自动变速器的阀体检测技术
——ATF流量测试法(一)

◆文/上海 齐明

在一般的阀体检测设备上，普遍使用油压来作为检测指标，但是在某些情况下油压看上去可能在正常范围，但是变速器的润滑流量却处于低于正常值的状态，这将导致极其严重的后果，经常遇到的结果就是汽车半路抛锚，于是不得不去找拖车，将车拖回修理厂返修变速器。对于变速器维修厂来说，这样的返修情况将产生很大的维修成本，因为变速器内很多零件可能已被烧毁。为了有效降低这样后果严重的返修，我们会发现对车辆进行ATF的流量检测是一个非常有效而成本低廉的方法。

一、ATF流量测量原理和变速器的油路循环

为了理解ATF流量测量为什么是一个有用的检测手段，我们首先要理解变速器内一个重要的油路循环：油泵-阀体-变扭器-散热器的油路循环。从图1可以看到，油泵、主调压阀、变扭器油路和散热器润滑油路实际上处于串联关系，按先后次序联系在一起的。这其中的任一部分出现变化，都会直接影响到其它的部分。这里我们将要深入探讨这些系统是如何相互联系在一起的，以及流量检测在其中的作用。大多数变速器的油路循环本质都是一样的，都可以由图1显示出来。

如图1所示，ATF油通过油泵被压入阀体，进入阀体后首先通过主调压阀，主调压阀一方面调节变速器内的主油压，另一方面，它控制着主油路进入变扭器供油油路的通道，来自油泵的油通过主调压阀的控制被输入到变扭器中，为变扭器充油。ATF在经过变扭器后温度已很高，然后进入散热器，注意此时ATF油已经流出变速器了，在经过散热器后，ATF油重新流回变速器，这时ATF油作为润滑油为行星轮提供润滑降温。如果此时回流入变速器的ATF流量不足，将会直接导致齿轮磨损，油温升高，变速器传动系统失效，这时就需要叫拖车来把车拖走了。ATF油在进入变速器后最终汇集到处于最下方的油底壳，完成了一个循环。然后又重新被油泵打入阀体，周而复始。这个油路循环非常重要，其中每一个环节出现问题，都会直接影响变速器的运行。

图1 变速器最本质的油路循环

二、理解主调压阀

主调压阀是这个油路循环中的核心部件。油泵可以产生非常大的油压，主调压阀能将油压限制或调节在变速器中通常的50~250psi(磅/平方英寸，美制压力单位)的范围内。经过调制的主油路压力的变化范围是由分别位于主调压阀两端的弹簧和油路压力共同决定的。在通常情况下，弹簧和来自增压阀的增压信号压推动主调压阀向一个方向运动，而另一端的平衡油压阻止或反向推动主调压阀，从而使主调压阀处于一个平衡调节位置。在车辆启动时，PR阀平衡端的油压逐渐升高，在达到一定值后，主调压阀会克服弹簧(以及增压阀)的压力，朝它的平衡调节位置移动。一旦油泵产生了足够大的油路压力将主调压阀推入它的平衡调节位置，主调压阀会将多余的油泵容量导入泄油孔，或导回油泵的吸入端。

很多维修技师都不太清楚主调压阀是如何来调节主油压的，尤其是主调加阀往哪边运动会升高主油压，哪边会降低主油压。其实，不论何种变速器，主调压阀的一端总有个弹簧，而另一端则总与平衡油路相连，这个平衡油压就是主调压阀要调节的主油压。主调压阀的位置其实是平衡油路压力来平衡的。在弹簧的一边是增压阀，增压阀受到EPC压力以及倒挡油路的压力，将增大的压力作用在弹簧上，从而推动及调节主调压阀的位置，以达到调节压力的作用。很多人在理解主油压的调节时会被虎克定律引入歧途，因为根据弹簧的虎克定律，主调压阀越压缩弹簧(即图2中所示往左边运动)，用来平衡弹簧力的主油压就要越高。但是事实恰恰相反，主调压阀越往离开弹簧的方向移动(即图2中往右的方向)，主油压就会越高。为什么会这样呢？这里理解主调压阀的关键在于这个阀旁边的两个油路通道，一个是变扭器/润滑油路，另一个是将油传回油泵吸入端的泄油孔，而弹簧的虎克定律在这里几乎可以忽略不计。

