CR-CR式多擋自動變速器速度平面構建與分析方法

宮 濤，郝孟軍，羅美琴

(宜賓職業技術學院 汽車與軌道交通學院，四川 宜賓 644003)

0 引 言

多擋自動變速器多以拉維娜式、辛普森式及CR-CR式行星齒輪機構為基礎，增加1-2排行星排而形成[1]。其中CR-CR型行星齒輪機構所用元件更少，結構緊湊，質量更輕，被廣泛采用在多擋變速器中[2]。CR-CR式行星齒輪機構是雙行星齒輪排機構，前排行星架與后排齒圈固定連接，前排齒圈與后排行星架固定連接[3]。由CR-CR式行星齒輪機構組成的自動變速器自由度多，傳動比計算復雜[4]，常用的方法有公式計算法[5]、矩陣方法[6]、圖論法[7]、杠桿法[8]等。杠桿法最直觀，廣泛運用在行星齒輪機構傳動特性分析、計算驗證和研究設計中[9-14]。對CR-CR型自動變速器，計算法需要記憶公式，不能反映運動情況，傳統杠桿法不夠立體。

如何能不用傳統公式進行計算傳動比，又能立體展示各元件的運動情況，要對現有方法上進行改進。筆者以CR-CR型6速自動變速器為例，提出一種基于傳統杠桿法建立速度矢量，構建以固定元件為回轉中心的速度平面，來進行運動分析和傳動比計算。

1 CR-CR型6速自動變速器機械結構

GF6自動變速器由2組離合器、3組制動器、1組單項離合器、3組行星齒輪組(結構示意圖如圖1所示)構成[15]。通過不同執行元件的工作，產生6個前進擋和1個倒車擋(各擋位執行元件工作情況如圖2所示)。

圖1 GF6 自動變速器結構簡化圖

2 建立等效平面

采用等效杠桿法，將圖1中3個行星齒輪排進行等效簡化(如圖3所示)，將3個支點分別表示太陽輪Si、行星架Pi和齒圈Ri。其中Si表示行星齒輪排i的太陽輪，Pi表示行星齒輪排i的行星架，Ri表示行星齒輪排i的齒圈，設PiRi=1，則SiPi=αi，αi為行星齒輪排i的齒圈齒數與太陽輪齒數之比，i=1、2、3。

圖2 各擋位執行元件工作情況

圖3 行星齒輪排等效杠桿圖

根據GF6自動變速器行星齒輪機構之間的連接關系，將其進行簡化，簡化后的各行星齒輪排處于同一平面內(如圖4所示)。

圖4 GF6 自動變速器行星齒輪機構簡化平面

在行星齒輪排簡化平面上，構建垂直于平面的速度矢量，規定向上的方向為正向，便可以根據杠桿的基本關系對各支點的運動和受力進行分析。

3 構建速度平面及傳動比計算

3.1 D位1擋速度平面及傳動比計算

D位1擋時，換擋執行元件B1和OWC(單向鎖止)工作，B1用來固定S1，OWC用來固定P3(R2)。動力由S2輸入，P1輸出。構建D位1擋速度矢量圖如圖5所示，所有工作元件的速度均在以S1-P3為回轉中心的速度平面上。

S2A1表示S2速度，P2C1表示P2(R1)速度，P1B1表示P1(R3)速度。

圖5 D位1擋速度平面

由相似三角形得：

(1)

(2)

由公式(1)、(2)相乘得：

(3)

因此，D位1擋傳動比為：

3.2 D位2擋速度平面及傳動比計算

D位2擋時，參與工作的換擋執行元件有B1和B3，B1用來限制S1轉動，B2用來限制S3轉動。動力由S2輸入，P1輸出。構建D位2擋速度矢量圖如圖6所示，所有工作元件的速度均在以S1-S3為回轉中心的速度平面上。

圖6 D位2擋速度平面

S2A2表示S2速度，P1B2表示P1(R3)速度，P2C2表示P2(R1)速度，P3D2表示P3(R2)速度。

由相似三角形原理得：

(4)

