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1、第1章 绪 论 1.1研究的目的及意义 随着车辆自动变速器理论与设计制造技术的不断完善，其应用范围越来越广泛，汽车传动系中自动变速技术一直是人们追求的目标，变速的自动化是车辆发展的高级阶段，它的发展经历了漫长的历程。与此同时，作为教育教学演示仪器，自动变速器实验台的出现能够非常直观、简便的演示自动变速器的基本工作状况，也可以按照要求进行故障模拟设置，又由于自动变速器实验台的运行平稳、安全便捷，因此也成为了现代汽车教育领域一种常见的教学演示方式，深受广大汽车教育部门师生的好评。 1991年汽车制造业就“汽车液力变速器台架性能试验方法(QC/T29033一91)”制定了行业标准，并于1999年进行
2、了修订，在此标准中就制造厂生产的自动变速器试验项目、测量参数、试验条件、试验设备和测量仪器、试验方法、数据处理及试验报告等项目进行了规范，而汽车维修业没有出台有关标准，自动变速器维修后台架性能试验照搬制造业的标准显然有许多不妥之处，例如己经设计好的液力变矩器其滑差在使用中一般不会发生变化，维修后就不必做此项台架试验，因此有必要研究自动变速器维修后的性能试验方法，既能检测出自动变速器的性能，又能满自动变速器的使用要求。汽车维修企业使用的检测设备不同于汽车制造业使用的检测设备，它首先要求在满足使用性能的基础上价格低廉，价格昂贵的设备很难在汽车维修行业推广，而对检测设备的精度要求比较低，这也为降低检
3、测设备的成本提供了有利的条件。另外，规模稍大的汽车维修企业维修的车型比较复杂，这就要求检测设备能够通用，一种检测设备能够检测多种车型。 近几年我国大量进口和合资生产的中高档轿车中，绝大部分装有自动变速器，而作为汽车上的一个复杂总成，自动变速器成为了中高档轿车普遍装备的变速系统。但是由于自动变速器的复杂化，汽车故障越来越难以直观判断，因此对汽车人才的要求越来越高，为了加强对汽车人才的培养，就要设计一种具有教学功能及演示功能的实验台，通过学生的动手操作，达到理论与实践相结合的目的，这样才能达到较好的学习效果。为了满足汽车方面专业教育教学用途，我国也开始大量运用各种实验台进行汽车工作状况的模拟，其中
4、自动变速器实验台由于它的演示直观，平稳安全，模拟故障简便，一直以来深受广大汽车教育者的青睐。1.2 国内外研究现状 30年代初，英国、美国等国将液力传动应用于公共汽车，到第二次世界大战期间，许多军用车辆和专用汽车也开始采用液力传动装置，在40年代初，美国成功地研制出两挡液力一机械自动变速器，1947年，美国通用公司率先将此类自动变速器应用于批量生产的小轿车上。在70年代，西欧及美国的商用汽车中使用液力自动变速器的己占全部商用汽车的80%以上。80年代，美国将液力自动变速器作为轿车的标准装备，1983年美国通用汽车公司液力自动变速器装车率已达到94%。日本生产的小型客车和轿车中液力自动变速器的装
5、车率也不断增长，1986年已达到41%。随着自动变速器的发展，其结构和性能也在不断完善，特别是近年来随着电子技术和自动控制技术在汽车上的应用，出现了电控自动变速器，它可以实现与发动机的最佳匹配，获得最佳的经济性、动力性、安全性并达到降低发动机排汽污染的目的。 解放初期，我国还没有一个专业的汽车检测与维修设备制造企业，汽车维修靠手工或简单的机具进行作业。自60年代后，由于政府有关部门的重视，才逐步建立了一些汽车维修设备生产企业，开始制造一些结构简单的设备，如举升机、液压拆装设备和维修工具等。到了70年代，特别是80年代以来，随着我国汽车保有量的迅速增长，促进了汽车检测维修设备企业的发展，并开始开
