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3. 自排

 

    自動排檔變速 (automatic transmissionautomatic transaxle A/T),其歷史可以追朔到20世紀初,1904 Sturtevant brothers的兩段變速箱,透過隨著引擎運轉而轉動的飛錘“flyweights”,搭配機械連桿作用,達到傳動減速比的改變,因為當時的冶金技術無法完成常態齒輪對切換所需強度,所以變速箱常常在無預警情況下故障。另一個重要的發展是在1908年美國Ford Model T,這款標榜經濟且實用的車款,擁有二段變速及倒檔的行星齒輪變速系統,不過駕駛卻必須使用踏板控制其離合,1932年由巴西的兩名工程師José BrazAraripe and Fernando LehlyLemos開發出第一台使用液壓自動變速箱,同一時期美國Chrysler汽車公司發展了液壓結合器,1939年美國通用汽車推出結合行星齒輪變速與液壓結合器的Hydra-Matic變速傳動系統,成為世界上第一個批量生產的自動變速器。
 

圖:Hydra-Matic

3.1自排變速箱動力輸出

       自排變速箱變速發展至今將近百年,現今的自排變速系統便是一個龐大的油路系統與多個行星齒輪組的結合。其中系統內部的油泵供應扭力轉換器、行星齒輪組制動帶、離合器以及油壓控制系統所需要的自動變速箱液 (Automatic  Transmission Fluid ,ATF),提供各零件所需液壓及潤滑。傳統自排變速箱油壓控制系統的控制壓力可以分為三種形式,主管路壓力、節氣門壓力、速控器壓力。主管路壓力又稱為主油壓或管路壓力,用來控制離合器與制動帶作用;節氣壓力正是因為其隨引擎負荷、節氣門開度約成正比變化之特性,用來控制油壓系統各個閥門作動;速控器則是一個變速箱輸出速度感知裝置,隨變速箱輸出速度提高進而增加其輸出至各油路的壓力,三種壓力隨著車速以及引擎的狀態不同而發生壓力變化,導致變速系統依據檔位不同來控制位置閥門打開或關閉而影響到離合器或制動帶狀態,間接控制行星齒輪組運動模式,選擇當下操作條件最佳的傳動比,不過現代的自動變速器中,閥門都已經改用電子機械伺服機構控制,較不需要如此複雜的管路設計。

(1)自動變速箱傳動

         Allison 算段變速自動變速箱,其共具有五個多片式離合器,如圖,從引擎承接的動力透過C1C2兩個離合器將有可能藉由層層套筒結構直接傳到C4C5位置的太陽齒輪;亦可能直接傳輸至C4位置的行星齒輪架,而剩下三個C3C4C5離合器則是用來使各對應位置之環形齒輪制動,接下來將講述Allison如何藉由操作這五個離合器來完成六段的齒輪變速。

圖:Allison變速箱平切面結構圖

圖:行星齒輪系

        C1C5離合器,將離合器片壓制住,當C1離合器被液壓油壓縮時,輸入軸帶動的藍色軸將會與P1行星齒輪相連接且同向旋轉;再將C5離合器片壓住,P1的環形齒輪將會被固定住,P1行星齒輪因此被太陽齒輪單獨驅動,進行同方向繞軸公轉,並帶動紅色輸出軸。

圖:一檔

    離合器鬆開且液壓油壓制C4離合器,即切換到二檔,藍色軸與軸上P2太陽齒輪隨輸入軸運轉,P2環形齒輪因C4離合器被制動,故P2行星齒輪被太陽齒輪單獨驅動。且P2的行星齒輪架與P1環形齒輪為相連物件,因此P2行星齒輪並不是直接輸出,而是將動力傳到P1的環形齒輪。P1的行星齒輪系此時呈現環形齒輪與太陽齒輪同方向運轉一同帶動P1行星齒輪。相比一檔,輸出軸多了P1環形齒輪旋轉的效應,因此轉速些微提升。

