2.4 自动变速器
自动变速器是借助液体压力或其他构件（如钢带等）操控动力传输与自动换挡，可省去驾驶人换挡的操作，车辆能在较经济及配合路况需求的情况下行驶。
自动变速器可大致分为机械式、液力机械式及电子控制式3类，而电子控制式自动变速器（见图2-34）是目前自动变速器的代表。主要由液体传动系统、行星齿轮系统与电子（或油压）控制系统所组成。
图2-34 电子控制式自动变速器的系统图
一 液体传动系统
液体传动系统（如液力变矩器）自动控制发动机动力的接合或分离，用以取代离合器踏板、离合器总成等的操作。
二 行星齿轮系统
行星齿轮系统提供不同速度比及改变转动方向，以符合各种路况的需求。
三 电子（或油压）控制系统
随着发动机转速、负载及行车速度的变化，可用电子（或油压）控制系统自动控制行星齿轮系统，产生变速、换挡的作用。
2.4.1 液体传动系统
液体传动系统的演进：由液力偶合器改良为液力变矩器，近来更发展为锁止式液力变矩器，以提高高速时的动力传递效率。
一 液力偶合器
液力偶合器由泵轮（又称主动叶轮）与涡轮（又称被动叶轮）组成，如图2-35所示。当泵轮被发动机曲轴带动时，产生离心力将油液传送到涡轮内，推动涡轮转动，发动机动力得以传送到变速器输入轴上。
图2-35 液力偶合器
（1）泵轮：装置在发动机曲轴上，与飞轮成为一体。叶片为平板形且叶片间隔不等，以减少液体流动时产生的谐振。
（2）涡轮：装置在变速器（行星齿轮组）输入轴上。叶片亦为平板形，且间隔也不等，以减少谐振。涡轮叶片数目与泵轮不相等，可避免液体从泵轮流到涡轮时所产生的干扰，并可避免皆由相对的叶片承受，以延长使用寿命。
（3）两叶轮尽量靠近，以增进液体传动效率。内部存储85％～90％的油液，在油液受热时，有空隙可供其膨胀，可减少油封受损。
（4）泵轮与涡轮的转速差称为滑差，以泵轮转速的百分比表示。一般当发动机转速为1500～2000r/min时，滑差为2％～5％。如泵轮转速为2000r/min，而涡轮转速为1900r/min，则
二 液力变矩器
液力变矩器（见图2-36）由泵轮、涡轮与导轮（又称定子）所组成。液力变矩器是液力偶合器的改良。因为当液力偶合器泵轮将油液传送到涡轮改变方向后，再折回泵轮，所以此时油液方向与泵轮转动方向相反，因而阻碍泵轮转动，亦即消耗发动机动力；而液力变矩器即在液力偶合器内加装一导轮，以增加输出扭力，如图2-37所示。其构件说明如下所述。
图2-36 液力变矩器
图2-37 液力偶合器与液力变矩器的比较
（1）泵轮（涡轮）：叶片为弯曲形，可减少油液回弹，动力消耗较少。
①如图2-38（a）所示，当油液喷向轮上漏斗时，因冲击漏斗时间短，故从漏斗流出的油液能量与流入时差不多，即只做动力传递而无增加扭力的作用。
②如图2-38（b）所示，当油液喷向轮上漏斗时，因装有一曲形叶片（如导轮），可使从漏斗流出的油液再次冲击漏斗，经过连续多次作用后，从漏斗流出（如涡轮）的油液能量比喷入（如泵轮）时的油液能量大，故具有增大扭力的作用。
图2-38 液力变矩器构件
（2）导轮：导轮能改变油液流动方向，具有增大扭力的作用。在液力变矩器中装置1个导轮者，称为单级扭力变换器，有2个者称为二级扭力变换器。
在液力变矩器中的导轮，当涡轮转速慢时可改变油液流动方向，以增加输出扭力；但当涡轮转速快时，油液在导轮背面流动，此时非但不能改变油液流动方向及增加输出扭力，油液的流动反而因导轮的阻挠生热，致使动力损失；改善方法即将导轮装在单向离合器上。
如图2-39（a）所示，单向离合器内的滚子，其对角线AA'比对角线BB'长，当滚子被迫逆时针方向转动时，则成锁止传动状态；当滚子顺时针方向转动时，则成自由空转状态。
