自動變速箱--概述

一、 扭力轉換器 (torque converter

 甲、 扭力轉換器的組成
i.
幫浦葉輪(pump Impeller

幫浦葉輪與紐力轉換器外殼是結合的, 上面有許多等距分佈的彎曲葉片, 除了葉片之外上有一個導引環(guide ring)以確保atf流動順暢.
扭力轉換器的外殼與引擎的曲軸是結合在一起的, 換句話說, 引擎運轉時, 曲軸便會帶動幫浦葉輪不斷轉動

ii. 渦輪轉子(turbine runner

渦輪轉子構造與幫浦葉輪類似, 位於扭力轉換器內部, 相對於幫浦葉輪可自由轉動。
渦輪轉子與變速箱的輸入軸是連結的

 

iii. 定子(stator

定子樣子類似螺旋槳, 位於幫浦葉輪與渦輪轉子之間, 負責將來自渦輪轉子的ATF導引回幫浦葉輪

定子上有單向離合器(one way clutch)裝置, 只能朝一個方向轉動

iv. 鎖定離合器(lockup clutch

鎖定離合器裝置於葉轂及渦輪轉子之間, 由液壓控制, 可以使幫浦葉輪與渦輪轉子兩者產生機械性的結合
另外還有一組彈簧減震裝置, 可減少兩者結合時的傳動震動

 

乙、 扭力轉換器的作動

扭力轉換器透過液體, 提供了引擎與變速箱之間動力的自動連結, 作動原理如下 

 

當引擎運轉時, 曲軸帶動幫浦葉輪(pump Impeller)轉動, 幫浦葉輪上的葉片帶動傳動液體(ATF)一併旋轉, 隨著幫浦葉輪轉速提升, 離心力使ATF由幫浦葉輪的圓心往外流動, 這個過程把來自引擎的動能轉移給ATF 
由於幫浦葉輪的碗狀構型, ATF流到旁邊時便被導引,帶著來自引擎的動能流向渦輪轉子。 

 

當這些來自幫浦葉輪的ATF撞擊渦輪轉子的葉片時, 便會『吹動』渦輪轉子使其朝幫浦葉輪同樣的旋轉方向開始轉動。如此, ATF的動能再次轉移到渦輪轉子上。隨著動能的釋放, ATF由渦輪轉子的外圍往圓心處流, 然後流往定子(stator),定子的葉片曲線及單向轉動的功能, 確保ATF被重新導向到幫浦葉輪轉動的方向, 並以此方向流回幫浦葉輪。如此避免因衝擊幫浦葉輪造成扭力的流失。 
相較之下,有定子裝置將比無定子裝置多出約30%50%的扭力來, 所以有人也將定子稱為扭力放大器。 

 

當車輛處於低速的加速狀態時, 由於幫浦葉輪轉速快, 渦輪轉子轉速慢, 此時扭力轉換器提供了扭力放大的效果。(類似齒輪比n:1n>1的概念)
當車速提高之後, 幫浦葉輪轉速與渦輪轉子的轉速相當接近, 此時的傳動比大約會變成1:1。但實際上透過液體連結的兩者不可能達到完全相同的轉速, 約有4~5%的轉速差。換句話說,由於是透過『液體連結』,扭力轉換器無法將引擎產生的動力100%傳遞給變速箱,意即有能量被流失掉(油耗) 

爲了改善此情況, 所以要使用鎖定離合器(lockup clutch)這類裝置, 它可以讓幫浦葉輪與渦輪轉子兩者產生機械性的結合,以達到100%的動力傳輸。鎖定的動作是在車速提升約60-70公里之後才會作動(因為車輛低速時仍需要扭力轉換器的放大效果)