图2 主调压阀的平衡位置与非平衡位置

在图2中，当主油压阀处于正常的平衡位置时，弹簧力和主油压相平衡，油从油泵进入主调压阀，一部分用来供给变扭器和润滑油路，多余的油则从泄油孔排出重新回到油泵。一旦由于某种换挡操作而导致主油路突然下降，这时主调压阀就会被弹簧推动往右移动，主调压阀进入非平衡位置(如图2右侧所示)，变扭器/润滑油路这时被切断，泄油孔也会主调压阀堵上了，由于油泵的运转，主油压很快就回升了，于是主油压又将主调压阀朝弹簧方向顶回了它的平衡位置，这样主调压阀就完成了主油压的调节工作，同时变扭器/润滑油路和泄油孔又重新打开。反之，如果主油压突然增大，主调压阀就会被推向弹簧一端，同时变扭器/润滑油路和泄油孔会打开得更大，更多的油被排出以使主油压降低，这时主调压阀会重新回到其平衡位置。

由此可见，主调压阀有两个最主要的功能：第一个功能大家都知道，就是调节主油路的压力，但是第二个作用常常不为人所重视，那就是对变扭器和润滑油路的供油。重要的是这两个功能是分主次的，主调压阀首先满足调压的功能，只有在调压功能满足后才开始对变扭器和润滑油路正常供油。如果油压过低，主调压阀自然会切断通向变扭器的供油通道，直到油压上升到主调压阀推回平衡位置位置。然而这正是很多变速器和变扭器隐含的故障所在。设想如果油泵太弱，或者变速器内部的漏油太严重导致主油压下降，那么主调压阀就会长时间处于如图2右侧图中的非平衡位置以调节油压，这会产生一系列非常严重而又很常见的现象，由于变扭器/润滑油路供油不足，会使变速器油温升高，行星轮以及各离合器的摩擦片由于润滑不足而过早失效。同时，变扭器由于供油不足会导致车辆无法开动，TCC锁止打滑，大量热量产生而导致变扭器、ATF油以及整个变速器过热。因此，在下次更换烧坏的摩擦片和油封的时候，不要只抱怨这些修包的质量，有可能问题的根源并不出在这些修包上。

如果图2中的主调压阀上最右边的一个控制圆柱或与之接触的阀孔部分发生磨损而导致油压泄漏会出现怎样的情况。从图中不难看出，如果此处发生漏油的话，主油路将会因泄漏而降低，因此主调压阀会被推向图中的右方，这是需要更高的主油压将调压阀推回平衡位置。如果油泵有这个能力并且变速器内部漏油还不太严重的话，这时基准主油压就会高于正常值，这时油压会偏高，而散热器流量可能正常。如果油泵太弱或漏油太严重，主调压阀无法回到平衡位置，这时油压可能正常，但变扭器/散热器流量就会不正常，于是就会出现上文提及的变扭器和润滑油路的问题。反之，如果主调压阀靠弹簧一端出现阀孔的磨损和泄漏，或是增压阀套出现磨损的话，主调压阀会被推向弹簧一边，导致基准主油压过低。很多变速器在达到一定里程数后主调压阀孔都会出现不同程度的磨损，许多表面的故障现象都能追溯到这个主调压阀。我们比较常见的ZF系列的变速器和大众系列的变速器都有这些问题，比如ZF4HP14，ZF4HP18，ZF5HP19，VW 01M/01N等。很多修理者开始往往会以为是电磁阀出了问题，因为EPC电磁阀也是调节主油压中的关键一环，而且有时更换全新电磁阀后就能解决问题，但随着里程数的增加，这种成功解决问题的概率逐渐降低，往往维持不了几个月，变速器就又回来返修了。这主要就是因为阀孔出现了机械磨损，导致了电磁阀对油压控制能力的降低，而并非电磁阀本身的质量问题。主调压阀运动频率高，主调压阀孔的磨损几乎是所有电控变速器在达到高里程数后的一个通病。一些技术比较好的修理厂在修复了主调压阀孔后，发现不但驾驶品质恢复如新，而且还省下了大量的电磁阀更换费用。

