换挡执行器的认识

任务四　换挡执行器的认识

任务目标

1．了解换挡执行器的组成和工作原理。

2．了解换挡执行器的控制过程。

必备知识

1．换挡执行器的认识

行星齿轮变速器换挡执行机构由离合器、制动器和单向超越离合器三种不同的执行元件组成。它有三个基本作用，即连接、固定和锁止。所谓连接是指将行星齿轮变速器的输入轴与行星排中的某个基本元件连接，以传递动力，或将前一个行星排的某一个基本元件与后一个行星排的某个基本元件连接，以约束这两个基本元件的运动;所谓固定是指将行星排的某一基本元件与自动变速器的壳体连接，使之被固定住而不能旋转;所谓锁止是指把某个行星排的三个基本元件中的两个连接在一起，从而将该行星排锁止，使某三个基本元件以相同的转速一同旋转，产生直接传动。换挡执行机构各执行元件通过按一定规律对行星齿轮机构的某些基本元件进行连接、固定或锁止，让行星齿轮机构获得不同的传动比，从而实现挡位变换。

(1)离合器的结构与原理

行星齿轮变速器换挡执行机构中的离合器，按工作原理的不同，有片式离合器和爪型离合器之分。其中片式离合器较为常用，而且较多地使用多片湿式离合器，爪型离合器使用较少。

1)多片湿式离合器的结构与原理

多片湿式离合器是自动变速器中最重要的换挡执行元件之一，它通常由离合器鼓、离合器活塞、回位弹簧、弹簧座、1组钢片、1组摩擦片、调整垫片、离合器毂及几个密封圈组成。

离合器活塞安装在离合器鼓内，它是一种环状活塞，由活塞内外圆的密封圈保证其密封，从而和离合器鼓一起形成一个封闭的环状液压缸，并通过离合器内圆轴颈上的进油孔和控制油道相通。钢片和摩擦片交错排列，两者统称为离合器片。钢片的外花键齿安装在离合器鼓的内花键齿圈上，可沿齿圈键槽做轴向移动;摩擦片由其内花键齿与离合器毂的外花键齿连接，也可沿键槽做轴向移动。摩擦片的两面均为摩擦系数较大的铜基粉末冶金层或合成纤维层。

离合器鼓或离合器毂分别以一定的方式和变速器输入轴或行星排的某个基本元件相连接，一般离合器为主动件，离合器鼓为从动件。当来自控制阀的液压油进入离合器液压缸时，作用在离合器活塞上液压油的压力推动活塞，使之克服回位弹簧的弹力而移动，将所有的钢片和摩擦片相互压紧在一起;钢片和摩擦片之间的摩擦力使离合器鼓和离合器毂连接为一个整体，分别与离合器鼓和离合器毂连接的输入轴或行星排的基本元件也因此被连接在一起，此时离合器处于结合状态。

当液压控制系统将作用在离合器液压缸内的液压油的压力解除后，离合器活塞在回位弹簧的作用下压回液压缸的底部，并将液压缸内的液压油从进油孔排出。此时钢片和摩擦片相互分离，两者之间无压力，离合器鼓和离合器毂可以朝不同的方向或以不同的转速旋转，离合器处于分离状态。此时，离合器活塞和离合器片或离合器片和卡环之间有一定的轴向间隙，以保证钢片和摩擦片之间无任何轴向压力，这一间隙称为离合器的自由间隙。其大小可以用挡圈的厚度来调整。一般离合器自由间隙的标准为0．5～2．0mm。离合器自由间隙标准的大小取决于离合器的片数和工作条件。通常离合器片数越多或该离合器的交替工作越频繁，其自由间隙就越大。