圖:二檔

    三檔及五檔的傳動比都是藉由P3第三組行星齒輪系進行調整而得到,P3行星齒輪系中的太陽齒輪為連接在輸入軸罩狀結構上,故P3太陽齒輪的轉速等同於輸入軸轉速。三檔動力傳輸與二檔接近,由C1C4離合器作用改為C1C3作用。三檔的動力傳輸,三組行星齒輪系皆有參與,P3行星齒輪系動力由太陽齒輪傳輸至行星齒輪,這個過程是減速作用,但P3太陽齒輪與行星齒輪的尺寸較接近,因此減速效果幅度較小。而P3行星齒輪架與P2環形齒輪為一體,造成P3行星齒輪系的作動提供了P2環形齒輪一個較慢的轉速,P2環齒輪與太陽齒輪皆轉動,使P2行星齒輪架轉速加快,帶動P2行星齒輪架加速連帶的P1環齒輪轉速跟著變快,最後P1環齒輪與太陽齒輪一同帶動P1行星齒輪與輸出軸。相比二檔的運動原理,三檔便是多了P2環形齒輪轉動帶來的加速效應。

圖:三檔

    Allison變速箱中,四檔狀態為引擎與變速箱的直接傳遞,為了使輸出跟輸入等速度運轉,Allison變速系統必須使P1的環形齒輪與太陽齒輪的旋轉速度、方向等同於輸入軸,如圖所示,C1離合器作用即可使P1太陽齒輪速度等於輸入軸,C2離合器片相連著一體式機構且與P1環形齒輪、P2行星齒輪為連動關係,當液壓油壓制C2離合器片時,便將引擎動力由同步旋轉的罩狀結構直接導引至P1環齒輪。因為P1環齒輪與太陽齒輪等速旋轉,整個行星齒輪系就有如一個整體,並不會有加速或是減速作用。

圖:四檔

        C2C3離合器,P3齒輪系運動狀態為太陽齒輪輸入行星齒輪輸出,帶有減速作用,P3行星齒輪系運動提供了一個較慢的速度予P2環形齒輪;C2作用而C1分開,在P2行星齒輪系中可以看出行星齒輪帶動太陽齒輪,效應為加速,不過因為P2環形齒輪的轉動使加速效應降低,(可以想像環形齒輪轉速越來越快,與行星齒輪架等速,整體行星齒輪系便可視為一體,傳動比為1,從環形齒輪加速的過程中可以觀察到整個行星齒輪系加速效果降低的趨勢)P1位置行星齒輪系環形齒輪與太陽齒輪皆轉動,運動效應雖為減速,卻因為P1環形齒輪的轉動而減速效應降低。相比四檔,五檔P2行星齒輪系帶有加速效應,因此齒輪箱輸出五檔較快;而相比六檔,則差異在於P3行星齒輪系造成P2加速效應降低,所以相比之下又以六檔三組行星齒輪的搭配能提供變速箱更高的速度輸出。

圖:五檔

        OD(overdrive)檔,輸出轉速要高於輸入轉速,扭力降低,應用於汽車高速巡航,六檔時油壓壓住C2C4離合器。此時雖然P1行星齒輪系依然帶有減速效應,C2離合器的作用將帶動P1環形齒輪正向旋轉,如此可以降低P1行星齒輪的減速比。C4離合器制動住P2環形齒輪,而且C1離合器分離,造成P2的行星齒輪系處於"行星齒輪帶動太陽齒輪的運動模式,而此運動模式也是帶來加速效應。

圖:六檔

        C3C5離合器片,P3行星齒輪系依然提供了較低的轉速給P2環形齒輪,此時因為C5離合器的作用使P2的行星齒輪只能自轉而無法公轉,這時環形齒輪的轉動不是用來調整其他行星齒輪系的轉速比,而是透過P2行星齒輪驅動太陽齒輪反向旋轉。P2行星齒輪系提供了逆轉減速作用,P1行星齒輪系則是再作一次減速,這樣的設計非常合理,實際上倒檔的速度並不需要太快。

