行星齒輪自動變速器檔位分析方法

甘守武，周均

（重慶電子工程職業學院汽車工程系，重慶 401331）

0 引言

行星齒輪自動變速器的機械傳動系統結構比手動變速器復雜，相關資料對行星齒輪自動變速器的檔位分析，主要是通過給定的各檔位工作元件來分析自動變速器機械傳動系統的動力傳遞路線，對自動變速器各檔位工作元件是如何得出的未作分析［1］;對自動變速器的傳動比，只是計算了單排行星齒輪的傳動比，對多排行星齒輪組合結構傳動比的計算方法也未作分析。但從自動變速器的設計過程而言，是先有機械系統的結構設計，然后得出各檔位的工作元件;絕大部分車用行星齒輪自動變速器的機械系統都是多排行星齒輪組合而成，傳動比的計算相對于單排行星齒輪更加復雜，特別是自動2檔傳動比的計算。所以，分析行星齒輪自動變速器各檔位的工作元件，并計算傳動比的方法對人們學習或研究自動變速器有一定借鑒作用。

1 單排行星齒輪機構變速原理

單排行星齒輪機構主要包括太陽輪、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基本元件，彼此間的結構關系如圖1所示。

在單排行星齒輪機構中，必須使太陽輪、齒圈和行星架這三個基本元件中的一個制動，或使其中兩個元件互相連接在一起，才具有一定傳動比。另外，假設某一元件轉速不變，其余兩個元件的轉速之間存在線性關系。

a）通過固定行星齒輪機構的不同元件可得6種不同的傳動狀態［2］，如表 1:

圖1 單排行星齒輪的結構

b）直接傳動狀態:在單排行星齒輪機構的三元件中，只要使其中兩個元件互相連接在一起轉動，其余一個元件也隨之同速同向轉，這種狀態下，傳動比為1，即直接傳動狀態。

c）假設某一元件轉速不變，其余兩個元件轉速之間存在線性變化關系:根據單排行星齒輪機構運動規律特性方程式［3］:

n1—太陽輪轉速;

n2—齒圈轉速;

n3—行星架轉速;

α—齒圈齒數Z2與太陽輪齒數Z1之比，即:

Z2/Z1，且 α ＞1。

α—常數

將式（2）帶入式（1），得到:

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

2 行星齒輪的組合形式

單排行星齒輪在實際應用中實現的檔位較少，不足以滿足汽車各種工況的需求，所以汽車使用的自動變速器都是通過多組行星齒輪組合而成。由于組合的結構不同，主要有以下幾種類型。

2.1 辛普森式行星齒輪結構

辛普森式齒輪機構的特點如圖2所示，兩組行星齒輪共用一個太陽輪;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 辛普森式齒輪機構

2.2 CR-CR式行星齒輪結構

CR-CR式行星齒輪機構的特點如圖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式行星齒輪結構

2.3 單向串聯式行星齒輪結構

單向串聯式行星齒輪機構的特點如圖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立的。

圖4 單向串聯式行星齒輪結構

2.4 復合式行星齒輪結構

以上四種行星齒輪組合都是由兩組行星齒輪組合完成的，而復合式行星齒輪結構是由兩組以上行星齒輪組合而成，這樣可以實現較多的檔位。寶馬5HP24自動變速器就是復合式行星齒輪結構，如圖5所示。

圖5 復合式行星齒輪結構

3 行星齒輪自動變速器檔位分析方法

一般行星齒輪自動變速器的檔位為 P，R，N，D，3，2，1。因為P，N檔不存在變速狀態，本文不作分析，只分析R，D，3，2，1檔位，這幾個檔位與單排行星齒輪機構的變速原理是相聯系的。雖然各種行星齒輪自動變速器的結構不相同，但各檔位工作元件的分析方法基本相同，本文以CR-CR結構的行星齒輪自動變速器為例，分析各檔位的工作元件，并計算各檔位傳動比。三菱、北京現代、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結構，如圖6所示。從機械傳動系統結構分析，輸入軸與離合器C1，C2，C3的外轂相連，任何一個離合器接合都可以把輸入軸的動力傳給后面相應的元件;前排的行星架及后排的齒圈與輸出軸剛性連接，共同作為動力輸出;制動器B1，B2分別用于制動后排行星齒輪的行星架及太陽輪;單向離合器的內轂與自動變速器殼體相連，外轂與前排的齒圈及后排的行星架相連，可用于單向制動前排的齒圈及后排的行星架。這種結構可以獲得四個前進檔和一個倒檔，本文以D1，D2，D3，D4分別表示自動變速器D位的1檔，2檔，3檔及4檔。