有些离合器在活塞和钢片之间有一个碟形环。它具有一定的弹性，可以减缓离合器结合时的冲击力。

离合器处于分离状态时，其液压缸内仍残留有少量液压油。由于离合器鼓是和变速器输入轴或行星排某一基本元件一同旋转的，残留在液压缸内的液压油在离心力的作用下会被甩向液压缸外缘处，并在该处产生一定的油压。若离合器鼓的转速较高，这一压力有可能推动离合器活塞压向离合器片，使离合器处于半结合状态，导致钢片和摩擦片因互相接触摩擦而产生不应有的磨损，影响离合器的使用寿命。为了防止出现这种情况，在离合器活塞或离合器鼓的液压缸壁面上设有一个由钢球组成的单向阀。当液压油进入液压缸时，钢球在油压的推动下压紧在阀座上，单向阀处于关闭状态，保证了液压缸密封;当液压缸内的油压被解除后，单向阀钢球在离心力的作用下离开阀座，使单向阀处于开启状态，残留在液压缸内的液压油在离心力的作用下从单向阀的阀孔中流出，保证了离合器的彻底分离。

当离合器处于结合状态，互相压紧在一起的钢片和摩擦片之间要有足够的摩擦力，以保证传递动力时不产生打滑现象。离合器所能传递的动力的大小主要取决于摩擦片的面积、片数及钢片和摩擦片之间的压紧力。钢片和摩擦片之间压紧力的大小由作用在离合器活塞上的液压油的油压及活塞的面积决定。当压紧力一定时，离合器所能传递的动力的大小就取决于摩擦片的面积和片数。在同一个自动变速器中通常有几个离合器，它们的直径、面积基本上相同或相近，但它们所传递的动力的大小往往有很大的差异。为了保证动力的传递，每个离合器所使用的摩擦片的片数也各不相同。离合器所要传递的动力越大，其摩擦片的片数就应越多。一般离合器摩擦片的片数为2～6片。离合器钢片的片数应等于或多于摩擦片的片数，以保证每个摩擦片的两面都有钢片。此外，同一厂家生产的同一类型的自动变速器可以在不改变离合器外形、尺寸的情况下，通过增减各个离合器摩擦片的片数来形成不同型号的自动变速器，以满足不同排量车型的使用要求。在这种情况下，当减少或增加摩擦片的片数时，要相应增加或减少钢片的个数或增减调整垫片的厚度，以保证离合器的自由间隙不变。因此，有些离合器在相邻两个摩擦片之间装有两片钢片，这是为了保证自动变速器在改型时的灵活性，并非漏装了摩擦片。

2)爪型离合器的结构与原理

爪型离合器是利用齿进行啮合的离合器，力矩的传递可以是两个方向也可以是单方向的。这种离合器与摩擦离合器不同，它的力矩传递是靠齿啮合进行的，全无滑动，传递准确。其缺点是在离合器离合时伴有冲击，切断动力传递需要较大的力。然而，因为其结构简单，力矩传递容量大，所以可以用在转速或传递力矩被切断时进行通断的前进与后退的换挡上。

如图2－17所示是爪型离合器的一种结构，爪型套靠液压伺服缸活塞移动。图中所示是中间轴与中间倒挡齿轮相啮合的位置。伺服缸活塞工作时，液压离合器C的回路释放，倒挡齿轮的力矩传递中断，爪型套便容易动作。

1—主轴　2—后退怠速齿轮　3—中间轴　4—中间轴倒挡齿轮　5—爪型套　6—中间轴前进齿轮　7—伺服缸活塞　8—拨叉轴　9—拨叉　10—主倒挡齿轮

图2－17　爪型离合器的转换机构

(2)制动器的结构与原理

制动器是一种起制动约束作用的机构，它将行星齿轮机构中的太阳轮、齿圈和行星架这三个基本元件之一与变速器壳体相连，使该元件被约束固定而不能旋转。制动器的结构形式较多，目前，最常见的是带式制动器和片式制动器两种。

