杠杆法分析皇冠8速自动变速器传动比(上)

◆文/江苏 高惠民

高惠民 (本刊编委会委员)现任江苏省常州外汽丰田汽车销售服务有限公司技术总监，江苏技术师范学院、常州机电职业技术学院汽车工程运用系专家委员，高级技师。

近年来与乘用车配套的行星自动变速器挡位数已从普及6挡位发展到了8至9挡位，其速比范围不断扩大，速比间隔逐渐变小，有效地改善了变速器换挡品质，提高了车辆的经济性和驾驶平顺性。

采用行星机构自动变速器后各齿轮和构件之间的运动关系(构件的速度和方向)、传动情况(传动路线和传动比)等在过去大多数文献或教学中主要采用数学解析法来计算，将行星机构运动学和动力学求解归结为解线性方程式。但这种数学解析法比较抽象，物理概念(运动关系和传力情况)不清楚，很难直观理解。而由美国通用汽车公司提出的将行星机构齿轮转换成杠杆系来进行分析，从视觉上看直观、形象、简单明了，而且也便于掌握其实质性的功能(这里应该特别提到上海同济大学黄宗益等教授已将行星机构杠杆模拟分析法发展应用在行星自动变速器的设计中，并发表了多篇专著)。转换后的杠杆系和原行星机构在运动学和动力学上的数学关系式是完全等价的。本文将以丰田皇冠8速(AA81E型)自动变速器为例，用杠杆法分析它的各挡传动比和速度。

一、杠杆法原理

行星机构杠杆分析法是将行星机构用垂直布置的杠杆系等效替代，这样行星机构的分析转化为垂直布置的杠杆系统的分析。单行星齿轮排的等效杠杆图如图1所示。

图1 单行星齿轮排的等效杠杆图

将一个行星排简化为一具有三个支点的垂直杠杆，三支点分别代表太阳轮S，行星架PC和齿圈R。其中单级行星齿轮等效轮杠杆图里的中间支点为PC，两端支点为S和R。双级行星齿轮等效杠杆图里的中间支点为R，两端支点为S和PC。根据行星齿轮机构运动特性方程推算得到，支点S到支点PC的距离与支点R到支点PC的距离之比为K/l(杠杆力臂长度比)，K定义为齿圈与太阳轮的齿数比。不同的是单级行星齿轮机构等效杠杆的中间支点为PC，双级行星齿轮机构等效杠杆的中间支点为R。这样以一个垂直杠杆代替一个行星排，其转速和力矩关系符合行星排的转速方程式和力矩方程式，行星排三元件的转速和转矩分别转化为等效杠杆图上支点的水平速度和水平力。

汽车自动变速器采用的行星齿轮机构一般由多排行星齿轮传动组成。多行星排并联时，每个行星排视为一个竖直的杠杆和三个支点。行星排之间的构件相互连接，在杠杆图上视为各支点之间的连接。在处理时根据需要，既可以将杠杆重叠又可以将杠杆分开。将杠杆分开时连接点用一条水平线来表示；重叠时将相互连接的部分合并为一个点。对杠杆的力臂进行调整，调整时要保证连接部分合并点之间的力臂长度相等，并且各杠杆力臂长度比不变，这样将多个行星排的杠杆图合并为一个总杠杆图。图2(a)所示为两排行星齿轮机构传动简图，其结构特点是前排的行星架与后排的齿圈相连；前排的齿圈与后排的行星架相连。两个行星排机构有三个自由度，四个独立旋转构件。设前排齿圈与太阳轮齿数比为K1，后排齿圈与太阳轮齿数比为K2。图2(b)所示为等效杠杆图，在等效杠杆图上为一个有四个支点的杠杆，杠杆力臂长度比为K2/l/K1。

图2 双排行星齿轮机构等效杠杆图

行星齿轮变速器是由行星齿轮机构加上执行元件组成。在等效杠杆图加上自动变速器执行元件(制动器、离合器和单向离合器)，标注出输入和输出构件就得到了完整的行星齿轮变速器杠杆分析图。如图3所示为改进型辛普森行星齿轮机构变速器杠杆分析图，图4所示为拉维纳行星齿轮机构变速器杠杆分析图。通过已知的等效杠杆图支点间力臂距离比例和自动变速器的输入转速，用相似三角形几何方法计算出自动变速器的各个挡位的传动比和输出的转速(包括行星齿轮机构每个构件的转速)。

图3 辛普森行星轮变速器杠杆图

图4 拉维纳行星轮系变速器杠杆图

二、AA81E自动变速器行星齿轮机构特征分析

皇冠8AR-FTS发动机的车型上采用了AA81E 8速行星齿轮机构的自动变速器。自动变速器行星齿轮机构技术参数列于表1。

变速机构由两排行星齿轮机构组成。图5所示为AA81E自动变速器结构剖面图，图6所示为AA81E自动行星齿轮机构传动图，第一级传动为双级行星齿轮排，第二级传动为拉维纳行星齿轮排。

图5 AA81E自动变速器结构剖面图

图6 AA81E自动变速器传动图

表1 皇冠A81E自动变速器行星齿轮机构技术参数

第一级传动由发动机动力经变扭器的涡轮轴传至双级行星齿轮排行星架PC1，固定太阳轮S1形成单自由度机构，由齿圈R1和行星架PC1输出两种转速动力。行星架PC1作为机构的动力输入元件通过离合器C2、C4直接输出动力，而齿圈R1以本级的减速比通过离合器C1、C3输出动力。

第二级传动为拉维纳型二自由度组合的行星齿轮排，由四个中心元件(大太阳轮S2、小太阳轮S3、共用齿圈R2、共用行星架PC2)和长行星轮、短行星轮组成。长、短行星轮通过两端与行星架连接组合成行星齿轮变速机构。

