基于拓展的杠桿法的ZF-9HP自動變速器換擋過程分析*

侯國強，尤明福，于文濤

(天津職業(yè)技術師范大學 汽車與交通學院，天津 300222)

1 ZF-9HP自動變速器結構特點

在當今汽車市場自動變速器檔數主要為6檔及6檔以下時［1］，擁有變速器最大市場份額的德國采埃孚集團公司(ZF)已經研發(fā)出專門適用于橫置發(fā)動機的9HP自動變速器。它在尺寸和質量上與傳統(tǒng)的6AT相當，但是檔位數更多，換擋更加平順。

ZF-9HP自動變速器的核心結構是4組單行星輪行星排和兩個爪形離合器，兩個離合器，兩個制動器。如圖1所示。其結構特點是第一排齒圈R1和第二排太陽輪S2連為一體，第三排齒圈R3和第一排、第二排行星架PC1、PC2連為一體，第三排行星架PC3和第四排齒圈R4連為一體，第三排太陽輪S3和第四排太陽輪S4連為一體。因此第三排和第四排是典型的辛普森結構，且第四排行星架PC4為輸出構件。

圖1 ZF-9HP自動變速器傳動簡圖

6個結合元件中，爪形離合器A連接輸入軸和第一排齒圈R1、第二排太陽輪S2，爪形離合器F制動第三排太陽輪S3和第四排太陽輪S4，離合器B連接輸入軸和第一排太陽輪S1，離合器E連接輸入軸和第三排行星架PC3、第四排齒圈R4，制動器C制動第一排太陽輪S1，制動器D制動第二排齒圈R2。

2 ZF-9HP自動變速器各檔動力傳遞路線分析

ZF-9HP自動變速器1～5檔動力傳遞分析時將第一排和第二排看作一個變速器，而將第三排、第四排看作另一個變速器。在一檔、二檔和五檔時，動力流從一二排傳給三四排，符合動力從前向后傳遞的規(guī)律。ZF-9HP自動變速器各檔動力傳遞路線分析如表1所列［2］。

表1 ZF-9HP自動變速器各檔換擋元件工作表

一檔:爪形離合器A結合，將輸入軸動力傳至第二排太陽輪S2和第一排齒圈R1，制動器D制動第二排齒圈R2，第二排行星架PC2減速輸出至第三排齒圈R3;爪形離合器F制動第三排和第四排太陽輪S3、S4，因此第三排行星架PC3減速輸出至第四排齒圈R4;因為第四排太陽輪S4被制動，所以第四排行星架PC4減速輸出。一檔時形成三級減速。

二檔:爪形離合器A結合，將輸入軸動力傳至第二排太陽輪S2和第一排齒圈R1，制動器C制動第一排太陽輪S1，第一排行星架PC1減速輸出至第三排齒圈R3;爪形離合器F制動第三排和第四排太陽輪S3、S4，同理第四排行星架PC4減速輸出。二檔時也形成三級減速。

三檔:爪形離合器A結合，將輸入軸動力傳至第二排太陽輪S2和第一排齒圈R1，同時離合器B結合，將輸入軸動力傳至第一排太陽輪S1，因此第一排行星架PC1整體輸出至第三排齒圈R3;爪形離合器F制動第三排和第四排太陽輪S3、S4，同理第四排行星架PC4減速輸出。三檔時形成二級減速。

四檔:離合器E結合將輸入軸動力傳至第三排行星架PC3和第四排齒圈R4，爪形離合器F制動第三排和第四排太陽輪S3、S4，第四排齒圈R4驅動第四排行星架PC4減速輸出，形成一級減速。此時雖然第三排行星架PC3會驅動第三排齒圈R3和第二排、第一排行星架PC2、PC1轉動，且爪形離合器A將輸入軸動力傳至第二排太陽輪S2和第一排齒圈R1，但是由于第一排太陽輪S1和第二排齒圈R2自由，所以第一排和第二排不參與動力傳動。四檔時形成一級減速。

五檔:爪形離合器A結合，將輸入軸動力傳至第二排太陽輪S2和第一排齒圈R1，同時離合器B結合，將輸入軸動力傳至第一排太陽輪S1，所以第一排行星架PC1整體輸入至第三排齒圈R3，又因為離合器E將輸入軸動力傳至第三排行星架PC3和第四排齒圈R4，此時第三排太陽輪S3整體輸出，即第四排太陽輪S4也與輸入軸同速，最終第四排行星架PC4整體輸出。五檔時為直接檔。

