而維持在低速擋；待車速變快，配重離心力增加，克服彈簧彈力向外張開，促使液壓閥開度變大，可讓較多油壓送到換擋閥，并在真空控制閥油壓作用下，使自動變速器換入高速擋。
四 換擋閥
換擋閥依手動控制閥、真空控制閥、速控閥等送來的油壓及閥內本身彈簧彈力的作用，使閥移動達到平衡位置，通過換擋閥油壓高低，產生換擋動作。一般4擋自動變速器有1、2擋換擋閥，2、3擋換擋閥及3、4擋換擋閥等。
圖2-45 速控閥
五 手動控制閥
如圖2-46所示，駕駛人借由變速桿操縱手動控制閥，改變油壓通路，以操控各擋位。手動控制閥一般有5～6個位置油路，如P、N、D、L、R或P、R、N、D、1、2等。
圖2-46 手動控制閥
（1）P：駐車擋（油路1）。
（2）N：空擋（油路1、2、3）。
（3）D：前進擋，用于一般行駛狀況，變速器可由低速擋變化到最高速擋，也可由最高速擋降到低速擋（油路1、3、4）。
（4）R：倒車擋（油路3、4）。
（5）L：低速擋，用于長下坡或需較大扭力的路況（如泥濘路況），變速器只在1、2擋間變換，以提供較大扭力（油路2、3、4）。
（6）另外，1、2擋類似L擋，低速擋可提供駕駛人更多的選擇，使變速器發(fā)揮更佳效果。
六 油壓調節(jié)閥
油壓調節(jié)閥最主要的功用是調節(jié)從油泵來的油壓，能維持在一定壓力之內送到液壓控制系統(tǒng)，并且將油壓分供到液力變矩器和潤滑系統(tǒng)，如圖2-47所示。油泵來的油壓經B和B'到油壓調節(jié)閥，其中油壓從B經限流孔A到油壓調節(jié)閥左側，將閥往右推，并根據設計的油壓大小來決定閥移動的位置。從B'到D的油壓亦因閥的移動而改變，由于油壓調節(jié)閥左右持續(xù)的移動，可以保持油壓為定值。
圖2-47 油壓調節(jié)閥
七 伺服機構
由油壓或真空或電磁等作用，通過杠桿操作產生機械力，并可依需要予以繼續(xù)或中斷的機構，稱為伺服機構，如圖2-48所示。在自動變速器中，由電磁、油壓等方式操縱離合器及制動帶，使變速（行星）齒輪組產生速度比變化。
（1）如圖2-48（a）所示，當油壓作用在活塞作用側（伺服缸）時，活塞桿推緊（太陽輪延伸的）制動帶[可對照圖2-48（b）的制動帶]，因而太陽輪固定，齒圈主動，而行星齒輪架被動，產生減速作用。
（2）如圖2-48（b）所示，當制動帶放松，油壓推動環(huán)狀活塞，使多片離合器壓緊時，行星齒輪架與太陽輪延伸的制動鼓鎖住，因而為直接傳動。
圖2-48 伺服機構
頭腦風暴
◎你認為自動變速器的液壓控制系統(tǒng)相當于手動變速器的哪些構件或動作（包括駕駛人的操控）？