一、换档执行元件的组成及工作原理

换档执行元件的作用就是约束行星齿轮机构以实现不同档位传动比。在维修中接触最多的就是这些元件，因为烧损摩擦片而引起的故障比例仍很大，因此在分解一个变速器后主要就是通过检查摩擦片的磨损程度以及密封元件的密封性能来查找故障原因。

换档执行元件包括离合器、制动器和机械单向离合器。三个元件的区别是：离合器起到连接主动的作用，工作时会将输入轴和行星排中任意一个元件连接在一起，或将行星排中任意两个元件连接在一起，并随这些元件一起同方向同速度的旋转，也就是说离合器属于可旋转部件。而制动器却不是这样，它仅起到固定行星排某一部件的作用，也就是当其工作时约束行星排中任意一个元件使之不能旋转。因此说，离合器和制动器的最大区别就是一个可旋转，一个不能旋转。但离合器和制动器只有液压压力时才能工作，因此又称它们为用油元件。单向离合器则属于纯机械元件，不受系统油压来控制，只需润滑即可，属于非用油元件，工作过程当中只能沿一个方向将动力传递至行星排中的某一元件或一个方向制动某一元件。

1.离合器的组成及工作原理

（1）组成 离合器是自动变速器中最重要的换档执行元件之一，它通常由离合器鼓、离合器活塞、活塞回位弹簧、弹簧座、主动元件钢片组件、从动元件摩擦片组件、调整垫片、缓冲垫片、离合器内转鼓及密封圈等组成，如图3-1所示。

图3-1 离合器各部件的组成

（2）工作原理 离合器活塞安装在离合器鼓内，大部分离合器活塞是一种环状活塞，由活塞内外圆的密封圈保证其密封性能，从而和离合器鼓一起形成一个封闭的环状液压缸，并通过离合器内圆轴颈上的进油孔和控制油道相通，修理时直接更换活塞上面的密封圈即可。还有一些自动变速器的离合器活塞与其密封圈作成一体，修理时只能一起更换。

离合器的钢片和摩擦片交错排列，两者统称为离合器组件。钢片的外花键齿安装在离合器鼓的内花键齿圈上，可沿齿圈键槽轴向移动。摩擦片由其内花键齿与离合器内转鼓的外花键齿连接，也可沿键槽轴向移动。摩擦片的两面均为摩擦系数较大的铜基粉末冶金层、酚醛树脂或合成纤维层，离合器工作过程中主要就是靠钢片和摩擦片之间的摩擦力来完成动力传递过程。

1）离合器鼓或离合器内转鼓分别以一定的方式和变速器输入轴或行星排的某个基本元件相连接，一般离合器鼓为主动件，离合器为从动件。当来自液压控制单元的系统液压油进入离合器液压缸时，作用在离合器活塞上液压油的压力推动活塞，使之克服回位弹簧的弹力而移动，将所有的钢片和摩擦片相互压紧在一起。钢片和摩擦片之间的摩擦力使离合器鼓和离合器内转鼓连接为一个整体，分别与离合器鼓和离合器内转鼓连接的输入轴或行星排的某一元件也因此被连接在一起，此时离合器处于接合状态，其工作过程如图3-2所示。

2）当液压控制系统将作用在离合器液压缸内的液压油的压力解除后，离合器活塞在回位弹簧的作用下压回液压缸的底部，并将液压缸内的液压油从进油孔排出，同时在传统型离合器活塞上或离合器鼓上装有单向球，以在离合器释放过程中消除因转动而造成残余动态离心油液（离合器加压时单向球起到密封作用后面详细说明）。此时钢片和摩擦片相互分离两者之间无压力，离合器鼓和离合器内转鼓可以朝不同的方向或以不同的转速旋转，此时离合器处于释放分离状态，其工作过程如图3-3所示。

图3-2 传统型离合器接合过程

图3-3 传统型离合器的释放工程

离合器活塞和离合器钢片或离合器钢片和离合器鼓上的卡环之间有一定的轴向间隙（此间隙为离合器活塞的可移动工作距离），以保证钢片和摩擦片之间无任何轴向压力，这一间隙称为离合器的自由间隙。其大小可以用调整垫片或钢片的厚度来调整。一般离合器自由间隙的标准为0.5～2.0mm，间隙的大小主要决定于其控制油路的形式是开关油路还是可调节油路。离合器自由间隙标准的大小取决于离合器的片数和工作条件。通常，离合器片数越多或该离合器的交替工作越频繁，其自由间隙就会越大。

