自动变速器之单向离合器

5第1期 米贵岐等 品牌零售商外埠扩张思考简论自动变速器之单向离合器李书江，胡彦斌（石家庄理工职业学院，河北 石家庄 050228）摘 要：电子控制自动变速器已经成为当今中高档轿车上的首选配置，它不仅能减轻驾驶操作疲劳度，为汽车的行驶提供较为理想的换档模式，同时满足了大多数驾驶者对轿车的动力学与经济性的要求，因此受到了越来越多的人们的喜爱。机械结构的单向离合器是自动变速器中不可缺少的部件之一，由于其结构简单、工作可靠、传动效率高及故障率低等多种原因，被目前大多数自动变速器所采用。关键词：单向离合器 结构 原理 检验中图分类号：F713.3 文献标识码： A 收稿日期：责任编辑：校 对：作者简介：李书江（1962- ），男，汉族，河北藁城人，汽车学院副教授，长期从事汽车专业的理论和实践教学。1 . 前言在电控自动变速器的变速箱内，有一个部件往往不被使用者和维修者过多地关注，但它在自动变速器良好使用中的作用是不可低估的，尤其是汽车维修人员。这个部件统称为单向离合器，也有人称之为自由轮机构。在自动变速器维修作业中，一旦将单向离合器拆下，装复中稍有不慎极易装错，从而导致自动变速器无法正常运转和传递动力。而问题的严重性表现在以下两个方面，一是错装之后不会影响有关相邻部件的安装位置，也就是说若错装，其他部件照样能够装上去；其二是，自动变速器不上车，不进行道路试验，错装的情况无法检视出来。而一旦自动变速器上车路试，出现问题，则需要拆下变速器总成，分解检查。而自动变速器总成的拆下分解，对绝大多数轿车而言，是以拆下发动机为前提的。由于汽车发动机已广泛采用电子燃油喷射技术，在其周围有许多管道、电线以及其他附属件。如此，因错装造成的返工现象，其工作量是巨大的。因此，了解单向离合器结构原理，熟悉其工作过程，对自动变速器的使用维修至关重要。2单向离合器结构特征单向离合器按其结构型式有棘轮型、滚柱型和楔块型三种，目前广泛使用的是楔块型。楔块型单向离合器的结构如图1所示。楔块式单向离合器是由内环、外环、楔块、保持架和片状弹簧等组成。内环和外环分别与自动变速器的某一个旋转件或固定件相连接，保持架借助于片状弹簧将楔块均匀等份地布置在圆形的内环与外环之间。由于楔块具有特殊的形状，使得长轴方向A的尺寸略大于内、外环之间的距离，即内外环半径差B；而在短轴方向C的尺寸略小于内外、圈之间的距离B。2.1锁止状态当外环相对内环顺时针方向转动时，楔块在磨擦力的作用下立起，由于AB，因此楔块被卡死在内环与外环之间，此时单向离合器处于锁止状态；从而阻止了内环与外环所连接件的相对转动。2.2自由状态当外环相对内环逆时针方向转动时，楔块在磨擦力的作用下倾斜伏倒，由于BC，因此内环与外环可以相对转动，此时单向离合器处于打滑的自由状态；从而使内环与外环所连接件的相对转动，两者无动力的传递和连接。3.单向离合器作用分析单向离合器由于结构特殊，具有单向分离、反向结合的特性，因此，与单向离合器内环、外环相连接的机件（大多是行星齿轮机构），只能实现单一方向的整体运动和动力传递，而在相反方向上二者之间脱离关系，动力被切断。不同车型自动变速器中单向离合器安装的数量和位置各不相同，但其基本的作用是一致的。现仅以丰田轿车安装的四档自动变速器A140E型为例说明其具体工作特性。丰田A140E自动变速器内，装有三个单向离合器，其结构形式均楔块式，三个单向离合器的安装位置简图如图2所示。