機械定軸式自動變速器的研究

機械定軸式自動變速器的研究

石功名1，尤明福2，侯國強2

(1.河源技師學院，廣東河源517000；2.天津職業技術師范大學，天津300222)

摘要：機械定軸式自動變速器具有結構簡單、傳動效率高、易于制造和生產繼承性好等優點。介紹了定軸式自動變速器的發展、分析了當今市場兩種典型的定軸式自動變速器，并設計出了一種新式的定軸式自動變速器。

關鍵詞:定軸式自動變速器發展新設計

中圖分類號：TH122文獻標識碼：A

作者簡介：石功名(1982-)，男，河源技師學院講師。

收稿日期：2015-04-20

Researchonmechanicalfixed-shaftautomatictransmission

SHIGongming，YOUMingfu，HOUGuoqiang

Abstract:The mechanical fixed-shaft automatic transmission has the advantages of simple structure, high transmission efficiency, easy manufacturing and production of inheritance etc.. This paper introduces the development of fixed-shaft automatic transmission, analyzes two kinds of typical fixed-shaft automatic transmission on the market today, and designs a new type of fixed-shaft automatic transmission.

Keywords:fixed-shaft automatic transmission；development；redesign

0引言

目前，車輛自動變速器大多采用齒輪傳動有級變速器。齒輪變速器主要分為行星齒輪式和定軸式兩種基本類型。定軸式自動變速器又稱平行軸式自動變速器。1979年由日本本田公司率先研制生產出了3速平行軸式自動變速器[1]。之后瑞典斯堪尼亞公司的CAG系統、美國伊頓公司的SAMT系統其齒輪傳動部分均采用了定軸式布置[2]。

定軸式自動變速器的換擋操縱機構與普通手動機械式變速器的機械換擋部分基本相同，而在電子控制方面引入了微機控制電液伺服操縱機構，能夠將檢測到的汽車行駛工況(節氣門開度、發動機轉速和車速等)信號，輸入控制器，經控制器分析處理，按控制器內的換擋規律向電子閥發出換擋指令，進行液壓油路的轉換，最終實現檔位的自動轉換。

1大眾0AM自動變速器

1.1大眾0AM自動變速器結構簡介

大眾0AM直接換擋自動變速器是典型的電控機械式自動變速器(AMT)，又稱為雙離合器機械自動變速器(DCT)[3]。其換擋時傳動動力不間斷，從而為乘員提供相當好的乘坐舒適性。大眾0AM直接換擋自動變速器采用干式雙離合器設計，擁有兩個輸入軸和三個輸出軸。其結構簡圖如圖1所示。

圖1　大眾0AM直接換擋自動變速器結構簡圖

由圖1可知大眾0AM自動變速器的結構特點如下：

0AM自動變速器具有兩個干式離合器K1、K2，可以分別與雙質量飛輪接合，將發動機輸出轉矩傳遞至變速器輸入軸1和輸入軸2。輸入軸1貫穿于空心的輸入軸2中。兩根輸入軸通過球軸承支承在變速器殼體上。其中輸入軸1上制有1檔、3檔、5檔和7檔齒輪；輸入軸2上制有2檔、4檔、6檔和R檔齒輪；輸出軸1上空套有1檔、2檔、3檔和4檔輸出齒輪；輸出軸2空套有5檔、6檔、7檔和R1齒輪，制有R檔惰輪；輸出軸3上制有R檔輸出齒輪R2。

1.2大眾0AM自動變速器換擋過程分析

由表1可知大眾0AM自動變速器各檔位換擋過程如下。1檔：K1離合器接合，動力傳動至輸入軸1，固連于輸入軸1的1檔齒輪帶動空套在輸出軸1上的1檔輸出齒輪轉動，結合套J1-3左移，將動力傳至輸出軸1；2檔：K2離合器接合，動力傳動至輸入軸2，固連于輸入軸2的2檔齒輪帶動空套在輸出軸1上的2檔輸出齒輪轉動，結合套J2-4右移，將動力傳至輸出軸1；3檔：K1離合器接合，動力傳動至輸入軸1，固連于輸入軸1的3檔齒輪帶動空套在輸出軸1上的3檔輸出齒輪轉動，結合套J1-3右移，將動力傳至輸出軸1；4檔；K2離合器接合，動力傳動至輸入軸2，固連于輸入軸2的4檔齒輪帶動空套在輸出軸1上的4檔輸出齒輪轉動，結合套J2-4左移，將動力傳至輸出軸1；5檔：K1離合器接合，動力傳動至輸入軸1，固連于輸入軸1的5檔齒輪帶動空套在輸出軸2上的5檔輸出齒輪轉動，結合套J5-7左移，將動力傳至輸出軸2；6檔：K2離合器接合，動力傳動至輸入軸2，固連于輸入軸2的6檔齒輪帶動空套在輸出軸2上的6檔輸出齒輪轉動，結合套J6-R左移，將動力傳至輸出軸2；7檔：K1離合器接合，動力傳動至輸入軸1，固連于輸入軸2的7檔齒輪帶動空套在輸出軸2上的7檔輸出齒輪轉動，結合套J5-7右移，將動力傳至輸出軸2；R檔：K2離合器接合，動力傳動至輸入軸2，固連于輸入軸2的R檔齒輪帶動空套在輸出軸2上的R1齒輪轉動，結合套J6-R右移，將動力傳至固連于輸出軸2的R檔惰輪，進而帶動固連于輸出軸3的R檔輸出齒輪R2轉動，動力由輸出軸3輸出。

