通用10L80E自动变速器各挡动力传递分析

薛庆文

随着汽车工业的飞速发展，安全、环保、智能和创新等技术要求不断在新的车型上得到应用。为了满足各种法规要求，在内燃机车型传动系统中，不得不通过增加变速器挡位数量，来拓宽传动范围及新的控制功能，来满足日益增高的车辆排放及舒适性等要求。

目前，美国通用和福特公司合作共同推出的10挡自动变速器10L80E已经问世并装车。挡位数越来越多自然是好事，可是对于维修技术人员来说，在分析各挡动力流时，还存在一定的难度。过去维修技术人员都习惯使用杠杆分析法、矢量图法及能量守恒公式计算法等，来分析各个挡位的动力传递过程。由于这类的计算法相当麻烦且大部分维修技术人员都不具备这方面的能力，而其他方法分析起来也不尽人意，因此目前在市场及教学中，行星齿轮各挡位的动力流分析几乎被淡忘甚至没有分析。

对于变速器维修技术人员来说，懂得动力流分析能够在各挡位出现故障时做出快速准确的判断。为此笔者将通过单级单排行星齿轮传递规律，用最通俗的语言来分析通用10L80E型10挡自动变速器各动力挡位的动力传递过程。

通用10L80E是一款适用于后轮驱动的自动变速器，采用6个终端用油元件（4个离合器和2个制动器），再加上一个单向离合器，共同控制着4组单级单排行星齿轮组，可实现动力挡位11个（10个前进挡和1个倒挡）。每一个动力挡位都需要4个终端元件参与控制行星排来实现，相邻2个挡位的切换，只需要2个挡位中2个元件交替参与即可（1个接合而另一个释放）。单向离合器F1仅在1挡和2挡中参与，其他挡位都处于滑转状态。通用10L80E自动变速器结构示意简图如图1所示，各终端元件在各挡位的工作情况如表1所示。

（1）P/N挡

在P/N挡起动发动机后，虽然没有动力传递过程，但是变速器内部已经有3个元件提前参与工作，其主要目的是为接下来要换接的动力挡位（R挡和1挡）做好准备。因为需要4个元件参与才能完成一个挡位的动力传递，所以接下来无论是换倒挡还是前进挡，只要再有1个元件参与就可以了。这样的控制可以大大缩短多个元件同时参与的工作时间。因此当选挡杆在P/N挡起动发动机后，制动器A、制动器B和离合器E提前参与工作（图2），此时无动力传递过程。

（2）R挡

在P/N挡起动发动机后，变速器的3个预备元件工作后已经充分做好了接下来动力挡位的准备。当换挡杆换入R挡后，离合器D参与工作（图3），此时倒车功能被实施。

在P/N挡时，制动器A和制动器B参与工作，仅仅是把第1行星排的所有元件固定不能旋转，同时还把第4排齿圈固定（第1排行星架与第4排齿圈刚性连接）。即使当离合器E参与工作，也起不到任何动力连接作用，所以P/N挡时即便有执行元件A、B、E的工作，也不会有动力传递过程。

可是当离合器D参与工作时就不一样了。由于离合器E之前就已经工作，所以离合器D工作后，D+E组合则把第1排行星架和第三排行星架连在一起。由于制动器A和制动器B的工作已经将第1排所有元件都固定住不能旋转，因此就会导致第3排行星架和第4排齿圈也被固定（制动）。R挡时动力传递如下。

发动机的动力首先经变速器输入轴传递至第2排行星架，由于第1排太阳轮和第2排太阳轮刚性连接，所以第2排太阳轮也被固定（A+B的结果）。此时在第2排行星排中就出现行星架输入、太阳轮被固定，齿圈超速输出的结果（超速顺向输出结果）。

由于第2排齿圈又和第3排太阳轮属于刚性连接，所以动力流就传递至第3排中，且在第3排出现了太阳轮输入、行星架被固定（A+B+D+E的结果），齿圈大速比反向减速输出的结果。由于第3排齿圈又和第4排太阳轮也属于刚性连接，因此第3排的动力流又传递至第4排中，这样在第4排就出现了太阳轮逆时针输入、齿圈被固定（A+B的结果），行星架反向大速比减速输出的结果，从而完成R挡动力传递过程。

