聊聊汽車自動變速器保養那些事(二)—自動變速器保養的原因

◆文/北京　薛慶文

聊聊汽車自動變速器保養那些事(二)—自動變速器保養的原因

◆文/北京薛慶文

薛慶文

(本刊編委會委員)

北京陸兵汽車技術服務有限公司培訓講師、北京清華大學國家骨干教師培訓基地專家講師、北京理工大學客座教授、全國汽車維修專項技能認證技術支持中心培訓講師及命題專家、國家質檢總局汽車產品缺陷管理中心特聘專家、中國汽車維修技術總監俱樂部發起人、北京天元陸兵汽車科技有限公司總工程師、馬來西亞汽車公會特聘講師、2016年汽車自動變速箱智能養護大賽總策劃兼總裁判長。

(接2016年第4期)

二、自動變速器保養的原因

1.自動變速器液壓循環原理

任意一款帶有液壓控制功能并帶有濕式摩擦元件的自動變速器(AT、CVT、DCT、順序換擋變速器、混動變速器)都具有液壓循環系統，該系統又稱為“液壓冷卻循環系統”。如果單純從冷卻方面來理解則過于狹隘，我們必須了解自動變速器液壓循環系統的工作原理及作用，包括液壓循環的目的以及液壓循環系統狀態的變化對變速器的影響。

一個帶有液力傳動控制功能的自動變速器借助油液循環實現多種功能，從而實現變速器的整個液壓系統的工作過程(圖5)。首先變速器油底殼內必須存儲足夠量的ATF，啟動發動機后變速器油泵開始工作，油泵把油底殼內的ATF通過濾清器的過濾后抽上來，經過其做功并形成油泵油壓輸送至液壓控制單元(閥體俗稱“油路板”)，由液壓控制單元調整好的各種油壓再向其他系統或液壓元件輸送，其中系統主油壓(變速器內最高油壓)用來實現各擋位的切換，也就是終端元件(離合器和制動器)所需要的油壓，終端元件借助摩擦扭矩(油壓的作用下)通過有效管理行星齒輪機構并生成變速器的各擋(倒擋、減速擋、直接擋、超速擋以及P/N擋)。

圖5　自動變速器液壓循環系統流程圖

而由液壓控制單元內的變扭器油壓調節閥(次級油壓調節閥或輔助壓力調節閥)調節出來的變扭器所需的工作油壓(僅次于系統主油壓)，直接輸送至變扭器內，變扭器借助發動機的旋轉，其內部油液便產生動態離心力，這樣變扭器就會把發動機所產生的動力利用液壓或機械(TCC閉鎖離合器)的方式傳遞至變速器內。

發動機作為動力源，變扭器作為橋梁把發動機和自動變速器連接起來，從而在動力擋位下讓車輛行駛。值得說明的是這一工作過程發生了一定的能耗，也就是功率損失過程，因為發動機輸出的是機械能，在變扭器內轉換成液壓能，在變速器內又轉換成機械能。從機械能到液壓能之間的轉換不存在能耗損失問題，但由液壓能轉換為機械能時便有能耗的損失，能耗的損失不僅是車輛油耗的損失，更重要的是它形成了大量的熱能，因此變扭器做功后，輸出端高溫狀態的ATF必須到冷卻控制系統進行熱交換過程。目前這條液壓循環管路有相應的管理功能，即溫度不高時可以不到冷卻系統進行熱交換，只有溫度高的時候才需要熱交換過程，因此這僅是一條循環管路，而其他諸如離合器或制動器工作后的油液會直接回到變速器油底殼內，包括機械部件的ATF油路。

因此，結合以上分析我們總結出自動變速器液壓循環系統的作用如下：①油液借助油壓作用的循環可使所有的機械部件得到良好的潤滑過程；②可以通過熱交換過程冷卻油液和高溫部件；③通過過濾裝置凈化油液狀態；④有助于密封件的潤滑和減少磨損；⑤良好的液壓循環系統可減少機械元件的冷磨損和熱磨損；⑥液壓循環系統的正常工作過程可延長變速器各部件的使用壽命；⑦借助智能管理功能可提高燃油經濟性并減少車輛排放等。