圖:倒檔

(2)自排變速系統構成

    自動變速箱以輪系機構為主體,並搭配液壓結合器、離合器、制動器 (Brake),以及油壓控制系統所組成,液壓結合器又被稱作自動變速箱的自動離合器,比起手排變速系統中的離合器,其優勢在於,即使將整台車煞停,引擎也不會熄火,這是因為引擎動力是透過ATF進行傳遞,變速箱即使完全停下,引擎的輸出端依然可以在ATF中緩速運轉,故液壓結合器並不需要一個將引擎與變速箱之間動力完全切斷的動作,不過動力經過ATF傳遞,效率並無法達到手排離合器固態接合的傳遞效率;液壓結合器除了作為自動離合器,有時也充當油泵的驅動器,隨著液壓結合器外殼旋轉,油泵運轉並將ATF傳輸到油壓系統各處;油壓系統則是依據自動變速箱隨著汽車運行狀況自動操作行星齒輪機構的重要角色。

圖:自排變速系統構成

A.液壓結合器

    自動變速系統內的液壓結合器取代了傳統倚靠摩擦傳遞動能的離合器。液壓結合器同屬於液壓設備,比起傳統離合器更適合安裝在以液壓驅動的自排變速系統內;現代的液壓結合器又稱為為 自動離合器,除了可以平滑地傳遞引擎到變速箱之間的動力,還可以在汽車到達巡航速度時,自動調整機構的些微變化,改變結合器內ATF流動方式來達到變速箱的高轉速。雖然液壓結合器無法直接切斷引擎與變速箱之間的動力傳遞,但並不影響變速系統提供臨時空檔的功能,只要藉由油壓系統釋放所有離合器及制動機構,即可形成空檔。液壓結合器隨時代演進,大致上可以分為兩種,液體接合器(Fluid Coupler)及扭力轉換器(Torque Converter)

 

    液體接合器,是由主動葉輪(Drive Tours)及被動葉輪(Driven Tours)組成,分別又被稱作泵輪(Pump Impeller)與渦輪(Turbine),兩者安裝在密封的容器內,泵輪固定於驅動板上連接引擎飛輪;渦輪則與變速箱輸入軸相連。液體接合器利用流體傳輸原理作用,其密閉空間內會充入8590%ATF

圖: Fluid Coupler

    當引擎運轉時,隨著飛輪旋轉泵輪也會一起轉動,泵輪內的 ATF受到旋轉離心力作用,沿著葉片流向泵輪外緣,且以一定的角度流到渦輪外緣,渦輪因為受到ATF的摩擦力而被帶動旋轉,ATF隨後順著渦輪葉片流向渦輪內側,再回到泵輪中心。當泵輪轉速越快,離心力越強,加壓在渦輪的衝擊力越大,則渦輪速度也會跟著加快,ATF帶動渦輪旋轉時的流動形式,稱之為渦流,渦流對液體接合器來說是一種能量損耗,如果泵輪的速度與渦輪差距太大,渦流增強便會增加能量損耗,為了減少渦流造成的能量損失,兩葉輪的中央會加裝半圓管以減少渦流發生,這兩個半圓形管被稱為導環。隨著引擎加速,渦輪轉速會越來快,ATF加壓在渦輪的力量越小,直到渦輪的速度趨近於泵輪轉速,泵輪與渦輪視為一個整體,ATF便不再於兩者之間循環,只循著渦輪及泵輪旋轉方向一起旋轉,這種流動方式稱之為迴流。渦輪的轉速不斷提升,卻始終不會超過泵輪的轉速,兩者的轉速差比值,稱為滑差”(Slip),滑差計算如下:

圖: Fluid Coupling

    扭力轉換器其實跟液體接合器差異不大,傳動原理也相同,相比之下,扭力轉換器在其渦輪與泵輪之間多增加了一只定子 (Stator)。定子是一個固定的葉輪,葉片呈現特定的弧度,定子的正面反彈從渦輪迴流的ATF,反射後的ATF衝擊泵輪增強泵輪扭力,此效應稱為扭矩增強作用。渦輪起步時泵輪與渦輪轉速差較大,撞擊渦輪壁回流的ATF能量較強,扭矩增強作用也最強;當渦輪轉速越來越快,則ATF撞擊渦輪反彈的力道會越來越小,扭矩增強作用也降低;當汽車處於巡航狀態或是換檔點,渦輪速度接近泵輪,這時的泵輪、渦輪、ATF轉速接近,定子反而成為了整個結合器運轉的阻礙,導致ATF撞擊定子背面而損失能量。