值得一提的是主调压阀的调节运动频率是很快的，尤其是如今的电控变速器普遍使用脉宽调制(PWM)的EPC电磁阀，其产生的高频率振荡油压信号使主调压阀以及相关的增压阀，另外还有同样用PWM电磁阀控制的TCC锁止调节阀都会出现磨损泄漏的情况。出于这种情况，变速器生产厂商就将这些关键的容易磨损的滑阀改成了黑色的。它的黑色涂层是通过阳极电镀的氧化铝，表面非常耐磨。但是这些阀会逐渐磨损铸铝做的阀体孔，产生漏油或卡阀等问题。主调压阀孔的内壁出现的这些磨损会降低主调压阀控制调节油压的能力，使主油压变化失常。这些关键阀孔的磨损往往被很多修理工所忽视，因为对阀体的解体和清洗需要相当的熟练程度，而且很多阀孔的磨损有时还难以用眼睛直接观察到。但学习掌握了前面各章节介绍的阀体诊断方法后，应该可以使修理者大大提高对阀孔磨损的检测能力，极大地消除在维修过程中存在的大量猜测因素。

由上可见，主调压阀的位置会影响通往变扭器的流量，以及通过散热器的ATF流量。图3显示了一个主调压阀如何控制变扭器/润滑油路的例子。图中显示了一个换挡过程中主油路压力和冷却器流量的变化。我们都可以看到的一个现象是在换挡过程中压力有一个瞬间的回落。如果我们同时观察主油压和流经冷却器的流量，会发现当主油压下降时，流经冷却器的流量也会有一个相应的变化。这是因为主油压的下降最终会作用在主调压阀的平衡油路端，阀的另外一端上的作用力于是克服降低了的平衡油压，将主调压阀推向它的非平衡位置。这将限制变扭器的供给油路。在主油压恢复以前，主调压阀始终处于这种状态。当主油压回复到足够大时，它会将主调压阀推回其原来的平衡调节位置。如果变速器的所有部件都处于运行良好的状态，这个主调压阀的变化过程是在瞬间完成的，这也是整个系统应该运行的方式。如果主调压阀停留在它的非平衡位置，问题就开始出现了。这意味着变扭器和润滑油路会被堵上。

图3 散热流量和主油压的关系

在主调压阀的任何一端上的问题都会导致主调压阀被置于非平衡位置。其一端可能会有太大的弹簧力或增压阀压力，使油泵承受过大的载荷(如图4中所示的：1a, 1b, 1c, 1d)。在主调压阀的另外一端，可能由于漏油或油泵太弱的原因导致平衡压力不够(见图4中的例子：2a, 2b, 2c, 2d)。我们来想象一辆正在上一个长坡的卡车：转速RPM很低，但所需的主油压很高。如果油泵输出不能维持所需的主油压，主调压阀将会被移到它的非平衡位置以调节油压。请记住，主调压阀首先调节油压，所以可以想到在这样的情况下主油压(以及离合器接合能力)可能接近于其正常值，但流经散热器的油流量或润滑油流量可能降到很小或完全没有了，其原因就在于主调压阀停留在它的非平衡位置上。试想在这关键时刻散热器中的油流量竟然降到了零，这是多么可怕！

