論自動變速器檔位動力傳遞的規(guī)律

郭能強(qiáng)

行星齒輪機(jī)構(gòu)各檔位的動力傳遞是十分晦澀的知識點(diǎn)。筆者查閱大量參考書籍，并結(jié)合自己十幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對此進(jìn)行了總結(jié)。

一、齒輪基礎(chǔ)

1. 轉(zhuǎn)速與傳動比

轉(zhuǎn)速為單位時間內(nèi)齒輪或軸的旋轉(zhuǎn)速度，用r/min表示。

傳動比D=從動齒輪齒數(shù)／主動齒輪齒數(shù)

＝主動齒輪轉(zhuǎn)速/從動齒輪轉(zhuǎn)速（式1）

由式1可知，齒輪齒數(shù)與其轉(zhuǎn)速成反比。簡記為：大輪帶小輪，輸出高速（實(shí)現(xiàn)高速檔）；小輪帶大輪，輸出低速（實(shí)現(xiàn)低速檔）。

2. 旋轉(zhuǎn)方向

外嚙合方式：兩個外齒輪互相嚙合進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向相反，見圖1a。

內(nèi)嚙合方式：一外齒輪和一內(nèi)齒輪互相嚙合進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向相同，見圖1b。

3. 中間齒輪

中間齒輪也稱過渡齒輪或惰輪，是在主動和從動齒輪之間加入另一齒輪，與主、從動齒輪嚙合。如圖1c所示，惰輪只是改變主、從動齒輪的旋轉(zhuǎn)方向，絲毫不影響傳動比。在行星齒輪機(jī)構(gòu)中，行星齒輪就等同于惰輪。

轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)矩也稱扭矩。齒輪的轉(zhuǎn)速改變，轉(zhuǎn)矩也改變。假設(shè)主動齒輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別為N1和T1，從動齒輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩為N2和T2，它們之間的關(guān)系如下：

N1/N2＝D＝T2/T1（式2）

由式2公可知，齒輪轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩成反比。簡記為：減速增扭。

二、單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律

1. 基本結(jié)構(gòu)

單排行星齒輪機(jī)構(gòu)主要由一個太陽輪、一個帶有3～6個行星齒輪的行星架和一個齒圈組成如圖2所示。太陽輪位于機(jī)構(gòu)中心，為外齒輪；行星齒輪位于太陽輪和齒圈之間，為外齒輪，等同惰輪；齒圈位于機(jī)構(gòu)最外面，為內(nèi)齒輪。

行星齒輪機(jī)構(gòu)傳動比的計(jì)算不像兩個相互嚙合的齒輪那樣簡單。與傳動比有關(guān)的是行星架、齒圈、太陽輪的齒數(shù)。其中，行星架的齒數(shù)是人們?yōu)榉奖阌?jì)算而假想的，可用式3計(jì)算：

Z3＝Z1＋Z2 （式3）

式中，Z3、Z1、Z2分別為行星架、太陽輪、齒圈齒數(shù)。其關(guān)系：

Z3＞Z2＞Z1 （式4）

為簡化傳動比的計(jì)算方法以及分析各齒輪的轉(zhuǎn)向，可將式4等效成圖3所示的齒數(shù)關(guān)系。太陽輪和齒圈外嚙合，行星架和太陽輪、齒圈為內(nèi)嚙合。當(dāng)固定或鎖止其中的某一元件時，相當(dāng)于去掉該元件（圖中以虛線標(biāo)出，以下相同）。