如图2-39（b）所示，低速时，从涡轮流出的油液，经导轮正面（此时单向离合器在锁止的方向）改变传动方向后，导入泵轮，使输出扭力增加。
如图2-39（c）所示，高速时，从涡轮流出的油液，经导轮背面流过，并借由推动单向离合器向前转动，产生空转，因而导轮不会阻挠油液流动，致使动力损失，但也无法增加输出扭力，而作为液力偶合器用。
图2-39 液力变矩器的作用
图2-40所示为液体扭力变换接合器的特性曲线。
（1）涡轮与泵轮的速度比为零（涡轮静止）时，液体扭力变换接合器传动效率为零。
图2-40 液体扭力变换接合器的特性曲线
（2）速度比为0.6～0.75时（A点），其传动效率最高，约为0.85。
（3）速度比为0.82时，涡轮与泵轮的扭力比为1（即B点），传动效率约0.8（C点），导轮此时开始空转，亦即液体扭力变换接合器变成液力偶合器；之后，速度比再增大，其传动效率即沿液力偶合器特性曲线变化，速度比到达0.94（D点）左右，其传动效率最高。若速度比超过0.94，传动效率就迅速下降。
三 锁止式液力变矩器
传统液力变矩器因滑差作用，致使泵轮无法毫无损失地将动力传递到涡轮，造成燃料浪费。近代自动变速器使用锁止式液力变矩器，以改善高速挡的传动效率。
锁止式液力变矩器作用在高速挡时，由锁止活塞将涡轮与液力变矩器盖互相锁止，使其直接传动，提高动力传递效率，节省燃料；同时由于锁止传动，油液不再传递动力，因而油温不致过高。其作用如下：
（1）如图2-41（a）所示，当自动变速器在低速挡（锁止离合器OFF）时，油液从入口进入到锁止活塞左侧，压迫锁止活塞向右移动，致使涡轮与液力变矩器分离，即不锁止传动。其动力由发动机→液力变矩器盖→泵轮→涡轮输出。
（2）如图2-41（b）所示，当自动变速器在高速挡（锁止离合器ON）时，油液从出口处泄放，油压将锁止活塞向左移动，致使涡轮与液力变矩器互相锁止，即直接传动。其动力由发动机→液力变矩器盖→锁止活塞→减振弹簧→涡轮→自动变速器主轴输出。
图2-41 锁止式液力变矩器
头脑风暴
◎你驾驶手动变速器的车在城市中行驶，出现堵车时，会不会想到如果现在是自动变速器的车多好？为什么？
2.4.2 行星齿轮系统
简单行星齿轮系统由太阳轮、行星齿轮、行星齿轮架及齿圈（又称内齿轮）等组成，如图2-42所示。其构造简单、体积小、齿轮永久啮合，换挡时无须拨动齿轮，且其齿轮接触点多，可传输较大的扭矩；但其控制机构较复杂，且故障多，故大多用于自动变速器或超速传动装置上。
图2-42 简单行星齿轮系统构造
设太阳轮齿数a=36，行星齿轮齿数b=24，齿圈齿数d=84。当太阳轮主动，而齿圈固定，则行星齿轮架被动，其减速比计算如下：
（1）若行星齿轮架逆时针方向转1圈，则行星齿轮在齿圈上滚动（自转），即
（2）若行星齿轮逆时针在齿圈上滚动（自转）1圈，则带动太阳轮顺时针转，即
（3）若行星齿轮逆时针在齿圈上滚动3.5圈时，则太阳轮将顺时针转，即
（4）当太阳轮与行星齿轮架锁为一体时，其速度比为1：1，故当行星齿轮架转1圈，太阳轮也会转1圈。但实际上太阳轮与行星齿轮架速度比为
，因而行星齿轮架转1圈，太阳轮实际转数为
圈。所以
当太阳轮主动，齿圈固定，行星齿轮架被动时，行星齿轮系统产生大减速作用。其余各挡作用，如此推算，整理如表2-2所示。
表2-2 简单行星齿轮系统作用
※当行星齿轮架主动时，则成超速（大、小加速）传动，减速比小于1；行星齿轮架被动时，则成加大扭矩（大、小减速）传动，减速比大于1；行星齿轮架固定时，则成倒挡作用。
头脑风暴
◎为何行星齿轮系统中的太阳轮、齿圈及行星齿轮架等无一固定时（即空挡），无法将发动机动力输出？