1)带式制动器的结构与工作原理

1—变速器壳体　2—制动带　3—制动鼓　4—活塞　5—液压缸施压腔　6—液压缸端盖　7—液压缸释放腔　8—推杆　9—调整螺钉　10—回位弹簧

图2－18　带式制动器

带式制动器是利用围绕在鼓周围的制动带收缩而产生制动效果的一种制动器。带式制动器的优点是:有良好的抱合性能;占用变速器较小的空间;当制动带贴紧旋转时，会产生一个使制动鼓停止旋转的所谓自增力作用的楔紧作用。

①带式制动器结构组成

带式制动器又称为制动带，它主要由制动鼓、制动带、液压缸及活塞等组成，如图2－18所示。

②制动带的结构形式

带式制动器中的制动带是制动器的关键元件之一，它是由在卷绕的钢带底板上粘接摩擦材料所制成的。钢带的厚度约为0．76mm～2．64mm。厚的钢带能产生大的夹紧力，用于发动机功率大的汽车自动变速器。薄的钢带能施加的夹紧力小，但因其柔性好，自增力作用强，所以能产生较大的制动力。

粘接在钢带内表面上的摩擦材料，其摩擦性能对自动变速器的性能来说是十分重要的。用于自动变速器的摩擦材料有多种类型，在商用汽车上一般采用硬度较高的铜基粉末冶金材料和半金属摩擦材料，在小客车上采用纸基摩擦材料。纸基摩擦材料由纤维素纤维、酚醛树脂和填充剂组成。酚醛树脂作为黏接剂，将纤维素纤维连接成连续的基体。填充剂用来增加材料的强度、提高摩擦性能和耐磨性。自动变速器摩擦材料的填充剂有石墨、金属和陶瓷材料的粉末。现代的纸基摩擦材料已经可以用作重载下工作的摩擦元件，摩擦性能稳定，且纤维素纤维资源丰富、成本低、制造摩擦材料的工艺也较简单，可以降低自动变速器的造价，因而得到广泛的应用。

③带式制动器的工作原理

带式制动器的制动鼓与行星齿轮机构的某一个基本元件相连接，并随之一起转动。制动带的一端支承在变速器壳体上的制动带支架或制动带调整螺钉上，另一端与液压缸活塞上的推杆连接。液压缸被活塞分隔为施压腔和释放腔两部分，分别通过各自的控制油道与控制阀相通。制动带的工作由作用在活塞上的液压油压力所控制。当液压缸的施压腔和释放腔内均无液压油时，带式制动器不工作，制动带与制动鼓之间有一定的间隙，制动鼓可以随着与它相连接的行星排基本元件一同旋转。当液压油进入制动器液压缸的施压腔时，作用在活塞上的液压油压力推动活塞，使之克服回位弹簧的弹力而移动，活塞上推杆随之向外伸出，将制动带箍紧在制动鼓上，于是制动鼓被固定住而不能旋转，此时制动器处于制动状态。在制动器处于制动状态且有液压油进入液压缸的释放腔时，由于释放腔一侧的活塞面积大于是施压一侧的活塞面积，活塞两侧所受的液压压力不相等，释放腔一侧的压力大于施压腔一侧的压力，因此活塞在这一压力差及回位弹簧弹力的共同作用下后移，推杆随之回缩，制动带被放松，使制动器由制动状态转成释放状态。这种控制方式可以使控制系统得到简化。当带式制动器不工作或处于释放状态时，制动带与制动鼓之间应有适当的间隙，间隙太大或太小都会影响制动器的正常工作。这一间隙的大小可用制动带调整螺钉来调整。在装配时，一般将螺钉向内拧紧至一定力矩，然后再退回规定的圈数(通常为2～3圈)。

带式制动器结构简单、轴向尺寸小、维修方便，在早期的自动变速器中应用较多;但它的工作平顺性较差。为了克服一缺陷，可在控制油路中设置缓冲阀或减振阀，使液压缸内的油压在开始结合时能缓慢上升，以缓和制动力的增长速度、改善工作平顺性。