6、发研制具有一定水平的检测维修设备，但是由于装备自动变速器的汽车是近几年才大量进入我国，自动变速器检修设备一直处于较低水平，目前国内市场上仅有山西省汽车保修机具供应站生产一种称作“中国首台自动变速器维修专用试验台”的ZYJ一1型自动变速器试验台，该试验台在实验时不装液力变矩器，即不能试验液力变矩器的性能，由于不试验液力变矩器所以该设备结构简单，成本低，售价相对较低;该设备采用液压马达进行动力输入，输入额定转矩为200Nm，输入转矩较小，不能满足大排量汽车自动变速器对自动变速器的检修试验的要求，由于在实验时不装液力变矩器，所以靠试验台提供自动变速器系统油压，这样不能完全模拟实际使用工况，但是可以拆
7、除油底壳进行试验，当阀体漏油时可以一目了然的看到；设计的ZDC-1型电磁阀测试仪可以对12种以上车辆的自动变速器进行换挡控制，可以用于试验台检测时使用，也可单独就车路试，此设备值得借鉴。随着汽车产业的飞速发展，我国汽车保有量日益增长，目前已经成为汽车消费大国，这就对汽车的检测、保养、维修以及培养汽车专业人才提出了新的挑战，基于此，设计演示变速器工作性能的实验台迫在眉睫。因此以设计汽车自动变速器实验台为基础，尝试进行专一的一款自动变速器实验台的设计，那就是丰田花冠轿车自动变速器实验台设计。设计自动变速器试验台主要用于检测发动机前置前驱汽车的自动变速器(如丰田240自动变速器)的工作状况和工作模拟
8、，该试验台能给自动变速器提供动力，模拟自动变速器在汽车上输入工况，能检测自动变速器的系统油压、流量、温度等参数，为诊断自动变速器故障提供参考数据，同时能够在教学中简明的把工作原理展现出来。1.3 设计的主要内容 1、了解并掌握花冠自动变速器的内部结构以及工作原理； 2、进行花冠自动变速器实验台台架总体结构设计及布局； 3、设计该实验台的动力源以及传动方式； 4、绘制花冠自动变速器实验台电路图和零件图； 5、绘制花冠自动变速器实验台总装配图。第2章 花冠A240E自动变速器的结构和工作原理 自动变速器看似复杂，事实上只要我们了解了其中一些简单参数的奥秘，那么就能够了解内部的工作过程，从而掌握其工
9、作原理。基本结构如下图所示：1、变矩器 2、液压泵 3、输入轴 4、齿轮变速器 5、阀板总成 6、输出轴 7、油底壳图2.1 自动变速器的组成 该实验台的被试件为花冠A240E型号自动变速器，那么就要了解被试件的结构、工作原理、特性及与其他部件的匹配关系，这样才能更好地确定实验台和自动变速器的连接方式，并能对实验台机械系统进行合理的设计和改进。在此根据试验台设计及测试过程的要求对花冠A240E自动变速器的结构和工作原理进行了阐述，进而制定自动变速器台架的试验方法，其中包括通过试验所需采集的数据、试验流程等。A240E自动变速器被用于丰田花冠轿车上，该自动变速器体积较小，有四个前进档，液力变矩器
10、带锁止离合器，行星齿轮变速器为辛普森式，采用电液式控制系统，其驱动形式为前置前驱。2.1 花冠A240E自动变速器的结构及工作原理自动变速器的结构与手动变速器相比，在结构和使用上有很大的不同。手动档变速器主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩；而自动变速器是由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统等组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。花冠A240E自动变速器是电控液力式自动变速器，由液力变矩器、齿轮变速器、液压控制系统和电子控制系统四大部分组成。2.1.1 液力传动机构动力从发动机中输出，首先与自动变速器的液力变矩器相传递，其中液力变扭器是自动变速器最具特点的部件，它由泵