圖:增加單向離合器的扭力轉換器

    後來則改良定子的設計,在定子下方安裝單向離合器,當泵輪速度比渦輪快時單向離合器鎖住,如同固定的定子一般;當泵輪速度等於渦輪, ATF衝擊定子背面,釋放定子鎖定讓定子一同旋轉,這時候扭力轉換器的作用就有如液體接合器。汽車高速運轉時渦輪轉速會漸漸追上泵輪轉速,但恆不相等,當汽車處於巡航狀態時,渦輪與泵輪依然會有45%的滑差,為了彌補這部分滑差造成的能量損失,自排車發展出了"鎖定離合器(Lock-up)”裝置,在渦輪與扭力轉換器外殼間設有離合器,離合器片與渦輪一端連為一體,在高速運轉時,離合器片作用,自動接合外殼與渦輪,扭力轉換器此時的作用就如同固態接觸的摩擦式離合器,傳動效率接近11。較早的Lock-up是由外部油壓系統自動控制,現在都自排車則是改用電子式控制。

圖:Lock-up

    綜合以上敘述,可以對液壓結合器繪製出不同轉速比下,扭矩比與傳遞效率的變化,其中扭矩比為轉換器輸出扭矩 /輸入扭矩,轉速比為轉換器輸出轉速/輸入轉速,傳遞效率則是扭矩比 轉速比 ,定子釋放時間點稱之為接合點。

圖:扭力轉換器轉速與扭力比、傳遞效率圖

B.行星齒輪傳動

    自排變速箱傳動比是依靠不同的行星齒輪系互相結合調配出輸出所需要的傳動比,行星齒輪系是以一個環形齒輪、一個太陽齒輪、以及數個行星齒輪組合而成,行星齒輪架固定每只行星齒輪間的位置關係,其自轉速度即代表了行星齒輪的公轉速度,也可以視為行星齒輪作為輸出的橋樑。

圖:行星齒輪系

    行星齒輪系的減速比計算並不同於手排變速,因為行星齒輪並不單純作自轉運動,而是齒輪會繞著固定軸公轉,較難直接從齒數關係看出其速度的轉變,故必須先重新定義減速比為輸入轉速/輸出轉速(此定義於手排變速箱依然適用)。令太陽齒輪、行星齒輪、環形齒輪齒數分別為Z_s、Z_p、Z_r;半徑R_s 、R_p 、R_r各個轉速情形的減速比公式皆可以以三個齒輪的齒數表示,推算如下:
    令環形齒輪固定,行星齒輪運轉帶動太陽齒輪,行星齒輪轉速ω_p、太陽齒輪轉速ω_s、行星齒輪中心切線速度V_p,ω_p=V_p/(R_s+R_p ),行星齒輪與太陽齒輪箱接觸點之切線速度根據平移旋轉定律得知為2V_p,則ω_s=(2V_p)/R_s ,減速比根據定義ω_p/ω_s =R_r/(〖2R〗_s+〖2R〗_p )=R_r/(R_r+R_s )=T_r/(T_r+T_s )。

圖:行星齒輪

    令環形齒輪固定,太陽齒輪運轉帶動行星齒輪,太陽齒輪端點切線速度令為V_s,則ω_s=V_s/R_s ,根據平移旋轉定律得知行星齒輪中心速度為1/2 V_s,如此可求得行星齒輪架轉速ω_p=(1/2 V_s)/(R_s+R_p ),減速比根據定義ω_s/ω_p =(〖2R〗_s+〖2R〗_p)/R_r =(R_r+R_s)/R_r =(T_r+T_s)/T_r 。
    若欲使用行星齒輪系提供相反轉向,只需要將行星齒輪架固定,讓行星齒輪只能原地自轉,則環形齒輪和太陽齒輪兩者與行星齒輪的接觸點將擁有相同量值方向相反的切線速度。已知環形齒輪為輸入,令環形齒輪與行星齒輪接點切線速度為V_r,則ω_r=V_r/R_r ,又V_r=V_s,得到ω_s=V_s/R_s =V_r/R_s ,減速比根據定義ω_r/ω_s =R_s/R_r =T_s/T_r 。

