行星齒輪自動(dòng)變速器檔位分析方法

甘守武，周均

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院汽車工程系，重慶 401331）

0 引言

行星齒輪自動(dòng)變速器的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比手動(dòng)變速器復(fù)雜，相關(guān)資料對(duì)行星齒輪自動(dòng)變速器的檔位分析，主要是通過給定的各檔位工作元件來分析自動(dòng)變速器機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞路線，對(duì)自動(dòng)變速器各檔位工作元件是如何得出的未作分析［1］;對(duì)自動(dòng)變速器的傳動(dòng)比，只是計(jì)算了單排行星齒輪的傳動(dòng)比，對(duì)多排行星齒輪組合結(jié)構(gòu)傳動(dòng)比的計(jì)算方法也未作分析。但從自動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)過程而言，是先有機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后得出各檔位的工作元件;絕大部分車用行星齒輪自動(dòng)變速器的機(jī)械系統(tǒng)都是多排行星齒輪組合而成，傳動(dòng)比的計(jì)算相對(duì)于單排行星齒輪更加復(fù)雜，特別是自動(dòng)2檔傳動(dòng)比的計(jì)算。所以，分析行星齒輪自動(dòng)變速器各檔位的工作元件，并計(jì)算傳動(dòng)比的方法對(duì)人們學(xué)習(xí)或研究自動(dòng)變速器有一定借鑒作用。

1 單排行星齒輪機(jī)構(gòu)變速原理

單排行星齒輪機(jī)構(gòu)主要包括太陽輪、齒圈、行星架及行星輪，行星輪通過軸承安裝在行星架上［2］。太陽輪、行星架、齒圈被稱為單排行星齒輪的三個(gè)基本元件，彼此間的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

在單排行星齒輪機(jī)構(gòu)中，必須使太陽輪、齒圈和行星架這三個(gè)基本元件中的一個(gè)制動(dòng)，或使其中兩個(gè)元件互相連接在一起，才具有一定傳動(dòng)比。另外，假設(shè)某一元件轉(zhuǎn)速不變，其余兩個(gè)元件的轉(zhuǎn)速之間存在線性關(guān)系。

a）通過固定行星齒輪機(jī)構(gòu)的不同元件可得6種不同的傳動(dòng)狀態(tài)［2］，如表 1:

圖1 單排行星齒輪的結(jié)構(gòu)

b）直接傳動(dòng)狀態(tài):在單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三元件中，只要使其中兩個(gè)元件互相連接在一起轉(zhuǎn)動(dòng)，其余一個(gè)元件也隨之同速同向轉(zhuǎn)，這種狀態(tài)下，傳動(dòng)比為1，即直接傳動(dòng)狀態(tài)。

c）假設(shè)某一元件轉(zhuǎn)速不變，其余兩個(gè)元件轉(zhuǎn)速之間存在線性變化關(guān)系:根據(jù)單排行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性方程式［3］:

n1—太陽輪轉(zhuǎn)速;

n2—齒圈轉(zhuǎn)速;

n3—行星架轉(zhuǎn)速;

α—齒圈齒數(shù)Z2與太陽輪齒數(shù)Z1之比，即:

Z2/Z1，且 α ＞1。

α—常數(shù)

將式（2）帶入式（1），得到:

結(jié)合式（3）和式（4），得:行星架的轉(zhuǎn)速隨齒圈的轉(zhuǎn)速上升而上升，下降而下降。應(yīng)用同樣的推理方法還可以得到:假設(shè)齒圈輸入轉(zhuǎn)速一定，太陽輪轉(zhuǎn)速隨行星架轉(zhuǎn)速上升而上升;假設(shè)行星架的轉(zhuǎn)速一定，太陽輪的轉(zhuǎn)速上升，齒圈的轉(zhuǎn)速下降，反之，齒圈的轉(zhuǎn)速上升，太陽輪的轉(zhuǎn)速下降。

2 行星齒輪的組合形式

單排行星齒輪在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的檔位較少，不足以滿足汽車各種工況的需求，所以汽車使用的自動(dòng)變速器都是通過多組行星齒輪組合而成。由于組合的結(jié)構(gòu)不同，主要有以下幾種類型。

2.1 辛普森式行星齒輪結(jié)構(gòu)

辛普森式齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)如圖2所示，兩組行星齒輪共用一個(gè)太陽輪;前排的齒圈和后排的行星架連為一體或前排的行星架和后排的齒圈連為一體［4］。

圖2 辛普森式齒輪機(jī)構(gòu)

