(武漢交通職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，湖北武漢 430065)

基于特性方程式下的自動(dòng)變速箱檔位分析

屈亞鋒

(武漢交通職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，湖北武漢 430065)

介紹了單排單行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性方程式，針對(duì)豐田A340E自動(dòng)變速箱檔位分布情況，研究出豐田A340E自動(dòng)變速箱各檔位與執(zhí)行元件關(guān)系，通過傳動(dòng)比的計(jì)算驗(yàn)證基于特性方程式下的自動(dòng)變速箱檔位分析技巧的準(zhǔn)確性。

豐田A340E自動(dòng)變速箱；檔位分布；執(zhí)行元件；傳動(dòng)比

隨著變速箱技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的輕型車輛(尤其轎車)采用自動(dòng)變速箱。自動(dòng)變速箱從設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)和控制等方面都比手動(dòng)變速箱復(fù)雜，因此維修自動(dòng)變速箱必須有扎實(shí)的理論功底和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。筆者選用豐田A340E四檔自動(dòng)變速箱行星齒輪變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，為學(xué)者提供了基于特性方程式下的自動(dòng)變速箱檔位分析技巧，給學(xué)者打下了分析復(fù)雜變速器的理論基礎(chǔ)。

1 單排單行星齒輪齒輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1 單排單行星齒輪齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性方程式

假設(shè):太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速n1，齒圈的轉(zhuǎn)速n2，行星架的轉(zhuǎn)速n3，齒圈齒數(shù)Z2，太陽(yáng)輪齒數(shù)Z1,參數(shù)α=Z2/Z1>1。則單排單行星齒輪變速機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特性方程式為：n1+ αn2-(1+α)n3= 0—— 式1

1.2 單排單行星齒輪齒輪機(jī)構(gòu)的八種運(yùn)動(dòng)方式和傳動(dòng)比計(jì)算

傳動(dòng)比是指輸入軸轉(zhuǎn)速與輸出軸轉(zhuǎn)速的比值，用字母i來表示。以圖1為例：1為動(dòng)力輸入，3為動(dòng)力輸出，2被加以約束，即n2= 0—— 式2。根據(jù)傳動(dòng)比的概念，式1和式2聯(lián)立求解，則i13=n1/n3=1+α。用上面例子的方法，我們可以推導(dǎo)出單排單行星齒輪齒輪機(jī)構(gòu)八種運(yùn)動(dòng)方式及傳動(dòng)比，具體見表1。

表1 單排單行星齒輪齒輪機(jī)構(gòu)八種運(yùn)動(dòng)方式及傳動(dòng)比

通過表1不難看出，方案1與方案2計(jì)算的傳動(dòng)比都大于1，可做為自動(dòng)變速箱低速檔位。方案1的傳動(dòng)比最大,可做為自動(dòng)變速箱的D1檔(注：不是所有車型都采用)。方案3和6輸入與輸出方向相反，且方案3傳動(dòng)比大于1，可作為自動(dòng)變速箱倒檔。方案6傳動(dòng)比小于1，是超速倒檔，無車型采用。方案4和5計(jì)算的傳動(dòng)比都小于1，且方案4傳動(dòng)比在0.5～1之間，可做為自動(dòng)變速箱超速檔。方案5傳動(dòng)比小于0.5，增速太大，無車型采用。方案7任兩元件作為動(dòng)力輸入且速度相等，傳動(dòng)比為1，可做為自動(dòng)變速箱直接檔。方案8無約束條件，只有動(dòng)力輸入，可做為自動(dòng)變速箱空檔。