④伺服机构的结构与工作原理

伺服机构是一种自动控制机构，它能以一定的精度自动按照输入信号的变化规律动作。对于带式制动器的伺服机构来说，要根据节气门信号和转速信号自动地调节作用力。伺服机构由伺服油缸和伺服杆系组成。

a．伺服油缸

伺服油缸由缸筒、活塞和复位弹簧等主要零件组成。伺服油缸起作用以夹紧和松开变速器的制动带的方式有以下几种:

油压作用在与弹簧力相反的一侧。当油压作用在活塞上，活塞所受的推力克服弹簧的弹力向右运动，并推动作用杆使制动带夹紧制动鼓，如图2－19(a)所示。当作用在活塞上油压被切断并被泄放掉时，作用在活塞另一侧的弹簧弹力推动活塞左移，使活塞回到原先的位置，制动器放松，如图2－19(b)所示。这是一种最简单的结构。

1—缸筒　2—活塞　3—弹簧　4—作用杆

图2－19　油压作用在活塞一侧的伺服油缸

油压在不同的时刻分别作用于活塞的左侧或右侧。当油压作用于活塞的左侧时，右侧的油腔通泄油道，活塞右移压缩弹簧，并把作用杆推向制动带抱住制动鼓，如图2－20(a)所示。当活塞左侧的油腔泄油时，右侧的油腔和压力油道接通，在弹簧弹力和油压的作用下，活塞左移，制动器放松，如图2－20(b)所示。当活塞回到原来位置后，伺服油缸的释放侧(右侧)仍保持油压作用，以使制动器保持在不起作用的位置。这是一种较为常用的结构形式，其优点是制动器结合比较平稳，要求制动器不起作用时，分离比较迅速。

1—作用油孔　2—缸筒　3—弹簧　4—放松油孔　5—活塞　6—伺服杆系

图2－20　两侧有油压作用的伺服油缸

b．伺服杆系

伺服杆系是连接制动伺服油缸和制动带的杠杆系统，有直杆式、杠杆式、悬臂梁式等形式。

直杆式　这种形式的作用杆是一根直推杆，直接将伺服油缸的力传给制动带的自由端。这种形式杆系只有在制动鼓受最大扭矩作用时，因伺服油缸的尺寸足够大，使变速器内有空间安装直杆时才采用。

杠杆式　杠杆式杆系是用一个杠杆推动制动带的作用推杆。这种杆系用在因变速器壳空间位置所限制，不能安装直杆式伺服杆系的地方。这种杆系改变了活塞杆推力的作用方向，同时也增大了作用在制动带上的推力。

悬臂梁式　这种伺服杆系用一个摇臂和一个作用于制动带两端的悬臂将伺服油缸的作用杆和制动带连接起来，制动带没有固定支座。当活塞的作用力施加到作用杆上时，通过摇臂、悬臂梁和推杆将制动带收紧。因为制动带由推杆和悬臂梁相向夹紧，所以悬臂梁式伺服杆系像杠杆式伺服杆系那样起到增大作用力的作用。同时由于制动带能自动定心和平稳地绕着制动鼓收缩，所以制动带作用平顺，磨损减少。

2)片式制动器的结构与工作原理

1—制动毂　2—卡环　3—挡圈　4—钢片和摩擦片　5—弹簧座　6—回位弹簧　7—制动器活塞　8，9—密封圈　10—碟形环　11—变速器壳体。

图2－21　片式制动器

片式制动器由制动鼓、制动器活塞、回位弹簧、钢片、摩擦片及制动毂等部件组成。它的工作原理和多片湿式摩擦离合器基本相同，但片式制动器的制动鼓(相当于离合器鼓)固定在变速器壳体上(见图2－21)。钢片通过外花键齿安装在固定于变速器壳体上的制动鼓内花键齿圈中，或直接安装在变速器壳体上的内花键齿圈中，摩擦片则通过内花键齿和制动鼓上的外花键齿连接。当制动器不工作时，钢片和摩擦片之间没有压力，制动器毂可以自由旋转;当制动器工作时，来自控制阀的液压油进入制动器毂内的液压缸中，油压作用在制动器活塞上，推动活塞将制动器摩擦片和钢片夹紧在一起，与行星排某一基本元件连接的制动器毂就被固定住而不能旋转。

