基于輪系運動學的ZF—9HP自動變速器傳動分析

段永彬　張玉芝　閻炳強

摘 要：ZF-9HP自動變速器是ZF公司近幾年推出的新款9速自動變速器。ZF-9HP自動變速器在動力性能，扭矩傳輸，燃油經濟性等方面具有優勢，作為未來前驅車輛的最佳選擇已應用于多個廠家的多款車上。本文以9HP48為例敘述了ZF-9HP自動變速器各檔工作元件，並利用行星齒輪系統傳動公式對其各檔傳動比作了詳細的數學分析。

關鍵詞：ZF-9HP；傳動比計算

1 引言

傳統自動變速器的傳動分析較為成熟，計算方法相對簡單[1][2][3][4]，對于7速、8速的變速器有圖解法[5]、輪系法[6]、杠桿法[7] [8] [9]、表格分析法[10]、圖論法[11]等，也有文獻提高簡化的方法[12]，對于9速度變速器多采用杠桿法分析[13]。

ZF-9HP自動變速器齒輪傳動部分含有4套行星齒輪系統、2個制動器C和D、2個離合器和E、2個爪式離合器A和F如圖1所示，動力由左側輸入由第一排行星架輸出。其結構特殊性在于第三排行星齒輪系統的太陽輪和第四排行星齒輪系統的齒圈是一個整體零件。

ZF-9HP自動變速器電液控制系統通過控制這些元件的工作形成了9個前進檔1個倒擋。從左至右各個齒輪系統齒圈齒數對太陽輪齒數的比依次設定為k1、k2、k3、k4。

2 運動分析

2.1 結構參數設置

設：輸入轉速為n1，輸出轉速為n2，則：

第一排太陽輪、齒圈、行星架轉速依次為n11，n12，n13；

第二排太陽輪、齒圈、行星架轉速依次為n21，n22，n23；

第三排太陽輪、齒圈、行星架轉速依次為n31，n32，n33；

第四排行星齒輪太陽輪轉速、齒圈轉速、行星架轉速依次為n41，n42，n43；

根據ZF-9HP自動變速器結構可知：

n11=n21，n12=n23，n13=n2

n22=n33=n43，=n42

2.2 各擋傳動分析

1檔：工作元件為D、F、A，離合器F將第一、二排太陽輪固定，制動器D將第三排齒圈固定，離合器A帶動第三排太陽輪旋轉，則有：

n1+0-（1+k3）n33=0

對于第二排行星齒輪有：

0+k2n33-（1+k2）n23=0

解方程得：

n23=n33==n1 （1）

對于第一排行星齒輪有：

0+k2n23-（1+k1）n2=0

解方程得：

n2=n23…。…0 （2）

將（1）代入（2）得：

n2=·n1

2檔：工作元件C、F、A，制動器C將第四排太陽輪固定，對于第四排行星齒輪則有：

0+k4n1-（1+k4）n43=0

解方程得：n43=n1，對于第二排行星齒輪有：

0+k2n22-（1+k2）n43=0

解方程得：

n23=n22=n1

對于第一排行星齒輪有：

0+k1n12-（1+k1）n2=0

解方程得：

n2=·n1

3檔：工作元件B、F、A，離合器B將第四排太陽輪和輸入軸固接，對于第四排行星齒輪則有：n1+k4n1-（1+k4）n43=0

所以：n43=n1 n22=n1 對于第二排行星齒輪則有：

n1+k2n1-（1+k2）n23=0

解方程得：

n23=n1

對于第一排行星齒輪則有：

0+k1n23-（1+k1）n2=0，

得：

n2=·n1

4檔：工作元件E、F、A，合器E將輸入軸與第一排齒圈固接，對于第一排行星齒輪則有：0+k1n1-（1+k1）n2=0

得：

n2=n1

5檔：工作元件B、E、A；四排行星齒輪作為一個整體一起旋轉。

n2=n1

6檔：工作元件C、E、A，對于第四排行星齒輪有：

0+k4n1-（1+k4）n22=0

解方程得：

n22=n1

對于第二排行星齒輪有：

n21+k2n22-（1+k2）n1=0 （1）

對于第一排行星齒輪有：

n11+k1n1-（1+k1）n2=0 （2）

（1）-（2）得：

n2=n1

7檔：工作元件D、E、A，對于第三排行星齒輪則有：

n1+0-（1+k3）n33=0 n33=n1

對于第二排行星齒輪則有：

n21+k2n33-（1+k2）n1=0 （1）

對于第一排行星齒輪則有：

n11+k1n1-（1+k1）n2=0 （2）

（1）-（2）得：

在該變速器中，第三排的太陽輪和第四排的齒圈是一個整體零件，在8檔和9檔傳動過程中，第三、四排行星齒輪是共同參與工作的，為了明確第四排的太陽輪、第三排的齒圈、第三、四排行星齒輪的共用行星架在傳動過程中的數學關系，如圖2所示，作如下分析：

首先設定共用行星架不動，即n3=0，靠近旋轉中心的行星輪代碼為a，內外齒整體零件代碼為b，其內齒數為Zb1，外齒數為Zb2，遠離旋轉中心的行星輪代碼為c，在此參考系中，中心論轉速為n1r，最外齒圈轉速為：n2r，則有：

以上兩式相乘

（1）

兩式相乘：

（2）

（1）×（2）得：

令

給行星架附加實際速度n3。則中心輪實際轉速為：

n1=n3+n1r n1r=n1-n3；

最外齒圈實際轉速為：

n2=n3+n2r n2r=n2-n3

因為，所以：

整理得：

n1-k34n2-（1-k34）n3=0

結論：雙行星排齒輪傳動公式n1-kn2-（1-k）n3=0仍然適合于第三、四排行星齒輪傳動機構，只是k值不同。

8檔：工作元件C、D、E，對于第三排和第四排行星齒輪機構則有：

n1-k34·0-（1-k34）n33=0 n33=0

對于第二排行星齒輪則有：

n21+k2·0-（1+k2）n1=0 （1）

對于第一排行星齒輪則有：

n11+k1n1-（1+k1）n1=0 （2）

（2）-（1）：

9檔：工作元件D、B、E。對于第三排和第四排行星齒輪機構則有：

n1-k34·0-（1-k34）n33=0 n33=n1

對于第一排行星齒輪則有：

n11+k1n1-（1+k1）n2=0 （1）

對于第二排行星齒輪有：

n21+k2n33-（1+k2）n1=0 （2）

（1）-（2）得：

R檔：工作元件D、B、F，對于第三排和第四排行星齒輪機構則有：

n1-k34·0-（1-k34）n33=0

對于第二排行星齒輪有：

0+k2n33-（1+k2）n23=0

（1）

對于第一排行星齒輪則有：

0+k1n23-（1+k1）n2=0 （2）

將（1）代入（2）：

3 結語

ZF-9HP自動變速器用四排行星齒輪和六個換擋控制元件組成，形成了9個前進檔和1個倒擋，擴展了傳動比的分布，減小了相鄰檔位傳動比的差，這就在傳動結構上為換擋平順性提供了有力條件。

參考文獻：

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