Om du någonsin har kört en bil med automatisk växellåda, då vet du att det finns två stora skillnader mellan en automatisk växellåda och en manuell växellåda:
Både den automatiska växellådan (plus dess momentomvandlare) och en manuell växellåda (med dess koppling) åstadkommer exakt samma sak, men de gör det på helt olika sätt. Det visar sig att sättet som en automatisk växellåda gör det är helt fantastiskt!
I den här artikeln kommer vi att arbeta oss igenom en automatisk växellåda. Vi börjar med nyckeln till hela systemet:planetväxlar. Sedan ska vi se hur sändningen är sammansatt, lära oss hur kontrollerna fungerar och diskutera några av de krångligheter som är involverade i att kontrollera en sändning.
Innehåll
Precis som för en manuell växellåda är den automatiska växellådans primära uppgift att låta motorn arbeta i sitt smala varvtal samtidigt som den tillhandahåller ett brett spektrum av utgående varvtal.
Utan en växellåda skulle bilar begränsas till ett utväxlingsförhållande, och det förhållandet skulle behöva väljas för att bilen ska kunna köra med önskad topphastighet. Om du ville ha en toppfart på 80 mph, skulle utväxlingen vara liknande den tredje växeln i de flesta bilar med manuell växellåda.
Du har förmodligen aldrig provat att köra en bil med manuell växellåda med endast tredje växeln. Om du gjorde det skulle du snabbt få reda på att du nästan inte hade någon acceleration när du startade, och vid höga hastigheter skulle motorn skrika med nära den röda linjen. En bil som denna skulle slitas ut mycket snabbt och skulle vara nästan oförbar.
Så transmissionen använder växlar för att mer effektivt utnyttja motorns vridmoment och för att hålla motorn igång med en lämplig hastighet. När du bogserar eller drar tunga föremål, kan ditt fordons transmission bli tillräckligt varm för att bränna upp transmissionsvätskan. För att skydda transmissionen från allvarliga skador bör förare som bogserar köpa fordon utrustade med transmissionskylare.
Den viktigaste skillnaden mellan en manuell och en automatisk växellåda är att den manuella växellådan låser och låser upp olika uppsättningar av växlar till den utgående axeln för att uppnå de olika utväxlingarna, medan i en automatisk växellåda producerar samma uppsättning växlar alla de olika växlarna förhållanden. Planetväxeln är enheten som gör detta möjligt i en automatisk växellåda.
Låt oss ta en titt på hur planetväxeln fungerar.
När du plockar isär och tittar in i en automatlåda hittar du ett enormt sortiment av delar på ett ganska litet utrymme. Du ser bland annat:
I centrum för uppmärksamheten är planetväxeln . Ungefär lika stor som en cantaloupe skapar denna ena del alla de olika utväxlingsförhållandena som transmissionen kan producera. Allt annat i transmissionen är till för att hjälpa planetväxeln att göra sitt. Detta fantastiska redskap har dykt upp på HowStuffWorks tidigare. Du kanske känner igen det från artikeln med elektrisk skruvmejsel. En automatisk växellåda innehåller två kompletta planetväxlar ihopfällda till en komponent. Se Hur utväxlingsförhållanden fungerar för en introduktion till planetväxlar.
Varje planetväxel har tre huvudkomponenter:
Var och en av dessa tre komponenter kan vara ingången, utgången eller kan hållas stationär. Att välja vilken bit som spelar vilken roll bestämmer utväxlingen för växelsatsen. Låt oss ta en titt på en enda planetväxel.
En av planetväxlarna från vår transmission har en ringväxel med 72 kuggar och ett solhjul med 30 kuggar. Vi kan få ut många olika utväxlingsförhållanden ur denna växelsats.
Om du låser två av de tre komponenterna tillsammans låser du också hela enheten med en växelreduktion på 1:1. Lägg märke till att det första utväxlingsförhållandet som anges ovan är en minskning -- utgångshastigheten är långsammare än ingångshastigheten. Den andra är en överväxling -- utgångshastigheten är snabbare än ingångshastigheten. Det sista är en reduktion igen, men utmatningsriktningen är omvänd. Det finns flera andra utväxlingar som kan fås ut ur denna planetväxelsats, men det är de som är relevanta för vår automatiska växellåda. Du kan prova dessa i animationen nedan:
Animering av de olika utväxlingarna relaterade till automatiska växellådor
Klicka på knapparna till vänster i tabellen ovan.
