豐田U341E型自動變速器傳動比的計算

夏良耀

（浙江交通職業技術學院，浙江 杭州 311112）

1 齒輪變速機構的特點和功能

1.1 結構特點

U341E型自動變速器安裝在豐田卡羅拉轎車上，它的齒輪變速機構采用了CR-CR式行星齒輪機構，這是一種將前和后行星齒輪架連接到齒圈的行星齒輪裝置，根據這二套行星齒輪組件在變速器中的位置，分別稱作“前行星架/后齒圈組件”和“后行星架/前齒圈組件”。這二套行星齒輪組件分別同各自的太陽輪連接起來，加上控制其轉動的制動器和離合器，以及傳遞扭矩的軸，組合起來就構成四速行星齒輪機構，可產生四個前進擋速比和一個倒檔速比。U341E型自動變速器的結構如圖1所示，圖2是自動變速器行星齒輪傳動布置示意圖。

圖1 U341E型自動變速器結構簡圖

1.2 主要部件的功能

U341E型自動變速器變速齒輪控制部件主要有三個離合器（C1、C2、C3）、三個制動器（B1、B2、B3）、二個單向離合器（F1、F2）和二套行星齒輪組件組成，通過各部件的動力傳遞，最終把動力輸出到中間軸主、從動齒輪及差速器，實現車輛的正常行駛。各部件的主要功能和換擋執行元件的工作情況見表1所示。

圖2 自動變速器行星齒輪傳動示意圖

表1 主要部件的功能和換擋執行元件的工作情況

2 變速器各擋動力傳遞情況及傳動比計算

豐田 U341E型自動變速器齒輪變速機構是由二個單排行星齒輪組件所組成，各擋傳動比的計算應根據各個行星排被控制的具體情況（是否制動或閉鎖）來定。各個行星排構件轉速方程式[1]為：

式中：

na1、na2——前、后排太陽輪的轉速；

p1、p2——前、后行星排的特性參數（，Zb——齒圈齒數，Za——太陽輪齒數）；

nb1、nb2——前、后齒圈的轉速；

nx1、nx2——前、后行星架的轉速。

2.1 1擋

2.1.1 變速器動力傳遞情況

當變速器換擋手柄處于“1”擋（D→1、3→1和2→1）時，由圖1和圖2及表1可知，此時換擋執行元件C1和F2參與工作。前進擋離合器C1接合，輸入軸的動力通過C1傳給前太陽輪，再由前太陽輪傳給前行星輪和前排齒圈，此時，單向離合器F2阻止后行星架/前齒圈組件逆時針轉動（后行星架/前齒圈被固定），使得前行星架/后齒圈組件順著輸入軸的旋轉方向轉動，并把動力傳給中間軸齒輪副。此時后排行星齒輪組處于空轉狀態，動力傳遞路線：輸入軸→C1→前排太陽輪→前排行星輪→前排行星架→中間軸主、從動齒輪→輸出軸[2]。

2.1.2 傳動比計算

由于后行星排作空轉不傳遞動力，因此傳動比的計算應根據前行星排的工作情況來確定。前行星排的運動特性方程式[1]為：

由于前齒圈被單向固定（nb1=0），所以變速器處于“1”擋時的傳動比為：

2.2 2擋

2.2.1 變速器動力傳遞情況

當變速器換擋手柄處于“2”擋（D→2、3→2）時，由圖1和圖2及表1可知，此時換擋執行元件C1、B2和F1參與工作。前進擋離合器C1接合，輸入軸的動力通過C1傳給前太陽輪，再由前太陽輪傳給前行星輪和行星架，此時，單向離合器F1和制動器B2聯合作用，阻止后太陽輪逆時針轉動，此時動力傳遞路線：輸入軸→C1→前排太陽輪→前排行星輪→前齒圈→后行星架→后排行星輪→后齒圈→前行星架→中間軸主、從動齒輪→輸出軸[2]。

2.2.2 傳動比計算

變速器在“2”擋時動力發生在前、后行星排，各個行星排構件轉速方程式[1]為：

由于B2和F1的聯合作用，使得后太陽輪不能逆輸入軸轉動而被固定，因此na2=0。另外，后行星架/前齒圈和前行星架/后齒圈分別各自固裝在一起，因此得：nb1=nx2；nb2=nx1。由以上方程式解得變速器處于“2”擋時的傳動比為：

2.3 3擋

2.3.1 變速器動力傳遞情況

當變速器換擋手柄處于“3”擋（D→3、3→3）時，由圖1和圖2及表1可知，此時換擋執行元件C1、C2和B2參與工作。前進擋離合器C1和直接離合器C2接合，輸入軸的動力傳遞分為二路：一路通過 C1傳給前太陽輪，再由前太陽輪傳給前行星輪及前行星架輸出；另一路通過 C2傳給后行星架/前齒圈，再傳給前行星輪及前行星架輸出，這時前后排行星齒輪組鎖成一體旋轉，后排行星齒輪組處于空轉狀態。另外F1與B2配合，阻止后太陽輪逆時針轉動。動力傳遞路線：

2.3.2 傳動比計算

變速器在3擋時，由于離合器C1和C2接合，使二個行星齒輪組件結合成整體旋轉，各部件之間沒有相對運動，即na1=nb1=nx1=na2=nb2=nx2，則其傳動比為：

2.4 4擋

2.4.1 變速器動力傳遞情況

當變速器換擋手柄處于“4”擋（D→4）時，由圖 1和圖2及表1可知，此時換擋執行元件C2、B1和B2參與工作。直接離合器C2接合，輸入軸的動力通過C2傳給后行星架/前齒圈進行輸出，此時，制動器 B1固定后太陽輪轉動，制動器B2固定F1轉動，前排行星齒輪組處于空轉狀態。動力傳遞路線：輸入軸→C2→后行星架→前齒圈→前行星架→中間軸主、從動齒輪→輸出軸。

2.4.2 傳動比計算

變速器在4擋時動力傳遞發生在后行星排，因此后行星排構件轉速方程式[1]為：

由于B1的作用，使得后太陽輪被固定不能轉動，na2=0。因此變速器處于4擋時的傳動比為：

2.5 R擋

2.5.1 變速器動力傳遞情況

當變速器換擋手柄處于“R”擋時，由圖1和圖2及表1可知，此時換擋執行元件 C3和 B3參與工作。倒擋離合器C3接合，輸入軸的動力通過C3傳給后太陽輪輸出，此時，制動器B3固定后行星架/前齒圈，前排行星齒輪組處于空轉狀態。動力傳遞路線：輸入軸→C3→后太陽輪→后行星輪→后齒圈→前行星架→中間軸主、從動齒輪→輸出軸[2]。

2.5.2 傳動比計算

變速器在“R”擋時動力傳遞發生在后行星排，因此后行星排構件轉速方程式[1]為：

由于B3的作用，使得后行星架被固定不能轉動，nx2=0。因此變速器處于“R”擋時的傳動比為：

式中負號表示輸入軸與輸出軸轉動方向相反。

3 結束語

自動變速器的結構相對比較復雜，其內部的動力傳遞情況也不容易理解，因而傳動比的計算也有一定的難度。由于自動變速器中齒輪傳動是行星齒輪機構傳動，因此傳動比的計算不能按普通定軸輪系的方法來進行，必須要按周轉輪系傳動比的計算方法來計算。因此在計算傳動比時，首先要熟悉自動變速器的結構原理，掌握行星齒輪工作狀態時的動力傳遞關系，再結合執行元件的工作控制情況，然后應用周轉輪系傳動比的計算方法就不難把傳動比計算出來。