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详解汽车自动变速器分类及结构原理
来源:本站整理  作者:佚名  2013-09-22 06:46:16

四、CVT无级变速器
    1.概述
    CVT是Continuously Variable Transmission的缩写。这种无级变速器的传动比可以在一定范围内连续变化。它采用传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合来传递动力,实现传动比的连续改变,从而得到传动系统与发动机工况的最佳匹配,最大限度地利用发动机的特性,提高汽车的动力性和燃油经济性,目前在汽车上的应用越来越多。常见的无级变速器是金属带式无级变速器(VDT-CVT )。金属带式无级变速器的变速原理图见图63。
金属带式无级变速器的变速原理图

    变速部分由主动带轮(也称初级轮)、金属带和从动带轮所组成。每个带轮都是由两个带有斜面的半个带轮组成一体,其中一个半轮是固定的,另一个半轮可以通过液压控制系统控制其轴向移动,两个带轮之间的中心矩是固定的,由于两个带轮的直径可以连续无级变化,因此形成的传动比也是连续无级变化的。

    2. CVT技术在国内的应用
    CVT技术真正应用在汽车上不过十几年的时间,但它比传统的手动和自动变速器的优势却是显而易见的:结构简单,体积小,大批量生产后的成本低于液力自动变速器;工作速比范围宽,容易与发动机形成理想的匹配,从而改善燃烧过程,降低油耗和排放;具有较高的传动效率,功率损失少,经济性高。
    目前国内常见的采用了CVT无级变速器的车型有奥迪、派力奥(西耶那、周末风)、飞度、旗云等。
    (1)奥迪A6的Multitronic无级/手动一体变速器
    奥迪的Multitroni。变速器是在原有无级变速器的基础上安装了一种称为多片式链带的传动组件,这种组件大大拓展了无级变速器的使用范围,能够传递和控制峰值高达280 N ·m的动力输出,其传动比超过了以前各种自动变速器的极限值。Multitronic变速器还采用全新的电子控制系统,以克服原有无级变速器的不足。比如在上下坡时,系统能自动探测坡度,并通过调整速比增加动力输出或加大发动机的制动转矩来协助车辆行驶。
    (2)派力奥(西耶那、周末风)Speedgear无级变速器
    派力奥Speedgear是一种手/自一体式电控无级变速器(ECVT),南京菲亚特率先把它应用在小型车上。它提供两种换档模式:电控无级自动变速模式和6档顺序手动变速模式,驾驶人可以根据喜好选择不同的换档方法。Speedgear变速器由液力转矩器、两个可变直径钢带轮和一根传动金属带(一定数量的钢片和两根9层钢带)组成,具有更宽的传动比,同时具有无级变速器结构简单、体积紧凑的特点。
    (3)飞度CVT无级变速霖
    飞度的CVT无级变速器是专门为小型车设计的,属于新一代钢带无级自动变速器,允许两个带轮之间进行高转矩传递,运转平稳,传动效率高。该CVT变速器还有S工作模式(运动模式),既追求流畅感、低油耗,又不乏驾驶乐趣。
    (4)旗云无级变速霖
    旗云采用德国ZF公司生产的VT1F无级变速器,和它出色的发动机一起,这一整套动力和传动系统都来自于宝马MINI COOPER。该无级变速器有无级变速、自动巡航、运动模式和六档手动4种驾驶模式,与电子油门配合之后更接近智能化控制。

    3. CVT无级变速器结构与原理
    下面以奥迪01J型无级变速器(Multitronic CVT)为例,介绍CVT无级变速器的结构组成及工作原理。

    (1) 01J型无级变速器的其本组成
    01)型无级变速器主要由飞轮减振装置、前进档离合器/倒档制动器及行星齿轮装置、速比变换器、液压控制单元和电控单元组成,见图64。
 01J型无级变速器的基本组成

    发动机输出转矩通过飞轮减振装置或双质量飞轮传递给变速器,前进档离合器和倒档制动器都是湿式摩擦元件,两者均为起动装置。倒档的旋转方向是通过行星齿轮机构改变的。发动机的转矩通过辅助减速齿轮传到速比变换器,并由此传到主减速器、差速器。液压控制系统和电子控制系统集成一体,位于变速器内部。

    (2)前进档离合器/倒档制动器及行星齿轮机构
    1)前进档离合器和倒档制动器。01J型无级变速器的起动装置是前进档离合器和倒档制动器,并与行星齿轮机构一起实现前进档和倒档。它们只做起动装置,并不改变传动比,这与在自动变速器中的离合器和制动器的功用是不同的。前进档离合器和倒档制动器均采用湿式多片式结构,见图65。
 01J型无级变速器的前进档离合器和倒档制动器

    2)行星齿轮机构的组成。行星齿轮机构由齿圈、两个行星轮、行星架、太阳轮组成。当太阳轮顺时针主动时,驱动行星轮1逆时针转动,再驱动行星轮2顺时针转动,最后驱动齿圈也顺时针转动,见图66。
01J型无级变速器的