Så denna ena uppsättning växlar kan producera alla dessa olika utväxlingsförhållanden utan att behöva lägga i eller koppla ur några andra växlar. Med två av dessa växlar i rad kan vi få de fyra framåtväxlarna och en backväxel som vår transmission behöver. Vi sätter ihop de två växlarna i nästa avsnitt.
Denna automatiska växellåda använder en uppsättning växlar, som kallas en sammansatt planetväxel , som ser ut som en enda planetväxel men faktiskt beter sig som två kombinerade planetväxlar. Den har ett ringhjul som alltid är utgången från transmissionen, men den har två solhjul och två uppsättningar planeter.
Låt oss titta på några av delarna:
Bilden nedan visar planeterna i planetbäraren. Lägg märke till hur planeten till höger sitter lägre än planeten till vänster. Planeten till höger kopplar inte in ringväxeln – den kopplar in den andra planeten. Endast planeten till vänster kopplar in ringväxeln.
Därefter kan du se insidan av planetbäraren. De kortare växlarna kopplas endast in av de mindre solväxlarna. De längre planeterna är engagerade av det större solredskapet och av de mindre planeterna.
Animationen nedan visar hur alla delar kopplas ihop i en sändning.
Flytta växelspaken för att se hur kraften överförs genom växellådan.
I första växeln drivs det mindre solhjulet medurs av turbinen i momentomvandlaren. Planetbäraren försöker snurra moturs, men hålls stilla av envägskopplingen (som endast tillåter rotation i medurs riktning) och ringkugghjulet vrider utmatningen. Den lilla växeln har 30 kuggar och ringen har 72, så utväxlingen är:
Förhållande =-R/S =- 72/30 =-2,4:1
Så rotationen är negativ 2,4:1, vilket betyder att utmatningsriktningen skulle vara motsatt inmatningsriktningen. Men utmatningsriktningen är egentligen den samma som inmatningsriktning -- det är här tricket med de två uppsättningarna planeter kommer in. Den första uppsättningen planeter kopplar in den andra uppsättningen, och den andra uppsättningen vrider ringväxeln; denna kombination vänder riktningen. Du kan se att detta också skulle få den större solutrustningen att snurra; men eftersom den kopplingen släpps, är det större solhjulet fritt att snurra i motsatt riktning mot turbinen (moturs).
Flytta växelspaken för att se hur kraften överförs genom växellådan.
Denna växellåda gör något riktigt snyggt för att få det utväxling som behövs för andra växeln. Den fungerar som två planetväxlar kopplade till varandra med en gemensam planetbärare.
Det första steget av planetbäraren använder faktiskt det större solhjulet som ringväxel. Så det första steget består av solen (det mindre solhjulet), planetbäraren och ringen (det större solhjulet).
Ingången är det lilla solhjulet; ringdrevet (stort solhjul) hålls stationärt av bandet, och utgången är planetbäraren. För detta skede, med solen som ingång, planetbärare som utgång och ringhjulet fixerat, är formeln:
1 + R/S =1 + 36/30 =2,2:1
Planetbäraren vänder sig 2,2 gånger för varje rotation av det lilla solhjulet. I det andra steget fungerar planethållaren som ingång för den andra planetväxeln, det större solhjulet (som hålls stillastående) fungerar som solen, och ringhjulet fungerar som utgång, så utväxlingsförhållandet är:
1 / (1 + S/R) =1 / (1 + 36/72) =0,67:1
För att få den totala reduktionen för andra växeln multiplicerar vi det första steget med det andra, 2,2 x 0,67, för att få en 1,47:1-reduktion. Det här kan låta knepigt, men om du tittar på videon får du en uppfattning om hur det fungerar.
Flytta växelspaken för att se hur kraften överförs genom växellådan.
De flesta automatiska växellådor har förhållandet 1:1 på tredje växeln. Du kommer ihåg från föregående avsnitt att allt vi behöver göra för att få en 1:1-utgång är att låsa ihop två av de tre delarna av planetväxeln. Med arrangemanget i denna växelsats är det ännu enklare – allt vi behöver göra är att koppla in kopplingarna som låser vart och ett av solhjulen till turbinen.