两个行星齿轮排组合为三自由度机构，由换挡执行元件离合器和制动器控制各个挡位的传动。离合器C1、C2、C3、C4是实现第一级到第二级的动力传动连接；制动器B1固定大太阳轮、B2和单向离合器F固定拉维纳行星齿轮排共用行星架。由于机构自由度为3，需要有两个约束才能实现确定的传动，所以每一挡位要有两个换挡元件才能工作。换挡执行元件动作状态列于表2，约束情况有两种：①一个离合器和一个制动器工作；②两个离合器工作。

表2 换挡执行元件动作状态

当一个离合器和一个制动器工作时，第一级到第二级一个离合器连接传动，即一路动力连接，两个行星齿轮排动力传动为串联，这样的挡位有一、二、八、R挡位。当两个离合器工作时，第一级到第二级两个离合器连接传动，即双路动力连接，两个行星齿轮排动力传动为并联，这样的挡位有三、四、五、六、七挡位为并联。其中三、六挡位双路同步动力输入，即双输入为同一轴，所以第二级拉维纳行星齿轮排为直接挡；其他挡位则是两种转速动力的双路输入。等效杠杆图如图7所示。其中图7(a)为将两个行星齿轮排杠杆分开画出的等效杠杆图，图7(b)为将两个行星齿轮排杠杆重叠画出的等效杠杆图，图7(c)为已知两个行星齿轮排的三个行星齿轮机构特征参数(K1=前排齿圈(R1)齿数/前排太阳轮(S1)齿数=82/38=2.158 ；K2=后排齿圈(R2)齿数/后排小太阳轮(S3)齿数=74/30=2.466；K3=后排齿圈(R2)齿数/后排大太阳轮(S3)齿数=74/34=2.176)和输入转速参数以及各挡位执行元件动作程序，计算出输出转速画出的等效杠杆图。

三、AA81E自动变速器传递路线和传动比

根据图7(c)的等效杠杆速度线图，以下是各挡具体的传递路线和传动比计算，如果在已知输入转速的条件下，还可以利用Excel计算出行星齿轮排各构件的转速图表。一挡动力传递路线如图8所示。

图7 皇冠AA81E自动变速箱传动速度等效杠杆法分析图

图8 一挡动力传递路线

双级行星齿轮排：发动机动力由变扭器的涡轮轴传至双级行星齿轮排行星架PC1，太阳轮S1固定，则内齿圈R1同向减速转动。

拉维纳行星齿轮排：离合器C1接合，将双级行星齿轮排的齿圈R1与拉维纳行星齿轮排的小太阳轮S3连接在一起，动力经双级行星齿轮排内齿圈R1传至拉维纳行星齿轮排的小太阳轮S3，短行星轮逆时针转，长行星轮顺时针转，并带动大太阳轮S2逆时钟转，由于单向离合器F1单向固定了拉维纳行星齿轮排的共用行星架PC2逆发动机旋向转动，使其只能与发动机同向转动，因此拉维纳行星齿轮排共用齿圈R2同向减速输出动力。

变速器输入转速(双级行星齿轮排行星架PC1转速)为2 000r/min时，Excel计算得到的输出转速R2以及两个行星齿轮排其他构件的转速，如图9所示。

图9 一挡动力传递

当车辆滑行动力反向传递时，单向离合器F1打滑空转，反向动力传递中断，故没有发动机制动功能。但在S1挡位时需要有发动机制动，如图10所示，制动器B2进入接合状态，双向固定拉维纳行星齿轮组共用行星架PC2，可获得发动机制动功能。制动器B2与单向离合器F1并联，单向离合器F1依然锁止。二挡动力传递路线如图11所示。

图10 一挡动力传递(S1挡,带发动机制动)

图11 二挡动力传递

双级行轮排：工作状态与一挡时相同。

拉维纳行星齿轮排：离合器C1接合，将双级行星齿轮排的内齿圈R1与拉维纳行星齿轮排的小太阳轮S3连接，动力经双级行星齿轮排的内齿圈R1传至拉维纳行星齿轮排的小太阳轮S3。制动器B1接合，固定了拉维纳行星齿轮排的大太阳轮S2，动力经共用行星架PC2由拉维纳行星齿轮排共用齿圈R2同向减速输出动力。转速比一挡增加。

图12所示为变速器输入转速(双级行星齿轮排行星架PC1转速)为2 000r/min时，Excel计算得到的输出转速(拉维纳行星齿轮排共用齿圈R2输出转速)以及两个行星齿轮排其他构件的转速。三挡动力传递路线如图13所示。

图12 二挡传动速度

图13 三挡动力传递

双级行星齿轮排：工作状态与二挡时相同。

拉维纳行星齿轮排：离合器C1接合，将双级行星齿轮排的内齿圈R1与拉维纳行星齿轮排的小太阳轮S3连接，动力经双级行星齿轮排的内齿圈R1传至拉维纳行星齿轮排的小太阳轮S3；同时，离合器C3接合，也将经双级行星齿轮排内齿圈R1的动力传至拉维纳行星齿轮排大太阳轮S2。拉维纳行星齿轮排大、小两个太阳轮S2、S3被同步驱动，转速相同，整个拉维纳行星齿轮机构作整体旋转，拉维纳行星齿轮排共用齿圈R2同向减速输出动力。转速等于双级行星齿轮排的内齿圈转速，比二挡转速增加。

变速器输入转速(双级行星齿轮排行星架PC1转速)为2 000r/min时，Excel计算得到的输出转速(拉维纳行星齿轮排共用齿圈R2输出转速)以及两个行星齿轮排其他构件的转速，如图14所示。四挡动力传递路线如图15所示。

图14 三挡传动速度

图15 四挡动力传递