2.2 CR-CR式行星齒輪結(jié)構(gòu)

CR-CR式行星齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)如圖3所示，前排行星齒輪架和后排的齒圈連成一體;前排的齒圈和后排的行星齒架也連成一體。

圖3 CR-CR式行星齒輪結(jié)構(gòu)

2.3 單向串聯(lián)式行星齒輪結(jié)構(gòu)

單向串聯(lián)式行星齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)如圖4所示，前行星齒輪架和后排齒圈連成一體;但前排齒圈和后排的行星齒輪則是各自獨(dú)立的。

圖4 單向串聯(lián)式行星齒輪結(jié)構(gòu)

2.4 復(fù)合式行星齒輪結(jié)構(gòu)

以上四種行星齒輪組合都是由兩組行星齒輪組合完成的，而復(fù)合式行星齒輪結(jié)構(gòu)是由兩組以上行星齒輪組合而成，這樣可以實(shí)現(xiàn)較多的檔位。寶馬5HP24自動(dòng)變速器就是復(fù)合式行星齒輪結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 復(fù)合式行星齒輪結(jié)構(gòu)

3 行星齒輪自動(dòng)變速器檔位分析方法

一般行星齒輪自動(dòng)變速器的檔位為 P，R，N，D，3，2，1。因?yàn)镻，N檔不存在變速狀態(tài)，本文不作分析，只分析R，D，3，2，1檔位，這幾個(gè)檔位與單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的變速原理是相聯(lián)系的。雖然各種行星齒輪自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)不相同，但各檔位工作元件的分析方法基本相同，本文以CR-CR結(jié)構(gòu)的行星齒輪自動(dòng)變速器為例，分析各檔位的工作元件，并計(jì)算各檔位傳動(dòng)比。三菱、北京現(xiàn)代、東南、奇瑞、中華、北京吉普及歐蘭德等車型上使用的F4A42型變速器就是CR-CR結(jié)構(gòu)，如圖6所示。從機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，輸入軸與離合器C1，C2，C3的外轂相連，任何一個(gè)離合器接合都可以把輸入軸的動(dòng)力傳給后面相應(yīng)的元件;前排的行星架及后排的齒圈與輸出軸剛性連接，共同作為動(dòng)力輸出;制動(dòng)器B1，B2分別用于制動(dòng)后排行星齒輪的行星架及太陽輪;單向離合器的內(nèi)轂與自動(dòng)變速器殼體相連，外轂與前排的齒圈及后排的行星架相連，可用于單向制動(dòng)前排的齒圈及后排的行星架。這種結(jié)構(gòu)可以獲得四個(gè)前進(jìn)檔和一個(gè)倒檔，本文以D1，D2，D3，D4分別表示自動(dòng)變速器D位的1檔，2檔，3檔及4檔。

圖6 F4A42自動(dòng)變速器機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

分別對(duì)前后排行星齒輪組應(yīng)用運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性方程式:

α1，α2—前、后排齒圈齒數(shù)與太陽輪齒數(shù)之比。

由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可得:

3.1 R檔的分析方法

a）R檔工作元件的分析:R檔是自動(dòng)變速器的倒檔，要求實(shí)現(xiàn)反向減速狀態(tài)，由單排行星齒輪機(jī)構(gòu)變速原理可知，這種狀態(tài)必須固定行星架，太陽輪主動(dòng)，齒圈從動(dòng)。結(jié)合自動(dòng)變速器的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，后排齒圈與輸出軸是剛性連接的，只要后排行星架被B1固定，后排的太陽輪通過C2與輸入軸相連，反向減速狀態(tài)就能實(shí)現(xiàn)。所以倒檔時(shí)的工作元件是B1和C2。R檔動(dòng)力傳遞線路及前后排行星齒輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖7所示。

圖7 倒檔動(dòng)力傳遞路線圖

b）R檔傳動(dòng)比的計(jì)算:因?yàn)楹笈判行羌鼙还潭?，?

把式（9）帶入式（6），得R檔傳動(dòng)比:

3.2 D1檔的分析方法

a）D1檔工作元件的分析:D1檔是為了使汽車驅(qū)動(dòng)輪獲得最大的扭矩，所以在前進(jìn)檔中傳動(dòng)比最大，需要實(shí)現(xiàn)同向減速狀態(tài)。由單排行星齒輪機(jī)構(gòu)變速原理可知，行星架必須作為輸出，才可以實(shí)現(xiàn)同向減速，由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析可知，前排行星架與輸出軸剛性連接，即為輸出;對(duì)于前排行星齒輪，離合器C1接合就使前排太陽輪與輸入軸相連，即為輸入;在汽車起步時(shí)，由于前排行星架作為輸出，阻力很大，這時(shí)前排齒圈會(huì)有逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，由于單向離合器F1的作用，前排齒圈被制動(dòng)，即為固定。綜上所述，前排行星齒輪的狀態(tài)是齒圈被固定，太陽輪主動(dòng)，行星架從動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同向減速狀態(tài)。因?yàn)槠嚻鸩綍r(shí)，車速很低，單向離合器承受的扭矩很大，當(dāng)車速低于設(shè)定值時(shí)（不同型號(hào)會(huì)有差別），自動(dòng)變速器ECU會(huì)控制B1接合，以保護(hù)F1，當(dāng)速度高于設(shè)定值時(shí)，B1分離，可以減小D1升D2檔的換擋沖擊及ECU控制的執(zhí)行元件數(shù)量。所以D1檔時(shí)工作元件為C1、F1和B1（車速低于一定值時(shí)起作用）。D1檔動(dòng)力傳遞線路及前后排行星齒輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖8所示。

圖8 D1檔動(dòng)力傳遞路線圖

b）D1檔傳動(dòng)比的計(jì)算:因?yàn)榍芭琵X圈被固定，即:

把式（11）帶入式（5），得D1檔傳動(dòng)比:

3.3 D1升D2檔的分析方法

a）D2檔工作元件的分析:D2檔也是使輸出軸實(shí)現(xiàn)同向減速狀態(tài)，且D2檔的傳動(dòng)比小于D1檔的傳動(dòng)比。由單排行星齒輪變速原理的分析可知，D1檔升D2時(shí)，假設(shè)輸入軸的轉(zhuǎn)速不變，使前排的齒圈順時(shí)針轉(zhuǎn)起來，前排行星架的轉(zhuǎn)速就會(huì)比D1檔時(shí)提高，即輸出軸轉(zhuǎn)速提高，傳動(dòng)比變小，因?yàn)榍芭诺凝X圈與后排的行星架相連，所以只要使后排的行星架順時(shí)針轉(zhuǎn)起來即可實(shí)現(xiàn)D2檔傳動(dòng)比。在D1檔時(shí)，因?yàn)楹笈琵X圈與前排行星架一起順時(shí)針轉(zhuǎn)，作為輸出，所以只要通過B2制動(dòng)后排太陽輪，后排行星架就能順時(shí)針轉(zhuǎn)，前排的齒圈也一起順時(shí)針轉(zhuǎn)，輸出軸的轉(zhuǎn)速就得到提高，同時(shí)F1也不起制動(dòng)作用。所以D2檔的工作元件是C1及B2。對(duì)比D1及D2檔的工作元件，在升降檔時(shí)，ECU只需要控制液壓系統(tǒng)改變B2的狀態(tài)就可實(shí)現(xiàn)換擋。D2檔動(dòng)力傳遞線路及前后排行星齒輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖9所示。

b）D2檔傳動(dòng)比的計(jì)算，因?yàn)楹笈诺奶栞啽还潭?，?

圖9 D2檔動(dòng)力傳遞路線圖

把式（13）帶入式（6），得:

結(jié)合式（7）、（8），得:

把式（15）帶入式（5），得:

移項(xiàng)得D2檔傳動(dòng)比:

D1檔時(shí)的傳動(dòng)比為 ，比較D1檔和D2檔的傳動(dòng)比，得:

3.4 D2升D3檔的分析方法

a）D3檔工作元件分析:D3檔比D2檔的傳動(dòng)比小。從機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析，在D2檔時(shí)，離合器C1接合把動(dòng)力傳給前排太陽輪，升D3檔時(shí)，只要C3接合就把動(dòng)力傳給后排的行星架和前排的齒圈，同時(shí)分離制動(dòng)器B2。由單排行星齒輪的變速原理可知，前排太陽輪及前排齒圈的轉(zhuǎn)速與輸入軸相同，則前排行星架也會(huì)與輸入軸同速同向旋轉(zhuǎn)，即直接傳動(dòng)。所以D3檔的工作元件為C1，C3。D2檔動(dòng)力傳遞線路及前后排行星齒輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖10所示。

圖10 D3檔動(dòng)力傳遞路線圖

b）D3檔傳動(dòng)比的計(jì)算:由于D3檔是直接傳動(dòng)，所以傳動(dòng)比為1。

3.5 D3升D4檔的分析方法

a）D4檔工作元件分析:D4檔的傳動(dòng)比小于D3檔，是超速檔，要求實(shí)現(xiàn)同向增速狀態(tài)。由單排行星齒輪變速原理的分析可知，只要行星架輸入，無論那個(gè)元件輸出，都是同向增速狀態(tài)。結(jié)合機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析，只有后排行星架通過C3與輸入軸相連，后排的齒圈與輸出軸剛性連接，即為輸出，只要通過B2固定太陽輪，同時(shí)離合器C1分離。即實(shí)現(xiàn)同向增速狀態(tài)。所以D4檔的工作元件為C3、B2。D4檔動(dòng)力傳遞線路及前后排行星齒輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖11所示。