11、轮、涡轮和导轮等构件组成，它直接接收发动机的动力，并传递扭矩，同时还起到了离合的作用。泵轮和涡轮是一对工作组合，它们就好似相对放置的两台风扇，一台风扇吹出的风力会带动另一台风扇的叶片旋转，风力成了动能传递的媒介，如果用液体代替空气成为传递动能的媒介，泵轮就会通过液体带动涡轮旋转，再在泵轮和涡轮之间加上导轮，通过反作用力使泵轮和涡轮之间实现转速差就可以实现变速变矩了。由于液力变矩器自动变速变矩范围不够大，因此在涡轮后面再串联几排行星齿轮来提高效率，液压操纵系统会随发动机工作的变化而自行操纵行星齿轮，从而实现自动变速变矩。理论研究和试验表明，即使是在自动变速器的液力变矩器处于偶合状态时，也仍有大约
12、为3%6%的少量转速差存在于涡轮与泵轮之间，如果采取措施消除该转速差，则汽车在公路上中、高速行驶时的燃料经济性可提高5%，而且由于两轮窄隙处油液剪切而产生的自动变速器油温升也可降低。因此，出现了在液力变矩器内安装锁止离合器，以便在一定工况下将涡轮与泵轮锁定在一起，实现发动机和变速器直接机械联接的锁止型液力变矩器。结构如图2.2所示。图2.2 带锁止离合器的液力变矩器结构 目前使用的锁止型液力变矩器，有三种类型，一种是液压锁止型液力变矩器，一种是离心锁止型液力变矩器；除此之外，还有一种粘性锁止型液力变矩器。锁止离合器由主动部分、从动部分和控制部分组成。主动部分为液力变矩器外壳，从动部分为一个可作
13、轴向移动的压盘。压盘右侧的工作油液与液力变矩器水、泵轮、涡轮等中的工作油液相通，压盘左侧的工作油液通过变矩器输出轴中间的控制油道与阀体总成上的锁止控制阀相通。锁止控制阀有油道与压盘的左右油腔相接，通过改变压盘两侧的油压使锁止离合器处于分离或接合状态。2.2.2 行星齿轮机构手动变速器一般用外啮合普通齿轮变速机构，而自动变速器一般用内啮合的行星齿轮机构。和普通手动变速器相比，在传递同样功率的条件下，内啮合行星齿轮机构可以大大减小变速机构的尺寸和重量；并可以实现同向、同轴减速传动。此外，由于采用内啮合传动，变速过程中动力不间断，加速性好，工作可靠。行星齿轮机构按照齿轮排数不同。可以分为单排和多排行
14、星齿轮机构。多排行星齿轮机构一般由几个单排行星齿轮机构组成。在自动变速器中一般应用2-3个单排行星齿轮机构组成一个多排行星齿轮机构。但单排行星齿轮机构是分析多排行星齿轮机构的基础。1.单排行星齿轮机构和它的传动原理（见图2.3）如图2.3所示为一个单排行星齿轮机构的基本结构简图。从图中可以看出，一个单排行星齿轮机构由太阳轮1、行星齿轮和行星齿轮架2及环齿圈3组成。由于行星齿轮和行星架是一个整体（以下简称行星架），所以，在一个行星排中只有三个基本组件：太阳轮、行星架和环齿圈。图2.3 行星齿轮机构简图2.单排行星齿轮机构的组合方式由于单排行星轮机构有两个自由度，因此它没有固定的传动比，不能直接用
15、于变速传动，也就不能传递功率。所以，行星排在传递功率时，三组件中的一个必须被锁止，使其它二个组件中的一个为主动件，另一个为从动件。通过这两个组件才可能传递功率，也才有固定的传动比。一个行星排可以得到八种不同的组合方式。表2.1 行星齿轮机构的工作情况方式挡位固定元件输入部件输出部件旋转方向1降速挡齿圈太阳轮行星架相同方向2超速挡齿圈行星架太阳轮相同方向3降速挡太阳轮齿圈行星架相同方向4超速档太阳轮行星架齿圈相同方向5倒挡位（降速）行星架太阳轮齿圈相反方向6倒挡位（超速）行星架齿圈太阳轮相反方向7直接挡没有任意两个第三元件同向同速8空挡位没有不定不定不转动花冠A240E自动变速器的行星齿轮机构为辛普森式。其中有3根相互平行的轴线：变扭器、油泵、输入轴和行星齿轮变速器的前半部分以及第一中间轴位于第一个轴线上；行星齿轮变速器的后半部分、输出齿轮以及第二中间轴位于第二轴线上；主减速器从动齿轮和差速器位于第三个轴线上。3个轴线之间的动力靠常啮合圆柱齿轮传动。该自动变速器的4档行星齿轮变速器由一个超速行星排和一个双行星排的辛普森式3档行星齿轮变速器组合而成，共有10个换档执行元件。超速行星排位于3档行