 

C.油壓系統

    油壓系統基本功能在於提供扭矩變換器ATF、導引油壓至多片式離合器、潤滑A/T內部零件,以及供油以去除扭矩變換器以及其他運動零件產生的熱。油壓系統構成包括了儲油室(油盆)、油泵、油道(閥體)、控制閥。系統內有三道壓力同時作用在換檔閥進行換檔,其分別為主油路壓力、節氣壓力、速控器壓力。主油路壓力又稱為管路壓力,泛指驅動所有機械裝置與伺服的油壓,主油路ATF經油泵吸起,送入壓力調節閥,壓力進行調節之後經手動閥導入各換檔閥,換檔閥內柱塞位置決定主油壓將要驅動哪個機械裝置。經壓力調節閥調整過的油壓還會送至節氣閥,並經由節氣閥調整為節氣壓力導入各個換檔閥。節氣壓力與速控器壓力分別在換檔閥不同位置推動柱塞。不同換檔閥內彈簧張力並不相同,高檔位的換檔閥內彈簧張力較大,必須以較高的節氣壓力與速控器壓力才能推動柱塞足夠的行程,使主油路孔口開啟。機械端通常是一個活塞結構以接受主油路油壓。制動環形齒輪的多片式離合器旁連結著活塞機構,當主油路ATF注入而推動活塞,活塞施加力量於離合器鋼片,將鋼片與摩擦片緊貼,一同運動;當換檔閥切換油壓於其他機械裝置,原本作用於離合器活塞的ATF會被釋放,活塞被回位彈簧推回原來位置。油泵送出的ATF除了用來操作換檔機構,經過調節的油壓也會被運送到扭矩變換器做為其操作流體。

 

 

 

圖:3A/T D1檔位示意圖

圖:多片式離合器作動

    油泵供應了整個油壓系統所有的動力,其可分為可變位移量式以及固定位移量式,兩者差在位移量可否變化,而”位移量”在油壓系統內被定義為油泵每一循環所傳遞的油液容積,只要油泵運轉速度相同,每次運轉會有相同的輸出,一般常見的四段變速A/T,其所使用的齒輪式油泵(Gear Pump)是屬於固定位移量式。齒輪式油泵由泵體、內齒輪、外齒輪、固定新月片組成。油泵被安裝在液壓結合器旁,液壓結合器旋轉直接驅動油泵內齒輪,內齒輪作為轉子帶動外齒輪轉動,兩齒輪於新月片處開始分開產生真空,將ATF從油盆吸入,ATF便會隨著內外齒輪的運轉被輸送到油泵的出油孔。

圖:齒輪式油泵

 

    A/T油壓系統使用的閥門多為線軸閥(Spool Valve),線軸安裝於閥體各處,線軸上較寬處稱為閥環,用來打開或關閉閥體上的孔口;窄處稱為閥谷;閥環平面稱之為閥面,末端閥面為尖端狀以免線軸移至末段被吸住。線軸閥依照其功能可以分為三類,單向閥、平衡閥、開關閥。

 

 

圖:線軸閥構造

    單向閥作用在於使流經該閥門的ATF只能單一方向流動,階級孔與鋼珠便能組成簡單的單向閥;平衡閥是一種由彈簧張力、油壓共同控制的線軸閥,兩種壓力互相對抗平衡,推動線軸閥於閥體內移動,閥環移動產生限孔或調整洩油孔開度,以此調節該閥輸出的油壓;開關閥則是藉由閥環的移動,控制閥體上孔洞開閉,導引ATF流入不同的油道。油壓系統內基本控制閥中,壓力調節閥、節氣閥、速控閥皆屬於平衡閥;換檔閥、踢低閥(Kick-Down)則是屬於開關閥。

    因為輸出ATF的油泵是由引擎驅動,輸出容積與引擎轉速約成正比,此容積的變化無法完全符合不同車速及負荷時離合器及制動帶的需要,壓力調節閥的作用便是調整油泵出油量及壓力。下圖是油壓及彈簧合併作用壓力調整閥,彈簧是有洩油孔。引擎加速使油泵滿單位時間於主油管注入更多的ATF,主油路油壓增加使調整閥線軸向左推進抵抗組側彈簧張力,當線軸左移一定程度時,最左側閥環移動並打開洩油孔,降低主油管壓力。
 