片式制动器的工作平顺性优于带式制动器，因此近年来在轿车自动变速器中，采用片式制动器的越来越多。另外，片式制动器也易于通过增减摩擦片的片数来满足不同排量发动机的要求。

(3)单向超越离合器的结构与工作原理

单向超越离合器又称为单向啮合器或自由轮离合器。与其他离合器的区别是，单向超越离合器无需控制机构，它是依靠其单向锁止原理来发挥固定或连接作用的，力矩的传递是单方向的，其连接和固定完全由与之相连接元件的受力方向所决定。当与之相连接元件的受力方向与锁止方向相同时，该元件即被固定或连接;当受力方向与锁止方向相反时，该元件即被释放或脱离连接;即在驱动轴与从动轴之间，只能使从动轴作一个方向回转，反方向具有空转机能。

单向超越离合器有多种形式，常用有棘轮式、滚柱斜槽式和楔块式三种形式。

1)棘轮式单向超越离合器

棘轮式单向超越离合器主要由外轮、棘轮、棘爪和叶片弹簧等组成，如图2－22所示为棘轮式单向超越离合器的一种形式。

1—外轮　2—棘爪　3—棘轮　4—叶片弹簧

图2－22　棘轮式单向超越离合器

当外轮相对于棘轮顺时针方向旋转时，棘爪卡住棘轮，外轮与棘轮连为一体，不能相对运动，离合器处于锁止状态;当外轮相对于棘轮逆时针方向旋转时，棘爪与棘轮之间产生相对滑动，外轮成为自由轮，单向超越离合器处于自由状态。

2)滚柱斜槽式单向超越离合器

1—外环　2—内环　3—滚柱　4—弹簧

图2－23　滚柱斜槽式单向超越离合器

滚柱斜槽式单向超越离合器由外环、内环、滚柱、滚柱回位弹簧等组成，如图2－23所示。

内环通常用内花键和行星齿轮排的某个基本元件或者和变速器壳体连接，外环则通过外花键和行星排的另一侧基本元件连接或者和变速器外壳连接。在外环的内表面制有与滚柱相同数目的楔形槽。内外环之间的楔形槽内装有滚柱和弹簧。弹簧的弹力将各滚柱推向楔形槽较窄的一端。当外环相对于内环朝顺时针方向转动时，在刚刚开始转动的瞬间，滚柱便在摩擦力和弹簧弹力的作用下被卡死在楔形较窄的一端，于是内外环互相连接成一个整体，不能相对转动，此时单向超越离合器处于锁止状态，与外环连接的基本元件被固定住或者和与内环相连接的元件连成一整体。当外环相对于内环朝逆时针方向转动时，滚柱在摩擦力的作用下，克服弹簧的弹力，滚向楔形槽较宽的一端，出现打滑现象，外环相对于内环可以作自由滑转，此时单向超越离合器脱离锁止而处于自由状态。

单向超越离合器的锁止方向取决于外环上楔形槽的方向。在装配时不得装反;否则，会改变其锁止方向，使行星齿轮变速器不能正常工作。

有些单向超越离合器的楔形槽开在内环上，其工作原理和楔形槽开在外环上的相同。

3)楔块式单向超越离合器

楔块式单向超越离合器的结构和滚柱斜槽式单向超越离合器的结构基本相似，也有外环、内环、滚子(楔块)等(如图2－24所示)。不同之处在于，它的外环或内环上都没有楔形槽，其滚子不是圆柱形的，而是特殊形状的楔块。楔块在A方向上的尺寸略大于内外环之间的距离B，而在C方向上的尺寸略小于B。当外环相对于内环朝顺时针方向转动时，楔块在摩擦力的作用下立起，因自锁作用而被卡死在内外环之间，使内环与外环无法相对滑转，此时单向超越离合器处于锁止状态;当外环相对于内环朝逆时针方向旋转时，楔块在摩擦力的作用下倾斜，脱离自锁状态，内环与外环可以相对滑动，此时单向超越离合器处于自由状态。