隨著變速器使用時間及使用狀態的變化，自動變速器液壓循環系統的狀態也會隨之發生變化，特別是在冷循環和熱循環狀態下容易對變速器介質(ATF)和其他部件帶來傷害。因為達到一定時期后變速器的熱循環逐漸形成惡性循環，最終進入“死亡循環”(圖6)，車輛徹底不能行駛，變速器損壞。

圖6　自動變速器“死亡循環圖”

2.液力電控自動變速器液壓循環原理

自動變速器要比手動變速器壽命短，因為所有的自動變速器都存在液壓系統的“死亡循環”，而且這個循環是從新車開動那一時刻就開始了，一直到變速器的壽命結束。如何來延緩自動變速器“死亡循環”的時間呢？在正常使用情況下我們一般的做法是及時更換ATF，一是因長時間高溫下變質的ATF會帶來液壓系統壓力的異常，導致元件異常磨損；二是更換濾清器，帶走一部分機械部件磨損下來的比較粗的顆粒，凈化ATF狀態。為了更進一步說明自動變速器液壓循環系統的重要性，我們對冷熱循環系統加以細致說明，并且把此循環系統稱之為“自動變速器生命周期循環圖”(圖7)，從而分析一個正常自動變速器如何從“冷循環”到“熱循環”至“惡性循環”再到“死亡循環”的過程。

大多數自動變速器都會有一個下置式油底殼，它主要用來存儲適量的ATF以及收集一些變速器內的雜質。發動機運轉后帶動自動變速器油泵一起旋轉，油泵會把油底殼內的ATF通過濾清器的過濾，抽上來并壓出去，這一過程中濾清器不僅起到油質過濾的作用，還要實現雜質回收，因此我們把油底殼內的ATF和濾清器稱之為“以油泵為核心的上游控制”。油泵負責抽油并建立油泵油壓的工作，油泵壓出去的液壓油流向變速器的“心臟”—閥體(油路板)的主油壓調節閥處，以便形成變速器的系統油壓。閥體相當于自動變速器液壓系統的油壓分配及系統管理中心，它把調節好的變扭器工作油壓輸送至液力變扭器內。變扭器的任務是完成發動機的動力傳遞過程，但它又是一個熱源體，做功后的熱油必須去冷卻系統進行熱交換，因此無論是集成式冷卻器還是獨立式冷卻器，它的功能就是確保流量和熱交換，經過熱交換后的ATF又回到變速器需要潤滑的機械部件上(特別是行星齒輪機構)，由于其屬于常嚙合齒輪組，時刻需要良好的潤滑，否則變速器將無法實現各擋工作。齒輪潤滑后的油液自然又回到油底殼內，這樣便完成一次整體循環過程。

圖7　自動變速器生命周期循環圖

變速器長時間不保養會對哪些系統或者哪些部件帶來損傷？自動變速器長時間高溫后ATF的整體性能就會隨之下降，性能變差的ATF在液壓循環中首先影響的是機械元件。當潤滑條件變差時機械元件自然會形成磨損，磨損下來的顆粒一部分被濾清器和冷卻器所收集，一部分細微的顆粒會隨著油液的循環進入到變速器的核心部位，即變速器的閥體內。濾清器收集的顆粒越多，其過濾能力就會越來越低，從而影響油泵的抽油能力和油泵本身的潤滑質量。油泵抽油能力下降，導致液壓系統的壓力調節功能失調，這樣變扭器本身的能耗損失也越來越大，變速器溫度持續升高。當冷卻器內的顆粒越來越多時變速器的熱交換能力以及潤滑流量會受到影響，這樣變速器溫度會越來越高，同時行星齒輪機構因得不到良好的潤滑而加劇磨損，磨損下來的更多顆粒進入濾清器，造成嚴重堵塞情況，此時油泵難以正常工作，變速器因無油壓而停止動力傳遞過程，變速器最終進入“死亡循環”。另外，在濾清器未完全堵塞之前，如果有細微的顆粒進入液壓控制單元(閥體)后會導致閥門的卡滯或磨損，包括電磁閥的卡滯或磨損，因此導致變速器提前損壞。接下來我們分別就AT、CVT和DCT三款變速器的熱源及潤滑條件加以分類說明。