(5)

(6)

由公式(4)、(5)分別得：

(7)

(8)

將式(7)、(8)代入公式(6)得：

(9)

因此，D位2擋傳動比為：

3.3 D位3擋速度平面及傳動比計算

D位3擋時，參與工作的換擋執行元件有B1和C1，B1用來限制S1轉動，C1用來將輸入軸動力傳遞至S3。構建D位3擋速度矢量圖如圖7所示，所有工作元件的速度均在以S1為回轉中心的速度平面上。

S2A3表示S2速度，S3C3表示S3速度，均為輸入速度，P1D3表示P1(R3)速度，P3F3表示P3(R2)速度，P2E3表示P2(R1)速度。

圖7 D位3擋速度平面

由相似三角形原理得：

(10)

(11)

(12)

因S2與S3速度相同，故：

S2A3=S3C3

(13)

由式(10)得：

(14)

將式(13)、(14)代入式(12)得：

因此，D位3擋傳動比為：

3.4 D位4擋速度平面及傳動比計算

D位4擋時，參與工作的換擋執行元件有B1、C2，B1用來限制行星S1轉動，C2用來將輸入軸動力傳遞至P3(R2)。D位4擋速度矢量圖如圖8所示，所有工作元件的速度均在以S1為回轉中心的速度平面上。

S2A4表示S2速度，P3C4表示P3(R2)速度，P1D4表示P1(R3)速度，P2B4表示P2(R1)速度。

圖8 D位4擋速度平面

由相似三角形得：

(15)

因S2與P3速度相同，

故S2A4=P2B4=P3C4

因此，D位4擋傳動比為：

3.5 D位5擋速度平面及傳動比計算

D位5擋時，參與工作的換擋執行元件為C1和C2，C2作用是將輸入軸動力傳遞至P3(R2)，C1作用是將輸入軸動力傳遞至S3。構建D位5擋速度速度平面如圖9所示。S3D5表示S3速度，P3C5表示P3(R2)速度，R3E5表示P1(R3)速度。

圖9 D位5擋速度平面

圖中S3、P3同為輸入，速度相同，根據行星齒輪運動特性得S3、P3、R3同速同向轉動，D位5擋傳動比為：

3.6 D位6擋速度平面及傳動比計算

D位6擋時，參與工作的換擋執行元件有B3和C2，只有行星齒輪排3參與工作，B3用來限制S3轉動，C2作用是將輸入軸動力傳遞至P3。構建D位6擋速度平面如圖10所示。P3C6表示P3(R2)速度，P1B6表示P1(R3)速度。

圖10 D位6擋速度平面

由相似三角形得：

(16)

因此，D位6擋傳動比為：

3.7 R擋速度平面及傳動比計算

R擋時，參與工作的換擋執行元件有OWC和C1，OWC用來限制P3(R2)的轉動，C1作用是將輸入軸動力傳遞至S3。構建R擋速度平面如圖11所示。P1CR表示P1(R3)速度，S3BR表示S3速度。

圖11 R擋速度平面

由相似三角形得：

(17)

因此，R擋傳動比為：

式中：“-”用來表示方向相反。

結合表1傳動比值及傳動比式，由D位1擋、2擋、4擋及R擋建立方程，聯立解方程得α1=2.24，α2=2.08，α3=2.87，帶入其它傳動比式驗證，結果正確。

表1 GF6各擋傳動比式及比值

4 結 語

對一種CR-CR型多擋自動變速器進行了運動分析并計算了傳動比。采用杠桿法，構建基于元件連接平面的空間速度矢量圖，建立各工作元件速度平面，利用相似三角形原理，計算并驗證各擋位傳動比；提供了一種計算更簡單，能立體展示元件運動狀況和速度關系的實用方法，能有效輔助教學和設計人員學習掌握，豐富了自動變速器研究理論基礎。