3.1单向离合器实现了各档位转换时的动力不间断传递众所周知，自动变速器在一档、二档、三档以及超速档之间相互转换时，在每两个档位中间都有一定时间（尽管仅有几秒钟）的“脱档”现象。无论自动变速器是升档或降档，各档所使用的制动器、离合器的动作，以及各换档阀所控制的液压油路中压力的增减与转换，都需要一定的时间。此时，将会出现发动机动力输出的间断。它不仅会导致有明显的换档冲击，同时将会有很大的一声发动机“空油声”（加速踏板位置未动，发动机负载突然减小所致）。这时，三个单向离合器则会在三个换档的“档隙”，使发动机动力不间断地通过自动变速器向车轮传递。变速器各换档执行元件工作顺序表见图3所示。3.1.1超速排单向离合器Fo的动力连接单向离合器Fo安装在超速行星齿轮机构中， Fo外环与超速行星架相连接，内环与超速排太阳轮轴相连接。它将阻止太阳轮相对行星架顺时针转动。变速器在三档时，超速排离合器Co结合，超速排制动器Bo不工作。由于Co将太阳轮轴和行星架结合在一起，故此时超速排动力以直接档(i=1)方式，将来自行星架的动力传给齿圈，最后输出。变速器在四档（超速档）时，超速排离合器Co分离。超速排制动器Bo动作，将太阳轮轴刹住固定不转。此时，超速排行星轮以超速档（i1）方式，将来自行星架的动力传给齿圈。变速器在三档升入四档的换档空隙时，超速排离合器Co由结合逐渐变为分离，即行星架与太阳轮轴逐渐分离，超速排制动器Bo逐渐刹住太阳轮轴。此时，作为主动件的行星架，欲带动太阳轮轴沿行星架顺时针转动。如果使太阳轮轴沿行星架顺时针转动，则行星架将无法使动力传给齿圈输出（三元件无一固定件）。这时，单向离合器Fo起作用，它将行星架与太阳轮轴锁止在一起，从而实现着变速器三档的动力传递方式。待制动器Bo刹住太阳轮轴后，由于单向离合器Fo将变为自由打滑状态，行星架将沿着太阳轮轴顺转，变速器换入四档。变速器由四档降为三档的换档空隙时，单向离合器Fo的工作方式与三档升入四档时完全相同，仍然是以三档的方式传递动力。3.1.2一档单向离合器F2的动力连接变速器一档用单向离合器F2，外环通过连接块与变速器外壳相固定，不能转动；内环与辛普森行星轮机构的后排行星架相连接。它将阻止该行星架逆时针转动。变速器档位在“D”位一档时，前进档离合器C1结合。由于一档单向离合器F2阻止了后行星架逆时针转动，使其锁止不动，从而实现了变速器一档的动力传递。变速器档位在“D”位二档时，除前进档离合器C1结合外，二档制动器B2参与了制动太阳轮轴。这时，后行星架将顺时针转动，单向离合器由锁止状态变为自由打滑状态，从而实现了变速器二档的动力传递。变速器由一档升入二档的空隙时，前进档离合器工作不变，仅加入二档制动器逐渐刹太阳轮轴。在二档制动器刹住太阳轮轴之前，单向离合器F2始终阻止后行星架逆时针转动，从而实现了变速器的一档动力传递。变速器由二档降为一档的空隙时，单向离合器F2在二档制动器逐渐松开过程中，便参与工作，阻止后行星架逆时针转动，同样实现了变速器的一档动力传递。3.1.3二档制动器用单向离合器F1的动力连接与二档制动器B2配合使用的单向离合器F1，其外环与二档制动器内的制动片相连接；内环与辛普森行星轮的太阳轮轴相连接。在二档制动器B2制动时，它将阻止太阳轮轴逆时针转动。变速器在二档时，前进档离合器C1以及二档制动器B2同时工作。二档制动器B2通过单向离合器F1将太阳轮轴刹住，使其不能逆时针转动，从而实现了变速器的二档动力传递。变速器在三档时，前进档离合器C1以及二档制动器B2仍然工作，同时直接档离合器C2结合，也参与动力传递。两个离合器都参与动力传递，而且同步，故为变速器的直接档。