解析德国采埃孚九速自动变速器

◆文/河北 吴泽辉

德国采埃孚集团公司(ZF)是当今世界上最主要的传动系统产品专业制造厂家之一，其主要产品包括机械式变速器、自动变速器和各式齿轮传动箱等。本文重点分析ZF九速自动变速器的动力传递路线(图1)，解析ZF的设计理念，希望对于从事自动变速器维修、教学和设计的人员有所启示。

图2是作者自制的ZF九速自动变速器动力传递路线图，该图采用四个单级行星排，可以将第一个行星排和第二个行星排看成一个变速器，将第三个行星排和第四个行星排看成另一个变速器。需要注意各排的连接关系，第一排齿圈与第二排太阳轮连接，第一排行星架和第二排行星架连接作为输出驱动第三排齿圈，第三排行星架和第四排齿圈连接，第三排和第四排太阳轮连接。图中有E、F、B三个离合器和A、D、C三个制动器，由第四排行星架作为输出。下面，依次对ZF九速自动变速器动力传递路线进行分析。

一、一挡动力传递路线分析

图3为一挡时，离合器F接合，驱动第一排齿圈和第二排太阳轮。因为制动器D制动第二排齿圈，所以利用第二排太阳轮驱动行星架减速输出至第三排齿圈。在第三排和第四排，因为制动器A制动两排的太阳轮，在第三排齿圈驱动行星架减速输出至第四排齿圈，在第四排齿圈驱动行星架减速输出。所以一挡时形成三级减速，分别是第二排太阳轮驱动行星架减速、第三排齿圈驱动行星架减速、第四排齿圈驱动行星架减速。

二、二挡动力传递路线分析

图4为二挡时，离合器F保持接合，驱动第一排齿圈和第二排太阳轮。但是制动器C制动第一排太阳轮，所以在第一排太阳轮固定。齿圈驱动行星架减速输出至第三排齿圈，第三排和第四排工作与一挡相同。所以二挡时形成三级减速为第一排齿圈驱动行星架减速、第三排齿圈驱动行星架减速、第四排齿圈驱动行星架减速。

三、三挡动力传递路线分析

图5为三挡时，离合器F保持接合，驱动第一排齿圈和第二排太阳轮，离合器B接合驱动第一排太阳轮。因为第一排太阳轮和齿圈同时被驱动，所以行星架整体输出。第三排和第四排工作与一挡、二挡相同，所以二挡时形成二级减速为第一排整体输出、第三排齿圈驱动行星架减速、第四排齿圈驱动行星架减速。

四、四挡动力传递路线分析

图6为四挡时，离合器E接合驱动第四排齿圈、制动器A保持对第四排太阳轮的制动，第四排行星架在齿圈的驱动下减速输出。四挡时形成一级减速，即第四排齿圈驱动行星架减速。注意在四挡时，第三排行星驱动齿圈将动力传递给第二排和第一排行星架，而离合器F保持接合将动力传递给第一排太阳轮和第二排齿圈。但是第一排太阳轮自由、第二排齿圈自由，所以第一排和第二排不参与动力传递。

五、五挡动力传递路线分析

图7为五挡时，离合器F保持接合，驱动第一排齿圈和第二排太阳轮，离合器B接合驱动第一排太阳轮。因为第一排太阳轮和齿圈同时被驱动，所以行星架整体输出至第三排齿圈。离合器E接合，驱动第三排行星架，在第三排中齿圈和行星架同速，所以第三排太阳轮也同速整体旋转。在第四排齿圈与太阳轮同速，所以驱动行星架同速整体输出，形成直接挡。

六、六挡至九挡动力传递路线分析

前文将第一排和第二排看作一个变速器、将第三排和第四排看作另一个变速器。在很多挡位如一挡、二挡和五挡，动力流从一二排传给三四排，符合动力总是从前向后传递的规律。但从六挡开始，不再认为动力流是从前向后传递，而是将第一排和第二排组成的变速器看作一个制动器，约束第三排的齿圈，这一约束不是完全制动，而是部分约束。