圖:壓力調整閥

    經過壓力調整閥後的ATF將會被送往手動閥、節氣閥以及速控器閥,這些柱閥皆有特殊的機構設計得以感知汽車行駛狀況,並即時做出反應,提供正確大小的油壓給換檔閥。
    節氣閥分為機械式與真空式,機械式節氣閥透過機械連桿機構或鋼繩直接感知油門踏板踩踏力度進而移動閥內柱塞調整輸出油壓,真空式節氣閥則是將閥內一端以管路接通至進氣歧管感知其管內真空度,節氣門開度小,真空度大,節氣閥總成內膜片連帶膜片桿接受歧管負壓,被向外吸以抵抗膜片外彈簧張力,節氣閥內柱塞隨膜片桿移動打開排洩位置孔口,降低節氣閥壓力;反之,節氣門開度大則柱塞反方向移動堵住排洩口位置,則節氣壓力較高。 

圖:真空節氣閥

    速控器閥由變速箱輸出軸帶動旋轉,離心力使閥內機構動作,進一步影響閥內洩油孔開度,決定速控器閥輸出壓力。速控閥擁有主、副兩門柱塞閥垂直安裝於速控器旋轉軸頂端兩側,速控器末端銜接輸出軸驅動齒輪以感知變速箱輸出轉速。輸出軸轉速低時離心力作用小,主、副兩閥柱塞皆靠近軸心,主閥柱塞關閉速控器閥輸出孔口,因此速控器閥沒有輸出油壓;輸出軸轉速高則離心力作用大,主、副兩閥柱塞皆遠離軸心,主閥開啟油壓輸出孔,而副閥隨轉速提高漸漸降低洩油孔開度,使輸出油壓提升。
 

圖:柱塞離心式速控閥
 

圖:柱塞離心式速控器壓力與轉速關係

    傳統A/T的系統控制要藉由繁多的控制閥來達成控制目的,維修與調整都非常麻煩,而現代的A/T使用電磁閥代替諸多的壓力調整閥,並且統一由引擎控制模組(ECM)與變速箱控制模組(TCM)控制。電子控制A/T擁有許多的優點,能更精確的拿捏換檔時機,並且在每個換檔點鎖定扭矩變換器,增加其傳輸效率以減少油耗;取代了傳統A/T的壓力調節閥、速控器閥與節氣閥,除了油壓供應較精準外,還能監測各油路運作狀況,若偵測到異常能即時做出油壓補償;另外ECU可以進行程式編譯,只要更改其基準參數,單一自動變速箱可以適應多種車款。

 

3.2自排變速系統演進
    與手排變速箱相較之下,自排變速箱優勢在於簡便的操作、加速及起步較平穩、其因變速原理採用行星齒輪減速,在製造技術精密的情況下,體積相同的自排變速箱能提供比變速箱更多的檔位數。相對的,自排變速箱換檔反應較慢、傳動效率較差,而對駕車愛好者來說,自排車減少了駕駛快感也是一大問題。為了彌補這些缺憾,傳統自排變速箱被推往革新之路,進而發展出能提升傳動效率的電子控制式自排,以及能提供手排模式,增加駕駛樂趣的手自排。

(1)電子控制式自排與手自排
    電子控制式自動變速箱即使用電腦控制變速箱作用的A/T,電腦需要配合感知器及作動器,才能精確控制變速箱。自排電子控制系統基本包含兩個電子控制單元(Electrical Control Unit ,ECU),一個控制引擎;一個控制變速箱。ECU接收的訊號多來自於安裝在汽車各處的感知器,如速度感知器、節氣門位置感知器等,而部分訊號則是由A/T本身送出,如換檔訊號、模式選擇訊號,ATF溫度感知器信號等。作動器則是電磁閥,用來控制換檔、鎖定、管路壓力,一般的A/T,電磁閥會安裝在閥體上,隱匿在A/T內部。

 