（3）新式离合器 新式离合器结构和控制上有所改变，一些新款车型自动变速器离合器结构上有了改进，如图3-4所示。

图3-4 新式离合器的结构及部件组成

在新的离合器主活塞设计中，加入了一个静态不可移动的活塞（称为副活塞，也有的称为挡板，或封油板），用一油封封住其外边缘。这个活塞在离合器的工作侧与回位侧（弹簧力）形成一个压力平衡腔（主、副活塞之间）。工作腔的离心力与平衡腔的离心力一样，两种离心力抵消，活塞在弹簧力的作用下与离合器片分离，主动片和从动片之间有足够的间隙，就不会产生不必要的摩擦。工作活塞（主活塞）从静态平衡活塞的油封移动滑过。注意：副活塞没有内油封，因为只有离心力，所以不需内油封，从两侧进油冲击离合器主活塞通过副活塞实现副活塞为动态压力均衡与主活塞形成一个密闭的空间，只能用润滑油通道对压力均衡空间产生很小的压力。像在离合器液压缸中一样，封闭在压力均衡空间的油受到同样的力（动态压力建立），因此离合器活塞的表面压力得到均衡。传统的离合器活塞上或离合器鼓上都设有一个单向球，其作用就是消除因离合器旋转而产生的动态离心压力，防止离合器活塞在释放时离合器的摩擦片和钢片之间形成不必要的摩擦而烧损离合器片。这种新式结构的离合器最大特点是：①离合器在未工作前因旋转而在主活塞和副活塞之间形成动态离心压力，但此时不会影响离合器片的工作间隙，当主活塞进油侧建立主油压时，离合器开始工作，这样两种压力（主活塞进油侧系统油压和两个活塞间的离心压力）会相互抵消减小换档时的冲击。②当离合器停止工作时，两活塞间的离心压力还会协助主活塞的回位弹簧使主活塞迅速回到原始位置，保证离合器的主动片和从动片产生足够的间隙。传统离合器和新式离合器结构及工作过程对比如图3-5所示。

图3-5 传统离合器和新式离合器结构及工作过程对比

图3-6为2003年后奥迪A8轿车09E型6档自动变速器离合器的工作原理图。

从图3-6可以看出，离合器主活塞两侧都可以进油（一侧进入的是润滑油，另一侧进入的是系统主油路油压），同时冲击离合器主活塞（离合器工作压力远远大于从润滑油道进入后所实现的动态离心压力），通过静态副活塞（图中挡板）实现。静态副活塞为动态压力均衡与活塞形成一个密闭的空间。只能用润滑油通道对压力均衡空间充装很小的压力。当离合器主活塞侧没有进油同时离合器又没有旋转时，进来多少润滑油都会从副活塞中间流出。但一旦离合器旋转起来，像在离合器油缸中一样，封闭在压力均衡空间（两个活塞中间的油腔）的油受到同样的力（动态压力建立），因此离合器主活塞的表面压力得到均衡。

根据新式离合器工作原理便可总结出新式离合器由于结构的改变。它可实现两方面的作用：一是像传统离合器活塞上的单向球一样，当离合器在释放压力时协助离合器活塞迅速回到原始位置；二是离合器在未工作前，静态活塞和工作活塞之间的工作腔已形成少量的压力油，由于离合器旋转，在这个工作腔内就形成了动态的离心压力。当离合器需要工作时，从工作活塞进来的主油压与动态的离心压力就会相互抵消一部分压力，这样离合器的压力得到了均衡即起到了减缓作用。

离合器的工作过程分为以下几个阶段：

1）充油开始阶段（图3-7中1-2过程）。根据图3-7明显看出，这是变速器的换档开始阶段，此时液压系统快速向离合器液压缸充油并迅速消除油道和离合器液压缸的自由空间。离合器由于分离弹簧的作用，离合器活塞并没有移动，不产生摩擦力矩，因此可以理解为离合器处于接合前的临界点。

图3-6 奥迪09E型变速器新式离合器的工作原理

2）升压阶段（图3-7中2-3过程）。明显看出这是离合器开始升压阶段，离合器的自由空间充满油后，油压陡然上升，直到压力能够推动离合器液压缸活塞克服回位弹簧的预压力，使其开始移动。此时由于无流量的变化时间极短，通常忽略不计。