整个动力传递经过了第2排的超速输出、第3排的大速比减速换向输出及第4排的大速比减速输出，最终完成倒挡动力传递过程。

（3）1挡动力传递

同样，如果从P/N直接换入D挡后，离合器F参与工作，如果从R挡换入D挡则是离合器D释放、离合器F接合的结果。1挡时动力传递如下（图4）。

制动器A和制动器B工作后，不仅将第1排所有元件固定不能旋转，同时由于第1排行星架和第4排齿圈属于刚性连接，因此第4排齿圈也被固定不能旋转。离合器F参与工作后，发动机动力流直接经变速器输入轴传递至第3排齿圈和第4排太阳轮上。这样在第4排行星排中，就出现太阳轮输入、齿圈被固定，行星架大速比减速顺向输出的结果。

整个1挡动力传递过程仅在第4排完成。虽说在第2排也有动力传递过程（行星架输入、太阳轮固定、齿圈输出），而且到了第3排虽然有2个元件同方向不同速度输入（太阳轮超速、齿圈為输入轴转速），但输出被中断（行星架空转）。

（4）2挡动力传递

当变速器从1挡换入2挡后，离合器F释放、离合器C替代其接合，此时由于离合器C的参与再加上原来离合器E的工作，这样就把第2排齿圈和第3排行星架连接在一起。同时本身第2排齿圈就和第3排太阳轮属于刚性连接，所以第2排齿圈的转速就是第3排所有元件的转速。2挡动力传递如下（图5）。

输入轴的动力传递至第2排行星架，此时太阳轮被固定（制动器A和B的结果），齿圈超速顺向输出。离合器C和

离合器E的参与将第2排齿圈的动力传递至第3排行星架上。由于第3排齿圈又和第3排太阳轮刚性连接，因此第2排齿圈的输出动力又传递至第3排太阳轮上。这样，同一元件输出的动力和相同转速同时传递给一组行星排的2个元件上，就会导致这个行星排形成一个整体旋转的结果。因此在第3排中所有元件的转速就是第2排齿圈超速输出的转速，相当第3排是1：1的输出过程，只不过转速要高于输入轴转速。同时由于第3排齿圈又和第4排太阳轮属于刚性连接，因此第3排齿圈又将第2排齿圈超速输出的动力传递至第4排太阳轮上，最终在第4排里出现太阳轮输入、齿圈被固定（A+B的结果），行星架大速比减速顺向输出的结果，并完成2挡动力传递过程。

与1挡相比，2挡动力传递中第4排的太阳轮转速加快。1挡时是输入轴转速，2挡时是高于输入轴转速（主要跟第2排的传递有关），但仍然是大速比的减速挡。

（5）3挡动力传递

变速器进入3挡时，离合器F再次重新参与工作，同时制动器B释放停止工作。此时动力传递如下（图6）。

发动机的动力经输入轴传递至第2排行星架上，离合器F的工作将发动机动力经输入轴传递至第3排齿圈和第4排太阳轮上。离合器C和E的介入，将第2排齿圈与第3排所有元件刚性连接在一起（本身第2排齿圈就和第3排太阳轮本身就是刚性连接的），这样发动机动力经输入轴再经F+E+D传递至第2排齿圈上。

由于输入轴本身与第2排行星架就是刚性连接关系，所以第3排和第2排行星排就会变成一个整体，并与输入轴转速相同。由于第2排太阳轮又和第1排太阳轮属于刚性连接关系，因此输入轴的动力（转速）又传递至第1排太阳轮上。这样，在第1排里就出现了太阳轮主动、齿圈被固定（制动器A作用的结果）、行星架大速比顺向减速输出的结果，并把这个特别慢的减速输出传递至第4排齿圈上。在第4排行星排中，由于离合器F的工作，输入轴的转速（动力）便传递至太阳轮上，这样在第4排中就出现了2个元件同方向、不同转速的输入结果。