圖6 F4A42自動變速器機械傳動結構圖

分別對前后排行星齒輪組應用運動規律特性方程式:

α1，α2—前、后排齒圈齒數與太陽輪齒數之比。

由機械傳動系統的結構可得:

3.1 R檔的分析方法

a）R檔工作元件的分析:R檔是自動變速器的倒檔，要求實現反向減速狀態，由單排行星齒輪機構變速原理可知，這種狀態必須固定行星架，太陽輪主動，齒圈從動。結合自動變速器的機械傳動系統結構分析，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，反向減速狀態就能實現。所以倒檔時的工作元件是B1和C2。R檔動力傳遞線路及前后排行星齒輪的運動狀態如圖7所示。

圖7 倒檔動力傳遞路線圖

b）R檔傳動比的計算:因為后排行星架被固定，即:

把式（9）帶入式（6），得R檔傳動比:

3.2 D1檔的分析方法

a）D1檔工作元件的分析:D1檔是為了使汽車驅動輪獲得最大的扭矩，所以在前進檔中傳動比最大，需要實現同向減速狀態。由單排行星齒輪機構變速原理可知，行星架必須作為輸出，才可以實現同向減速，由機械傳動系統結構的分析可知，前排行星架與輸出軸剛性連接，即為輸出;對于前排行星齒輪，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，由于前排行星架作為輸出，阻力很大，這時前排齒圈會有逆時針轉動的趨勢，由于單向離合器F1的作用，前排齒圈被制動，即為固定。綜上所述，前排行星齒輪的狀態是齒圈被固定，太陽輪主動，行星架從動，實現同向減速狀態。因為汽車起步時，車速很低，單向離合器承受的扭矩很大，當車速低于設定值時（不同型號會有差別），自動變速器ECU會控制B1接合，以保護F1，當速度高于設定值時，B1分離，可以減小D1升D2檔的換擋沖擊及ECU控制的執行元件數量。所以D1檔時工作元件為C1、F1和B1（車速低于一定值時起作用）。D1檔動力傳遞線路及前后排行星齒輪的運動狀態如圖8所示。

圖8 D1檔動力傳遞路線圖

b）D1檔傳動比的計算:因為前排齒圈被固定，即:

把式（11）帶入式（5），得D1檔傳動比:

3.3 D1升D2檔的分析方法

a）D2檔工作元件的分析:D2檔也是使輸出軸實現同向減速狀態，且D2檔的傳動比小于D1檔的傳動比。由單排行星齒輪變速原理的分析可知，D1檔升D2時，假設輸入軸的轉速不變，使前排的齒圈順時針轉起來，前排行星架的轉速就會比D1檔時提高，即輸出軸轉速提高，傳動比變小，因為前排的齒圈與后排的行星架相連，所以只要使后排的行星架順時針轉起來即可實現D2檔傳動比。在D1檔時，因為后排齒圈與前排行星架一起順時針轉，作為輸出，所以只要通過B2制動后排太陽輪，后排行星架就能順時針轉，前排的齒圈也一起順時針轉，輸出軸的轉速就得到提高，同時F1也不起制動作用。所以D2檔的工作元件是C1及B2。對比D1及D2檔的工作元件，在升降檔時，ECU只需要控制液壓系統改變B2的狀態就可實現換擋。D2檔動力傳遞線路及前后排行星齒輪的運動狀態如圖9所示。

b）D2檔傳動比的計算，因為后排的太陽輪被固定，即:

圖9 D2檔動力傳遞路線圖

把式（13）帶入式（6），得:

結合式（7）、（8），得:

把式（15）帶入式（5），得:

移項得D2檔傳動比:

D1檔時的傳動比為 ，比較D1檔和D2檔的傳動比，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檔的傳動比小。從機械傳動結構分析，在D2檔時，離合器C1接合把動力傳給前排太陽輪，升D3檔時，只要C3接合就把動力傳給后排的行星架和前排的齒圈，同時分離制動器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速與輸入軸相同，則前排行星架也會與輸入軸同速同向旋轉，即直接傳動。所以D3檔的工作元件為C1，C3。D2檔動力傳遞線路及前后排行星齒輪的運動狀態如圖10所示。

圖10 D3檔動力傳遞路線圖

b）D3檔傳動比的計算:由于D3檔是直接傳動，所以傳動比為1。

3.5 D3升D4檔的分析方法

a）D4檔工作元件分析:D4檔的傳動比小于D3檔，是超速檔，要求實現同向增速狀態。由單排行星齒輪變速原理的分析可知，只要行星架輸入，無論那個元件輸出，都是同向增速狀態。結合機械傳動結構分析，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，同時離合器C1分離。即實現同向增速狀態。所以D4檔的工作元件為C3、B2。D4檔動力傳遞線路及前后排行星齒輪的運動狀態如圖11所示。

圖11 D4檔動力傳遞路線圖

b）D4檔傳動比的計算:后排太陽輪被固定，即:

把式（19）代入式（6），得:

3.6 手動檔的分析方法

手動檔與自動檔相同檔位傳動比是相同的，不同之處在于手動檔的檔位升降會受到限制，及手動檔的1檔有發動機制動，在擁堵及斜坡路況使用手動檔可以把檔位限制在一定范圍及1檔可以利用發動機制動幫助汽車限速，減少對制動系統的使用，可有效保護制動系統及提高下坡行駛時的安全性。

當變速桿在3位時，變速器只能在1、2、3檔之間變化，傳動比及工作元件與在D位時的相同檔位相同，汽車行駛在比較擁堵的路段時使用這一檔位;在2位時，只能在1、2檔之間變化，傳動比與工作元件與在D位時的相同檔位也相同，汽車行駛在上下斜坡時使用這一檔位;在1位時，傳動比與D1檔時相同，但工作元件多了制動器B1，汽車行駛在嚴重交通堵塞路段和斜度較大的斜坡上時，使用這一檔位最能發揮功用。在汽車上斜坡時，可充分利用發動機的扭矩;在汽車下斜坡時，驅動輪由于重力的作用加速轉動，在D1檔時，前排行星架會帶動前排齒圈順時針方向轉動，F1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力傳遞中斷，發動機對輸出軸就沒有制動效果，所以輸出軸轉速的上升不會受到發動機慣性的限制，這種情況就必須頻繁使用制動系統，影響制動系統的可靠性及行車的安全性。但如果使用手動1檔，由于前排齒圈被B1制動，輸出軸的加速轉動力會試圖帶動前排太陽輪也加速轉動，從而帶動發動機的曲軸加速轉動，但發動機的慣性會阻礙曲軸的加速轉動，這樣就實現了發動機制動的效果。

4 結語

a）分析自動變速器的檔位和計算傳動比要以單排行星齒輪機構的變速原理為基礎，分別對每一排行星齒輪建立運動規律特性方程式，并分析各參數之間的關系。

b）分析自動變速器的檔位和計算傳動比首先要分析機械傳動系統的結構。分析結構時，主要有以下幾個要點:1）有幾個離合器及其是用來傳遞那兩個元件的動力;2）有幾個制動器及其是用來制動那個元件;3）有幾個單向離合器及其是在什么情況下起制動作用。

c）對于手自一體的行星齒輪自動變速器，手動檔與自動檔區別在于手動檔的檔位升降會受到限制，及手動1檔有發動機制動，在交通擁堵及斜坡路段時用手動檔會更加安全可靠。

［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.單排行星齒輪機構動力傳遞方式分析方法［J］.重慶電子工程職業學院學報，2011，20（4）:151-153.

［3］劉艷莉，董長興，等.汽車構造及使用［M］.北京:人民郵電出版社，2009.169.

［4］張紅偉，王國林.汽車底盤構造及維修［M］.北京:高等教育出版社，2005.85-86.

［5］馮櫻.運用杠桿法計算汽車行星齒輪變速器的傳動比［J］.湖北汽車工業學院學報，2008，22（3）:17-22.