Om båda solhjulen vrider sig åt samma håll låser planethjulen sig eftersom de bara kan snurra i motsatta riktningar. Detta låser ringkugghjulet till planeterna och får allt att snurra som en enhet, vilket ger ett förhållande på 1:1.
Flytta växelspaken för att se hur kraften överförs genom växellådan.
Per definition har en överväxel en högre utgångshastighet än ingångshastighet. Det är en hastighetsökning - motsatsen till en sänkning. I den här växellådan uppnår man två saker på en gång att koppla in överväxeln. Om du läste Hur vridmomentomvandlare fungerar, lärde du dig om lockup-momentomvandlare. För att förbättra effektiviteten har vissa bilar en mekanism som låser momentomvandlaren så att motorns effekt går direkt till transmissionen.
I denna transmission, när överväxeln är inkopplad, är en axel som är fäst vid vridmomentomvandlarens hölje (som är bultad till motorns svänghjul) ansluten med kopplingen till planetbäraren. Det lilla solhjulet går fri, och det större solhjulet hålls av överväxelbandet. Ingenting är kopplat till turbinen; den enda ingången kommer från omvandlarhuset. Låt oss gå tillbaka till vårt diagram igen, den här gången med planetbäraren för inmatning, solhjulet fixerat och ringhjulet för utmatning.
Förhållande =1 / (1 + S/R) =1 / ( 1 + 36/72) =0,67:1
Så uteffekten snurrar en gång för var två tredjedelar av ett varv av motorn. Om motorn går med 2000 varv per minut (RPM), är utgående hastighet 3000 RPM. Detta gör att bilar kan köra i motorvägshastighet medan motorvarvtalet förblir trevligt och långsamt.
Flytta växelspaken för att se hur kraften överförs genom växellådan.
Backen är väldigt lik första växeln, förutom att istället för att det lilla solhjulet drivs av momentomvandlarturbinen, så drivs det större solhjulet och det lilla frihjul i motsatt riktning. Planetbäraren hålls av det omvända bandet till huset. Så, enligt våra ekvationer från sista sidan, har vi:
Så utväxlingen i backen är lite mindre än första växeln i den här växellådan.
Denna transmission har fyra växlar framåt och en backväxel. Låt oss sammanfatta utväxlingarna, ingångarna och utgångarna:
Efter att ha läst dessa avsnitt undrar du förmodligen hur de olika ingångarna kopplas in och ur. Detta görs av en serie kopplingar och band inuti transmissionen. I nästa avsnitt ska vi se hur dessa fungerar.
I det sista avsnittet diskuterade vi hur var och en av utväxlingsförhållandena skapas av transmissionen. När vi till exempel diskuterade överväxling sa vi:
I den här transmissionen, när överväxeln är inkopplad, är en axel som är fäst vid vridmomentomvandlarens hölje (som är bultad till motorns svänghjul) ansluten med kopplingen till planethållaren. Det lilla solhjulet går fri, och det större solhjulet hålls av överväxelbandet. Ingenting är kopplat till turbinen; den enda ingången kommer från omvandlarhuset.
För att få växellådan i överväxel måste massor av saker kopplas in och ur med kopplingar och band. Planethållaren ansluts till momentomvandlarhuset med en koppling. Den lilla solen kopplas bort från turbinen med en koppling så att den kan gå fri. Det stora solhjulet hålls fast i huset av ett band så att det inte kan rotera. Varje växling utlöser en serie händelser som dessa, med olika kopplingar och band som kopplas in och ur. Låt oss ta en titt på ett band.
I denna överföring finns två band. Banden i en transmission är bokstavligen stålband som lindar runt delar av växellådan och ansluter till huset. De manövreras av hydraulcylindrar inuti transmissionens hölje.
I figuren ovan kan du se ett av banden i transmissionens hölje. Växeln tas bort. Metallstången är ansluten till kolven, som aktiverar bandet.
Ovan kan du se de två kolvarna som aktiverar banden. Hydrauliskt tryck, som leds in i cylindern av en uppsättning ventiler, gör att kolvarna trycker på banden och låser den delen av växellådan till huset.
Kopplingarna i transmissionen är lite mer komplexa. I denna transmission finns fyra kopplingar. Varje koppling aktiveras av trycksatt hydraulvätska som kommer in i en kolv inuti kopplingen. Fjädrar ser till att kopplingen släpper när trycket minskar. Nedan ser du kolven och kopplingstrumman. Lägg märke till gummitätningen på kolven -- detta är en av komponenterna som byts ut när din transmission byggs om.
