奥迪8速0BW型自动变速器结构原理分析

2018-02-22南京交通职业技术学院蒋浩丰

汽车维护与修理 2018年15期

南京交通职业技术学院蒋浩丰

2011年11月，德国奥迪公司在新世纪的第一款混合动力车型上市了，这就是Audi Q5 hybrid quattro。这款高级SUV混合动力车使用的是经过改进的8速OBW型自动变速器，该变速器还在Audi A6 hybrid和Audi A8 hybrid车型上配备。该变速器具有动力传递效率高、噪音和振动小、换挡操作便捷、结构合理等优点。

1 8速0BW型自动变速器的结构

在配备传统自动变速器的车辆上，车辆起步是通过液力变矩器来实现的，液力变矩器将发动机转矩传递至行星齿轮机构。而在8速0BW型自动变速器上，通过双质量飞轮来消除发动机转矩振动，液力变矩器位置则被电驱动装置的电机V141（以下简称电机V141）和离合器F所取代。8速0BW型自动变速器的结构如图1所示。

1.1 电机V141

电机V141是一台永久励磁三相交流同步电机，定子的24个线圈产生的磁场会同步驱动装备着32块永久磁铁的转子，其结构如图2所示。电机V141的质量为26 kg，最大输出功率为40 kW（当发动机转速为2 300 r/min时），其最大输出转距为210 N·m。电机V141用于车辆纯电动起步和行驶，也可以用于起动发动机和车辆加速。为了高效利用混合动力技术，电机V141也可被当作发电机使用，这样可以将车辆的动能转化为电能储存在高压蓄电池内。

图1 8速0BW型自动变速器的结构

1.2 传动装置

8速0BW型自动变速器传动装置如图3所示。

1.3 齿轮组

8个前进挡和倒挡是通过4套简单的单排行星齿轮组（1套行星齿轮组包含1个太阳轮、3个行星轮和1个齿圈）的相应连接来实现的。前部2套行星齿轮组共用同1个太阳轮，动力通过第4套行星齿轮组的行星架输出，齿轮组结构如图4所示。

1.4 换挡元件

该变速器含有5个换挡元件（2个多片式制动器A和B，3个多片式离合器 C、D和E）负责切换8个挡位，换挡元件是通过液压来接合的，各个挡位均可以通过让A、B、C、D和E中的3个换挡元件的接合来实现。

离合器F用于将发动机与电机V141连接或断开。混合动力驱动时的工况（比如“用电机驱动车辆行驶”或“用发动机驱动车辆行驶”），是通过离合器F来实现的。

制动器B用做起步元件，为了让制动器B能承担起步元件的任务，该制动器进行了适配，对其稳定性、ATF质量和控制提出了较高要求。制动器B使用了6个摩擦衬片来传递转矩，这些摩擦衬片的直径相对于变速器壳体来说已经达到了最大。在控制方面，相对于其他换挡元件来说，制动器B的特殊之处在于，制动器B活塞的两侧各有一个压力腔（分别为压力腔B1和压力腔B2），压力腔B1用于让制动器B接合，压力腔B2用于让制动器B脱开，这样就提高了其接合与分离的质量。制动器B结构如图5所示。

图2 电机V141结构

图3 8速0BW型自动变速器传动装置示意图

图4 齿轮组结构

1.5 换挡路径

变速器换挡由变速器控制单元根据节气门开度和车速来确定。升挡过程只能执行顺序升挡，不可越级升挡。例如1挡升7挡，其换挡路径为：1挡→2挡→3挡→4挡→5挡→6挡→7挡。降挡过程可实现顺序降挡或越级降挡，根据当时具体车况决定。例如4挡降1挡，有以下3种降挡顺序：4挡→3挡→2挡→1挡；4挡→3挡→1挡；4挡→2挡→1挡。

0BW型自动变速器具体换挡路径如图6所示。

图5 制动器B结构

图6 0BW型自动变速器换挡路径

1.6 机电一体模块E26/9

机电一体模块E26/9用于带有选挡拉索的换挡操纵机构，Audi Q5 hybrid quattro车使用传统的选挡拉索来传递选挡杆位置信息和驻车锁的操作情况，这个选挡拉索铰接在变速器操纵杆上。变速器操纵杆通过换挡轴与驻车锁杆相连。驻车锁杆操纵纯机械式的驻车锁并通过一个销子推动行驶挡位传感器G676的滑块。行驶挡位传感器G676是机电一体模块的一个组件，该传感器的滑块上的磁铁会根据位置切换4个霍尔传感器。这些霍尔传感器的信号为变速器控制单元提供了所在挡位信息（P、R、N、D）。机电一体模块E26/9结构如图7、图8所示。