楔块式单向超越离合器的锁止方向取决于楔块的安装方向。维修时不可装反，以免影响自动变速器的正常工作。

1—外环　2—内环　3—楔块

图2－24　楔块式单向超越离合器

任务实施

1．考核要求

(1)正确拆卸执行器元件。

(2)掌握执行器的检测方法。

(3)符合6S管理要求。

2．相关设备

(1)丰田自动变速器的执行元件。

(2)捷达王自动变速器执行元件。

(3)测量工具、塞尺、百分表。

3．注意事项

(1)制动器的作用及符号代码。

(2)离合器的作用及符号代码。

(3)单向离合器的作用及符号代码。

(4)换挡路线认识。

4．实施步骤

(1)元器件检测

1)量离合器片的厚度。离合器片最小允许厚度为1．84mm。

对于离合器的主动片(驱动片)，由于自动变速器的过热和液压油的污染，一些小的金属粉末聚积在摩擦衬片表面，会使其变色，容易造成磨损，因而，应检查衬片上印有的标记是否被磨掉，若被磨掉，应更换新的离合器片。对主动片两侧的衬片，还应检查是否有破损、剥落或粘接不实等。另外，主动片上的花键槽口，在工作过程中，会产生磨损和高温变化，检查时应予以注意。衬片上布有的沟槽，容易沉淀上油泥和其他杂质，如果不清洗干净，脱落下来会造成离合器早期打滑或烧蚀，如遇此现象，也应及时予以更换。经检查后，能继续使用的主动片，一定要清洗干净并晾干;安装时，将最里面的一片和最外面的一片调换位置，是一种较好的做法。

对于离合器的从动片，首先要检查与主动片衬片的接触面，看有无损伤、生锈之处。轻微的生锈或损伤，可用细砂纸打磨，严重的应予以更换。同样，对摩擦片上的花键槽口也应进行检查，看是否有磨损烧蚀等现象。此外，变速器液压油受污染和颜色变黑，多是由于离合器片间出现高温、烧结等造成的，所以在检查从动片时还应注意其工作表面有无伤痕、烧结和变色等。

对于离合器的推力盘，在离合器结合时被压缩变形，具有缓冲作用，故也称之为缓冲盘。拆检时，将推力盘的外圆置于平台上并转动，用卡尺测量内圆各处高度的变化，来检测推力盘工作面是否为同一平面，若出现过大扭曲时，应予以更换。

2)测量带有弹簧座的活塞回位弹簧的自由长度。标准长度应为16．8mm。

3)检查离合器活塞单向球阀。该球阀有的装在活塞上，有的装在离合器毂上。检查时，先振动活塞，判断能否听到球阀的动作声，观察球是否自由移动;然后将低压力压缩空气对准球阀的进口吹气，检查球阀的密封状况，看其能否起到单向球阀的作用。空气通过球阀时，不能泄漏。

4)用量缸表或内径千分表，测量离合器毂衬套内径。最大直径不应大于27．11mm。如果衬套内径大于规定值，更换离合器毂。对离合器毂应重点检查如下项目:检查与活塞配合的工作面有无损伤;检查毂内轴套上的密封槽是否清洁;检查毂外圆的工作面上有无损伤;检查离合器毂的轴承孔有无磨损。检查时可用内径千分尺进行测量，也可将轴装入后，检查配合状况。检查从动片外部花键齿和鼓内花键槽的配合面有无磨损或烧蚀;检查毂内轴套上的卡圈槽是否磨损或有损伤。

任务报告

理论习题

1．制动器的作用和符号是什么?

2．离合器的作用和符号是什么?

3．单向离合器的作用和符号是什么?

4．执行元件检测的方法是什么?

实训报告

实训报告

任务评价