圖:電子控制式自動變速箱組成概念圖

A.電磁閥在A/T中的應用
    電磁閥的應用是傳統自排變速箱與電子控制式變速箱間最大的差異。A/T中使用的電磁閥分為直接控制油壓式與間接控制油壓式,直接控制式電磁閥通電即電磁閥針閥上升,開啟洩油孔使主油壓產生壓降;間接控制油壓式則是以電磁閥樞軸堆動控制閥柱塞以控制ATF流向。ECU控制電磁閥的方式除了基本的On/Off型固定行程控制電磁閥;而需要精確控制油壓的”管路壓力”油路,必須使用可以控制行程的比例電磁閥以PWM形式控制,此種電磁閥稱為工作週期(Duty Cycle)型電磁閥。如圖是一個間接控制油壓型電磁閥,當引擎怠速時ECU以PWM信號控制流經線圈的電流量維持最大,線圈產生最大磁場將樞軸向右吸抵抗樞軸彈簧張力,隨樞軸向右洩油孔達到最大開度而油壓降低;當節氣門打開時,ECU則控制流經線圈的電流減少,線圈磁場減弱而樞軸被彈簧張力推向左,擋住洩油孔使油壓增加。

 

圖:間接控制油壓型式電磁閥

    管路壓力之外的油路使用操作簡單的On/Off型電磁閥。Toyota早期3 A/T的鎖定作用電磁閥包含了On/Off型電磁閥。ECU輸入On信號給予電磁閥,針閥向下封閉洩油孔,1-2換檔閥油壓作用在鎖定控制閥上端將其柱塞向下堆,開啟扭矩變換器鎖定離合器施壓側油路,因此鎖定離合器結合;當ECU輸入Off信號給予電磁閥,針向上開啟洩油孔,1-2 換檔閥油壓作用於控制閥柱塞上方的油壓降低,柱塞被況制閥彈簧推回,使ATF流向扭矩變換器鎖定離合器釋放側油路,因此鎖定離合器釋放。
 

圖:電子控制式A/T鎖定功能作用

    換檔電磁閥的作用原理與鎖定作用電磁閥相同,結合油壓系統控制閥原理與On/Off電磁閥。如下圖,一檔時1-2換檔電磁閥狀態為Off,控制閥上端油壓較強,將控制閥柱塞向下推,管路壓力被閥環阻擋而無壓力傳輸至行星齒輪鎖定離合器;將1-2換檔電磁閥切換為On,控制閥端油壓降低,柱塞向上開啟管路壓力,使行星齒輪離合器作用,檔位切換至二檔。觀察文章中所提及的鎖定及換檔功能,可以發現電磁閥可能被設計為常開試或常閉式。

圖:電子控制式A/T換檔控制閥(未制動)
 

圖:電子控制式A/T換檔控制閥(制動狀態)

B.行使模式選擇開關
    汽車在不同路況下或是隨著駕駛者操控變化,相對需求的換檔點時機並不相同,因此駕駛可以在汽車儀表板上找到行車模式選擇開關,一般常見的行車模式有”經濟模式”,ECU將較高引擎檔位配合低引擎轉速,以降低油耗為目的;”運動模式”,當駕駛人想以較激烈方式驅動汽車可以切換此模式,ECU會提供較晚的換檔時機,因此汽車在同樣車速擁有較高的扭力,同時也會更耗油;”雪地模式”則是讓汽車以較高檔位起步,避免汽車在磨擦係數低的路面上因扭力過大造成汽車打滑。另外在汽車排檔桿上設有OD開關,如4檔A/T汽車,開關未開啟時,變速箱並不會切換到超速檔,只會在1-2-3檔切換;若OD開關啟動,則可以1-2-3-4檔切換。