    作为输入元件的太阳轮与输入轴和前进档离合器钢片相连接,作为输出元件的行星架与辅助减速齿轮的主动齿轮和前进档离合器的摩擦片相连接,齿圈和倒档制动器摩擦片相连接,倒档制动器钢片和变速器壳体相连接。01J型无级变速器的行星齿轮机构传动简图见图67。
01J型无级变速器的行星齿轮机构传动简图

    3) P/N档的动力传动路线。当变速杆处于P或N位时,前进档离合器和倒档制动器都不工作。发动机的转矩通过与输入轴相连接的太阳轮传到行星齿轮机构并驱动行星轮1,行星轮1驱动行星轮2,行星轮2与齿圈相啮合。此时车辆尚未行驶,作为辅助减速齿轮输入部分的行星架(行星齿轮机构的输出部分)的阻力很大,处于静止状态,齿圈以发动机转速一半的速度怠速运转,旋转方向与发动机相同。

    4)前进档的动力传动路线。当变速杆处于D位时,前进档离合器工作。前进档离合器钢片与太阳轮连,摩擦片与行星架相连。此时太阳轮(变速器输入轴)与行星架(输出部分)相连,行星齿轮机构被锁死成为一体,并与发动机运转方向相同,传动比为1。
    5)倒档的动力传动路线。当变速杆处于R位时,倒档制动器工作。倒档制动器摩擦片与齿圈相连,钢片与变速器壳体相连。此时齿圈被固定,太阳轮(输入轴)将转矩传递到行星架。由于有双组行星齿轮(其中一组为惰轮),因此行星架以与发动机旋转方向相反的方向运转,车辆向后行驶。
    (3)辅助减速去轮
    辅助减速齿轮将行星架输出的动力传递到速比变换器,见图68。
 01J型无级变速器的

    (4)速比变换界
    速比变换器是CVT最重要的装置,其功用是实现无级变速传动,见图69。
01J型无级变速器的速比变换器工作原理

    速比变换器由两组滑动锥面链轮和一根专用链条组成。主动链轮由发动机通过辅助减速齿轮驱动,发动机转矩由传动链条传递到从动链轮,并由此传给主减速器。在每组链轮装置中,其中的一个链轮可沿轴向移动,用于调整传动链的跨度尺寸,从而连续地改变传动比。两组链轮装置必须同步进行,这样才能保证传动链条始终处于张紧状态,并且具有足够的传动链和链轮之间的接触压力。01J型无级变速器速比变换器的结构见图70。
01J型无级变速器速比变换器的结构

    该速比变换器是基于双活塞原理工作的,其特点是利用少量的压力油就可以很快地进行换档,这可以保证在相对低压时锥面链轮与传动链之间有足够的接触压力。在链轮装置1和链轮装置2上各有一个保证传动链轮和传动链之间正常接触压力的压力缸和用于调整变速比的分离缸。为了有效地传递发动机转矩,锥面链轮和传动链之间需要很高的接触压力,接触压力通过调节压力缸内的油压产生。压力缸的表面积很大,能够在低压时提供所需的接触压力。当液压系统泄压时,主动链轮膜片弹簧和从动链轮的螺旋弹簧产生一个额定的传动链条基础张紧力(接触压力)。在卸压状态下,速比变换器的起动传动比由从动链轮的螺旋弹簧弹力来调整。
    锥面链轮产生的接触压力不仅取决于输入转矩,还取决于传动链条跨度的半径,二者确定速比变换器的实际传动比。
    1)换档控制的电子控制部分。01J型无级变速器的电子控制单元有一个动态控制程序(DRP),该程序用于计算额定的变速器输入转速。为了在每种驾驶状态下获得最佳传动比,驾驶人输入信息和车辆实际工作状态都要被计算在内。动态控制程序根据边界条件计算出变速器额定输入转速。变速器输入转速传感器G182监测主动链轮1的实际转速。电子控制单元根据实际值与设定值进行比较,计算出压力调节电磁阀N216的控制电流。这样N216就会产生液压换档阀的控制压力,该压力与控制电流几乎是成正比的。控制单元利用自变速器输入转速传感器G182、变速器输出转速传感器G195及发动机转速信号来实现换档监控。

    2)液力换档控制(增速与降速)。液压控制单元中的输导控制阀(VSTV)向换档压力调节电磁阀N216提供一个约0. 5 MPa的常压。N216根据电子控制单元计算的控制电流产生控制压力,该压力的大小将影响减压阀(UV)的位置。
    根据控制压力,减压阀将调节出来的压力传递到主动链轮和从动链轮的分离缸。当调节压力在0.18~0. 20MPa之间时,减压阀处于关闭状态。当控制压力低于0. 18 MPa时,调节压力通过减压阀传递到主动链轮1的分离缸,同时从动链轮的分离缸与油底壳接通,速比变换器朝增速的方向进行变速,见图71。
 01J型无级变速器的增速液力换档控制原理