表1大眾0AM自動變速器各檔結合元件工作表

結合元件離合器結合套K1K2J1-3J2-4J5-7J6-R檔位1○○(左)2○○(右)3○○(右)4○○(左)5○○(左)6○○(左)7○○(右)R○○(右)

大眾0AM自動變速器在奇數檔和偶數檔之間換擋時，可以通過預先結合結合套(同步器)，再轉換離合器K1、K2，從而保證動力不間斷，實現平穩換擋。但其在奇數檔之間或偶數檔之間轉換時仍然是同步器切斷動力換擋，將對換擋響應和換擋操作產生一定的不利影響[4]。

2本田Smatic定軸式自動變速器

2.1本田Smatic定軸式自動變速器結構簡介

圖2　本田Smatic定軸式自動變速器傳動簡圖

在當今絕大多數液力機械式自動變速器(HMT)采用行星齒輪變速器的趨勢下，本田Smatic自動變速器仍然采用定軸式結構。它由三根軸(輸入軸，中間軸和輸出軸)，4個換擋離合器和一個結合套組成，可實現4個前進檔，1個后退檔[5]。其中4個前進檔采用摩擦結合元件換擋，可實現不切斷動力，從而不停車換檔。前進檔與倒檔之間的轉換是通過結合套實現的。由于采用前輪驅動，自動變速器和驅動橋合為一體，因此動力傳遞路線短，結構更緊湊。

2.2本田Smatic定軸式自動變速器換擋過程分析

由表2可知，本田Smatic定軸式自動變速器各檔位換擋過程如下：1檔：動力由輸入軸齒輪傳遞至空套在輸出軸上的齒輪，再傳遞到中間軸，此時C1離合器接合，空套在中間軸上的齒輪與中間軸連為一體，帶動與之嚙合的輸出軸齒輪轉動，動力經主減速器主動齒輪傳出； 2檔：與1檔時類似，C2離合器接合，空套在中間軸上的齒輪與中間軸連為一體，帶動與之嚙合的輸出軸齒輪轉動，動力經主減速器主動齒輪傳出；3檔：C3離合器結合，空套在輸入軸上的齒輪與輸入軸連為一體，動力由輸入軸直接傳遞至輸出軸經主減速器減速傳出；4檔：C4離合器結合，空套在輸入軸上的齒輪與輸入軸連為一體，結合套左移，動力由輸入軸直接傳遞至輸出軸經主減速器減速傳出；R檔：C4離合器結合，空套在輸入軸上的齒輪與輸入軸連為一體，結合套右移，動力經倒檔惰輪傳遞至輸出軸，再經主減速器減速輸出。

表2本田Smatic定軸式自動變速器各檔結合

元件工作表

本田Smatic定軸式自動變速器各前進檔換擋時只需變換一個結合元件，從而可有效減小換擋沖擊，提升換擋品質和換擋舒適性。

3一種新設計的定軸式自動變速器

3.1新設計的定軸式自動變速器結構簡介

針對大眾直接換擋自動變速器換擋時可能出現的動力中斷現象和本田定軸式自動變速器檔位數較少，已不能夠滿足當今汽車市場自動變速器多檔化的要求的情況。筆者新設計了一種液力定軸式自動變速器，它具有5個減速檔，1個直接檔，1個超速檔和1個倒檔。

圖3所示為新設計的定軸式自動變速器結構簡圖。它具有一個輸入軸，兩個輸出軸，和一個中間軸。其中輸入軸與液力變矩器渦輪固連，輸入軸上有離合器C3、C4；中間軸與行星排太陽輪制為一體；齒輪1、2、3與行星排行星架制為一體，空套在中間軸上；齒輪4、5、6空套在輸出軸1上；齒輪7、8空套在輸出軸2上。離合器C3連接行星排齒圈和輸入軸，離合器C4連接行星排太陽輪和輸入軸，制動器B制動行星排太陽輪。