此时，单向离合器F1打滑，允许太阳轮轴顺时针转动。尽管二档制动器B2仍然工作，但不会影响变速器三档的动力传递。当变速器由二档升入三档的空隙时，二档制动器仍刹车，位于二档制动器与太阳轮轴之间的单向离合器F1，在直接档离合器C2结合之前，仍防止太阳轮轴逆时针转动。故，此时变速器仍实现着二档的动力传递。当变速器由三档降为二档的空隙时，其情形与二档升入三档的空隙时相同，此时变速器仍以二档的方式传递动力。3.2单向离合器使液压控制阀的结构有所简化自动变速器的液压控制阀安装在阀体上，变速器的档位变换是通过液压控制阀的动作，接通或切断某离合器或制动器的液压油路，来实现的。阀体的结构在自动变速器上是最复杂的，故，有人形象地称之为液压“集成块”。单向离合器可以减少控制油路的条数，进而减少控制阀的个数，达到简化液压控制阀体结构的目的。譬如，二档制动器B2用单向离合器F1，由于它在二档制动器B2制动时，阻止了太阳轮轴逆时针转动，同时又允许太阳轮轴顺时针转动，因此，在二档时开始刹车的二档制动器B2，当变速器升入三档、四档后，就不必再松开。这样就减少了一套液压控制装置，仍能实现档位的正常转换。3.3单向离合器延长了变速器的维修周期自动变速器的维修周期取决于易损件的寿命。离合器和制动器内的摩擦片，是自动变速器的最常见的易损件，它的损耗主要是在离合器和制动器结合或分离时，与钢片之间的摩擦。减少离合器和制动器的动作次数，是延长其寿命的有效方法。由于自动变速器内安装了一档用单向离合器F2，因此，在变速器档位的“D”、“2”位的一档时，使变速器内的一倒档制动器B3不必参与工作，也就无所谓B3制动器中摩擦片的磨损了。由于自动变速器内安装了二档用单向离合器F1，因此，在变速器升入三档和四档时，二档制动器B2仍然保持二档时的制动状态，不必频繁动作，从而使制动器内摩擦片的磨损大大减少。3.4单向离合器协助了个别离合器和制动器的工作单向离合器除自身单独承担档位传递时的锁止动作外，同时也参与了个别离合器和制动器的动力传递，从而使离合器和制动器的结构尺寸或摩擦片数有所减少。譬如，超速排安装的单向离合器Fo，在超速排离合器Co结合时（变速器在一、二、三、倒档），协助其将太阳轮轴与行星架结合锁止在一起。4单向离合器装复与检验由于单向离合器不需要液压操纵系统的控制，而是自行起作用，从而给检查和故障诊断带来一定的困难。同时，汽车维修人员在对自动变速器拆检时，不可避免地要拆卸各单向离合器，尤其是当单向离合器内楔块因磨损过甚（有明显的压痕）时，需要更换单向离合器总成。这时，将单向离合器装反的情况极容易发生。装反的单向离合器，将造成自动变速器的不正常工作，不能换档、汽车不能起步，甚至损坏自动变速器内部的部件。现在仍以丰田A140E自动变速器为例，对三个单向离合器的具体安装方法进行分析，指出错装的危害以及正确组装的检验方法。4.1超速排单向离合器Fo安装与检验超速行星齿轮机构用单向离合器Fo外环与超速行星架相连接，内环与超速排太阳轮相连接。它将阻止太阳轮相对行星架顺时针转动。若因错装而装反，则太阳轮轴将阻止行星架顺时针转动，而行星架是超速排的动力输入轴，当自动变速器在一、二、三档时，不会出现问题。当自动变速器换入四档时，超速排制动器Bo起作用，刹住太阳轮轴。由于该单向离合器的装反，这时，超速排制动器Bo将通过太阳轮轴、单向离合器、超速排行星架等，对发动机及自动变速器的输出动力进行制动。其结果不仅变速器无法换入四档，同时将使超速排制动器Bo以及该单向离合器因制动力过大而损坏。