2 豐田A340E自動(dòng)變速箱檔位分布情況分析

豐田A340E自動(dòng)變速箱中字母4表示D檔位數(shù)為4個(gè)(D1、D2、D3、D4)。經(jīng)仔細(xì)觀察豐田A340E齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，圖1，第1排與第2、3排由中間軸12連接，因此分析檔位數(shù)時(shí)可單獨(dú)分析第1排和第2、3排，然后再看兩者之間的聯(lián)系。第1排動(dòng)力由1輸入，3輸出，13由B0或C0F0約束。如果13由C0F0約束，第1排獲得傳動(dòng)比為1；如果13由B0約束，則第1排獲得傳動(dòng)比為а1/(1+а1)。第2、3排動(dòng)力由第2排11或第2、3排10輸入，第2排行星架4與第3排齒圈9組件輸出。如果C1、C2同時(shí)起作用，可獲得直接檔；如果第2排11輸入，4輸出，約束10可獲得低速檔；由于第2、3排無法實(shí)現(xiàn)表1方案4，無法獲得超速檔。因此，第1排與第2、3排獲得檔位相互匹配，可判斷出豐田A340E齒輪機(jī)構(gòu)有1個(gè)超速檔(D4)，1個(gè)直接檔(D3)和2個(gè)低速檔(D1、D2)。

圖1 豐田A340E自動(dòng)變速器齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1．第1排行星架；2.第1排行星齒輪；3.第1排齒圈；4.第2排行星架；5.第2排行星齒輪；6.第3排行星架；7.第3排行星齒輪；8.輸出軸；9.第3排齒圈；10.第2、3排共用太陽(yáng)輪；11.第2排齒圈；12.中間軸；13.第1排太陽(yáng)輪；14.輸入軸

3 豐田A340E自動(dòng)變速箱各檔位分析技巧

3.1 D檔位分析

(1)D1、D2檔位分析

根據(jù)表1可知，單排單行星齒輪機(jī)構(gòu)獲得低速檔位的條件是方案1或方案2。根據(jù)檔位分布情況分析不難看出，方案1無法實(shí)現(xiàn)，方案2可以實(shí)現(xiàn)，即：11輸入(C1起作用)，4輸出，約束10(B1起作用或B2、F1起作用)。方案2由第2排起作用形成動(dòng)力傳遞，傳動(dòng)比為：(1+α2)/α2。根據(jù)一般變速箱設(shè)計(jì)的常識(shí)，這個(gè)傳動(dòng)比太小，不能做為D1檔，因此可判斷作為D2檔。此處分析D2檔位技巧：表1中任意一種方案，只要是某款自動(dòng)變速箱直接采用了，就可以直接作為自動(dòng)變速箱的檔位。方案2既然不能用于D1檔，那就可直接用做D2檔。

1)D2檔位分析

① D2檔位與執(zhí)行元件的關(guān)系

分析技巧：由于D2檔位不是D位的最高檔，可繼續(xù)升檔，設(shè)計(jì)時(shí)如果有制動(dòng)或單向制動(dòng)兩種約束條件時(shí)，可選擇單向約束條件，故第2、3排選用C1、B2、F1；第1排有1或а1/(1+а1)兩種傳動(dòng)比方案，為不改變第2、3排所獲得傳動(dòng)比(1+α2)/α2的大小，故選用C0、F0。因此D2檔的換擋執(zhí)行元件為：C0、F0、C1、B2、F1。

② D2檔位傳動(dòng)比的計(jì)算

n11+ α1n12-(1+α1)n13=0—— (第1行星排) 式3

n11=n13—— (第1行星排) 式4

n21+α2n22-(1+α2)n23=0—— (第2行星排) 式5

n21=0—— (第2行星排) 式6

由式3、4；5、6聯(lián)立求解D2擋傳動(dòng)比：

i2=(n13/n12)(n22/n23)=1×(1+α2)/α2

2)D1檔位分析

當(dāng)遇到不能直接利用單排單行星齒輪齒輪機(jī)構(gòu)八種運(yùn)動(dòng)方式中的一種做為變速箱的檔位時(shí)，可考慮有連接關(guān)系的兩排(第2、3排)同時(shí)起作用獲得傳動(dòng)比。由于D2檔位選C1為第2排齒圈輸入，考慮到先入為主的思路，先試試C1能否實(shí)現(xiàn)兩排同時(shí)起作用獲得傳動(dòng)比。仔細(xì)觀察第2、3排結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，第2排行星架和第3排齒圈為組件動(dòng)力輸出，只能由共用的太陽(yáng)輪將動(dòng)力由第2排傳遞到第3排，約束第3排行星架(B3或F2)，這樣可實(shí)現(xiàn)兩排同時(shí)起作用獲得傳動(dòng)比。如果選C2作為動(dòng)力輸入，第2排齒圈或行星架無約束條件，第3排約束行星架只能獲得倒檔，因此無法實(shí)現(xiàn)兩排同時(shí)起作用獲得傳動(dòng)比。