圖11 D4檔動(dòng)力傳遞路線圖

b）D4檔傳動(dòng)比的計(jì)算:后排太陽輪被固定，即:

把式（19）代入式（6），得:

3.6 手動(dòng)檔的分析方法

手動(dòng)檔與自動(dòng)檔相同檔位傳動(dòng)比是相同的，不同之處在于手動(dòng)檔的檔位升降會(huì)受到限制，及手動(dòng)檔的1檔有發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，在擁堵及斜坡路況使用手動(dòng)檔可以把檔位限制在一定范圍及1檔可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)幫助汽車限速，減少對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的使用，可有效保護(hù)制動(dòng)系統(tǒng)及提高下坡行駛時(shí)的安全性。

當(dāng)變速桿在3位時(shí)，變速器只能在1、2、3檔之間變化，傳動(dòng)比及工作元件與在D位時(shí)的相同檔位相同，汽車行駛在比較擁堵的路段時(shí)使用這一檔位;在2位時(shí)，只能在1、2檔之間變化，傳動(dòng)比與工作元件與在D位時(shí)的相同檔位也相同，汽車行駛在上下斜坡時(shí)使用這一檔位;在1位時(shí)，傳動(dòng)比與D1檔時(shí)相同，但工作元件多了制動(dòng)器B1，汽車行駛在嚴(yán)重交通堵塞路段和斜度較大的斜坡上時(shí)，使用這一檔位最能發(fā)揮功用。在汽車上斜坡時(shí)，可充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩;在汽車下斜坡時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪由于重力的作用加速轉(zhuǎn)動(dòng)，在D1檔時(shí)，前排行星架會(huì)帶動(dòng)前排齒圈順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，F(xiàn)1失去鎖止，前后排行星齒輪三元件中沒有被固定和約束的元件，輸入軸與輸出軸之間的動(dòng)力傳遞中斷，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)輸出軸就沒有制動(dòng)效果，所以輸出軸轉(zhuǎn)速的上升不會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)慣性的限制，這種情況就必須頻繁使用制動(dòng)系統(tǒng)，影響制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性及行車的安全性。但如果使用手動(dòng)1檔，由于前排齒圈被B1制動(dòng)，輸出軸的加速轉(zhuǎn)動(dòng)力會(huì)試圖帶動(dòng)前排太陽輪也加速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸加速轉(zhuǎn)動(dòng)，但發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性會(huì)阻礙曲軸的加速轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的效果。

4 結(jié)語

a）分析自動(dòng)變速器的檔位和計(jì)算傳動(dòng)比要以單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的變速原理為基礎(chǔ)，分別對(duì)每一排行星齒輪建立運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性方程式，并分析各參數(shù)之間的關(guān)系。

b）分析自動(dòng)變速器的檔位和計(jì)算傳動(dòng)比首先要分析機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。分析結(jié)構(gòu)時(shí)，主要有以下幾個(gè)要點(diǎn):1）有幾個(gè)離合器及其是用來傳遞那兩個(gè)元件的動(dòng)力;2）有幾個(gè)制動(dòng)器及其是用來制動(dòng)那個(gè)元件;3）有幾個(gè)單向離合器及其是在什么情況下起制動(dòng)作用。

c）對(duì)于手自一體的行星齒輪自動(dòng)變速器，手動(dòng)檔與自動(dòng)檔區(qū)別在于手動(dòng)檔的檔位升降會(huì)受到限制，及手動(dòng)1檔有發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，在交通擁堵及斜坡路段時(shí)用手動(dòng)檔會(huì)更加安全可靠。

［1］張永釗.行星齒輪變速器的檔位分析［J］.科技資訊，2011，（2）:65-66.

［2］甘守武.單排行星齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳遞方式分析方法［J］.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，20（4）:151-153.

［3］劉艷莉，董長(zhǎng)興，等.汽車構(gòu)造及使用［M］.北京:人民郵電出版社，2009.169.

［4］張紅偉，王國(guó)林.汽車底盤構(gòu)造及維修［M］.北京:高等教育出版社，2005.85-86.

［5］馮櫻.運(yùn)用杠桿法計(jì)算汽車行星齒輪變速器的傳動(dòng)比［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，22（3）:17-22.