[科普]AT自動變速箱原理

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之前小星先後介紹了手動MT、雙離合DCT和連續可變CVT變速箱的技術原理。今天小星來聊聊AT自動變速箱的工作原理吧。

這邊先講一個小故事。雖然手動變速箱的結構與雙離合DCT變速箱最接近。但是第一款能夠自動換擋、不需要離合踏板的變速箱則是AT自動變速箱。這也是這個名詞的由來。

↑Hydra-Matic自動變速箱應用在凱迪拉克的車型中（來自通用汽車）

雖然早在1908年福特T型車就引入了兩擋自動變速箱，但AT自動變速箱的真正商用來自通用汽車為二戰坦克M24研發的Hydra-Matic自動變速箱。該變速箱在戰後1947年被成功應用在凱迪拉克的車型中。能夠自動換擋不用踩離合成為高端車型的一大賣點。Hydra-Matic自動變速箱也奠定了現代AT自動變速箱的雛形。

↑1947年通用集團Hydra-Matic自動變速箱（來自通用汽車）

AT自動變速箱包含兩大特徵部件

1. 液力耦合器

2. 行星齒輪組

液力耦合器

↑液力耦合器結構示意圖（來自大眾自學教材SSP）

AT自動變速箱能夠取代人完成換擋和踩離合的過程可以說最大的功臣就是液力耦合器。它就像兩個相對的電風扇。一側通電旋轉後，氣流會帶動另一側跟著旋轉。這種允許轉速差的動力傳遞方式完美解決了換擋後如何進行轉速同步的問題。在早期電控技術不成熟的條件下，液力耦合器幫助AT自動變速箱成功繞開了最大的技術難點。同時還引入了AT自動變速箱新的優勢。那就是轉速差越大扭矩越大。使AT自動變速箱在車輛起步時可提供非常大的起步扭矩。

液力耦合器視頻

https://www.zhihu.com/video/1012226296348323840

行星齒輪組

↑行星齒輪組拆解照片（來自大眾自學教材SSP）

之前小星介紹的手動變速箱和雙離合DCT變速箱都使用平行多軸組成的齒輪組。不同擋位的選擇通過犬牙離合器Dog-Clutch完成。而AT自動變速箱的推出為了避免使用犬牙離合器這種對電控精度要求較高的執行器，創新的引入了行星齒輪組。行星齒輪組最大的特點就是輸入軸和輸出軸都是同軸的。相應的採用對電控要求較低的多片離合器作為執行器。

↑行星齒輪組結構示意圖，左普通型，右雙小齒輪型（來自大眾自學教材SSP）

行星齒輪組就像今天的太陽與地球的行星系統一樣。中心軸為太陽輪，外部由行星齒輪環繞。為了固定繞太陽輪旋轉的行星齒輪，行星架一頭作為支架承載行星齒輪，一頭進行同軸動力傳輸。而行星齒輪的最外圈就是內齒輪（也稱齒圈）。為了提升動力傳輸能力，有些行星齒輪組變形為兩組小齒輪相互傳輸動力。一組與太陽輪接觸，另一組與內齒圈接觸。它被稱為雙小齒輪行星齒輪組。

↑多片離合器執行器結構示意圖（來自BOSCH教科書）

為了用行星齒輪組製造出多個不同擋位，多片離合器在此作為執行器。通過離合器來控制太陽輪，行星架和內齒圈的旋轉還是停止形成不同齒比。當多片離合器用來鎖止（軸與變速箱殼體靜止）時稱為制動器Brake。用來軸與另一個軸共同旋轉時稱為離合器Clutch。

↑複合行星齒輪組結構示意圖，左共齒圈，右共太陽輪（來自BOSCH教科書）

同時為了在擴大擋位組合簡化結構縮小變速箱體積。前人想出了複合行星齒輪組的方法。複合行星齒輪組就是通過結構整合的手段，在一個機構中製造多個行星齒輪組。常用的有共用太陽輪，而分別有兩套行星齒輪（行星架）和內齒圈的方案。以及共用內齒圈，而分別有兩套行星齒輪（行星架）和太陽輪的方案。

AT自動變速箱視頻

3. 實例分析

↑大眾6速橫置AT自動變速箱，左原理圖，右結構示意圖（來自大眾自學教材SSP）

由於大眾集團在國內的銷量巨大，因此我們以大眾使用的6速橫置AT變速箱作為例子分析一下結構。由左至右，分別是連接發動機的液力耦合器。然後緊貼著的是機油泵。之後動力傳輸至第一個行星齒輪組。如之前提到的，它由太陽輪S1，行星齒輪P1，行星架PT1和內齒圈H1組成。而變速箱的右側是一組複合行星齒輪組。兩個行星齒輪組共用內齒圈H2，而分別有兩個行星齒輪P2/P3，行星架PT2和太陽輪S2/S3。通過不同多片離合器組成的制動器B1/B2和離合器K1/K2/K3來組合出6個前進檔/1個倒擋。

4. Tiptronic變速箱控制策略

↑Tiptronic換擋策略流程圖（來自BOSCH教科書）

大家對大眾AT變速箱的了解很多都開始於一個名字Tiptronic。實際上這個名字代表的不是一個機械結構，而是一種變速箱控制策略。它最早起源於保時捷對跑車AT變速箱申請的控制策略專利。其特色就是賦予AT自動變速箱不同駕駛模式以及手動加減擋功能。在收集車輛狀態（油門，發動機轉速，車速，加速度）的前提下，最上層換擋策略按照換擋模式匹配換擋特性曲線。第2層則按車輛狀態（過彎或雪地）進行短時瞬態響應。最底層則可按照發動機轉速極限對手動加減檔進行響應。

以上，小星介紹了AT自動變速箱原理。它是最早的自動變速箱類型。並且一如既往的提供舒適平順的換擋體驗。與大排量發動機匹配也堪稱完美。不過它也正進行著變革來滿足油耗要求。希望這個簡單介紹為大家了解AT自動變速箱有所幫助。

參考文獻和擴展閱讀：

BOSCH教科書—BOSCH傳統動力傳動系統和混合動力驅動系統

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