显然，错装的危害相当严重。因此，组装时需仔细检查之，其正确的安装检验方法为：依发动机为前方，由前向后看，用一只手固定单向离合器内环或太阳轮轴，另一只手转动行星架或单向离合器外环。应顺时针打滑转动，逆时针锁止转不动为宜。否则，将单向离合器翻转180安装即可。4.2一档单向离合器F2安装与检验变速器一档用单向离合器F2，外环通过连接块与变速器外壳相固定，不能转动。内环与辛普森行星轮机构的后排行星架相连接。它将阻止该行星架逆时针转动。若装反，则它将阻止行星架顺时针转动，从而导致自动变速器档位在“D”位和“2”位无变速器一档，即汽车在这两个位置根本无法起步。该单向离合器装复时的检验方法是：用手固定单向离合器外环的连接块，用另一只手转动行星架或内环，依发动机为前方，由前向后看，应顺时针打滑转动，逆时针锁止转不动为宜。否则，将单向离合器翻转180 安装即可。4.3二档制动器用单向离合器F1安装与检验二档制动器用单向离合器F1，外环与二档制动器内的制动片相连接，内环与辛普森行星轮的太阳轮轴相连接。在二档制动器B2制动时，它将阻止太阳轮轴逆时针转动。若装反，不仅使自动变速器档位在“D”位无二档，同时，也会造成自动变速器在“2”位无法进入三档，并有可能使直接档离合器C2、二档制动器B2以及该单向离合器F1损坏。它正确的安装检验方法是：用手固定单向离合器外环，用另一只手转动内环或太阳轮轴，依发动机为前方，由前向后看，应顺时针打滑转动，逆时针锁止转不动为宜。否则，将单向离合器翻转180安装即可。5就车检验单向离合器性能的方法单向离合器的就车检验通常通过道路试验完成，同时，道路试验也用来检验变速器修复后是否能达到使用性能。需要注意的是，在进行道路试验之前，要确认油面高度、油质状况、变速器档位拉杆、节气门拉杆位置正常。5.1单向离合器Fo就车检验前面已分析过，F0主要在变速器“D”位三、四档之间切换时才起作用，所以在进行道路试验时，如果“D”位三、四档工作均正常，但在切换过程中有冲击和不平稳现象，就可判定F0已损坏。5.2单向离合器F2就车检验由变速器各换档执行元件工作顺序表（图3）可知，变速器档位的“D“位一档和“2”位一档的工作元件相同，而“L”位要多一个B3，但F2不起作用。所以在道路试验时，如果“L”位工作正常，但“D”位一档或“2”位一档不正常，就可判定F2已损坏。5.2单向离合器F1就车检验由于F1是通过B2作用后才自动起作用的，所以较难准确判断到底是F1还是B2损坏。在道路试验中，如果“D”位一档和“D”位三档工作正常，但过渡不平稳、有冲击，就可判断是B2或F1损坏，但需拆出B2和F1进行进一步的鉴定。通过判断和检查，确定是单向离合器损坏后，只需拆开更换即可。6结论单向离合器作为一种换档执行元件被广泛用于电控液力自动变速器中，以确保平顺地无冲击换档。单向离合器可以起到离合器与制动器的作用，所不同的是以单向锁止原理来实现固定或连接作用。由于保证了各档位转换中间（档隙）的动力不间断传递，从而简化了液压控制阀的结构，减轻了变速器换档时的换档冲击。与此同时，单向离合器还协助或替代了个别离合器和制动器的工作，延长了变速器的维修周期。它是液力自动变速器中一个至关重要的元件，起到了一两拨千斤的功效。因此，在变速器使用和维修中必须给予特别注意。参考文献：1 李书江.电控自动变速器性能试验三步法J.汽车维修与保养 2000.122 美国米切尔维修信息公司.进口汽车自动变速器检测与维修M人民交通出版社，2003.1