二、行星齒輪

甲、齒輪的觀念

要探討行星齒輪,讀者必須先有齒輪的概念,這一方面阿黃就不補充了。阿黃在此強調幾個觀念

i.齒輪可以用來改變扭力、轉速、或者轉動方向

ii.所有機械不是省力費時, 就是省時費力。

所以放大扭力=轉速下降, 提升轉速=扭力下降。這一點各位用變速腳踏車研究看看就知道了

iii.齒輪比(又稱為傳動比)= 輸入軸齒數:輸出軸齒數 = 輸出軸齒數/輸入軸齒數。

齒輪比>1意味這扭力放大,
齒輪比<1意味著轉速提升。
而齒輪組中另一個常用名詞『減速比』就是齒輪比的反比

乙、行星齒輪組的基本構型如下圖

i.行星齒輪組(planetary gear set)

典型的行星齒輪組由下列元件構成 \

太陽齒輪(sun gear): 位於中心的齒輪
圜狀齒輪(ring gear): 外圈圓環狀的齒輪
行星齒輪(planetary): 銜接太陽齒輪與圜狀齒輪
行星齒輪座(carrier): 行星齒輪的固定座
其中太陽齒輪、圜狀齒輪、行星齒輪座都可以作為輸出或輸入軸,互相組合運用

ii. 作動原理

假設 太陽齒輪的齒數是30,圜狀齒輪的齒數是100,那麼由於幾何的限制,行星齒輪座的齒數將等於30+100=130(跟齒輪座的實際大小沒有關係)

運用組合一: 行星齒輪座固定不轉, 動力由太陽齒輪輸入, 圜狀齒輪輸出(反向),

傳動比 = 100/30 =3.33 >1):速度下降, 扭力上升

運用組合二: 行星齒輪座固定不轉, 動力由圜狀齒輪輸入, 太陽齒輪輸出(反向),

傳動比 = 30/100 =0.3 <1):速度上升, 扭力下降

運用組合三: 環狀齒輪固定不轉, 動力由太陽齒輪輸入, 行星齒輪座輸出,

傳動比 =130/30 = 4.33 >1):速度下降, 扭力上升

運用組合四: 環狀齒輪固定不轉, 動力由行星齒輪座輸入, 太陽齒輪輸出,

傳動比 =30/130 = 0.23 <1):速度上升, 扭力下降

運用組合五: 太陽齒輪固定不轉, 動力由環狀齒輪輸入, 行星齒輪座輸出,

傳動比 =130/100= 1.3 >1):速度下降, 扭力上升

運用組合六: 太陽齒輪固定不轉, 動力由行星齒輪座輸入, 環狀齒輪輸出,

傳動比 =100/130= 0.77 <1):速度上升, 扭力下降

運用組合七: 三者中任兩者固定, 則行星齒輪組不發生任何作用, 此時傳動比 = 1

這張照片中的則是變速箱中的一組行星齒輪組
由左至右分別是環狀齒輪, 行星齒輪及行星齒輪座, 太陽齒輪  

 

丙、行星齒輪組的制動裝置
有幾類常用於行星齒輪組的制動機構, 其設計及應用各有優點, 簡易分類如下
1.
多板離合器(multiplate clutch):用於使兩個轉動的平面元件固定不動
2.
單向離合器 (one way clutch):用於當飛輪轉動時, 使元件只朝另一方向轉動
3.
多板式煞車(multiplate brake)或摯動帶(band type brake):使元件固定於傳動箱上不動
這幾類裝置負責控制行星齒輪組中哪些部分可以動或不可以動, 如此便可產生如上所言的各種組合

 

齒輪軸(Gear Train Shafts )

圖中有三根齒輪軸, 分別是輸入軸、太陽齒輪軸、輸出軸。
輸入軸由扭力轉換器的渦輪所驅動,所以動力由此傳入齒輪箱
這根輸入軸同時也與前行星齒輪組的環狀齒輪連接(透過離合器)