在此引入矢量表示法，用矢量表示行星齿轮机构的运动状态。如图8所示，用线段AB、BC和AC长度代表齿圈、太阳轮和行星架齿数。在单级行星排中，行星架齿数(AC段)等于太阳轮齿数(BC段)加上齿圈齿数(AB段)。用横向带箭头的线段代表转速和转向，线段长度代表转速，箭头方向代表转向。如图中行星架固定情况下，可以看出太阳轮驱动齿圈反向减速；而如果两个同速同向旋转，则第三个形成整体同速同向旋转。

引入矢量表示法可以很容易理解三个构件同时旋转，但转速和转向各异的情况。如图9所示，齿圈和行星架转速相同的情况下，整体驱动太阳轮同速输出。之后在行星架转速不变的情况下，减少齿圈转速，可以看到太阳轮转速将增加。这一原则可以直接应用于六挡、七挡、八挡和九挡的动力传动。

如图10所示，将第三排和第四排分拆出来，在五挡直接传动时，离合器E接合，驱动第三排行星架，第三排行星架和齿圈同速同向，所以驱动第三排太阳轮整体旋转。从图9的分析可知，除非第三排齿圈转速下降直至固定，甚至反转情况下，在第三排行星架转速不变情况下，会增加第三排太阳轮转速。从而带动第四排太阳轮转速增加，最终带动第四排行星架转速增加。控制第三排齿圈转速，实现六挡(第三排齿圈一级减速)、七挡(第三排齿圈二级减速)、八挡(第三排齿圈固定)和九挡(第三排齿圈逆转)的传动。

六挡、七挡、八挡和九挡时，离合器E接合驱动第三排行星架和第四排齿圈。图11为六挡时，制动器C制动第一排太阳轮，离合器F接合驱动第一排齿圈，则第一排行星架在齿圈驱动下形成一级减速，与第一排行星架连接的第三排齿圈一级减速，第三排太阳轮一级增速，第四排行星架一级增速输出。

图12为七挡时，离合器F与六挡相同保持接合，但制动器D制动第二排齿圈，则第二排太阳轮驱动行星架形成二级减速。与第二排行星架连接的第三排齿圈二级减速，第三排太阳轮二级增速，第四排行星架二级增速输出。

图13为八挡时，第一排、二排的制动器C和D制动，第一排和第二排被总体固定，则第三排齿圈被固定。第三排太阳轮三级增速，第四排行星架三级增速输出。

图14为九挡时，第一排和第二排的离合器B接合，制动器D制动。离合器B驱动第一排太阳轮顺转，驱动第一排齿圈逆转，与第一排齿圈连接的第二排太阳轮逆转。制动器D制动第二排齿圈，第二排行星架在太阳轮(逆转)驱动下逆转，带动第一排行星架逆转。最终第三排齿圈低速逆转，第三排太阳轮四级增速，第四排行星架四级增速输出。

七、倒挡动力传递路线分析

图15为倒挡时，第一排和第二排与九挡相同，驱动第三排齿圈减速逆转，在第三排和第四排制动器A制动两排的太阳轮，在第三排逆转的齿圈驱动行星架逆转减速，在第四排逆转的齿圈驱动行星架逆转减速，形成倒挡输出。

八、总结

要熟悉掌握液力自动变速器行星齿轮变速装置，需要四个层次的能力要求：

1.能看懂传动图，能分析挡位传递需求。面对已有的传动图，需要能分析离合器、制动器和单向离合器，各行星排的连接关系，各挡位的动力传递过程。

2.依据传动图能和实物对应起来。在装配时依据传动图可以指导实物装配。从理论结合实际来讲，在从事自动变速器学习和维修中，能将传动图与实物部件一一对应。

3.依据实物图能够画出传动图，并能正确梳理其关系。

4.分析变速器设计特点，针对具体故障分析传递机构潜在的故障部位。