    当调节压力高于0. 22MPa时,调节压力通过减压阀传递到从动链轮2的分离缸,同时主动链轮1的分离缸与油底壳相通,速比变换器朝减速的方向变速,见图72。
01J型无级变速器的减速液力换档控制原理

    3)接触压力控制。压力缸中合适的油压最终产生锥面链轮与链条之间的接触压力。若接触压力过高,则会降低传动效率。相反,若接触压力过低,则传动链会打滑,传动链和链轮会损坏。转矩传感器的目的就是根据要求建立起尽可能精确、安全的接触压力。
    转矩传感器集成在主动链轮1内,它能够在静态和动态下精确监控传递到压力缸的实际转矩,并且建立压力缸的正确油压。转矩传感器主要部件是两个滑轨架,每个支架有7个滑轨,滑轨中装有7个滚子,见图73。
OIJ型无级变速器的转矩传感器结构

    滑轨架1装在主动链轮1的输出齿轮中(辅助减速输出齿轮)。滑轨架2通过内花键主动链轮1相连,并可以轴向移动且由转矩传感器活塞支撑。转矩传感器活塞调整接触压力,并形成两个压力腔:转矩传感器腔1和腔2。转矩传感器产生的轴向力作为控制力,与发动机转矩呈正比,压力缸中建立起来的压力与控制力呈正比。转矩传感器支架彼此间可径向旋转,将转矩转化为轴向力(因滚子和滑轨的几何关系),该轴向力施加在滑轨支架2上并作用到转矩传感器的控制凸缘,从而关闭或打开转矩传感器腔的输出端,见图74。
01 j型无级变速器的转矩传感器工作原理

    当输入转矩较低时,转矩传感器腔1直接与压力缸相通。发动机转矩产生的轴向力与压力缸内的压力达到平衡。在汽车稳定运行的情况下,出油孔只部分关闭,排油孔(转矩传感器)打开后使压力下降。出油孔的进油压力降低,直至恢复压力平衡,见图75。
输入转矩较低时的转矩传感器工作原理

    当输入转矩较高时,甚至转矩达到峰值,控制凸缘将完全关闭出油孔。若转矩传感器进一步移动,则会起到泵油作用,此时被排出的油液使压力缸内的压力迅速上升,这样就会毫无延迟地调整接触压力,见图76。
输入转矩较高时的转矩传感器工作原理

    (5)液压挂制系统
    CVT的液压控制系统也像行星齿轮自动变速器的液压控制系统一样,担负着系统油压的控制、油路的转换控制、用油元件的供油以及冷却控制等任务。
    1)供油装置。01J型无级变速器的供油装置采用带月牙形密封的内啮合齿轮泵供油,该泵直接装在液压控制单元上,形成一个整体,减少了压力损失。

    2)液压控制单元。液压控制单元由1个手动换档阀、9个液压阀和3个电磁控制阀及液压阀体组成。液压控制单元和电子控制单元直接插接在一起。
    液压控制单元执行以下功能:控制前进档离合器和倒档制动器;调节离合器压力;冷却离合器;为接触压力控制机构提供压力油;传动控制;为飞溅润滑油罩盖供油。01J型无级变速器的液压控制系统油路图见图77。

    为了防止系统压力过高,限压阀将油泵产生的最高压力限制在0. 82MPa以下,并通过输导控制阀向3个压力调节电磁阀提供恒定的0. 5 MPa的输导控制压力。压力阀防止起动时油泵吸入空气,当油泵输出功率高时,压力阀打开,允许ATF从回油管流到油泵吸入侧,以提高油泵效率。施压阀控制系统压力,在各种工况下都能够提供足够的油压。电磁阀N88、N215和N216称为压力控制电磁阀,它们将控制电流转换为相应的液压控制压力。
                     
  (6)电子控制系统
    01J型无级变速器的电子控制系统由电子控制单元、输入装置(传感器、开关)和输出装置(电磁阀)三部分组成。其特点是电子控制单元集成在速比变换器内,控制单元直接用螺栓紧固在液压控制单元上。3个压力调节阀与控制单元间直接通过坚固的插头连接(S形插头),没有连接线。电子控制单元用一个25针脚的小型插头与外部电路相连,见图78。
 01J型无级变速器的电子控制单元
                       
    电子控制单元的电器部件底座是一个坚硬的铝板。壳体材料为塑料,并用铆钉紧固到底座上。壳体容纳全部的传感器,因此不再需要线束和插头。这种结构大大提高了工作效率和可靠性。此外,将转速传感器和多功能开关设计成霍尔传感器。霍尔传感器没有机械磨损,信号不受电磁干扰,使可靠性进一步提高。传感器是电子控制单元的集成件,若某个传感器损坏,则必须更换电子控制单元。

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