基于杠桿法的8速自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)

尤明福 李志偉 甘 偉 高奇峰

1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津，300222 2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，紹興，312000

0 引言

為解決原有杠桿法分析三排行星結(jié)構(gòu)（行星排機(jī)構(gòu)中有常輸入或制動(dòng)構(gòu)件）的不足［1－2］，筆者對(duì)原有杠桿法進(jìn)行了新的擴(kuò)展，通過(guò)擴(kuò)展后的杠桿法對(duì)ZF6速傳動(dòng)方案進(jìn)行了分析研究，經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)此方法完全正確可行，運(yùn)用其分析ZF類三排行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)非常簡(jiǎn)單直觀。本文基于上述研究，運(yùn)用該方法設(shè)計(jì)了一種8速自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案，此方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可行，可為6擋及6擋以上自動(dòng)變速器的傳動(dòng)及傳動(dòng)方案分析和設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 杠桿法分析原理［3］

一個(gè)行星排由太陽(yáng)輪、行星輪、齒圈及行星架構(gòu)成。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將一個(gè)行星排等效為一個(gè)垂直杠桿和3個(gè)支點(diǎn)，3個(gè)支點(diǎn)分別代表太陽(yáng)輪 （S）、行星架（PC）和齒圈（R）。對(duì)于單行星行星排，支點(diǎn)S和R距支點(diǎn)PC的長(zhǎng)度（力臂）分別與齒圈齒數(shù)Zr和太陽(yáng)輪齒數(shù)Zs成正比，圖中k為任意比例常數(shù)。單行星行星排和雙行星行星排的等效杠桿圖如圖1a和圖1b所示，兩圖的主要區(qū)別在于齒圈位置不同。

圖1 等效杠桿圖

多行星排并聯(lián)時(shí)，每個(gè)行星排視為一個(gè)垂直的杠桿和3個(gè)支點(diǎn)，行星排之間的構(gòu)件相互連接，在杠桿圖上視為各支點(diǎn)之間的連接。在處理時(shí)，根據(jù)需要，既可以將杠桿重疊，又可以將杠桿分開，重疊時(shí)，將相互連接的部分合并為一個(gè)點(diǎn)，分開時(shí)，連接點(diǎn)用一水平線表示。兩種情況都要對(duì)杠桿的力臂進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時(shí)要保證連接部分合并點(diǎn)之間的力臂長(zhǎng)度相等，并且各杠桿力臂長(zhǎng)度比不變，在這種由多個(gè)行星排杠桿圖合并的總杠桿圖上標(biāo)上離合器（Ki）、制動(dòng)器（Bi），以及輸入構(gòu)件（i）、輸出構(gòu)件（o），即得多行星排并聯(lián)等效杠桿圖。

2 拓展后的杠桿法介紹

原有杠桿法［4－7］在分析傳動(dòng)方案時(shí)，基于的條件是行星齒輪機(jī)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件都能進(jìn)行制動(dòng)或作為動(dòng)力的輸入元件，這種基于原有杠桿法對(duì)傳動(dòng)方案中的兩排行星排機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析的方法是可行的，但隨著6擋自動(dòng)變速器的誕生，如ZF6擋自動(dòng)變速器和通用6擋自動(dòng)變速器在三排行星齒輪機(jī)構(gòu)中都巧妙地使用了常輸入元件而大大地減少了離合器和制動(dòng)器的數(shù)量，以至于原有杠桿法在分析它的傳動(dòng)方案時(shí)失去了其作用，基于此，筆者在原有拉維那式兩排行星齒輪機(jī)構(gòu)的等效杠桿轉(zhuǎn)速線圖中加了一條KZ軸輸入轉(zhuǎn)速線。此KZ軸輸入轉(zhuǎn)速線正好能反映在拉維那機(jī)構(gòu)兩行星排的基礎(chǔ)上再加一排行星齒輪的目的，也即提供了兩種不同的輸入轉(zhuǎn)速。KZ的取值取決于多加的單排行星齒輪輸出轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速之比值。

3 基于拓展后的杠桿法對(duì)ZF6速自動(dòng)變速器的傳動(dòng)分析

ZF6速自動(dòng)變速器相關(guān)傳動(dòng)資料［8］如表1、圖2所示。表中，⊙表示工作；○表示發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)工作。