圖3　新設計的定軸式自動變速器結構簡圖

3.2新設計的定軸式自動變速器換擋過程分析

由表3可知新設計的定軸式自動變速器各檔位換擋過程如下。1檔：離合器C3、制動器B和結合套C1工作。行星排齒圈和輸入軸連為一體，太陽輪被制動，行星架減速輸出至中間軸齒輪2，帶動與之嚙合的齒輪5轉動，此時結合套C1右移，動力經輸出軸1上的常嚙合齒輪輸出；2檔：離合器C3、制動器B和結合套C2工作。與1檔時相同，行星架減速輸出至中間軸齒輪2，帶動與之嚙合的齒輪7轉動，此時結合套C2右移，動力經輸出軸2上的常嚙合齒輪輸出；3檔：離合器C3、制動器B和結合套C1工作。與1檔時相同，行星架減速輸出至中間軸齒輪3，帶動與之嚙合的齒輪6轉動，此時結合套C1左移，動力經輸出軸1上的常嚙合齒輪輸出；4檔：離合器C3、C4和結合套C1工作。此時前行星排整體輸出至中間齒輪2，帶動與之嚙合的齒輪5轉動，此時結合套C1右移，動力經輸出軸1上的常嚙合齒輪輸出；5檔：離合器C3、C4和結合套C2工作，此時前行星排整體輸出至中間齒輪2，帶動與之嚙合的齒輪7轉動，此時結合套C2右移，動力經輸出軸2上的常嚙合齒輪輸出；6檔：離合器C3、C4和結合套C1工作。此時前行星排整體輸出至中間軸齒輪3，帶動與之嚙合的齒輪6轉動，結合套C1左移，動力經輸出軸1上的常嚙合齒輪輸出；7檔：離合器C3、C4和結合套C2工作，此時前行星排整體輸出至中間齒輪3，此時結合套C2左移，動力經輸出軸2上的常嚙合齒輪輸出；R檔，離合器C3、CR和制動器B工作，行星排齒圈和輸入軸連為一體，太陽輪被制動，行星架減速輸出至中間軸齒輪1，經倒檔惰輪帶動空套在輸出軸1上的齒輪4轉動，此時離合器CR將齒輪4與輸出軸1連為一體，動力減速輸出。其中1、2、R檔為二級減速，3、4、5為一級減速，6檔為直接檔，7檔為一級超速。

表3新設計的定軸式自動變速器各檔結合

元件工作表

由表3可知新設計的定軸式自動變速器各前進檔相鄰檔位之間換擋時只需改變一個結合元件，從而減少了控制系統設計的復雜度，降低了換擋沖擊，改善了換擋品質。同時由于離合器C3參與了所有檔位工作，工作強度大，因此為防止離合器C3過度磨損失效，離合器C3摩擦片片數應多于離合器C4和CR，且應采用摩擦系數μ值更大，傳熱性好，熱容量大和耐熱極限高的摩擦材料。并且在液壓系統設計時，應充分考慮離合器C3的冷卻問題。

新設計的定軸式自動變速器輸入軸與液力變矩器渦輪相連，仍屬于液力機械式自動變速器(HMT)范疇。與本田定軸式自動變速器相比加入了一個行星排，檔位數增加為7個，使得速比間隔更均勻，更好的提高了駕乘人員的乘坐舒適性。

4結論

定軸式自動變速器傳動效率高、成本低、結構簡單；生產繼承性好，維修方便。但其也存在著一些弊端，如換擋過程動力可能中斷，舒適性有待提高等。因此應對其進行改進，設計出采用液力變矩器和平行軸式齒輪傳動機構的液力平行軸式自動變速器。液力平行軸式自動變速器是在AT和AMT的基礎上發展起來的新型自動變速箱，它具有AT和AMT的優點，同時避免了AT制造成本高和AMT控制復雜的缺點，是我國越野用自動變速器和商用車輛自動變速器的一個發展方向[6]。筆者據此新設計的定軸式自動變速器，只是在機械傳動方面對其進行了創新，并未涉及液壓控制系統和電子控制部分設計。同時對各檔位傳動比僅做了定性研究，未按照機械設計中的標準模數結合各檔位情況對各工作齒輪齒數進行精確計算，據此得出各檔位傳動比數值，并利用軟件仿真驗證，這在今后的研究中有待于近一步完善和提高。

參考文獻

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[2]李賢彬，魯民巧.汽車自動變速器的歷史、現狀及發展趨勢[J].邢臺職業技術學院學報，2006.6:22

[3]馮永忠.大眾車系0AM直接換擋變速器維修圖冊[M].北京：機械工業出版社，2010.5：1、11、15-19

[4]黃宗益.現代轎車自動變速器原理和設計[M].上海：同濟大學出版社，2006：18-19

[5]黃宗益.現代轎車自動變速器原理和設計[M].上海：同濟大學出版社，2006：44-45

[6]張祥平.提高液力平行軸式自動變速器換擋品質關鍵技術研究[D].長春：吉林大學碩士論文，2011