圖:Infiniti M25行車模式切換旋鈕

C.手自排
    除了前述的行車換檔模式可供駕駛人選擇,另外還有些許車款提供手自排(Manumatic)自動變速箱,手自排自動變速箱設計理念就是提供讓駕駛人隨意換檔的手排模式,雖然只有升檔及降檔操作,手自排的出現都已經讓自排車的樂趣大幅提昇。這類的電子控制變速箱出現在各家汽車大廠,而各自擁有不同的名字,好比Porsche的Tiptronic、Volvo 的Geartronic、Benz的Touchshift、Mitsubishi的Sportronic。手自排的手排模式會設計在排檔桿D檔位置旁邊,將排檔桿排往手排模式,即可手動操作A/T升降檔。雖然手自排提供了駕駛換檔的自由,如駕駛者將引擎轉速拉高至超過當前檔位紅線轉速而未切換檔位, ECU依然會自動升檔防止變速箱損壞。

 

圖:Manumatic

(2)無段變速箱
    無段變速箱(Continuously Variable Transmission,CVT)沒有固定的齒數比,可以連續無斷變化,使引擎輸出能達到最高效益,比起行星齒輪式的自排變速箱及永嚙齒輪式變速箱,CVT更加省油、換檔更平穩,比起一般自排變速箱其動力損耗也較低。CVT以兩組帶輪及V型鋼帶取代一般變速箱的齒輪組,V型鋼帶斜面與兩帶輪椎面重合,以摩擦力傳遞旋轉動力。軸上兩帶輪可以油壓控制距離,當帶輪距離拉遠,V型鋼帶便會下滑至帶輪中心處,此段鋼帶的作用好比套在小齒輪上;當帶輪距離縮減,V型鋼帶會被推擠至椎面外緣,此段鋼帶的作用就像是套在大齒輪上。

圖:CVT傳動機構

圖:CVT作用概念

    低檔位時輸入軸上兩帶輪距離較遠,而輸出軸上兩帶輪距離較近,動力傳輸效果如小齒輪傳輸至大齒輪,輸出軸轉速將會被降低;高檔位時輸入軸兩帶輪距離近,而輸出軸帶輪距離遠,動力傳輸要果如大齒輪傳至小齒輪,輸出軸轉速被提高。而兩組帶輪之間的距離可以隨意控制,CVT可以任意調配想要的減速比。

圖:CVT傳動比

    無段變速箱因為不需要許多的齒輪來搭配減速比,因此結構比起手排及自排變速箱都來的簡單。CVT變速箱包含有電磁離合器、前進與後退切換機構、輸入及輸出鋼帶、帶輪與油壓控制系統。前進與後退切換機構是由兩圈行星齒輪的行星齒輪系配合內外兩組多片式離合器組成,而外圈行星齒輪設計與輸入軸帶輪連動。當CVT於前進檔位,內離合器作用鎖定太陽齒輪與環形齒輪,則輸入軸與帶輪同向直接傳動;當CVT需要切換倒檔模式,內離合器鬆開同時作用外離合器,鎖定環形齒輪,則太陽齒輪自轉帶動內圈行星齒輪反向自轉,內圈行星齒輪帶動外圈行星齒輪同向自轉,依平移旋轉法可以得知外圈行星齒輪中心速度必定與最接近的太陽齒輪外緣切線速度向相反,即行星齒輪帶動帶輪反向旋轉。

圖:CVT前進與倒退切換機構

    CVT因為換檔的連續性,升降檔並不需要離合器,不過汽車臨停以及從空檔排入倒車檔時依然需要離合器暫時切斷引擎動力。日本自動變速器公司----JATCO所產的N-CVT,其離合器採用適合於遠程操作的電磁粉離合器,因為不需要機械連接來控制它們的嚙合,從而提供快速、平穩的操作,電磁粉離合器主要零件為主動件、從動件、從動彈簧,及電線接頭等,電磁粉則包含在主動件與從動件之間。主動件中心內含線圈,當線線圈通電,金屬粉於主從動件之間產生鏈狀連結,電流強度與離合器扭矩傳輸能力約成正比。缺點是當離合器接合時,激活能量作為電磁制動器中的熱量消散,存在過熱的風險。


圖:電磁式離合器

    CVT自動變速箱受到日本車廠偏愛,不過因為其可承受極限扭矩較小,加速感較差,對於以性能車為主要生產方向的車廠並不流行,即便Audi採用了鍊條式鋼帶增加了CVT可承受扭矩也無法於駕駛性能上和Benz、Porsche的高檔數A/T相比,因此於2015年Audi也全面棄用CVT變速箱。

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