图4 主调压阀引发故障的例子

主油路进入润滑油路的控制，在很多变速器的修理中的确是个问题。于是维修技师开始在主油路到润滑油路的通道上进行修改，在主油压和变扭器进油回路之间直接增加了一个油道，有点绕开了主调压阀，因而主调压阀即使处于非平衡位置，油也总会通过这个油道直接进入变扭器油路。那为什么变速器原厂制造商们不将这种主油路到润滑油路的修改方案做到变速器内呢？实际上，许多变速器生产商的确已经这样做了！在4L60-E中，主调压阀的柱塞上的小平台就是起到了这个作用。其他变速器则通过一个内置的节流孔或衬垫上的一个小槽口来实现这个作用。我们是否能自己钻一个主油路到润滑油路的通道呢？可以的，但结果几乎都是开的孔太大，以致太多的油进入变扭器，使变扭器内部压力过大，并且油可以无限制的双向流动，导致变扭器油回流以及很多其它的故障现象。阀体维修为什么很困难呢？其实要消除某一具体故障现象并不难，有很多方法可以用，但是你要做到不留后遗症就很难，因为在你还未真正找到故障根源时对油路做的修改往往会让你在消除了一个故障现象的同时又产生了另外的故障现象。真正做到无后遗症的阀体修复，往往需要借助于专业的修复方案和工具。图5就是一个例子，它显示了经改良的主调压阀(由美国SONNAX公司开发)，它们有一个内置的主油路到润滑油路的通道，并且还配有一个防止回流的单向阀，避免了车辆在熄火后变扭器油流回到油底壳。这样既解决了润滑油路的问题，又不留下任何不良副作用，这主要是因为针对阀体故障的根源，对零件进行了创新的改良设计。

图5 带有内部通道的主调压阀

三、油泵

大家可能已遇到过这些故障现象：行星轮反复烧毁，或者变扭器周围出现神秘的黑环，或者车辆在启动前需要等很长时间处于怠速状态。其实这些问题都可能与油泵有关系。通常对于油泵来说最受考验的时候是处于高温、怠速(当转速RPM很低时)、或在倒挡位时，在这些时候所需的油压较高，油泵的承载处于最高点。为了使变扭器内的锁止活塞保持脱离前罩壳的状态(即不锁止状态)，需要有足够的油流量从变扭器锁止释放油路流入变扭器。如果由于油泵不能维持足够的主油压，主调压阀将被推到它的非平衡位置并停留在那里，这意味着变扭器内部只有很少甚至没有油的流量，使变扭器的TCC锁止活塞拖住了前罩壳，导致怠速波动、引擎熄火、或TCC摩擦材料被磨损。一旦摩擦材料被磨光或过热，摩擦片将降低或失去TCC锁止的功能。

不论是怠速时的60psi，还是载荷下的160psi，某个确定的主油压值远不如油泵维持那个油压值以及保持主油压阀处于它的平衡位置的能力来得更为重要。不管是叶片型的油泵还是齿轮型的油泵这个结论都是成立的，只是叶片型的油泵具有可变的位移，因而可以增加它们的泵容量以维持油路压力，而齿轮型和月牙型油泵有些麻烦，因为它们只具有固定的位移，因而在低转速和怠速时具有较低的输出量。

油泵维持所需的油压和保持主调压阀的平衡位置的能力也具有多个可变因素。一个很好的油泵，但在变速器内部的其它油路中存在漏油，这会损耗油泵的容量并降低油泵产生压力的能力。另一方面，如果内部漏油并不严重但油泵已经磨损或很低效，也会产生相同的维持油压的问题。

由于燃油效率的原因，典型的变速器油泵并没有多少多余的泵容量。油泵容量的大小仅用于维持油压，油压的大小仅用于保持主调压阀处于其平衡位置。变速器内部的各种漏油浪费了油泵容量。所有这些随着时间而积累起来的内部漏油会最终消耗相当的泵容量并降低油泵维持主油压和保持主调压阀平衡位置的能力。有些试图弥补这些磨损的方法使用重新调整过的弹簧以及用钻头来扩大节流孔。这些方法都是些暂时的补救方法，不能从根本上解决磨损的问题，或解决持续的内部渗漏问题，这就好比一个水杯漏了，为了维持水杯里的水量，不去找到那个渗漏处却不断往杯子里倒水。所以这种补偿的方法往往只能维持一段时间。补偿的修理方法在过去液控的自动变速器时代比较有效，但是随着近年来电控的自动变速器越来越多，这种方法不再那么有效，因为受到油泵容量的限制，没有那么多额外的“水”可以用来弥补“杯子”的泄漏量了。国外一些主流的变速器翻新厂开始使用一些专用的带O形圈的端塞、对阀孔进行铰孔的彻底修复方法、并使用加大型的滑阀和增加阀套的技术、以及精密加工的杯士等等，都是为了协同作用，解决变速器内部的漏油问题。这不但消除了与零件有关的症状，而且还保存了油泵容量，提高了变速器整体的性能。

