不同应用类型的单向离合器的结构原理分析和安装方法研究

屈亚锋

(武汉交通职业学院, 湖北 武汉 430065)

单向离合器在自动变速器中使用很普遍，单向离合器使用数量的多少，是自动变速器综合性能好坏的重要标志之一[1]。单向离合器使用数量的多少，可由汽车对性能的要求决定，也可由自动变速器电控控制决定。虽然单向离合器的安装可通过记号识别或者借助维修手册进行安装，但由于单向离合器通常两侧对称，形状差异不大，容易造成安装方向混淆。因此，单向离合器的安装方法对于自动变速器的解体装复至关重要。目前，对单向离合器的作用、结构原理及单向离合器对变速器性能影响研究较多，但是，尚没有文献全面分析单向离合器的应用类型及其安装方法。本文总结了起单向约束作用、与离合器并联和与离合器串联等不同应用类型的单向离合器的结构原理，提出通过转动方向分析法对其进行安装，避免了单向离合器安装方向混淆的失误。

1 单向离合器的结构和安装方法简介

1.1 单向离合器的结构

单向离合器是自动变速器中常见的基础传动部件，其结构主要有楔块式和滚柱式两种类型，如图1所示。虽然楔块式和滚柱式两种类型的单向离合器结构上略有区别，但其原理是相同的，假设内座圈固定，外座圈可按图1中方向单向旋转。由于楔块式单向离合器的楔块有长径和短径的特殊结构，利用转动方向分析法时比较直观，并容易理解和判断，故本文研究不同应用类型的单向离合器的结构时均以楔块式单向离合器为例进行介绍。

1.2 单向离合器的安装方法

转动方向分析法是指根据自动变速器传动机构的传动原理，通过转动与单向离合器相关联的传动机构某些元件的方向来判断单向离合器安装是否正确的方法，其判断标准是与单向离合器相关联的传动机构某些元件的转动方向和其实际工作原理中的转动方向相同。转动方向分析法的优点是不受限于单向离合器的外观结构或安装标记，可避免安装方向混淆，难点是对传动机构某些元件的转动方向的判断。下文总结了不同应用类型的与单向离合器相关联的传动机构某些元件的转动方向，以帮助自动变速器维修人员来判断单向离合器是否安装正确。

2 起单向约束作用的单向离合器

2.1 起单向约束作用的单向离合器的应用情况

自动变速器使用的单向离合器具有机械式自动分离或超越(失能)与接合(使能)的工作特点，属于可控型单向离合器的类型；由于其工作状态切换迅速，且切换过程中具有强烈非线性，可作为升降档的换档器，在AT产品中的应用越来越多[2]。起单向约束作用的单向离合器的应用类型如图2(a)所示，有直接通过单向离合器来约束传动机构某元件、单向离合器与液压制动器串联来约束传动机构某元件两种类型；其外座圈被直接固定或通过液压制动器来固定，内座圈与传动机构某元件连接，主要作用是使传动机构某元件顺时针旋转，不能逆时针旋转，因此单向离合器中的楔块式结构如图2(b)所示。一旦液压制动器不起作用，单向离合器将处于空转状态，不起单向约束的作用。

图 1 单向离合器的结构

图 2 起单向约束作用的单向离合器的应用情况

2.2 起单向约束作用的单向离合器的安装方法

起单向约束作用的单向离合器可采用转动方向分析法进行安装，根据前文对其作用、结构和原理的分析，安装时必须能够确保与单向离合器相关联的传动机构某元件的转动状态：以图2(b)为例，固定单向离合器的外座圈，传动机构某元件能顺时针旋转，不能逆时针旋转。

值得注意的是，由于自动变速器的差别，传动机构某元件可能与单向离合器外座圈连接，内座圈被固定，安装方法与上文所述相同。

3 与离合器并联的单向离合器

3.1 与离合器并联的单向离合器的应用情况

与离合器并联的单向离合器是将单向离合器和离合器平行安装，其两端与某行星排中的两个元件相连接的情况，丰田A540E、宝马4HP-24、丰田A340E等自动变速器都有所应用。图3所示为丰田A340E超速排的应用实例，虽然丰田A340E自动变速器在实际车辆中基本处于淘汰状态，但是该款自动变速器依然作为典型辛普森式代表，广泛出现在各出版社《汽车底盘电控系统检修》教材中，且多数教材对此处单向离合器的结构、作用和安装方法分析不够完善，下面进行详细分析。

通过图3(a)不难看出，离合器和单向离合器并联同时连接丰田A340E超速排中的行星架和太阳轮[3]。当液压制动器工作时，即超速排太阳轮被固定(也可视单向离合器内座圈固定)，此时超速排行星架作为动力输入能顺时针旋转，可推断出楔块式单向离合器的结构如图3(b)所示。

图 3 与离合器并联的单向离合器的应用实例

假设丰田A340E超速排无单向离合器，当动力输入的瞬间，视输出端(齿圈)不动，则太阳轮速度比行星架速度要快，势必加剧离合器工作时的自身摩擦，减少其使用寿命；另外发动机刚启动系统尚未建立正常油压时，离合器处于半接合状态致使其摩擦片打滑而加剧磨损。如果有单向离合器，虽然有太阳轮转的快、行星架转的慢的运动趋势(图3(b)所示快慢方向)，但是此时单向离合器处于卡死状态，保证了行星架和太阳轮必然是同速同向旋转，即可避免上述弊端。