ZF-9HP自動變速器6～9檔和R檔時，將第一排和第二排組成的變速器看作一個制動器，部分約束第三排齒圈，因此引入矢量表示法［3］。如圖2所示，A、B、C分別代表太陽輪、行星架和齒圈;線段AB、BC、AC分別表示齒圈、太陽輪和行星架齒數。在單級行星排中用單箭頭的線段表示構件的轉速和方向。可得到一個構件固定的情況下，其它兩個構件的轉動情況。

圖2 用矢量表示單級行星齒輪機構運動規(guī)律

同時通過矢量表示法可以很容易理解三個構件同時旋轉但轉速和方向各異的情況。如圖3所示，當齒圈和行星架轉速相同時，將驅動太陽輪同速輸出;當齒圈轉速減少、為零甚至逆轉而行星架轉速不變時，太陽輪轉速將增加。因此得ZF-9HP自動變速器6～9檔和R檔動力傳遞分析如下:

圖3 行星架轉速不變，減少齒圈轉速達到增大太陽輪轉速目的圖示

六檔:爪形離合器A結合，將輸入軸動力傳至第二排太陽輪S2和第一排齒圈R1，制動器C制動第一排太陽輪S1，第一排行星架PC1減速輸出至第三排齒圈R3;離合器E結合，將輸入軸動力傳至第三排行星架PC3和第四排齒圈R4，由于第三排是兩個輸入，一個輸出的工作情況，所以由矢量表示法可知第三排太陽輪S3增速輸出，即第四排太陽輪S4增速輸出;又由于第四排齒圈R4與輸入軸轉速相同，所以第四排也為兩個輸入，一個輸出的工作情況，因此第四排行星架PC4增速輸出。

七檔:爪形離合器A結合，將輸入軸動力傳至第二排太陽輪S2和第一排齒圈R1，制動器D制動第二排齒圈R2，第二排行星架減速輸出至第三排齒圈R3;離合器E結合，將輸入軸動力傳至第三排行星架PC3和第四排齒圈R4，由于第三排是兩個輸入，一個輸出的工作情況，所以由矢量表示法可知第三排太陽輪S3增速輸出，即第四排太陽輪S4增速輸出;同理 第四排行星架PC4增速輸出。

八檔:制動器C制動第一排太陽輪S1，制動器D制動第二排齒圈R3，則第一、第二排相當于被制動，所以第三排齒圈R3轉速為0。離合器E結合，將輸入軸動力傳至第三排行星架PC3和第四排齒圈R4，第三排太陽輪S3增速輸出，即第四排太陽輪S4增速輸出;同理第四排行星架PC4增速輸出。

九檔:離合器B結合將輸入軸動力傳至第一排太陽輪S1，此時第一排行星輪逆轉，驅動第一排齒圈R1逆轉，即第二排太陽輪S2逆轉，制動器D制動第二排齒圈R2，所以第二排行星架PC2逆轉輸出至第三排齒圈R3;離合器E結合將輸入軸動力傳至第三排行星架PC3和第四排齒圈R4，由于第三排是兩個輸入，一個輸出的工作情況，所以由矢量表示法可知第三排太陽輪S3增速輸出，即第四排太陽輪S4增速輸出;同理第四排行星架PC4增速輸出。

倒檔:離合器B結合將輸入軸動力傳至第一排太陽輪S1，制動器D制動第二排齒圈R2，與九檔時相同第二排行星架PC2逆轉輸出至第三排齒圈R3;爪形離合器F結合制動第三排太陽輪S3和第四排太陽輪S4，因此第三排行星架PC3減速逆轉;同理第四排行星架PC4減速逆轉。

以上所述減速、整體輸出、增速均相對輸入軸轉速而言。

3 ZF-9HP自動變速器拓展的杠桿法分析

3.1 杠桿法簡介［4］

一個行星排由太陽輪S、行星輪、齒圈R和行星架PC組成。根據其結構特點，將一個行星排等效為一個垂直杠桿和3個支點，3個支點分別代表太陽輪S，行星架PC和齒圈R。對于單行星輪行星排，支點S和R距支點PC的長度(力臂)分別與齒圈齒數Zr和太陽輪齒數Zs成正比，圖中k為任意比例系數。單行星輪行星排和雙行星輪行星排的等效杠桿圖分別如圖4所示，(a)、(b)兩圖的主要區(qū)別在于齒圈位置不同。

圖4 等效杠桿圖

多行星排并聯時，每個行星排視為一個垂直的杠桿和3個支點，行星排之間的構件相互連接，在杠桿圖上視為各支點之間的連接。在處理時根據需要，既可以將杠桿重疊，又可以將杠桿分開。重疊時將相互連接的部分合并為一個點，分開時連接點用一水平線表示。兩種情況都要對杠桿的力臂進行調整，調整時要保證連接部分合并點之間的力臂長度相等，并且各杠桿力臂長度比不變，在這種由多個行星排杠桿圖合并的總杠桿圖上標上離合器、制動器，以及輸入構件(i)、輸出構件(o)，即得多行星排并聯等效杠桿圖。