2.動力傳遞規(guī)律

設(shè)Z1＝12，Z2＝24，則Z3＝Z1＋Z2＝12＋24＝36。

（1）要獲得低速檔，就要小輪帶大輪。即

固定Z2，Z1Z3，傳動比D＝Z3/Z1＝36/12＝3＞1

或

固定Z1，Z2 Z3，傳動比D＝Z3/Z2＝36/24＝1.5＞1

（2）要獲得高速檔，就要大輪帶小輪。即

固定Z2，Z3Z1，傳動比D＝Z1/Z3＝12/36＝0.33 ＜1

或

固定Z1，Z3Z2，傳動比D＝Z2/Z3＝24/36＝0.67 ＜1（3）任意固定兩個元件,則三者作為一個整體旋轉(zhuǎn)。此時傳動比D＝1，即直接檔。

（4）要獲得倒檔，就是要求外嚙合方式。即

固定Z3，Z1 Z2，傳動比D＝Z2/Z1＝24/12＝2 ＞1

減速增扭，符合倒檔操作安全。或

固定 Z3，Z2 Z1，傳動比D＝Z1/Z2＝12/24＝0.5 ＜1

升速減扭，不符合倒檔操作安全，不采用。

（5）放松所有元件，則每個元件都自由的運(yùn)轉(zhuǎn)，此即是空檔。

三、典型行星齒輪機(jī)構(gòu)檔檔位動力傳遞分析

圖4為四檔辛普森行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖。

換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括三個離合器、四個制動器和三個單向離合器，具體作用見表1。

1.假設(shè)輸入軸順時針旋轉(zhuǎn)

（1）當(dāng)變速桿置于P或N時，C0工作，超速行星排的行星架和太陽輪聯(lián)成一體旋轉(zhuǎn)，由單排行星輪的運(yùn)動規(guī)律可知，超速行星排處于直接檔，輸入軸的轉(zhuǎn)矩毫無變化地經(jīng)齒圈傳至中間軸，但由于C1 、C2都不工作，前、后行星排空檔，轉(zhuǎn)矩?zé)o法傳遞到輸出軸上。P和N檔的區(qū)別在于：N檔時，輸出軸可以朝任一方向自由旋轉(zhuǎn)，此時車輛可以被推動或牽引。P檔時，通過一個機(jī)械棘爪與輸出軸外齒圏的一個卡塊結(jié)合，將輸出軸鎖定在變速箱上。另外，P檔時B3 已工作，目的是避免從P檔掛入R檔，C2、B3同時工作容易不同步，造成換檔沖擊。

（2）當(dāng)變速桿置于R時，具有發(fā)動機(jī)制動。

輸入軸順時針in C0、F0 工作，超速行星排為直接檔，動力按1：1順時針中間軸C2 工作，公共太陽輪順時針轉(zhuǎn) B 3工作，制動后排行星架，后行星排的Z 1 、 Z2外嚙合后排齒圈逆時針轉(zhuǎn) 輸出軸逆時針out。

發(fā)動機(jī)制動：R檔時，若駕駛員抬起油門踏板，則發(fā)動機(jī)進(jìn)入怠速工況，汽車在原來的慣性下仍以較高的車速行駛，但此時，驅(qū)動輪通過變速器輸出軸反向拖動發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，制動汽車。一般下坡時，發(fā)動機(jī)制動才有意義，檔位越低，制動的作用越強(qiáng)烈。其動力傳遞路線與上述R檔路線相反，轉(zhuǎn)向相反。其動力傳遞路線如下：

輸出軸順時針in 后排齒圈順時針轉(zhuǎn)B 3工作，制動后排行星架，后行星排的 Z 1 、 Z2外嚙合，公共太陽輪逆時針轉(zhuǎn)中間軸C0、F0 工作，超速行星排為直接檔，動力按1：1順時針 輸入軸逆時針out

（3）當(dāng)變速桿置于D位1檔時，因 2位1檔、L位1檔各換檔元件與D位1檔的工作狀況相同，動力傳遞相同，區(qū)別只是由于B3、F2的工作，使得2位1檔、L位1檔具有發(fā)動機(jī)制動，而D位1檔則沒有。故合并在一起介紹。

輸入軸順時針inC0、F0 工作，超速行星排為直接檔，動力按1：1順時針中間軸C1工作，將動力傳至前排齒圈，順時針轉(zhuǎn)。因汽車尚未起步，輸出軸與車輪未轉(zhuǎn)動，前排行星架相當(dāng)于被固定，則前行星排的Z 1 、Z2外嚙合，從而得知公共太陽輪逆時針轉(zhuǎn) F2 工作，鎖止后排行星架，從而推知后排齒圈順時針轉(zhuǎn)輸出軸順時針out

