◆文/北京　薛慶文

聊聊汽車自動變速器保養(yǎng)那些事(二)—自動變速器保養(yǎng)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(shù)服務(wù)有限公司培訓(xùn)講師、北京清華大學(xué)國家骨干教師培訓(xùn)基地專家講師、北京理工大學(xué)客座教授、全國汽車維修專項(xiàng)技能認(rèn)證技術(shù)支持中心培訓(xùn)講師及命題專家、國家質(zhì)檢總局汽車產(chǎn)品缺陷管理中心特聘專家、中國汽車維修技術(shù)總監(jiān)俱樂部發(fā)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(yǎng)護(hù)大賽總策劃兼總裁判長。

(接2016年第4期)

二、自動變速器保養(yǎng)的原因

1.自動變速器液壓循環(huán)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(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)又稱為“液壓冷卻循環(huán)系統(tǒng)”。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(huán)系統(tǒng)的工作原理及作用，包括液壓循環(huán)的目的以及液壓循環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)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(huán)實(shí)現(xiàn)多種功能，從而實(shí)現(xiàn)變速器的整個液壓系統(tǒng)的工作過程(圖5)。首先變速器油底殼內(nèi)必須存儲足夠量的ATF，啟動發(fā)動機(jī)后變速器油泵開始工作，油泵把油底殼內(nèi)的ATF通過濾清器的過濾后抽上來，經(jīng)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(diào)整好的各種油壓再向其他系統(tǒng)或液壓元件輸送，其中系統(tǒng)主油壓(變速器內(nèi)最高油壓)用來實(shí)現(xiàn)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(jī)構(gòu)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(huán)系統(tǒng)流程圖

而由液壓控制單元內(nèi)的變扭器油壓調(diào)節(jié)閥(次級油壓調(diào)節(jié)閥或輔助壓力調(diào)節(jié)閥)調(diào)節(jié)出來的變扭器所需的工作油壓(僅次于系統(tǒng)主油壓)，直接輸送至變扭器內(nèi)，變扭器借助發(fā)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)部油液便產(chǎn)生動態(tài)離心力，這樣變扭器就會把發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的動力利用液壓或機(jī)械(TCC閉鎖離合器)的方式傳遞至變速器內(nèi)。

發(fā)動機(jī)作為動力源，變扭器作為橋梁把發(fā)動機(jī)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(fā)生了一定的能耗，也就是功率損失過程，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)輸出的是機(jī)械能，在變扭器內(nèi)轉(zhuǎn)換成液壓能，在變速器內(nèi)又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。從機(jī)械能到液壓能之間的轉(zhuǎn)換不存在能耗損失問題，但由液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)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(tài)的ATF必須到冷卻控制系統(tǒng)進(jìn)行熱交換過程。目前這條液壓循環(huán)管路有相應(yīng)的管理功能，即溫度不高時可以不到冷卻系統(tǒng)進(jìn)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(huán)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(nèi)，包括機(jī)械部件的ATF油路。

因此，結(jié)合以上分析我們總結(jié)出自動變速器液壓循環(huán)系統(tǒng)的作用如下：①油液借助油壓作用的循環(huán)可使所有的機(jī)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(tài)；④有助于密封件的潤滑和減少磨損；⑤良好的液壓循環(huán)系統(tǒng)可減少機(jī)械元件的冷磨損和熱磨損；⑥液壓循環(huán)系統(tǒng)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(jīng)濟(jì)性并減少車輛排放等。

隨著變速器使用時間及使用狀態(tài)的變化，自動變速器液壓循環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)也會隨之發(fā)生變化，特別是在冷循環(huán)和熱循環(huán)狀態(tài)下容易對變速器介質(zhì)(ATF)和其他部件帶來傷害。因?yàn)檫_(dá)到一定時期后變速器的熱循環(huán)逐漸形成惡性循環(huán)，最終進(jìn)入“死亡循環(huán)”(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(huán)圖”

2.液力電控自動變速器液壓循環(huán)原理

自動變速器要比手動變速器壽命短，因?yàn)樗械淖詣幼兯倨鞫即嬖谝簤合到y(tǒng)的“死亡循環(huán)”，而且這個循環(huán)是從新車開動那一時刻就開始了，一直到變速器的壽命結(jié)束。如何來延緩自動變速器“死亡循環(huán)”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(zhì)的ATF會帶來液壓系統(tǒng)壓力的異常，導(dǎo)致元件異常磨損；二是更換濾清器，帶走一部分機(jī)械部件磨損下來的比較粗的顆粒，凈化ATF狀態(tài)。為了更進(jìn)一步說明自動變速器液壓循環(huán)系統(tǒng)的重要性，我們對冷熱循環(huán)系統(tǒng)加以細(xì)致說明，并且把此循環(huán)系統(tǒng)稱之為“自動變速器生命周期循環(huán)圖”(圖7)，從而分析一個正常自動變速器如何從“冷循環(huán)”到“熱循環(huán)”至“惡性循環(huán)”再到“死亡循環(huán)”的過程。