①D1檔位與執(zhí)行元件的關(guān)系：C0、F0、C1、F2

分析技巧：同D2檔分析思路，在此不贅述。

②D1檔位傳動(dòng)比的計(jì)算

n31+α3n32-(1+α3)n33=0—— (第3行星排) 式7

n33=0；n23=n32；n21=n31——式8

由式3、4；5、7、8聯(lián)立求解D1擋傳動(dòng)比：

i1=(n13/n12)(n22/n23) =1×(1+α2+α3)/α2，顯然大于D2檔位傳動(dòng)比。

(2)D3檔位分析

由表1可知，某一單排行星齒輪排有兩個(gè)動(dòng)力輸入(速度相等)，其余一部件動(dòng)力輸出可獲得直接檔。

1)D3檔位與執(zhí)行元件的關(guān)系

分析技巧：D3檔是直接檔，故第一排選C0、F0方案，可獲得傳動(dòng)比為1；第2、3排只有C1、C2同時(shí)作為動(dòng)力輸入，因此只能選擇C1、C2，正好動(dòng)力傳遞發(fā)生在第2排，傳動(dòng)比為1；D3檔選擇方案(C0、F0、C1、C2)和D2檔方案(C0、F0、C1、B2、F1)比較，發(fā)現(xiàn)相差元件較多(C2和B2)，此時(shí)由于C2必須選擇，那應(yīng)考慮B2起作用會(huì)不會(huì)影響D3檔，仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)C2將動(dòng)力傳遞給太陽(yáng)輪10時(shí)，太陽(yáng)輪10順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而F1的作用是允許太陽(yáng)輪10順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，B2起作用并不會(huì)影響D3檔動(dòng)力傳遞，反而會(huì)提高換擋質(zhì)量(相鄰檔位相差元減少，油路控制容易，換擋沖擊小)。因此，D3檔的執(zhí)行元件為：C0、F0、C1、C2、B2、F1。

2)D3檔位傳動(dòng)比的計(jì)算

n21=n22——式10

由式3、4；5、10聯(lián)立求解D3擋傳動(dòng)比：

i3=(n13/n12)(n22或n21/n23)=1×1=1

(3)D4檔位分析

由表1可知，某一單排行星齒輪排行星架動(dòng)力輸入，齒圈動(dòng)力輸出，約束太陽(yáng)輪可獲得超速檔。

1)D4檔位與執(zhí)行元件的關(guān)系

分析技巧：D4檔位是超速檔，仔細(xì)觀察第1、2、3排，只有第1排可實(shí)現(xiàn)，故第1排選擇B0約束太陽(yáng)輪；為不改變第1排傳動(dòng)比的大小，第2、3排仍然采用D3檔的方案。因此D4檔的執(zhí)行元件為：B0、C1、C2、B2、F1。

2)D4檔位傳動(dòng)比的計(jì)算

n11=0——式11

由式3、11；5、10聯(lián)立求解D4擋傳動(dòng)比：

i4=(n13/n12)(n22或n21/n23)=а1/(1+а1)×1

(4)“2位”和“1位”檔位分析

1)“2位”檔位分析

“2位”檔位屬于A340E自動(dòng)變速箱的閉鎖低速檔，它限制了前進(jìn)檔位變化的范圍，只有21和22兩個(gè)檔位。21檔位不是“2位”的最高檔，選擇執(zhí)行元件與D1檔完全相同。22檔位是“2位”的最高檔，可利用發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)作用，因此選擇約束時(shí)直接選擇制動(dòng)。故22檔位的執(zhí)行元件為：C0、F0、C1、B1、B2、F1。選擇B2、F1的原因：B1直接制動(dòng)太陽(yáng)輪10，B2、F1單向制動(dòng)太陽(yáng)輪不起作用；當(dāng)變速桿從2位換至D位，只需控制一條油路(B1泄油)即可實(shí)現(xiàn)D2檔，提高了換擋質(zhì)量。傳動(dòng)比的計(jì)算、動(dòng)力傳遞路線和D2檔位相同，不同的是22檔位可利用發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)作用。