图7 机电一体模块E26/9结构1

图8 机电一体模块E26/9结构2

2 配备8速OBW型自动变速器的车辆工作原理

2.1 车辆准备完毕可以行驶

要想让车辆处于准备完毕可以行驶的状态，驾驶人必须踩下制动踏板且选挡杆置于P挡或N挡。按下START（起动）按键，就可以激活高压系统和12 V系统，系统会自动监测高压蓄电池充电状态。

（1）如果高压蓄电池的绝对充电状态低于25%，组合仪表上就会提示“当前无法起动车辆”。随后应使用充电器为高压蓄电池充电，充电电流最小为30 A，最大为90 A。

（2）如果高压蓄电池的绝对充电状态低于34%，那么在按下START按键后，电机V141就开始工作。另外变速器机油辅助液压泵V475和机械驱动的ATF泵会产生足够大的系统压力来让离台器F接合，于是电机V141就能够起动发动机。在选挡杆仍位于P挡或N挡时，发动机起动后，电机V141就会被当成发电机使用。这时电机V141通过已接合的离合器F而被驱动，用于给当前的用电设备供电。发动机通过将怠速提升至1 430 r/min从而为电机V141提供足够的动力。随后，组合仪表上就会显示“hybrid ready”（混合动力准备就绪），且功率表上指针指在“READY”（准备就绪）这个位置。

（3）如果高压蓄电池的绝对充电状态高于34%，那么电机V141就短时间运行一下，属于例行检查，变速器机油辅助液压泵V475以最低功率工作，在尚未将选挡杆切换至D挡、S挡或R挡前，制动器A就已接合，且制动器B也已经处于离合器接合点状态。随后，组合仪表上就会显示“hybrid ready”状态信息，且功率表上指针指在“READY”这个位置。

用电机V141实现车辆“首次起步”的前提条件是：车辆处于准备完毕可以行驶的状态（hybrid ready）；高压蓄电池的绝对充电状态高于40%；环境温度高于10 ℃；电气系统有效功率大于15 kW；高压蓄电池温度高于10 ℃且低于55 ℃；电机V141的温度在规定值范围内；起动机B可以使用；挡位S和tiptronic模式未激活；车辆所处的海拔高度不超过4 000 m；发动机冷却液温度高于5 ℃且低于50 ℃；变速器并未要求起动发动机。一旦满足用电机V141实现车辆“首次起步”的这些前提条件，驾驶人就可以自行决定是用发动机还是用电机V141来让车辆起步。如果驾驶人要用电机V141来让车辆起步，那么在车辆处于准备完毕可以行驶状态（hybrid ready）后，驾驶人在将选挡杆切换至D挡、S挡或R挡前30 s内必须按下EV按键；如果驾驶人没有在30 s内按下EV按键，那么发动机就会起动。

2.2 车辆起步

车辆处于准备完毕可以行驶的状态，如果将选挡杆切换至D挡或S挡，制动器A和离合器C就会接合，且预选了1挡。如果将选挡杆切换至R挡，那么除了制动器A接合外，离合器D也接合，且预选了R挡。而制动器B在起步时才会接合，它用作起步元件。

2.3 纯电动行驶

纯电动行驶的前提条件是，高压蓄电池的绝对充电状态不低于34%。如果高压蓄电池的绝对充电状态低于34%时，那么发动机就会起动，此时发动机驱动车辆行驶并给高压蓄电池充电。

纯电动行驶时，以1挡的动力传递为例，动力传递路线如图9所示，此挡位下工作的换挡元件有制动器A、制动器B和离合器C，传递路径为电机V141→变速器输入轴→离合器C→S4→P4→PT4→变速器输出轴。

2.4 用发动机驱动车辆行驶且电机V141以发电机模式工作

用发动机驱动车辆行驶且电机V141以发电机模式工作时，离合器F处于接合状态。如果高压蓄电池的绝对充电状态不超过70%，那么电机V141将作为发电机使用。如果高压蓄电池的绝对充电状态达到70%，那么发电机模式将会被关闭。如果电机V141没有用作发电机，也没有用于驱动车辆行驶，那么它就是在无负载运行（即所谓的空转）。发电机的功率是所有当前用电设备（12 V电网上的所有用电设备和空调压缩机）消耗的功率加上蓄电池（高压蓄电池A38和12 V蓄电池A）充电所消耗的功率之和。

用发动机驱动车辆行驶且电机V141以发电机模式工作时，以1挡的动力传递为例，动力传递路线如图10所示，此挡位下工作的换挡元件有制动器A、制动器B和离合器C，传递路径有2种，其中一条传递路径为发动机→离合器F→变速器输入轴→离合器C→S4→P4→PT4→变速器输出轴；另外一条传递路径为发动机→离合器F→电机V141。