至此，就要看第3个元件的输出转速是高于输入轴还是低于输入轴。这里肯定不会是1：1的直接挡，因为太阳轮转速跟输入轴相同，而齿圈转速则远远低于输入轴转速，即便齿圈转速与输入轴转速相同，那也只是直接挡而已，达不到超速挡。所以只要齿圈转速低于输入轴转速，那么最终输出的还是大速比的低速挡（太阳轮输入齿圈被固定不转，是最慢的1挡，所以齿圈的转速只要达不到跟太阳轮（输入轴）转速相同，都是减速挡），齿圈转速越快就会越接近于1：1的直接挡。

因此3挡的动力传递中，太阳轮是输入轴转速，而齿圈是第一排大速比减速输出转速，也就是转速特别慢（可视为固定）。当然齿圈一旦转起来，就会比1挡的速度快一点。而2挡时齿圈还是被固定，只不过提升了太阳轮的转速而已，而最终还是大速比的减速挡。这一切都来自单级单排行星齿轮的传递规律（行星架主动超速、行星架从动减速以及行星架固定输入与输出方向相反）。

图63挡时的动力传递（6）4挡动力传递

变速器换入4挡时，离合器F释放而离合器D接合，此时动力传递并未中断（图7）。3挡时离合器C和E实传递的是来自F的动力转速，而4挡时离合器C和E则开始传递来自第4排齿圈的动力，这样就会立即降低了整个第3排和第2排齿圈的转速。由于第2排行星架的转速是输入轴转速，因此在第2排就出现2种输入转速的关系：行星架是输入轴转速、齿圈是远低于输入轴的转速，此时我们可以视为齿圈是被固定的（与行星架转速差过大），因此在第2排就出现了太阳轮超速输出的结果（当然齿圈并非真正被固定）。

这个超速输出结果传递至第1排太阳轮上，这样在第1排中得到这样的结果：太阳轮以高于输入轴转速输入、齿圈被固定、行星架大速比减速输出，但此时由于太阳轮在增速

（3挡时该太阳轮转速为输入轴转速），因此行星架输出转速也随之提升，最终使第4排齿圈和太阳轮转速同步提升，但最终4挡还是低于输入轴转速的减速挡。

4挡得以实现后，其实在第2排当中虽然齿圈速度得以提升，但毕竟与行星架还存在一定的转速差，所以第2排和第2排太阳轮转速还是高于输入轴转速的。最终传动比变化取决于第1排和第2排，第3排和第4排为整体减速输出。

（7）5挡动力传递

变速器换入5挡时，离合器E释放而离合器F再次被接合（图8）。此时第2排齿圈转速就是第4排齿圈转速（4挡速度），第2排输入行星架与齿圈仍然存在一定量的转速差。所以第1排太阳轮仍然还是以高于输入轴转速进行输入，但由于齿圈被固定（制动器A作用下），因此行星架仍然是大速比输出至第4排齿圈。

由于离合器F的重新启用，所以第4排太阳轮的输入转速（输入动力）就是来自于变速器的输入轴，这样第4行星排中就出现了太阳轮以输入轴转速输入，齿圈以低于输入轴转速输入的结果，最终导致行星输出转速仍然是低于输入轴转速。其原因是，在单级单排齿轮传递规律当中，行星架输出为减速挡，而由于齿圈转速低于太阳轮转速（可视为被固定），因此只有齿圈转速等于太阳轮转速时，变速器传递的才是1：1的直接挡。只要齿圈转速低于太阳轮转速，永远都是减速挡。

（8）6挡动力传递

变速器换入6挡时，离合器C释放，取而代之的是离合器E再次被接合（图9）。这样第4排齿圈的转速（4挡时转速）被传递至第3排行星架上，而离合器F的继续工作，又把输入转速传递至第3排齿圈上。因此在第3行星排就出現了齿圈以输入轴速度输入、行星架以低于输入轴转速（4挡和5挡时速度）输入的结果。此时第3排元件太阳轮则以低于输入轴转速（单级单排齿轮传递规律的结果，只有行星架转速等于齿圈速度时，才是1：1的直接挡）输出至第2排齿圈上。

此时第2排齿圈的转速相比4挡和5挡时低了一些，因此在此基础上第2排行星架是以输入轴转速输入，而齿圈的速度相比之前的挡位又慢了一些，最终导致输出太阳轮转速进一步得到提升。这也相当于第1排太阳轮转速得到提升，从而让第1排行星架及第4排齿圈转速得以提升，并越来越接近直接挡，且快于5挡。