2)“1位”檔位

“1位”檔位也屬于A340E自動(dòng)變速箱的閉鎖低速檔，它進(jìn)一步限制了前進(jìn)檔位變化的范圍，只有11一個(gè)檔位。11檔位是“1位”的最高檔，可利用發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)作用，因此選擇約束時(shí)直接選擇制動(dòng)。故11檔位的執(zhí)行元件為：C0、F0、C1、B3。傳動(dòng)比的計(jì)算、動(dòng)力傳遞路線和D1檔位相同，不同的是11檔位可利用發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)作用。

(5)R檔分析

由表1可知，某一單排行星齒輪排太陽(yáng)輪動(dòng)力輸入，齒圈動(dòng)力輸出，約束行星架可獲得R檔。

1)R檔位與執(zhí)行元件的關(guān)系

分析技巧：仔細(xì)觀察第1、2、3排，只有第3排可實(shí)現(xiàn)，故第3排選擇太陽(yáng)輪10為動(dòng)力輸入(執(zhí)行元件為C2)；行星架的約束有B3和F2兩種方案，考慮倒檔只有一個(gè)，不可能升檔，約束條件選擇B3直接制動(dòng)行星架6；為不改變第3排傳動(dòng)比的大小，第1排采用C0、F0方案。因此R檔的執(zhí)行元件為：C0、F0、C2、B3。

2)R檔位傳動(dòng)比的計(jì)算

n33=0—— 式12

由式3、4；7、12聯(lián)立求解R擋傳動(dòng)比：

iR=(n13/n12)(n31/n32)=1×(-α3)(“-”號(hào)表示輸入輸出反向)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以單行星行星齒輪特性方程式為出發(fā)點(diǎn)，通過對(duì)豐田A340E四擋行星齒輪變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)例分析，驗(yàn)證了各檔位與執(zhí)行元件的關(guān)系。文中重點(diǎn)闡述了如何運(yùn)用單行星行星齒輪特性方程式來分析擋位和執(zhí)行元件的關(guān)系。本文的分析技巧適用于目前研發(fā)出并使用的四擋、五擋、六檔自動(dòng)變速器，對(duì)六檔以上的自動(dòng)變速器尚有一定的缺陷，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)分析，讀者使用時(shí)注意應(yīng)用的范圍。

1 郭兆松.豐田U760E型自動(dòng)變速器行星齒輪變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)分析[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2016(04):20-24.

2 甘守武，陳志軍，張楠.單排行星齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳遞方式分析方法[J].重慶電子工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2011(04):151-153.

3 鄭勁，張子成.汽車底盤電控系統(tǒng)與檢修[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2012:120-126.

4 李培軍.汽車底盤電控技術(shù)[M].人民郵電出版社,2013:19-23.

Abstract: This essay introduces the single row single planetary gear mechanism motion characteristic equation, analyzes TOYOTA A340E automatic transmission gear distribution, and finally puts forward the technique for analyzing the relationship between TOYOTA A340E automatic transmission gear and actuator. The accuracy of the technique is verified by the transmission ratio.

Keywords:TOYOTA A340E automatic transmission; gear distribution; actuator; transmission ratio

(責(zé)任編輯：譚銀元)

AutomaticGearShiftAnalysisTechniquebasedonCharacteristicEquation

QUYa-feng
(Wuhan Technical College of Communication, Wuhan 430065, China)

U463.2

A

1671-8100(2017)03-0039-04

2017-04-08

屈亞鋒，男，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)槠囘\(yùn)用技術(shù)。