3.2 拓展的杠桿法介紹

原有的杠桿法在分析傳動方案時，前提是行星齒輪機構的各個構件都能進行制動或作為動力的輸入元件，它對于傳動方案中的兩排行星排機構進行分析方法是可行的，但隨著6速甚至更多檔位數自動變速器的誕生，將采用更多行星排，如ZF-9HP自動變速器機械傳動部分由4個單行星輪行星排組成，以至于原有杠桿法在分析傳動方案時失去了作用。基于此，筆者在原有辛普森式兩排行星齒輪機構的等效轉速線圖中加入了K1、K2和-K′軸三條輸入轉速線。此K1、K2和-K′軸輸入線很好的反映了在辛普森式兩排行星齒輪機構(即第三排和第四排)的基礎上再前加兩排單行星輪行星排的目的，也即提供了多種不同的輸入軸轉速。Ki的取值取決于多加的且參與傳動的行星排的輸出轉速與輸入轉速之比。

3.3 ZF-9HP自動變速器換擋過程分析

圖5為根據ZF-9HP自動變速器傳動簡圖繪制的等效杠桿圖［5］。由圖4、圖5分析可知原有的杠桿法難以滿足ZF-9HP自動變速器的分析研究，故筆者對原有的杠桿法進行了拓展，新拓展的等效杠桿轉速線圖如圖6所示［6-7］，在圖6中可以清晰地看出ZF-9HP自動變速器各檔位下的轉速關系和作用元件。圖示x軸表示行星排中各構件轉速的大小和方向，y軸代表各固定構件的轉速。K2代表一檔時第二排行星架PC2減速輸出后的輸出轉速與輸入轉速之比，K1代表二檔時第一排行星架PC1減速輸出后的輸出轉速與輸入轉速之比，-K'代表九檔和倒檔時第二排行星架逆轉輸出的輸出轉速與輸入轉速之比。a為第四排齒圈齒數和太陽輪齒數之比，(1+a)/b為第三排齒圈齒數與太陽輪齒數之比。

圖5 ZF-9HP自動變速器等效杠桿圖

圖6 ZF-9HP自動變速器等效杠桿轉速線圖

由圖6得出2ZF-9HP自動變速器各檔傳動情況如表2所列。

表2 ZF-9HP自動變速器各檔傳動情況

根據表中1檔、2檔、4檔、8檔和R檔可分別算出a=2.63 158，b=1.38 095，K2=0.39 963，K1=0.67 025，K′=0.50 269。再將計算所得數據分別代入3檔、4檔、6檔、7檔、9檔，驗證統(tǒng)計得i3=1.91 022、i4=1.38 229、i6=0.80 724、i7=0.69 698、i9=0.47 889。

計算出的傳動比值和表1中給出的傳動比值吻合。

本文利用拓展的杠桿法分析ZF-9HP自動變速器的換擋過程完全正確可行。同時5～9檔及倒檔轉速線的變化，也形象的表達了矢量表示法的原理。

4 結論

ZF-9HP自動變速器擁有4個減速檔、1個直接檔、4個超速檔和一個倒檔，滿足了當今汽車市場自動變速器多檔化的要求，由表1可以看出ZF-9HP自動變速器各檔齒比間隔更小，同時ZF-9HP自動變速器的控制元件組合邏輯非常巧妙，無論是順序換擋還是隔檔換擋都只需兩個換擋元件動作，因此換擋更平順。檔位數的增加并沒有導致機械傳動部分體積和質量的增加，例如第一、第二行星排實際在同一個平面內，故與ZF-6HP自動變速器相比長度不變。此外通過分析并對其拓展，再一次證明了杠桿法在分析自動變速器換擋過程中較解析法和圖論法更直觀、便利，也為今后其他自動變速器的分析和設計提供了很好的啟示。

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［3］ 吳澤輝.解析德國采埃孚九速自動變速器［J］.汽車維修與保養(yǎng)，2013(6):88-90、93.

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［6］ 李志偉，尤明福，文 強.基于杠桿法分析01M自動變速器的換擋過程及設計思路［J］.機械傳動2011(10):50-53.

［7］ 尤明福，李志偉，甘 偉，等.基于杠桿法的8速自動變速器傳動方案的設計［J］.中國機械工程，2012(12):112-115.