Nästa figur visar de omväxlande lagren av kopplingsfriktionsmaterial och stålplåtar. Friktionsmaterialet är splines på insidan, där det låser till ett av kugghjulen. Stålplattan är splines på utsidan, där den låser till kopplingshuset. Dessa kopplingsplattor byts även ut när transmissionen byggs om.
Trycket för kopplingarna matas genom passager i axlarna. Hydraulsystemet styr vilka kopplingar och band som aktiveras vid varje givet tillfälle.
Det kan verka som en enkel sak att låsa växellådan och hindra den från att snurra, men det finns faktiskt några komplexa krav för denna mekanism. Först måste du kunna koppla ur den när bilen står i en backe (bilens vikt vilar på mekanismen). För det andra måste du kunna koppla in mekanismen även om spaken inte är i linje med växeln. För det tredje, när den väl är inkopplad måste något hindra spaken från att dyka upp och lossa.
Mekanismen som gör allt detta är ganska snygg. Låt oss först titta på några av delarna.
Parkeringsbromsmekanismen kopplar in tänderna på utgången för att hålla bilen stilla. Det här är den del av transmissionen som ansluter till drivaxeln -- så om den här delen inte kan snurra kan bilen inte röra sig.
Ovan ser du parkeringsmekanismen som sticker ut i huset där kugghjulen sitter. Lägg märke till att den har avsmalnande sidor. Detta hjälper till att koppla ur parkeringsbromsen när du är parkerad på en kulle -- kraften från bilens vikt hjälper till att trycka parkeringsmekanismen ur sin plats på grund av konans vinkel.
Denna stav är ansluten till en kabel som manövreras av växelspaken i din bil.
När växelspaken är placerad i parken trycker stången fjädern mot den lilla koniska bussningen. Om parkeringsmekanismen är uppradad så att den kan falla ner i ett av skårorna i utgående kugghjulssektion, kommer den avsmalnande bussningen att trycka ner mekanismen. Om mekanismen är uppradad på en av de höga punkterna på utgången, kommer fjädern att trycka på den avsmalnande bussningen, men spaken låser inte på plats förrän bilen rullar lite och tänderna är i linje med varandra. Det är därför din bil ibland rör sig lite efter att du har ställt den i parken och släppt bromspedalen -- den måste rulla lite för att tänderna ska passa in där parkeringsmekanismen kan falla på plats.
När bilen väl är i parken håller bussningen ner spaken så att bilen inte hoppar ut ur parken om den står på en kulle.
Automatväxellådan i din bil måste utföra många uppgifter. Du kanske inte inser hur många olika sätt det fungerar. Här är till exempel några av funktionerna i en automatisk växellåda:
Du har säkert sett något som ser ut så här förut. Det är verkligen hjärnan i den automatiska växellådan, som hanterar alla dessa funktioner och mer. Genom passagerna kan du se leder vätska till alla olika komponenter i transmissionen. Passager gjutna i metallen är ett effektivt sätt att leda vätska; utan dem skulle det behövas många slangar för att koppla ihop transmissionens olika delar. Först kommer vi att diskutera nyckelkomponenterna i det hydrauliska systemet; sedan får vi se hur de fungerar tillsammans.
Automatiska växellådor har en snygg pump, som kallas en växelpump . Pumpen är vanligtvis placerad i kåpan på transmissionen. Den drar vätska från en sump i botten av transmissionen och matar den till hydraulsystemet. Den matar även transmissionskylaren och momentomvandlaren.
Pumpens inre växel hakar fast i vridmomentomvandlarens hölje, så den snurrar med samma hastighet som motorn. Den yttre växeln vrids av den inre växeln, och när kugghjulen roterar sugs vätska upp från sumpen på ena sidan av halvmånen och tvingas ut i hydraulsystemet på andra sidan.
guvernören är en smart ventil som talar om för transmissionen hur snabbt bilen går. Den är ansluten till utgången, så ju snabbare bilen rör sig desto snabbare snurrar regulatorn. Inuti regulatorn finns en fjäderbelastad ventil som öppnar i proportion till hur snabbt regulatorn snurrar -- ju snabbare regulatorn snurrar, desto mer öppnar ventilen. Vätska från pumpen matas till regulatorn genom utgående axel.
