行星齿轮自动变速器档位分析方法

甘守武，周均

（重庆电子工程职业学院汽车工程系，重庆 401331）

0 引言

行星齿轮自动变速器的机械传动系统结构比手动变速器复杂，相关资料对行星齿轮自动变速器的档位分析，主要是通过给定的各档位工作元件来分析自动变速器机械传动系统的动力传递路线，对自动变速器各档位工作元件是如何得出的未作分析［1］;对自动变速器的传动比，只是计算了单排行星齿轮的传动比，对多排行星齿轮组合结构传动比的计算方法也未作分析。但从自动变速器的设计过程而言，是先有机械系统的结构设计，然后得出各档位的工作元件;绝大部分车用行星齿轮自动变速器的机械系统都是多排行星齿轮组合而成，传动比的计算相对于单排行星齿轮更加复杂，特别是自动2档传动比的计算。所以，分析行星齿轮自动变速器各档位的工作元件，并计算传动比的方法对人们学习或研究自动变速器有一定借鉴作用。

1 单排行星齿轮机构变速原理

单排行星齿轮机构主要包括太阳轮、齿圈、行星架及行星轮，行星轮通过轴承安装在行星架上［2］。太阳轮、行星架、齿圈被称为单排行星齿轮的三个基本元件，彼此间的结构关系如图1所示。

在单排行星齿轮机构中，必须使太阳轮、齿圈和行星架这三个基本元件中的一个制动，或使其中两个元件互相连接在一起，才具有一定传动比。另外，假设某一元件转速不变，其余两个元件的转速之间存在线性关系。

a）通过固定行星齿轮机构的不同元件可得6种不同的传动状态［2］，如表 1:

图1 单排行星齿轮的结构

b）直接传动状态:在单排行星齿轮机构的三元件中，只要使其中两个元件互相连接在一起转动，其余一个元件也随之同速同向转，这种状态下，传动比为1，即直接传动状态。

c）假设某一元件转速不变，其余两个元件转速之间存在线性变化关系:根据单排行星齿轮机构运动规律特性方程式［3］:

n1—太阳轮转速;

n2—齿圈转速;

n3—行星架转速;

α—齿圈齿数Z2与太阳轮齿数Z1之比，即:

Z2/Z1，且 α ＞1。

α—常数

将式（2）带入式（1），得到:

结合式（3）和式（4），得:行星架的转速随齿圈的转速上升而上升，下降而下降。应用同样的推理方法还可以得到:假设齿圈输入转速一定，太阳轮转速随行星架转速上升而上升;假设行星架的转速一定，太阳轮的转速上升，齿圈的转速下降，反之，齿圈的转速上升，太阳轮的转速下降。

2 行星齿轮的组合形式

单排行星齿轮在实际应用中实现的档位较少，不足以满足汽车各种工况的需求，所以汽车使用的自动变速器都是通过多组行星齿轮组合而成。由于组合的结构不同，主要有以下几种类型。

2.1 辛普森式行星齿轮结构

辛普森式齿轮机构的特点如图2所示，两组行星齿轮共用一个太阳轮;前排的齿圈和后排的行星架连为一体或前排的行星架和后排的齿圈连为一体［4］。

图2 辛普森式齿轮机构

2.2 CR-CR式行星齿轮结构

CR-CR式行星齿轮机构的特点如图3所示，前排行星齿轮架和后排的齿圈连成一体;前排的齿圈和后排的行星齿架也连成一体。

图3 CR-CR式行星齿轮结构

2.3 单向串联式行星齿轮结构

单向串联式行星齿轮机构的特点如图4所示，前行星齿轮架和后排齿圈连成一体;但前排齿圈和后排的行星齿轮则是各自独立的。

图4 单向串联式行星齿轮结构

2.4 复合式行星齿轮结构

以上四种行星齿轮组合都是由两组行星齿轮组合完成的，而复合式行星齿轮结构是由两组以上行星齿轮组合而成，这样可以实现较多的档位。宝马5HP24自动变速器就是复合式行星齿轮结构，如图5所示。