表1 ZF6速自動(dòng)變速器元件作用表

圖2 ZF6速自動(dòng)變速器傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖3為根據(jù)ZF6速自動(dòng)變速器傳動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制的杠桿圖。由圖2、圖3分析可知，原有的杠桿法難以滿足ZF6速的分析研究，故筆者對(duì)原有杠桿法進(jìn)行了新的擴(kuò)展，拓展后的等效杠桿轉(zhuǎn)速線圖如圖4所示，從圖4中可以清晰地看出ZF6速自動(dòng)變速器各擋位下的轉(zhuǎn)速關(guān)系和作用元件及自由輪的布置。圖4所示的x軸表示行星排中各構(gòu)件轉(zhuǎn)速的大小和方向，縱軸表示各固定件的轉(zhuǎn)速線。其中，①節(jié)點(diǎn)代表S2構(gòu)件，②節(jié)點(diǎn)代表P2P3構(gòu)件，③節(jié)點(diǎn)代表R2R3構(gòu)件，④節(jié)點(diǎn)代表S3構(gòu)件。k為前排行星齒輪減速后的行星架P1輸出的轉(zhuǎn)速同輸入轉(zhuǎn)速之比，x軸上的1代表輸入轉(zhuǎn)速單位化，a為拉維那齒圈齒數(shù)與大太陽(yáng)輪齒數(shù)之比，b為等效的拉維那行星架齒數(shù)與小太陽(yáng)輪齒數(shù)之比。

圖3 ZF6速自動(dòng)變速器杠桿圖

圖4 ZF6速等效杠桿轉(zhuǎn)速線圖

4 基于ZF6速自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)形式下的傳動(dòng)比方案分析

4.1 ZF6速自動(dòng)變速器傳動(dòng)比計(jì)算驗(yàn)證新杠桿法的正確性

圖5為ZF6速自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案分析圖，由圖5可知ZF6速自動(dòng)變速器使用的是傳動(dòng)比為5、6、7、9、15、16、18的傳動(dòng)方案，根據(jù)表2中的5、7、18和表1中的1、3及倒擋傳動(dòng)比計(jì)算可得：k＝0.642 67，b＝1.6658，a＝2.181 23；再把k、a、b值代入表2的傳動(dòng)比計(jì)算式可得：i2＝2.3704，i4＝1.154 79，i5＝ 0.859 239，i6＝0.6856；算出來(lái)的傳動(dòng)比值和表1中的傳動(dòng)比吻合，故本文利用自創(chuàng)的擴(kuò)展杠桿法分析ZF結(jié)構(gòu)形式的三排行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案完全正確可行。

圖5 ZF6速自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案分析圖

表2 ZF6速結(jié)構(gòu)形式下的各種傳動(dòng)情況（除直接擋）

結(jié)合表2的3種傳動(dòng)方案分析可知：基于換擋過(guò)程中只結(jié)合一個(gè)元件、分離一個(gè)元件的換擋原則進(jìn)行換擋，不僅能實(shí)現(xiàn)6個(gè)前進(jìn)擋的傳動(dòng)方案選擇，而且能保證在換擋控制元件數(shù)目盡可能少的前提下確保換擋的平順性。

4.2 各種傳動(dòng)比方案分析

第一種傳動(dòng)方案：傳動(dòng)比為1、2、3、4、15、16、18，減速擋傳動(dòng)比分布在相對(duì)較大的區(qū)域內(nèi)，適合于礦山車輛等要求動(dòng)力強(qiáng)勁的車輛裝配，但減速擋和超速擋傳動(dòng)比相差較大，會(huì)明顯影響汽車換擋的平順性；需要的離合器、制動(dòng)器數(shù)分別為4個(gè)和3個(gè)。

第二種傳動(dòng)方案：傳動(dòng)比為5、6、7、8、9、15、16、18，減速擋傳動(dòng)比相對(duì)分布于中間區(qū)域，兼顧傳動(dòng)比要求和換擋的平順性；需要的離合器、制動(dòng)器數(shù)分別為3個(gè)和2個(gè)。

第三種傳動(dòng)方案：傳動(dòng)比為10、11、12、13、15、16、18，減速擋傳動(dòng)比都分布在相對(duì)較小的區(qū)域，換擋平順性好，但僅適合于傳動(dòng)比要求非常小的車輛使用，如室內(nèi)工程車等。需要的離合器、制動(dòng)器數(shù)分別為5個(gè)和2個(gè)（無(wú)直接擋），或5個(gè)和1個(gè)（有直接擋）。

