基于拓展杠桿法的8速行星齒輪機構的設計

文強

（柳州職業技術學院汽車工程學院，廣西柳州545006）

0 引言

行星機構式自動變速器（簡稱自動變速器或AT）的主要部件包括了液力變矩器和行星齒輪變速機構，而這兩大部件工作狀態決定著自動變速器的傳遞效率。液力變矩器具有自動離合器、吸收振動、減少換擋沖擊、可在一定范圍內無級變速、變矩的優點。但在某些工況下，液力變矩器具有傳遞效率低、油耗增加的不足之處。擋位數的增加，使得發動機在低燃油消耗率區域工作的可能性增加，降低油耗[1]。而且，傳動比范圍廣、擋位數多更有利于改善車輛的燃油消耗率。多擋位化已成為自動變速器發展的趨勢，自動變速器的多擋位要求更多的行星排機構串聯、并聯來實現。

杠桿法在研究、分析和設計自動變速器的動力方案時具有直觀、簡單的特點，由于原有的杠桿法在分析多擋位自動變速器時具有一定的局限性，因此需要對原有的杠桿法進行拓展和改進。國內許多學者和研究人員對杠桿法做了大量的研究。黃宗益等[2]提出了運用杠桿法來分析和合成多行星排機構的動力傳遞方案;張國芬等[3]提出利用杠桿法并聯雙排行星齒輪機構的設計；尤明福等[4-5]在原有的杠桿法的基礎上進行了拓展和改進，并驗證了拓展和改進的杠桿法是合理可行的；侯國強等[6-7]利用拓展和改進后的杠桿法對奔馳7速自動變速器、ZF9速自動變速器的換擋過程進行了分析。

更多行星排齒輪機構的串聯、并聯的連接方式，可以實現更多擋位動力傳遞，但這給執行元件的布置帶來一定的困難。在自動變速器結構中，兩行星排最好的連接關系是兩行星排的同名元件相連，在這種結構中軸的疊套最少[8]，且便于執行元件結構位置的布置。分析表明：拉維娜兩行星排結構中兩行星排的行星架剛性連接，兩行星排的兩齒圈剛性連接，因此，拉維娜結構滿足不同行星排之間元件的最好連接關系。在滿足車輛最小傳動比的條件下，增加擋位數量及增加超速擋數量，都能有效地提升自動變速器的傳遞效率、降低油耗。本文將利用拓展的杠桿法，在拉維娜結構基礎上，研究和設計出一套8速行星齒輪機構的新型動力傳遞方案。動力傳遞方案中包含有多個超速擋，以便提升自動變速器的傳遞效率、降低油耗。同時，利用平面圖形判定法檢驗了8速行星齒輪機構新結構中的各行星排元件和執行元件位置之間的布置關系無幾何干涉現象，因此，該8速行星齒輪機構的動力傳遞方案及其對應的結構是可以合理布置并實現的。

1 等效杠桿法的拓展

1.1 等效杠桿法的拓展

在分析和研究自動變速器的方法中，杠桿法具有直觀、簡單、明了的特點。杠桿法包括等效杠桿輸出點分析圖法和等效傳動杠桿圖法。文獻[8]指出：在等效杠桿輸出點分析圖法中，1個行星排結構的3個元件（即行星架、太陽輪、齒圈）分別對應1個支點；若多個行星排并聯或串聯時，不同行星排之間剛性連接的元件共用1個支點，且在某些情況下可以適當地調整支點的位置。多行星排數和多擋位數成為自動變速器發展的趨勢，支點數也在增加，而原有的杠桿法只有5個支點，因此，需要對原有的杠桿法進行拓展和改進。文獻[4]～[7]都對原有的杠桿法進行了拓展和改進，通過對已有的杠桿法進行研究、分析和拓展，得出本文拓展和改進后的等效杠桿輸出點分析圖法，如圖1所示。在圖1中:1）有A、B、C、D四個支點；2）為了便于分析，將自動變速器輸入軸轉速單元化，即輸入軸轉速為1，且0＜k1＜k2＜1；3）k1表示經過傳動比為1/k1的某減速機構通過執行元件與支點連接，或者與支點剛性連接；4）k2表示經過傳動比為1/k2的某減速機構通過執行元件與支點連接，或者與支點剛性連接；5）C支點與自動變速器的輸出軸剛性連接；C支點的轉速大于1，該擋為超速擋；C支點的轉速大于0且小于1，該擋為減速擋；C支點的轉速小于0，該擋為倒擋；C支點的轉速等于1，該擋為直接擋。

圖1 拓展和改進的等效杠桿輸出點分析圖

1.2 8速等效杠桿輸出點分析圖的選擇

通過對圖1的分析表明：拓展和改進后的等效杠桿輸出點分析圖中有30個減速擋、1個直接擋、4個超速擋、4個倒擋。根據自動變速器換擋過程的單一切換原則[8-9]，以及執行元件位置布置的制約，只有部分擋位能在一套動力傳遞方案中使用。分析表明：1）在圖1中，若使用2組獨立的行星排結構形成傳動比分別為1/k1、1/k2的減速機構，勢必會造成執行元件數量的增加，同時，將使自動變速器的結構更復雜、增加自動變速器的質量和生產成本。因此，在減速機構中可以將兩行星排以并聯連接的方式聯立，且有常輸入，這將減少執行元件使用的數量；但是，并聯式的減速機構中，不能同時形成1/k1、1/k2的傳動比。2）支點A分別與自動變速器殼、減速機構、輸入軸的3個連接點（通過執行元件連接），支點B分別與減速機構、輸入軸的兩個連接點（通過執行元件連接），支點D與減速機構的連接點（通過執行元件連接），這6個連接點的執行元件布置位置相互制約，因此，使用這6個連接點（即6個執行元件）形成的擋位不能同時出現在同一組動力傳遞方案中，但某一動力傳遞方案中可以選用其中的幾個連接點。根據以上的擋位選用原則，本文選出了3組8速行星齒輪機構的等效杠桿輸出點分析圖，如圖2所示。