2.4.3 液压控制系统
液压控制系统，如图2-43所示，包括油泵、真空控制阀、手动控制阀、速控阀、换挡控制阀、换挡阀、油压调节阀及伺服机构等构件；由油泵建立油压，并经各油压控制阀以操纵伺服机构（制动带、离合器等），使行星齿轮系统产生速度比变化（即自动换挡动作）。
一 油泵
油泵位于液力变矩器后方，由发动机驱动的主动轴（如泵轮）带动，产生油压以使各控制阀、离合器及制动带等动作，并将油液充满液力变矩器及在油料冷却器内循环以协助散热。一般可分为转子式与齿轮式两大类。
图2-43 液压控制系统
二 真空控制阀（又称节流油阀）
由发动机进气歧管真空大小，控制送到换挡控制阀的油压，进而操控伺服机构，以进行换挡动作，如图2-44所示。当进气歧管真空降低，以致弹簧弹力将膜片左移，因而输出油压增加，经由换挡控制阀、换挡阀及伺服机构作用，使行星齿轮系统处在适当挡位。
图2-44 真空控制阀（节流油阀）
三 速控阀
速控阀将车速（或自动变速器输出轴转速）转换成油压变化，以控制作用到换挡阀的油压，如图2-45所示，当车速（变速器输出轴）慢时，配重离心力小，被弹簧弹力收缩在合拢位置上，只允许低油压送至换挡阀，因而维持在低速挡；待车速变快，配重离心力增加，克服弹簧弹力向外张开，促使液压阀开度变大，可让较多油压送到换挡阀，并在真空控制阀油压作用下，使自动变速器换入高速挡。
四 换挡阀
换挡阀依手动控制阀、真空控制阀、速控阀等送来的油压及阀内本身弹簧弹力的作用，使阀移动达到平衡位置，通过换挡阀油压高低，产生换挡动作。一般4挡自动变速器有1、2挡换挡阀，2、3挡换挡阀及3、4挡换挡阀等。
图2-45 速控阀
五 手动控制阀
如图2-46所示，驾驶人借由变速杆操纵手动控制阀，改变油压通路，以操控各挡位。手动控制阀一般有5～6个位置油路，如P、N、D、L、R或P、R、N、D、1、2等。
图2-46 手动控制阀
（1）P：驻车挡（油路1）。
（2）N：空挡（油路1、2、3）。
（3）D：前进挡，用于一般行驶状况，变速器可由低速挡变化到最高速挡，也可由最高速挡降到低速挡（油路1、3、4）。
（4）R：倒车挡（油路3、4）。
（5）L：低速挡，用于长下坡或需较大扭力的路况（如泥泞路况），变速器只在1、2挡间变换，以提供较大扭力（油路2、3、4）。
（6）另外，1、2挡类似L挡，低速挡可提供驾驶人更多的选择，使变速器发挥更佳效果。
六 油压调节阀
油压调节阀最主要的功用是调节从油泵来的油压，能维持在一定压力之内送到液压控制系统，并且将油压分供到液力变矩器和润滑系统，如图2-47所示。油泵来的油压经B和B'到油压调节阀，其中油压从B经限流孔A到油压调节阀左侧，将阀往右推，并根据设计的油压大小来决定阀移动的位置。从B'到D的油压亦因阀的移动而改变，由于油压调节阀左右持续的移动，可以保持油压为定值。
图2-47 油压调节阀
七 伺服机构
由油压或真空或电磁等作用，通过杠杆操作产生机械力，并可依需要予以继续或中断的机构，称为伺服机构，如图2-48所示。在自动变速器中，由电磁、油压等方式操纵离合器及制动带，使变速（行星）齿轮组产生速度比变化。
（1）如图2-48（a）所示，当油压作用在活塞作用侧（伺服缸）时，活塞杆推紧（太阳轮延伸的）制动带[可对照图2-48（b）的制动带]，因而太阳轮固定，齿圈主动，而行星齿轮架被动，产生减速作用。
（2）如图2-48（b）所示，当制动带放松，油压推动环状活塞，使多片离合器压紧时，行星齿轮架与太阳轮延伸的制动鼓锁住，因而为直接传动。
图2-48 伺服机构
头脑风暴
◎你认为自动变速器的液压控制系统相当于手动变速器的哪些构件或动作（包括驾驶人的操控）？