3）活塞移动消除离合器自由形成阶段（图3-7中3-4过程）。液压缸中的离合器活塞克服回位弹簧的预压力而开始移动，直到消除摩擦片之间的间隙为止，此时摩擦片刚刚开始产生摩擦力矩，这段时间也较短。

4）升压接合阶段（图3-7中的4-5过程）。摩擦片产生滑磨。随充油压力升高，摩擦片压紧程度增加，摩擦力矩增加，离合器主、被动侧的转速差减小，直到达到同步。该阶段只有充油压力的变化无流量变化，如不进行控制升压过程将极其急促，产生转矩冲击，换档平稳性变差。但若这段时间过长，又会因滑磨而导致发热，动力损失增加。因此一般这段时间控制在0.5～1.5s左右。

5）充油结束（图3-7中5-6过程）。当离合器的主、被动侧转速达到同步完成结合时，急剧升压不会影响换档平稳性。此该阶段以极短的时间升压，直至主压力值完成整个充油过程。

图3-7 离合器的初始充油

2.片式制动器的组成及工作原理

片式制动器跟离合器的结构基本一样，工作原理也没有什么区别，只是当其工作后将其所控制的元件（行星排中某一元件）固定住不允许其旋转，因此在这里不做详细描述。制动器的各元件的组成见图3-8，工作原理如图3-9所示。

图3-8 制动器组件的构成

图3-9 制动器的工作过程

值得一提的是，在维修过程中，组装制动器组件时一定要注意带有缺口的钢片其缺口位置一定要朝向变速器的下方，以促动回油流动。

片式离合器和片式制动器结构上略有区别，如图3-10所示。

从图3-10中不难看出，其中A、B、E、F几个元件为离合器，而剩下的C、D、G三个元件则为制动器，这些元件共同控制着两套行星排，以完成各档的动力传递功能。

3.带式制动器的组成及工作原理

带式制动器是利用围绕在一个转鼓周围的制动带收缩而产生制动效果的一种制动器。带式制动器的优点：有良好的抱合性能；占用变速器的空间小；当制动带贴紧旋转时，会产生一个使制动鼓停止旋转的自增力作用（楔紧作用）。

带式制动器中的制动带是制动器的关键元件之一，它是由在卷绕的钢带底板上粘接摩擦材料所制成的。钢带的厚度一般约为0.76～2.64mm。厚的钢带能产生很大的夹紧力，用于发动机功率大的自动变速器。薄的钢带能施加的夹紧力小，但因其柔性好，自增力作用强，所以能产生较大的制动力。带式制动器的组成如图3-11所示。

图3-10 大众奥迪01V型5档自动变速器换档执行元件的组成

普通轿车所用制动带如图3-12所示。

图3-11 带式制动器的组成

图3-12 常见制动带

带式制动器的工作原理：带式制动器的制动鼓与行星齿轮机构的某一个元件相连接并随之一起转动。制动带的一端支承在变速器壳体上的制动带支架或制动带调整螺钉上，另一端与液压缸活塞上的推杆连接。液压缸被活塞分隔为施压腔和释放腔两部分，分别通过各自的控制油道与控制阀相通。制动带的工作由作用在活塞上的液压油压力所控制。当液压缸的施压腔和释放腔内均无液压油时，带式制动器不工作，制动带与制动鼓之间有一定的间隙，制动鼓可以随着与它相连接的行星排元件一同旋转。当液压油进入制动器液压缸的施压腔时，作用在活塞上的液压油压力推动活塞，使之克服回位弹簧的弹力而移动，活塞上推杆随之向外伸出，将制动带箍紧在制动鼓上，于是制动鼓被固定住而不能旋转，此时制动器处于制动状态。

在制动器处于制动状态且有液压油进入液压缸的释放腔时，由于释放腔一侧的活塞面积大于施压一侧的活塞面积，活塞两侧所受的液压压力不相等，释放腔一侧的压力大于施压腔一侧的压力，因此活塞在这一压力差及回位弹簧弹力的共同作用下后移，推杆随之回缩，制动带被放松，使制动器由制动状态转成释放状态。这种控制方式可以使控制系统得到简化。当带式制动器不工作或处于释放状态时，制动带与制动鼓之间应有适当的间隙，间隙太大或太小都会影响制动器的正常工作。这一间隙的大小可用制动带调整螺钉来调整。在装复时，一般将螺钉向内拧紧至一定力矩，然后再退回规定的圈数（通常为2～3圈）。