Ju snabbare bilen går, desto mer öppnar regulatorventilen och desto högre tryck på vätskan släpper den igenom.
För att växla ordentligt måste automatväxellådan veta hur hårt motorn arbetar. Det finns två olika sätt att göra detta på. Vissa bilar har en enkel kabelkoppling ansluten till en gasventil i sändningen. Ju längre gaspedalen trycks ned, desto mer tryck läggs på gasspjället. Andra bilar använder en vakuummodulator för att applicera tryck på gasspjällsventilen. Modulatorn känner av grenrörstrycket, som ökar när motorn belastas mer.
Den manuella ventilen är vad växelspaken ansluter till. Beroende på vilken växel som väljs matar den manuella ventilen hydraulkretsar som spärrar vissa växlar. Till exempel, om växelspaken är i tredje växeln, matar den en krets som förhindrar att överväxeln kopplas in.
Växlingsventiler leverera hydraultryck till kopplingarna och banden för att koppla in varje växel. Växellådans ventilkropp innehåller flera växlingsventiler. Växlingsventilen bestämmer när man ska växla från en växel till nästa. Till exempel bestämmer 1 till 2-växlingsventilen när man ska växla från första till andra växeln. Växlingsventilen är trycksatt med vätska från regulatorn på ena sidan och gasspjällsventilen på den andra. De försörjs med vätska av pumpen, och de leder den vätskan till en av två kretsar för att kontrollera vilken växel bilen kör i.
Växlingsventilen fördröjer en växling om bilen accelererar snabbt. Om bilen accelererar sakta kommer växlingen att ske med lägre hastighet. Låt oss diskutera vad som händer när bilen accelererar sakta.
När bilens hastighet ökar ökar trycket från guvernören. Detta tvingar över växlingsventilen tills den första växelkretsen är stängd och den andra växelkretsen öppnar. Eftersom bilen accelererar med lätt gas, trycker inte gasspjället särskilt mycket mot växlingsventilen.
När bilen accelererar snabbt lägger gasspjällsventilen mer tryck mot växlingsventilen. Detta innebär att trycket från regulatorn måste vara högre (och därför måste fordonshastigheten vara högre) innan växlingsventilen rör sig tillräckligt långt för att lägga i andra växeln.
Varje växlingsventil reagerar på ett speciellt tryckområde; så när bilen går snabbare kommer 2-till-3-växlingsventilen att ta över, eftersom trycket från regulatorn är tillräckligt högt för att utlösa den ventilen.
Elektroniskt styrda transmissioner, som visas på vissa nyare bilar, använder fortfarande hydraulik för att aktivera kopplingarna och banden, men varje hydraulkrets styrs av en elektrisk solenoid. Detta förenklar rördragningen på transmissionen och möjliggör mer avancerade kontrollscheman.
I det sista avsnittet såg vi några av de styrstrategier som mekaniskt styrda transmissioner använder. Elektroniskt styrda transmissioner har ännu mer utarbetade kontrollscheman. Förutom att övervaka fordonets hastighet och gaspådrag kan transmissionskontrollen övervaka motorvarvtalet, om bromspedalen trycks ned, och till och med det låsningsfria bromssystemet.
Genom att använda denna information och en avancerad styrstrategi baserad på suddig logik -- en metod för att programmera styrsystem som använder mänskliga resonemang -- kan elektroniskt styrda överföringar göra saker som:
Låt oss prata om den sista funktionen - att förhindra uppväxlingen när du går in i en sväng på en slingrande väg. Låt oss säga att du kör på en uppförsbacke, slingrande bergsväg. När du kör på de raka delarna av vägen växlar växellådan till andra växeln för att ge dig tillräckligt med acceleration och uppförsbacke. När du kommer till en kurva saktar du ner, tar av foten från gaspedalen och ansätter eventuellt bromsen. De flesta transmissioner växlar upp till tredje växeln, eller till och med överväxel, när du tar bort foten från gasen. När du sedan accelererar ut ur kurvan kommer de att växla ner igen. Men om du körde en bil med manuell växellåda skulle du förmodligen lämna bilen i samma växel hela tiden. Vissa automatiska växellådor med avancerade styrsystem kan upptäcka denna situation efter att du har gått runt ett par av kurvorna och "lär dig" att inte växla upp igen.
För mer information om automatiska växellådor och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.
Ursprungligen publicerad:29 november 2000