图6 变扭器和油泵杯士

图7 AXODE/AX4N/AX4S导轮支撑轴

四、变扭器

变扭器泵轮轴颈与油泵杯士的配合值得特别的注意。过大的变扭器杯士间隙会导致油泵异响、磨损和油泵效率降低。除了能在变扭器的一端支撑它的重量以及帮助油泵内部齿轮定位在中心，这个轴颈/油泵杯士的配合还能帮助避免变扭器油经前油封的回流孔处泄漏。这种泄漏是AXODE，AX4N和克莱斯勒，标志/雪铁龙AL4，三菱/现代F4A41/42/43/51和F5A51系列变速器常见的问题，严重的还会磨损油泵孔。比如ZF5HP19，奔驰722系列等。

图6显示了一个典型的变扭器与油泵连接的剖面图，图中显示了变扭器油从变扭器内部经过油泵杯士往外泄漏的路径。从这个轴颈/油泵杯士泄漏过多的变扭器油会导致前油封漏油，产生一个变扭器油压泄漏的直接通道。这会降低变扭器/润滑油路的油压，在有些情况下，还会降低TCC锁止作用的油压。

这也是有些变速器生产厂已开始将油封放在油泵内齿轮和变扭器轴颈之间(比如4R44E)，或将油封放在变扭器的导轮轴和轴颈内侧之间(比如48RE)。这些特性让油泵油留在油泵内，而变扭器油留在变扭器内。我们来举个例子看看过大的变扭器杯士间隙会如何给我们带来麻烦：一个2in(5cm左右)直径的变扭器轴颈如果有一个0.003in(0.076mm)的轴颈到杯士的额外间隙，那这个0.003in的间隙面积相当于一个0.100in(2.54mm)的开孔，使变扭器油可以从这里漏出，2.54mm的开孔对于变扭器来说可是一个相当大的渗漏啊。

此外，在连接变扭器和阀体的区域我们还需要注意油泵轴、输入轴以及导轮支撑轴是否存在漏油。比如导轮支撑轴，很多人并不太注意它。图7显示的福特AXODE/AX4N/AX4S的导轮支撑轴，也是经常容易出问题的地方。它套在涡轮轴外，并且插入到变扭器中以支撑固定导轮。很多情况下变扭器打滑，前油封漏油，都和导轮支撑轴的磨损有关。如果导轮支撑轴上的杯士和油封被磨损，变扭器的锁止和释放油路就会在这里产生交叉渗漏，出现TCC打滑，变扭器锁止作用和释放油压问题，入挡接合延迟，变扭器过热，离合器失效等故障。从图7我们可以看到此处的磨损同时也会降低经过散热器的ATF流量，因此如果我们监测流经散热器的ATF流量，就可以分析出油路循环中各环节出现的渗漏问题。

当处理任何变速器时，油路循环中的每一个环节都可能出现问题导致渗漏。有时可能好几处同时存在不同程度的漏油而导致故障，如果将其中一个部件换到其它变速器中有可能并不出现故障，但这并不表示此部件一定就是好的，因为很多情况下故障是由多个因素共同作用下表现出来的。幸运的是，我们可以通过监测散热器的ATF流量来破译出其中所隐含的油路循环中的故障信息。流量信息可以帮助我们找到一些潜在的问题，这些问题很可能在临时试车时不被发现，但会在正常行驶时逐渐发展成更大的问题导致日后的返修。流量有时与油压呈同步变化关系，有时又是互补关系，因此有效利用流量信息可以帮助我们更好地诊断变速器中的隐患。当然，这既需要修理工对油路循环的深入理解，也需要在实践过程中积累经验。