2.5 2种动力共同驱动车辆行驶

在车辆行驶过程中，如果高压蓄电池已充足电，那么在使用发动机驱动车辆行驶时，也会适当接通电机V141来工作，避免发动机以极大的功率工作，也节省了燃油，并且又释放掉了高压蓄电池部分电能，这样高压蓄电池又能通过能量回收而获取电能。

用2种动力共同驱动车辆行驶时，以1挡的动力传递为例，动力传递路线如图11所示，此挡位下工作的换挡元件有制动器A、制动器B和离合器C，传递路径有2种，其中一条传递路径为发动机→离合器F→变速器输入轴→离合器C→S4→P4→PT4→变速器输出轴；另一条传递路径为电机V141→变速器输入轴→离合器C→S4→P4→PT4→变速器输出轴。

图9 纯电动行驶时1挡动力传递路线

图10 发动机驱动车辆行驶时1挡动力传递路线

2.6 车辆滑行时的能量回收

在车速不超过160 km/h且高压蓄电池的绝对充电状态不超过80%时，一旦驾驶人松开加速踏板且没有对车辆施加制动，发动机控制单元就会激活能量回收功能并开始回收能量。在这个过程中，离合器F脱开，发动机关闭。电机V141会被车辆的动能驱动，在这种能量回收过程中电机V141是以可控发电机模式工作，负责为用电设备供电，并为高压蓄电池充电。这时电机V141将会最大可达30 N·m的转矩加载到变速器输入轴上，这个转矩在超速减速工况时可以起到类似于发动机制动效果的制动作用。在能量回收过程中，变速器会根据相应的车速来挂入相应挡位。因此，就可以在需要时，通过让离合器F接合来接上发动机的动力。

车辆滑行时，以2挡的动力传递为例，动力传递路线如图12所示，此挡位下工作的换挡元件有制动器A、制动器B和离合器E，传递路径为变速器输出轴→PT4→P4→S4→离合器E→H2→P2→PT2→变速器输入轴→电机V141。

图11 2种动力共同驱动车辆行驶时1挡动力传递路线

图12 车辆滑行时2挡动力传递路线

2.7 车辆滑行时发动机接管制动

如果高压蓄电池的绝对充电状态高于80%，高压蓄电池将不再充电，因此，也就不会有电机V141作为发电机使用时的那种制动作用了，于是制动作用由发动机来承担。通过让离合器F接合而接上发动机来承担超速减速工况（反拖）时的制动，电机V141将作为发电机来使用，并为当前的用电设备供电。

车辆滑行时，以2挡的动力传递为例，动力传递路线如图13所示，此挡位下工作的换挡元件有制动器A、制动器B和离合器E，传递路径有2种，其中一条传递路径为变速器输出轴→PT4→P4→S4→离合器E→H2→P2→PT2→变速器输入轴→电机V141；另一条传递路径为变速器输出轴→PT4→P4→S4→离合器E→H2→P2→PT2→变速器输入轴→离合器F→发动机。

2.8 空转模式

空转模式也称空转功能或自由滑行。在空转模式时，不会形成类似于发动机制动那种作用，且也不会给高压蓄电池充电。空转模式在车速低于160 km/h 时才会出现，这点与超速减速工况时的能量回收功能是一样的，就是说既不踩加速踏板也不踩制动踏板。在空转模式时，离合器F会脱开，以便断开发动机，于是发动机的制动功效就不起作用了。

车辆节省了燃油且会在无驱动力的情况下滑行到车辆停住为止（只要高压蓄电池的绝对充电状态不低于34%），随后发动机会被起动以便充电。配备有0BW变速器的车辆，在空转模式时，其传动系并没有完全与动力源断开。电机V141会以发电机模式在低负荷下工作，用于改善声响。在发电机模式时电机V141所产生的电能一般是不够用于给当前用电器供电或用于给高压蓄电池充电的。变速器会根据车速来变换挡位，这样在踩加速踏板时会有相应的挡位以供使用。

2.9 制动能量回收

与超速减速工况时的能量回收一样，制动能量回收也是回收车辆动能，制动能量回收不受车速限制。在制动能量回收过程中，电机V141会被车辆的动能驱动，从而以可控发电机模式工作，并为用电设备供电和高压蓄电池充电。在这种情况下，发电机转矩（最高可达200 N·m）作用到变速器输入轴上，于是形成所谓的“电动制动作用”。

一旦高压蓄电池的绝对充电状态达到80%，那么它将不再充电，制动能量回收也不再工作。在这种情况下或制动能量回收所产生的制动效果不够用时，就由液压制动器来增强或者干脆取代制动能量回收所产生的制动效果。

在制动能量回收过程中，以2挡的动力传递为例，动力传递路线如图14所示，此挡位下工作的换挡元件有制动器A、制动器B和离合器E，传递路径为变速器输出轴→PT4→P4→S4→离合器E→H2→P2→PT2→变速器输入轴→电机V141。