图5 复合式行星齿轮结构

3 行星齿轮自动变速器档位分析方法

一般行星齿轮自动变速器的档位为 P，R，N，D，3，2，1。因为P，N档不存在变速状态，本文不作分析，只分析R，D，3，2，1档位，这几个档位与单排行星齿轮机构的变速原理是相联系的。虽然各种行星齿轮自动变速器的结构不相同，但各档位工作元件的分析方法基本相同，本文以CR-CR结构的行星齿轮自动变速器为例，分析各档位的工作元件，并计算各档位传动比。三菱、北京现代、东南、奇瑞、中华、北京吉普及欧兰德等车型上使用的F4A42型变速器就是CR-CR结构，如图6所示。从机械传动系统结构分析，输入轴与离合器C1，C2，C3的外毂相连，任何一个离合器接合都可以把输入轴的动力传给后面相应的元件;前排的行星架及后排的齿圈与输出轴刚性连接，共同作为动力输出;制动器B1，B2分别用于制动后排行星齿轮的行星架及太阳轮;单向离合器的内毂与自动变速器壳体相连，外毂与前排的齿圈及后排的行星架相连，可用于单向制动前排的齿圈及后排的行星架。这种结构可以获得四个前进档和一个倒档，本文以D1，D2，D3，D4分别表示自动变速器D位的1档，2档，3档及4档。

图6 F4A42自动变速器机械传动结构图

分别对前后排行星齿轮组应用运动规律特性方程式:

α1，α2—前、后排齿圈齿数与太阳轮齿数之比。

由机械传动系统的结构可得:

3.1 R档的分析方法

a）R档工作元件的分析:R档是自动变速器的倒档，要求实现反向减速状态，由单排行星齿轮机构变速原理可知，这种状态必须固定行星架，太阳轮主动，齿圈从动。结合自动变速器的机械传动系统结构分析，后排齿圈与输出轴是刚性连接的，只要后排行星架被B1固定，后排的太阳轮通过C2与输入轴相连，反向减速状态就能实现。所以倒档时的工作元件是B1和C2。R档动力传递线路及前后排行星齿轮的运动状态如图7所示。

图7 倒档动力传递路线图

b）R档传动比的计算:因为后排行星架被固定，即:

把式（9）带入式（6），得R档传动比:

3.2 D1档的分析方法

a）D1档工作元件的分析:D1档是为了使汽车驱动轮获得最大的扭矩，所以在前进档中传动比最大，需要实现同向减速状态。由单排行星齿轮机构变速原理可知，行星架必须作为输出，才可以实现同向减速，由机械传动系统结构的分析可知，前排行星架与输出轴刚性连接，即为输出;对于前排行星齿轮，离合器C1接合就使前排太阳轮与输入轴相连，即为输入;在汽车起步时，由于前排行星架作为输出，阻力很大，这时前排齿圈会有逆时针转动的趋势，由于单向离合器F1的作用，前排齿圈被制动，即为固定。综上所述，前排行星齿轮的状态是齿圈被固定，太阳轮主动，行星架从动，实现同向减速状态。因为汽车起步时，车速很低，单向离合器承受的扭矩很大，当车速低于设定值时（不同型号会有差别），自动变速器ECU会控制B1接合，以保护F1，当速度高于设定值时，B1分离，可以减小D1升D2档的换挡冲击及ECU控制的执行元件数量。所以D1档时工作元件为C1、F1和B1（车速低于一定值时起作用）。D1档动力传递线路及前后排行星齿轮的运动状态如图8所示。

图8 D1档动力传递路线图

b）D1档传动比的计算:因为前排齿圈被固定，即:

把式（11）带入式（5），得D1档传动比:

3.3 D1升D2档的分析方法

a）D2档工作元件的分析:D2档也是使输出轴实现同向减速状态，且D2档的传动比小于D1档的传动比。由单排行星齿轮变速原理的分析可知，D1档升D2时，假设输入轴的转速不变，使前排的齿圈顺时针转起来，前排行星架的转速就会比D1档时提高，即输出轴转速提高，传动比变小，因为前排的齿圈与后排的行星架相连，所以只要使后排的行星架顺时针转起来即可实现D2档传动比。在D1档时，因为后排齿圈与前排行星架一起顺时针转，作为输出，所以只要通过B2制动后排太阳轮，后排行星架就能顺时针转，前排的齿圈也一起顺时针转，输出轴的转速就得到提高，同时F1也不起制动作用。所以D2档的工作元件是C1及B2。对比D1及D2档的工作元件，在升降档时，ECU只需要控制液压系统改变B2的状态就可实现换挡。D2档动力传递线路及前后排行星齿轮的运动状态如图9所示。

b）D2档传动比的计算，因为后排的太阳轮被固定，即:

图9 D2档动力传递路线图

把式（13）带入式（6），得:

结合式（7）、（8），得:

把式（15）带入式（5），得:

移项得D2档传动比:

D1档时的传动比为 ，比较D1档和D2档的传动比，得:

3.4 D2升D3档的分析方法

a）D3档工作元件分析:D3档比D2档的传动比小。从机械传动结构分析，在D2档时，离合器C1接合把动力传给前排太阳轮，升D3档时，只要C3接合就把动力传给后排的行星架和前排的齿圈，同时分离制动器B2。由单排行星齿轮的变速原理可知，前排太阳轮及前排齿圈的转速与输入轴相同，则前排行星架也会与输入轴同速同向旋转，即直接传动。所以D3档的工作元件为C1，C3。D2档动力传递线路及前后排行星齿轮的运动状态如图10所示。

图10 D3档动力传递路线图

b）D3档传动比的计算:由于D3档是直接传动，所以传动比为1。

3.5 D3升D4档的分析方法

a）D4档工作元件分析:D4档的传动比小于D3档，是超速档，要求实现同向增速状态。由单排行星齿轮变速原理的分析可知，只要行星架输入，无论那个元件输出，都是同向增速状态。结合机械传动结构分析，只有后排行星架通过C3与输入轴相连，后排的齿圈与输出轴刚性连接，即为输出，只要通过B2固定太阳轮，同时离合器C1分离。即实现同向增速状态。所以D4档的工作元件为C3、B2。D4档动力传递线路及前后排行星齿轮的运动状态如图11所示。

图11 D4档动力传递路线图

b）D4档传动比的计算:后排太阳轮被固定，即:

把式（19）代入式（6），得:

3.6 手动档的分析方法

手动档与自动档相同档位传动比是相同的，不同之处在于手动档的档位升降会受到限制，及手动档的1档有发动机制动，在拥堵及斜坡路况使用手动档可以把档位限制在一定范围及1档可以利用发动机制动帮助汽车限速，减少对制动系统的使用，可有效保护制动系统及提高下坡行驶时的安全性。

当变速杆在3位时，变速器只能在1、2、3档之间变化，传动比及工作元件与在D位时的相同档位相同，汽车行驶在比较拥堵的路段时使用这一档位;在2位时，只能在1、2档之间变化，传动比与工作元件与在D位时的相同档位也相同，汽车行驶在上下斜坡时使用这一档位;在1位时，传动比与D1档时相同，但工作元件多了制动器B1，汽车行驶在严重交通堵塞路段和斜度较大的斜坡上时，使用这一档位最能发挥功用。在汽车上斜坡时，可充分利用发动机的扭矩;在汽车下斜坡时，驱动轮由于重力的作用加速转动，在D1档时，前排行星架会带动前排齿圈顺时针方向转动，F1失去锁止，前后排行星齿轮三元件中没有被固定和约束的元件，输入轴与输出轴之间的动力传递中断，发动机对输出轴就没有制动效果，所以输出轴转速的上升不会受到发动机惯性的限制，这种情况就必须频繁使用制动系统，影响制动系统的可靠性及行车的安全性。但如果使用手动1档，由于前排齿圈被B1制动，输出轴的加速转动力会试图带动前排太阳轮也加速转动，从而带动发动机的曲轴加速转动，但发动机的惯性会阻碍曲轴的加速转动，这样就实现了发动机制动的效果。

4 结语

a）分析自动变速器的档位和计算传动比要以单排行星齿轮机构的变速原理为基础，分别对每一排行星齿轮建立运动规律特性方程式，并分析各参数之间的关系。

b）分析自动变速器的档位和计算传动比首先要分析机械传动系统的结构。分析结构时，主要有以下几个要点:1）有几个离合器及其是用来传递那两个元件的动力;2）有几个制动器及其是用来制动那个元件;3）有几个单向离合器及其是在什么情况下起制动作用。

c）对于手自一体的行星齿轮自动变速器，手动档与自动档区别在于手动档的档位升降会受到限制，及手动1档有发动机制动，在交通拥堵及斜坡路段时用手动档会更加安全可靠。

［1］张永钊.行星齿轮变速器的档位分析［J］.科技资讯，2011，（2）:65-66.

［2］甘守武.单排行星齿轮机构动力传递方式分析方法［J］.重庆电子工程职业学院学报，2011，20（4）:151-153.

［3］刘艳莉，董长兴，等.汽车构造及使用［M］.北京:人民邮电出版社，2009.169.

［4］张红伟，王国林.汽车底盘构造及维修［M］.北京:高等教育出版社，2005.85-86.

［5］冯樱.运用杠杆法计算汽车行星齿轮变速器的传动比［J］.湖北汽车工业学院学报，2008，22（3）:17-22.