（9）7挡动力传递

变速器换入7挡时，制动器A释放不再工作，而离合器C参与接合，此时变速器的4个离合器全部参与工作。根据该变速器4组行星齿轮组的结构特点，当4个离合器全部工作时，所有行星齿轮组全部形成一个整体，得到的结果就是既不增速也不降速，输入与输出一致，传动比为1：1，所以7挡是直接挡（图10）。

（10）8挡动力传递

既然7挡属于直接挡，那么8挡、9挡和10挡就一定是超速挡了。当变速器进入8挡时，离合器C再次被释放而制动器B再次被接合。此时动力传递如下（图11）。

发动机动力通过变速器输入轴直接传递至第2排行星架上，由于制动器B把太阳轮固定（制动器B直接固定第1排太阳轮，第1排太阳轮与第2排太阳轮刚性连接），此时在第2排就出现行星架输入，太阳轮被固定，齿圈超速顺向输出的结果，并把这个超速输出的结果传递至第3排太阳轮上。那么离合器F的工作，则把输入轴动力直接传递至第3排齿圈和第4排太阳轮上，这样在第3排中就出现了齿圈以输入轴速度输入，太阳轮以高于输入轴速度输入的结果，所以导致第3排行星架也是以高于输入轴转速输出（如果太阳轮转速跟齿圈转速相同，那么行星架输出转速也会相同，否则不是高就是低）。由于离合器E和D的参与，因此又把这个超速输出的结果传递至第4排齿圈上，最终在第4排出现齿圈以高于输入轴转速输入，太阳轮以输入轴转速输入，行星架则以高于输入轴转速输出，最终形成8挡超速挡。

（11）9挡动力传递

当变速器换入9挡时，离合器E被释放，离合器C再次被接合（图12）。此时还是从第2排看起，变速器输入轴直接把发动机动力传递至第2排行星架上，制动器B工作将第1排和第2排太阳轮固定，此时第2排齿圈则实现超速输出并传递至第3排太阳轮上。即便离合器F工作将输入轴动力传递至第3排齿圈上，由于离合器E不再工作，因此第3排在8挡中不提供具有传动比的动力传输。

由于离合器C和D的工作，直接把第2排齿圈超速输出动力传递至第4排齿圈上，并没有经过第3排。如果经过第3排就像8挡那样，其实会降低第3排行星架输出转速（虽然属于超速传动）。这样非常直接地在第4排实现了太阳轮以输入轴速度输入、齿圈以高于输入轴转速输入的结果，最终行星架以高于输入轴转速的超速输出，来完成9挡动力传递过程。与8挡的速度区别，就是齿圈的转速进一步得到提升。

（12）10挡动力传递

当变速器换入10挡时，离合器F被释放而离合器C再次被接合，此时动力流依然是从第2排开始（图13）。发动机动力经输入轴直接传递至第2排行星架上，制動器B工作将第1排和第1排太阳轮固定，此时第2排齿圈超速输出。离合器C、E和D的工作直接将第2排齿圈超速输出的动力传递至第4排的齿圈和太阳轮上。也就是说，第4排太阳轮和齿圈速度相同，且都是第2排齿圈的超速转速。虽说第4排整体旋转，但主要是来自第2排超速输出的结果。与8挡和9挡相比，主要是第4排的太阳轮转速得以超速提升。

（13）总结

现如今AT变速器的挡位数越来越多，一些低端家庭用车搭载的变速器至少都是6个前进挡位，而中高端车型都已经开始使用7挡、8挡、9挡乃至10挡变速器。因此对于多挡位变速器动力传递分析，难度越来越大。而在维修人员实际故障诊断工作中，离不开对行星齿轮动力流的分析，它能够对换挡品质、打滑以及缺挡等故障的判断，起到至关重要的作用。目前在国内汽车维修市场，大家都忙于快速解决维修问题，没有更多时间去研究与学习，而职教领域更缺乏对这方面知识的培训。所以导致越是难分析，就越不去分析。因此，笔者建议广大自动变速器维修人员，为了进一步了解和学习自动变速器的结构与控制技术，必须要掌握自动变速器动力传递分析的能力，以提升维修效率和维修质量。