發(fā)動機(jī)制動：2位1檔、L位1檔時，具有發(fā)動機(jī)制動。其動力傳遞路線與上述D位1檔路線相反，轉(zhuǎn)向相反，讀者自行分析。

（4）當(dāng)變速桿置于D位2檔時，因 2位2檔、L位2檔各換檔元件與D位2檔的工作狀況相同，動力傳遞相同，區(qū)別只是由于B1的工作，使得2位2檔、L位2檔具有發(fā)動機(jī)制動，而D位2檔則沒有，故合并在一起介紹。

輸入軸順時針in C0、F0工作，超速行星排為直接檔，動力按1：1順時針轉(zhuǎn) 中間軸C1 工作，前排齒圈順時針轉(zhuǎn)，由于B2、F1工作，鎖止了公共太陽輪，從而推知前排齒圈順時針轉(zhuǎn)輸出軸順時針out

發(fā)動機(jī)制動請讀者自行分析。

（5）當(dāng)變速桿置于D位3檔時，因 2位3檔各換檔元件與D位3檔的工作狀況相同，動力傳遞相同，都具有發(fā)動機(jī)制動，故合并在一起介紹。

輸入軸順時針in C0、F0 工作，超速行星排為直接檔，動力按1：1順時針轉(zhuǎn)中間軸

C1、C2 工作，前行星排為直接檔，從而推知前排行星架順時針轉(zhuǎn) 輸出軸順時針out

發(fā)動機(jī)制動請讀者自行分析。

（6）當(dāng)變速桿置于O/D檔時，具有發(fā)動機(jī)制動。

輸入軸順時針in B0工作，制動超速行星排的太陽輪，則其行星架和齒圈內(nèi)嚙合，一同順時針轉(zhuǎn) 中間軸 C1、C2 工作，前行星排為直接檔，從而推知前排行星架順時針轉(zhuǎn) 輸出軸順時針out

發(fā)動機(jī)制動請讀者自行分析。

2.通過上述分析，可以得出以下幾個規(guī)律

（1）D位的1、2、3檔，2位的1、2、3檔以及L位的1、2檔所對應(yīng)的相同檔位的傳遞路線都相同，區(qū)別為是否具有發(fā)動機(jī)制動。

（2）換檔執(zhí)行元件的設(shè)立并非都為實(shí)現(xiàn)換檔功能，有時是為換檔質(zhì)量的要求。例如，單向離合器F0就是為了改善3檔升4檔時的平順性而設(shè)的。又如，B1的工作使得2位2檔和L位2檔具有發(fā)動機(jī)制動的輔助功能。故稱B1為2檔滑行制動器。

（3）判斷某檔位是否有發(fā)動機(jī)制動，就看該檔能否從輸出軸反向拖動輸入軸。一般某檔位的動力傳遞路線上若有單向離合器工作，則該檔位就沒有發(fā)動機(jī)制動。因?yàn)閱蜗螂x合器已鎖止某些齒輪逆轉(zhuǎn)，無法實(shí)現(xiàn)反向拖動。

（4）不同型號的自動變速器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化往往超出初學(xué)者的想象。目前，各大廠家生產(chǎn)的100多種自動變速器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化也是一般人都很難掌握的。只有加快對換檔元件工作表的了解速度，才會很快了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及部件的分工。例如，在圖6的工作表中，若B0有故障則無O/D檔，若C0有故障則只有O/D檔，若F0有故障則3檔升O/D檔有沖擊，若C1有故障則所有前進(jìn)檔全無，但倒檔沒有影響等。

綜上所述，分析各位的動力傳遞路線十分簡單，只要查看該類型變速器各換檔元件的工作表，看在某一檔位上，哪幾個換檔元件工作，固定或鎖止了哪些齒輪，再依據(jù)單排行星齒輪的三種齒輪的關(guān)系（圖3），判斷是內(nèi)嚙合還是外嚙合，從而推斷出在傳遞路線中各齒輪的轉(zhuǎn)向。只有熟練分析各位動力傳遞路線，才能在維修自動變速器缺失某個檔位的故障時，有的放矢地分析某個檔位的動力傳遞，從而確診出是哪個執(zhí)行元件的故障。

（作者單位：廣西南寧市民族技校）