丰田A340E超速排单向离合器的另一作用是改善3档升至超速档4档时的换档平顺性。丰田A340E自动变速器通过切换超速排中液压制动器和离合器的油路来实现3档和4档的变换。当3档升4档时，由于油路设计中液压离合器泄油速度比液压制动器充油速度快，即出现液压离合器已经释放但液压制动器尚未完全接合而致使超速排出现打滑空转，发动机转速迅速升高，产生换档冲击现象。由于单向离合器的存在，可避免上述现象发生，同时当液压制动器完全接合时自动退出工作。

3.2 与离合器并联的单向离合器的安装方法

利用转动方向分析法进行安装，以图3(b)为例做介绍，根据前述对丰田A340E超速排单向离合器的作用和结构分析，安装时必须能够确保与单向离合器相关联的行星架和太阳轮正确的转动状态：太阳轮固定时，行星架能顺时针旋转，不能逆时针旋转；行星架固定时，太阳轮能逆时针旋转，不能顺时针旋转。

4 与离合器串联的单向离合器

4.1 与离合器串联的单向离合器的应用情况

与离合器串联的单向离合器是将单向离合器串联于离合器的动力传入路线中，其主要作用是有选择地限制离合器的动力输入。其应用类型如图4所示，有单向离合器正装和单向离合器反装两种基本类型。

图 4 与离合器串联的单向离合器的应用类型

如图5所示，以别克君威轿车的4T65E自动变速器变速传动机构为例介绍其基本应用，离合器C2、C3分别与单向离合器F1、F2串联使用，F1、F2都采用楔块式结构；单向离合器F3采用滚柱式结构[4]。F3与前述图2(b)应用类型相同，后面不赘述其作用、结构和原理。根据换档执行元件C3为一档输入离合器[4]，即：C3工作时，动力可通过单向离合器F2(此时F2内、外座圈应处于卡死状态)传递至前排太阳轮；而F1与F2安装方向正好相反，故可推断出F1、F2的结构如图6所示，图中箭头为顺时针旋转方向。

单向离合器F1、F2的工作情况可分为以下几种类型：

1.C2或C3单独动力输入

当离合器C2或C3单独动力输入时，利用F2的内、外座圈和楔块卡死现象将动力传递至前太阳轮，而F1外座圈可以自由旋转不能将动力传递至前太阳轮。

2.C1和C2同时动力输入

当C1和C2同时动力输入时(忽略其他约束条件)，一开始，动力经C1传递至前行星架(前齿圈为输出端，可视为不动)，而单向离合器F1的结构使C2无动力传递至前太阳轮；此时，可视前排行星架输入、太阳轮输出、齿圈固定的动力传递情况，形成前太阳轮速度转的比前行星架要快的趋势，即有单向离合器F1的内座圈转的比外座圈要快的趋势，出现单向离合器F1被卡死而形成一个整体传力；前太阳轮和前行星架同速同向旋转。由于C3没有工作，单向离合器F2的外座圈无约束，当前太阳轮顺时针转动时，单向离合器F2处于不工作状态，允许前太阳轮顺时针转动。

图 5 别克君威轿车的4T65E自动变速器的变速传动机构

图6 单向离合器F1、F2的结构

3.C1和C3同时动力输入

当C1和C3同时动力输入时(忽略其他约束条件)，分析方法与C1、C2同时有动力输入情况类似，因单向离合器F2的安装与F1正好相反，因此单向离合器F2不会出现卡死而形成一个整体进行传力，即前行星排不能传力。由于C2没有工作，F1也处于不工作状态。

4.2 与离合器串联的单向离合器的安装方法

利用转动方向分析法进行安装，以图5为例做介绍，根据前述对别克君威轿车的4T65E自动变速器中单向离合器F1和F2的结构、工作情况分析，安装时必须能够确保与之相关联的输入轴(与单向离合器外座圈转动方向相同)和前排太阳轮(与单向离合器内座圈转动方向相同)正确的转动状态，具体如下：

当前、后行星齿轮排安装好后，由于单向离合器F1和F2共用内座圈[4]，首先安装内座圈，然后安装F2的外座圈总成(含楔块及保持架)，确保当共用内座圈固定不动时，F2的外座圈总成能逆时针旋转，不能顺时针旋转；最后安装F1的外座圈总成(含楔块及保持架)，确保当共用内座圈固定不动时，F1的外座圈总成能顺时针旋转，不能逆时针旋转。另外，F1和F2的外座圈总成外观非常类似，不易区分，拆装时务必做好标记，千万不能装错。

5 结论

本文总结出的各种应用类型基本概述了目前研发生产的各类型自动变速器中单向离合器的实际使用情况，以丰田A340E自动变速器和别克君威轿车4T65E自动变速器为应用实例详细分析与离合器并联和串联的单向离合器的作用、结构、工作原理和安装方法，希望文中应用实例的分析对其他自动变速器与应用实例相类似的情况分析起到举一反三的效果；另外，文中采用转动方向分析法对不同应用类型的单向离合器进行安装，其优点是不受限于单向离合器的外观结构或安装标记，可避免安装方向混淆，是值得推荐的一种安装方法。

[1]薛矫智.单向离合器对自动变速器性能影响[J].汽车工程师，2009(10):45-48.

[2]杨勇，黄向东，赵克刚，等.单向离合器接合过程对变速器换档特性的影响[J].湖南大学学报(自然科学版)，2016(4)：44-51.

[3]刘刚，屈亚锋.汽车底盘电控系统检修[M].北京：中国铁道出版社，2017:43-53.

[4]曹利民，吴利军.别克君威轿车维修手册[M].北京：机械工业出版社，2004：188-253.