AT變速器無論是行星齒輪式還是本田平行軸斜齒輪式，它們均存在一個液力傳遞過程，即都帶有液力變扭器的變速器。因此AT變速器在工作過程當中變扭器是最主要的熱源體，特別是在液力傳遞中產生大量的熱能。從變扭器結構與工作原理方面(圖8)我們了解到：變扭器的泵輪由發動機帶轉，油泵輪上面的葉片帶動ATF產生動態液體離心力(機械能到液壓能的轉換)，由泵輪葉片的外部邊緣將帶有離心壓力的ATF甩向與泵輪對置的渦輪上，渦輪在ATF離心力的作用下開始旋轉(液壓能到機械能的轉換)，當變速器掛入動力擋后由于渦輪與變速器輸入軸剛性連接，因此動力流生成車輛可以行駛。在此過程中由于泵輪與渦輪之間存在一定的轉速差，這部分轉速差是液體帶來的能耗損失，而且轉速差越大能耗損失也會越大，因此產生的熱能就會越多，所以變扭器是AT最主要的熱源，這也是變扭器的輸出端與冷卻系統建立連接的原因。

圖8　變扭器工作原理圖

除了變扭器生熱之外，在AT變速器當中還有終端元件(離合器和制動器)工作過程中摩擦帶來的熱(圖9)，試驗證明摩擦片摩擦時瞬間帶來的熱高達200～300℃，因此如果離合器或制動器工作中存在打滑或滑膜時間過長會導致變速器進入高溫狀態。

圖9　自動變速器結構圖(AT)

關于AT變速器的潤滑條件或潤滑要求，前面我們講述了行星齒輪機構的潤滑，其實所有需要潤滑的部件都叫潤滑部件，比如軸與軸套之間、閥門與閥孔之間、摩擦片與鋼片之間、軸承與墊片之間等，因此涉及到旋轉、移動或摩擦的元件都需要良好的潤滑過程。

3.電控無級變速器液壓循環原理

目前國內轎車搭載的電控無級變速器大概有兩種：一種是以鋼鏈傳動，如斯巴魯和奧迪所用的變速器；另一種是以鋼帶傳動，如尼桑全系、本田、豐田及國內很多小排量車型都在使用的變速器。無論是鋼鏈式傳動還是鋼帶式傳動，它們與發動機進行動力連接所采取的方式有兩種：一是像AT那樣利用液力變扭器作為動力傳遞裝置出現(尼桑、豐田等)；二是利用兩組或三組濕式摩擦元件作為動力傳遞裝置出現(奧迪、本田飛度等)。帶有液力變扭器的液壓循環原理與前面我們所描述的AT液壓循環原理幾乎相同，因此我們以奧迪01J／01T型鋼鏈式無級變速器(CVT)未帶液力變扭器的液壓循環為例進行講解。

奧迪CVT變速器的液壓冷卻循環(圖10)像AT變速器那樣從變速器到冷卻系統之間有兩個管路：即來自變速器內來油管路及從冷卻器回到變速器內的回油管路。整個循環管路設計中的回油管路增加使用一個外部壓力濾清器，防止一些油液中的顆粒進入變速器內部。但是這個外部壓力濾清器的內部結構設計很特別，除了過濾網之外還有一個DDV2差壓閥。該閥的作用是：當濾清器內的過濾網嚴重堵塞時，該閥門打開，從冷卻器回來的油液仍然通過閥門回到變速器內部，免得濾網嚴重堵塞后回油過程被終止，而影響這個液壓循環管路的正常工作狀態，同時也會影響到變速器內潤滑過程。

圖10　奧迪CVT變速器冷卻循環

當然變速器內部也會有一個內置濾清器，考慮到變速器日常養護的便捷性，正常保養換油時只須更換外部壓力濾清器。因此如果變速器長時間不進行保養換油，ATF性能會下降，更多的變速器顆粒容易將外部壓力濾清器堵塞，堵塞后不僅會影響到變速器油液的熱交換情況，同時還會影響到變速器的正常潤滑及離合器自適應匹配控制。