第四種傳動(dòng)方案：傳動(dòng)比為5、6、11、12、13、15、16、18，這種傳動(dòng)方案可實(shí)現(xiàn)8速自動(dòng)變速器的傳動(dòng)，由于擋位的增加和傳動(dòng)方案中增加了直接擋（增大了傳動(dòng)效率），油耗的減少是毋庸置疑的，同時(shí)，這種傳動(dòng)方案可很好地兼顧傳動(dòng)比和換擋的平順性要求。需要的離合器、制動(dòng)器數(shù)分別為5個(gè)和2個(gè)。

從上述分析可知：第二種傳動(dòng)方案和第四種傳動(dòng)方案都可兼顧汽車的動(dòng)力性和換擋的平順性，但第二種傳動(dòng)方案作用元件最少，在其基礎(chǔ)上增加兩個(gè)離合器便能實(shí)現(xiàn)第四種傳動(dòng)方案的8速傳動(dòng)。故第二種傳動(dòng)方案在實(shí)現(xiàn)6速的前提下無(wú)疑是現(xiàn)代轎車上自動(dòng)變速器裝配的最優(yōu)選擇，而ZF6速自動(dòng)變速器的傳動(dòng)方案也正是第二種傳動(dòng)方案，這亦進(jìn)一步證明本文三排行星齒輪結(jié)構(gòu)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)分析的正確合理性。

5 8速自動(dòng)變速器傳動(dòng)比方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對(duì)ZF6速自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案的分析研究，本文新設(shè)計(jì)的8速自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案如圖6所示，也即上述的第四種傳動(dòng)方案，總體結(jié)構(gòu)形式仍然采用ZF6速自動(dòng)變速器太陽(yáng)輪固定單行星排和原AG4變速器串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式。圖6中圓圈圈定的部分表示8速自動(dòng)變速器。表3所示為8速自動(dòng)變速器各擋位的作用元件及傳動(dòng)比。

圖6 8速自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案

根據(jù)圖6和表3繪制的8速自動(dòng)變速器杠桿轉(zhuǎn)速線圖如圖7所示。

根據(jù)8速杠桿轉(zhuǎn)速線圖7繪制的8速自動(dòng)變速器等效杠桿圖如圖8所示。

表3 8速自動(dòng)變速器各擋位元件及傳動(dòng)比

圖7 8速自動(dòng)變速杠桿轉(zhuǎn)速線圖

圖8 8速自動(dòng)變速器等效杠桿圖

根據(jù)圖8及上述分析繪制的8速自動(dòng)變速器的作用元件表如表4所示，表中⊙表示起作用，◎表示發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)起作用。

表4 8速自動(dòng)變速器的作用元件表

綜上所述，本文新設(shè)計(jì)的8速自動(dòng)變速器在結(jié)構(gòu)與ZF6速自動(dòng)變速器完全一樣的前提下，僅增加2個(gè)離合器（K4、K5）就在同一結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了2個(gè)減速擋，大大簡(jiǎn)化了制造工藝。另外，該設(shè)計(jì)確保了在相鄰換擋之間僅改變一個(gè)作用元件，就能保證換擋控制精度的實(shí)現(xiàn)；僅增加一個(gè)直接擋，就能增大和改善傳動(dòng)效率，使得8速自動(dòng)變速器的換擋平順性和發(fā)動(dòng)機(jī)的使用功率優(yōu)于6速自動(dòng)變速器，減少了車輛的燃油消耗量和環(huán)境污染。增加擋位而不增加駕駛換擋工作量的自動(dòng)變速器充分贏得了客戶的贊許和良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語(yǔ)

本文利用新拓展的杠桿法成功地分析和制定了ZF6速自動(dòng)變速器的傳動(dòng)及其傳動(dòng)方案，這種新杠桿法在分析類似ZF6擋自動(dòng)變速器三排行星齒輪機(jī)構(gòu)（行星排機(jī)構(gòu)中有常輸入或制動(dòng)構(gòu)件）的傳動(dòng)及傳動(dòng)方案時(shí)非常的直觀和簡(jiǎn)便易行。基于分析和研究新設(shè)計(jì)的8速自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案，僅在ZF6速自動(dòng)變速器上增加2個(gè)離合器和一個(gè)直接擋，就很好地實(shí)現(xiàn)了換擋操控的平順性和提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效率，在滿足駕駛舒適性的同時(shí)達(dá)到了節(jié)油環(huán)保的目的。

本文的不足之處在于受時(shí)間限制，未能對(duì)8速自動(dòng)變速器傳動(dòng)方案進(jìn)行傳動(dòng)方面的仿真驗(yàn)證。

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