圖2 3組8速行星齒輪機構的等效杠桿輸出點分析圖

通過對圖2的分析表明：圖2（b）、圖2（c）的2種動力傳遞方案都需要8個執行元件實現8個前進擋和2個倒擋；而圖2（a）的動力傳遞方案可以使用7個執行元件來實現8個前進擋和2個倒擋，且圖2（a）的動力傳遞方案中有3個超速擋，前進擋傳動比范圍更廣。在自動變速器動力傳遞方案中，在最小傳動比滿足車輛動力需要的情況下，增加擋位數、增加傳動比的范圍及增加超速擋數都能有效地提升自動變速器的傳遞效率、降低油耗[10]。因此，8速行星齒輪機構的等效杠桿輸出點分析圖優先選用圖2（a）。

2 拉維娜結構

拉維娜結構包含2個行星排結構，兩行星排的行星架剛性連接、齒圈剛性連接，如圖3所示。因此，拉維娜結構中的兩行星排連接關系滿足自動變速器中兩行星排最好的連接關系，在這種結構中軸的疊套最少，執行元件結構位置布置方便，不易出現交叉的現象。因此，在新設計的8速行星齒輪機構中選用拉維娜結構作為其結構基礎。

3 8速行星齒輪機構

圖3 拉維娜結構簡圖

經過擇優選擇，8速行星齒輪機構的等效杠桿輸出點分析圖如圖4所示。8速行星齒輪機構選用拉維娜結構作為基礎結構，除此之外還有2個行星排并聯組成的減速機構。通過對各擋位的動力傳遞及各行星排的旋轉方向分析，減速機構選用單行星輪行星排和雙行星排行星排并聯連接的結構，減速機構的傳動簡圖如圖5所示。減速機構中使用了常輸入（即行星排元件與自動變速的輸入軸剛性連接），以便減少執行元件的數量，從而降低自動變速器結構的復雜性，降低生產成本及故障概率。

圖4 8速行星齒輪機構的等效杠桿輸出點分析圖

將圖3、圖5相結合，并利用等效杠桿輸出點分析 圖，8 速行星齒輪機構的傳動簡圖如圖6 所示。圖6 中，從左往右依次為第一行星排（雙行星輪行星排）、第二行星排（單行星輪行星排）、第三行星排（雙行星輪行星排）、第四行星排（單行星輪行星排），其中第一、二行星排為拉維娜結構。8速行星齒輪機構等效傳動杠桿圖如圖7所示。

4 8速行星齒輪機構動力傳遞方案的確定

4.1 各擋位傳動比的確定

圖5 減速機構的傳動簡圖

圖6 8速行星齒輪機構的傳動簡圖

圖7 8速行星齒輪機構的等效傳動杠桿圖

通過對圖4的研究和分析，利用傳動比的計算公式來計算出8速行星齒輪機構動力傳遞方案中各擋位的傳動比，各擋位的傳動比如表1所示。從表1中可知，8速行星齒輪機構動力傳遞方案中有3個超速擋（即D6、D7、D8擋），超速擋位數量的增加可以有效提高車輛的動力傳動效率和改善車輛的燃油經濟性。

4.2 各擋位工作執行元件的確定

行星排式自動變速器的升降擋是通過切換執行元件的工作狀態來實現的。對圖4、圖6、圖7進行研究和分析，得出8速行星齒輪機構動力傳遞方案各擋位的執行元件工作狀態，如表2所示。從表2中可以看出，8速行星齒輪機構動力傳遞方案的換擋過程滿足單一切換原則，即分離一個執行元件和接合另一個執行元件。在換擋過程中，執行元件切換工作狀態次數少，這有利于簡化擋位切換的過程，減少換擋過程中產生的換擋沖擊，降低車輛的換擋頓挫感，改善車輛的乘坐舒適性。

表1 各擋位的傳動比

表2 各擋位工作的執行元件

5 平面圖形判定法

利用平面圖形法[11]來判定執行元件位置和行星排結構布置關系在實際方案中是否會發生幾何干涉問題。圖8為新8速行星齒輪機構動力傳遞方案的結構平面圖形判定圖。通過對圖8的研究和分析表明，新8速行星齒輪機構動力傳遞方案結構中的行星排結構和執行元件位置的布置關系不存在交叉和干涉的現象。因此，新8速行星齒輪機構動力傳遞方案與其對應結構中的行星排和執行元件布置關系在實際方案中是可以合理布置并實現的。

圖8 新8速行星齒輪機構動力傳遞方案的結構平面圖形判定圖

6 結論

液力變矩器在某些工況下具有傳動效率低、油耗高的不足之處，本文利用拓展的杠桿法設計了一套8速行星齒輪機構的動力傳遞方案，方案中包含有等效杠桿輸出點分析圖、等效杠桿傳動圖、動力傳遞簡圖、各擋傳動比及各擋的工作執行元件。8速行星齒輪機構的動力傳遞方案中傳動比范圍廣，且具有3個超速擋，這能有效提高車輛的動力傳遞效率和改善車輛的燃油經濟性；同時，該方案的換擋過程滿足執行元件的單一切換原則，這有利于降低自動變速器換擋過程的沖擊，減少換擋過程的頓挫感，從而提高車輛的乘坐舒適性。利用平面判定圖形法檢驗8速行星齒輪機構動力傳遞方案結構中的行星排結構和執行元件位置的布置關系不存在交叉和干涉的現象,該方案在實際中是可以合理布置并實現的。