大多數(shù)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(nèi)的雜質(zhì)。發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后帶動自動變速器油泵一起旋轉(zhuǎn)，油泵會把油底殼內(nèi)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(zhì)過濾的作用，還要實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)回收，因此我們把油底殼內(nèi)的ATF和濾清器稱之為“以油泵為核心的上游控制”。油泵負(fù)責(zé)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(diào)節(jié)閥處，以便形成變速器的系統(tǒng)油壓。閥體相當(dāng)于自動變速器液壓系統(tǒng)的油壓分配及系統(tǒng)管理中心，它把調(diào)節(jié)好的變扭器工作油壓輸送至液力變扭器內(nèi)。變扭器的任務(wù)是完成發(fā)動機(jī)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(tǒng)進(jìn)行熱交換，因此無論是集成式冷卻器還是獨(dú)立式冷卻器，它的功能就是確保流量和熱交換，經(jīng)過熱交換后的ATF又回到變速器需要潤滑的機(jī)械部件上(特別是行星齒輪機(jī)構(gòu))，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(shí)現(xiàn)各擋工作。齒輪潤滑后的油液自然又回到油底殼內(nèi)，這樣便完成一次整體循環(huán)過程。

圖7　自動變速器生命周期循環(huán)圖

變速器長時間不保養(yǎng)會對哪些系統(tǒng)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(huán)中首先影響的是機(jī)械元件。當(dāng)潤滑條件變差時機(jī)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(xì)微的顆粒會隨著油液的循環(huán)進(jìn)入到變速器的核心部位，即變速器的閥體內(nèi)。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(zhì)量。油泵抽油能力下降，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)功能失調(diào)，這樣變扭器本身的能耗損失也越來越大，變速器溫度持續(xù)升高。當(dāng)冷卻器內(nèi)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(jī)構(gòu)因得不到良好的潤滑而加劇磨損，磨損下來的更多顆粒進(jìn)入濾清器，造成嚴(yán)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(jìn)入“死亡循環(huán)”。另外，在濾清器未完全堵塞之前，如果有細(xì)微的顆粒進(jìn)入液壓控制單元(閥體)后會導(dǎo)致閥門的卡滯或磨損，包括電磁閥的卡滯或磨損，因此導(dǎo)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(dāng)中變扭器是最主要的熱源體，特別是在液力傳遞中產(chǎn)生大量的熱能。從變扭器結(jié)構(gòu)與工作原理方面(圖8)我們了解到：變扭器的泵輪由發(fā)動機(jī)帶轉(zhuǎn)，油泵輪上面的葉片帶動ATF產(chǎn)生動態(tài)液體離心力(機(jī)械能到液壓能的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)(液壓能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換)，當(dāng)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(zhuǎn)速差，這部分轉(zhuǎn)速差是液體帶來的能耗損失，而且轉(zhuǎn)速差越大能耗損失也會越大，因此產(chǎn)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(tǒng)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(dāng)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(yàn)證明摩擦片摩擦?xí)r瞬間帶來的熱高達(dá)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(dǎo)致變速器進(jìn)入高溫狀態(tài)。

圖9　自動變速器結(jié)構(gòu)圖(AT)

關(guān)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(jī)構(gòu)的潤滑，其實(shí)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(zhuǎn)、移動或摩擦的元件都需要良好的潤滑過程。

3.電控?zé)o級變速器液壓循環(huán)原理

目前國內(nèi)轎車搭載的電控?zé)o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(nèi)很多小排量車型都在使用的變速器。無論是鋼鏈?zhǔn)絺鲃舆€是鋼帶式傳動，它們與發(fā)動機(jī)進(jìn)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(xiàn)(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(xiàn)(奧迪、本田飛度等)。帶有液力變扭器的液壓循環(huán)原理與前面我們所描述的AT液壓循環(huán)原理幾乎相同，因此我們以奧迪01J／01T型鋼鏈?zhǔn)綗o級變速器(CVT)未帶液力變扭器的液壓循環(huán)為例進(jìn)行講解。

奧迪CVT變速器的液壓冷卻循環(huán)(圖10)像AT變速器那樣從變速器到冷卻系統(tǒng)之間有兩個管路：即來自變速器內(nèi)來油管路及從冷卻器回到變速器內(nèi)的回油管路。整個循環(huán)管路設(shè)計(jì)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(jìn)入變速器內(nèi)部。但是這個外部壓力濾清器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很特別，除了過濾網(wǎng)之外還有一個DDV2差壓閥。該閥的作用是：當(dāng)濾清器內(nèi)的過濾網(wǎng)嚴(yán)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(nèi)部，免得濾網(wǎng)嚴(yán)重堵塞后回油過程被終止，而影響這個液壓循環(huán)管路的正常工作狀態(tài)，同時也會影響到變速器內(nèi)潤滑過程。

圖10　奧迪CVT變速器冷卻循環(huán)

當(dāng)然變速器內(nèi)部也會有一個內(nèi)置濾清器，考慮到變速器日常養(yǎng)護(hù)的便捷性，正常保養(yǎng)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(jìn)行保養(yǎng)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(yīng)匹配控制。