而前、後兩個行星齒輪組的太陽齒輪是一體的, 扭力便藉此由前行星齒輪祖傳到後行星齒輪組

輸出軸穿過太陽齒輪, 與前行星齒輪組的的行星齒輪座及後行星齒輪組的環狀齒輪連接, 所以它所接受的扭力是經由兩組行星齒輪轉換後的結果

下圖包刮之前提過的多板離合器及煞車, 我們將他們編號, 以便識別出他們的位置及相連接的元件

C0: O/D直接離合器 , 作用時將O/D的太陽齒輪與行星齒輪座結合
B0: O/D
煞車, 防止O/D太陽齒輪轉動
F0: O/D
單向離合器, 當變速箱被引擎驅動時, 連接O/D的太陽齒輪與行星齒輪座
C1:
前進離合器
C2:
直接離合器: 將輸入軸與前後行星齒輪組的太陽齒輪結合
B1: 2nd Coast Brake,
防止前後行星齒輪組的太陽齒輪轉動

B2: 2nd
Brake,
防止F1轉動, 如此可防止前後行星齒輪組的太陽齒輪逆時針轉動

B3: 1st
and Reverse Brake,
防止後行星齒輪座轉動

F1: 1號單向離合器, B2作動時, 防止前後行星齒輪組的太陽齒輪逆時針轉動

F2: 2號單向離合器, 防止後行星齒輪座逆時針轉動

 

下圖中並沒有C0, B0F0

我們可以看出

 B3F2 一起控制後行星齒輪座, 平常時僅允許順時針單向轉動, 在低檔位時使其不轉動

B2F1 則控制前後行星齒輪組的太陽齒輪。當B2作用時太陽齒輪只能順時針轉動

 B1
負責固定太陽齒輪, 防止其反向轉動.如此再車輛減速時能提供引擎煞車的作用

 1檔齒輪(檔位D或是2時的情形)

此時C1(前進離合器)F2(2號單向離合器, 防止後行星齒輪座逆時針轉動)作動

對前行星齒輪組而言
由於C1作動, 輸入軸與前行星齒輪組的環狀齒輪結合, 所以動力是由環狀齒輪傳入
雖然單看前行星齒輪組而言, 太陽齒輪與行星齒輪作都是可自由轉動的
但是實際上, 行星齒輪座是與變速箱的輸出軸結合的, 無法'自由'轉動(可視為被限制轉動).
因此, 就前行星齒輪組而言, 動力由環狀齒輪輸入(順時針轉), 太陽齒輪輸出(逆時針轉)

對後行星齒輪組而言
動力由太陽齒輪輸入(逆時針轉), 此時行星齒輪座是應該要逆時針旋轉的, 但由於F2作動限制其轉動, 所以被視為固定.
因此, 就後行星齒輪組而言, 動力由太陽齒輪輸入(逆時針轉), 環狀齒輪輸出到驅動齒輪(順時針轉)

由上可知, 1檔齒輪會同時用到前, 後行星齒輪組 

 

2檔齒輪(檔位D時的情形)

此時C1, F1, B2作用
請留意B2並非直接作用在太陽齒輪上, 而是作用在單向離合器F1

對前行星齒輪組而言
由於C1作動, 輸入軸與前行星齒輪組的環狀齒輪結合, 所以動力是由環狀齒輪傳入(順時針)
理論上太陽齒輪要逆時針旋轉, 但由於B2F1同時作動, 所以太陽齒輪被限制無法逆時針旋轉
所以動力轉由與輸出軸連結的前行星齒輪座輸出

是故, 2檔齒輪只用到前行星齒輪組, 後行星齒輪組自由轉動(無作用) 

 

 

3檔齒輪(檔位D的情形)

此時C1, C2, B2作用

之前提過, 當行星齒輪組中(太陽齒輪, 行星齒輪座, 環狀齒輪)任兩個元件被鎖定時, 整個行星齒輪組都會鎖定, 視為一體
由於C1C2同時連結, 所以前行星齒輪組完全鎖定沒有作用
對後行星齒輪組而言, 太陽齒輪宇環狀齒輪由於與前行星齒輪組連接, 一樣被鎖定

所以3檔齒輪時, 前後行星齒輪組都沒有作用, 輸入軸直接驅動輸出軸(1:1)

請留意B2此時雖然有作動, 但由於F1式釋放狀態, 所以B2雖作動卻不產生作用
保持B2作動的理由是--23檔切換時無須重複打開或關閉B2