带式制动器结构简单，轴向尺寸小，维修方便，在早期的自动变速器中应用较多。但它的工作平顺性较差，因此一般车型不再选用带式制动器。为了克服这一缺陷，可在控制油路中设置缓冲阀或减振阀，使之在开始结合时液压缸内的油压能缓慢上升，以缓和制动力的增长速度，改善工作平顺性。目前一些新款车型仍然还在选用制动带，比如国产福特蒙迪欧致胜轿车和进口车型韩国现代维拉克斯越野车，以及沃尔沃轿车等所用的TS-81SC新型6档自动变速器等。

4.单向离合器的结构形式与工作原理

机械单向离合器顾名思义它在工作时仅沿一个方向传递动力，或仅沿一个方向固定行星排中的某一元件，起到换档平顺无冲击的作用，同时在某些动力传递路线中起到消除发动机制动的作用。

常用单向离合器有滚柱斜槽式和楔块式两种形式。

1）滚柱斜槽式单向离合器由外环、内环、滚柱、滚柱回位弹簧等组成。内环通常用内花键与行星齿轮排的某个基本元件或者与变速器壳体连接，外环则通过外花键与行星排的另一侧基本元件连接或者与变速器外壳连接。在外环的内表面制有与滚柱相同数目的楔形槽。内、外环之间的楔形槽内装有滚柱和弹簧。弹簧的弹力将各滚柱推向楔形槽较窄的一端。当外环相对于内环朝顺时针方向转动时，在刚开始转动的瞬间，滚柱便在摩擦力和弹簧弹力的作用下被卡死在楔形较窄的一端，于是内外环互相连接成一个整体不能相对转动，此时单向离合器处于锁止状态，与外环连接的基本元件被固定住或者和与内环相连接的元件连成一整体。当外环相对于内环朝逆时针方向转动时，滚柱在摩擦力的作用下，克服弹簧的弹力滚向楔形槽较宽的一端，出现打滑现象，外环相对于内环可以作自由滑转，此时单向离合器脱离锁止而处于自由状态，其结构如图3-13所示。

单向离合器的锁止方向取决于外环上楔形槽的方向，在装配时不得装反，否则会改变其锁止方向，使行星齿轮变速器不能正常工作，从而影响某一档位的动力传递。有些单向离合器的楔形槽开在内环上，其工作原理和楔形槽开在外环上的相同。

图3-13 滚柱式单向离合器

2）楔块式单向离合器的结构和滚柱斜槽式单向离合器的结构基本相似，也有外环、内环、滚子（楔块）等，如图3-14所示。不同之处在于，它的外环或内环上都没有楔形槽，其滚子不是圆柱形的，而是特殊形状的楔块。楔块在一个方向上的对角尺寸略大于内外环之间的距离，而在另外一个方向上的对角尺寸略小于内外环之间的距离。当外环相对于内环朝顺时针方向转动时，楔块在摩擦力的作用下立起，因自锁作用而被卡死在内外环之间，使内环与外环无法相对滑转，此时单向离合器处于锁止状态；当外环相对于内环朝逆时针方向旋转时，楔块在摩擦力的作用下倾斜脱离自锁状态，内环与外环可以相对滑动，此时单向离合器处于自由状态。

楔块式单向离合器的锁止方向取决于楔块的安装方向，维修时不可装反，以免影响自动变速器的正常工作。

图3-14 楔块式单向离合器

其实最关键的还是摩擦片，如果一旦选择使用了劣质摩擦片，除了摩擦片本身使用寿命不长外，还会给变速器带来其他的风险：

1）选用劣质摩擦片首先给维修人员带来的是更多的返修，给整个企业带来更多的负面影响。

2）由于劣质摩擦片散热性能不好造成自动变速器温度过高，这样导致变速器ATF油的使用周期大大缩短。

3）由于劣质摩擦材料易于釉化从而容易导致主动钢片被烧灼。

4）由于劣质摩擦材料过硬使得换挡过程中的换档品质变差。

5）由于摩擦材料过硬还会使得离合器响应时间过长，从而造成液力变矩器的非正常工作。

6）由于液力变矩器和离合器的响应曲线变化，容易造成电控系统启动安全运行模式。