解析德國采埃孚九速自動變速器

◆文/河北 吳澤輝

德國采埃孚集團(tuán)公司(ZF)是當(dāng)今世界上最主要的傳動系統(tǒng)產(chǎn)品專業(yè)制造廠家之一，其主要產(chǎn)品包括機(jī)械式變速器、自動變速器和各式齒輪傳動箱等。本文重點(diǎn)分析ZF九速自動變速器的動力傳遞路線(圖1)，解析ZF的設(shè)計(jì)理念，希望對于從事自動變速器維修、教學(xué)和設(shè)計(jì)的人員有所啟示。

圖2是作者自制的ZF九速自動變速器動力傳遞路線圖，該圖采用四個單級行星排，可以將第一個行星排和第二個行星排看成一個變速器，將第三個行星排和第四個行星排看成另一個變速器。需要注意各排的連接關(guān)系，第一排齒圈與第二排太陽輪連接，第一排行星架和第二排行星架連接作為輸出驅(qū)動第三排齒圈，第三排行星架和第四排齒圈連接，第三排和第四排太陽輪連接。圖中有E、F、B三個離合器和A、D、C三個制動器，由第四排行星架作為輸出。下面，依次對ZF九速自動變速器動力傳遞路線進(jìn)行分析。

一、一擋動力傳遞路線分析

圖3為一擋時，離合器F接合，驅(qū)動第一排齒圈和第二排太陽輪。因?yàn)橹苿悠鱀制動第二排齒圈，所以利用第二排太陽輪驅(qū)動行星架減速輸出至第三排齒圈。在第三排和第四排，因?yàn)橹苿悠鰽制動兩排的太陽輪，在第三排齒圈驅(qū)動行星架減速輸出至第四排齒圈，在第四排齒圈驅(qū)動行星架減速輸出。所以一擋時形成三級減速，分別是第二排太陽輪驅(qū)動行星架減速、第三排齒圈驅(qū)動行星架減速、第四排齒圈驅(qū)動行星架減速。

二、二擋動力傳遞路線分析

圖4為二擋時，離合器F保持接合，驅(qū)動第一排齒圈和第二排太陽輪。但是制動器C制動第一排太陽輪，所以在第一排太陽輪固定。齒圈驅(qū)動行星架減速輸出至第三排齒圈，第三排和第四排工作與一擋相同。所以二擋時形成三級減速為第一排齒圈驅(qū)動行星架減速、第三排齒圈驅(qū)動行星架減速、第四排齒圈驅(qū)動行星架減速。

三、三擋動力傳遞路線分析

圖5為三擋時，離合器F保持接合，驅(qū)動第一排齒圈和第二排太陽輪，離合器B接合驅(qū)動第一排太陽輪。因?yàn)榈谝慌盘栞喓妄X圈同時被驅(qū)動，所以行星架整體輸出。第三排和第四排工作與一擋、二擋相同，所以二擋時形成二級減速為第一排整體輸出、第三排齒圈驅(qū)動行星架減速、第四排齒圈驅(qū)動行星架減速。

四、四擋動力傳遞路線分析

圖6為四擋時，離合器E接合驅(qū)動第四排齒圈、制動器A保持對第四排太陽輪的制動，第四排行星架在齒圈的驅(qū)動下減速輸出。四擋時形成一級減速，即第四排齒圈驅(qū)動行星架減速。注意在四擋時，第三排行星驅(qū)動齒圈將動力傳遞給第二排和第一排行星架，而離合器F保持接合將動力傳遞給第一排太陽輪和第二排齒圈。但是第一排太陽輪自由、第二排齒圈自由，所以第一排和第二排不參與動力傳遞。

五、五擋動力傳遞路線分析

圖7為五擋時，離合器F保持接合，驅(qū)動第一排齒圈和第二排太陽輪，離合器B接合驅(qū)動第一排太陽輪。因?yàn)榈谝慌盘栞喓妄X圈同時被驅(qū)動，所以行星架整體輸出至第三排齒圈。離合器E接合，驅(qū)動第三排行星架，在第三排中齒圈和行星架同速，所以第三排太陽輪也同速整體旋轉(zhuǎn)。在第四排齒圈與太陽輪同速，所以驅(qū)動行星架同速整體輸出，形成直接擋。

六、六擋至九擋動力傳遞路線分析

前文將第一排和第二排看作一個變速器、將第三排和第四排看作另一個變速器。在很多擋位如一擋、二擋和五擋，動力流從一二排傳給三四排，符合動力總是從前向后傳遞的規(guī)律。但從六擋開始，不再認(rèn)為動力流是從前向后傳遞，而是將第一排和第二排組成的變速器看作一個制動器，約束第三排的齒圈，這一約束不是完全制動，而是部分約束。

在此引入矢量表示法，用矢量表示行星齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)。如圖8所示，用線段AB、BC和AC長度代表齒圈、太陽輪和行星架齒數(shù)。在單級行星排中，行星架齒數(shù)(AC段)等于太陽輪齒數(shù)(BC段)加上齒圈齒數(shù)(AB段)。用橫向帶箭頭的線段代表轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，線段長度代表轉(zhuǎn)速，箭頭方向代表轉(zhuǎn)向。如圖中行星架固定情況下，可以看出太陽輪驅(qū)動齒圈反向減速；而如果兩個同速同向旋轉(zhuǎn)，則第三個形成整體同速同向旋轉(zhuǎn)。

引入矢量表示法可以很容易理解三個構(gòu)件同時旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向各異的情況。如圖9所示，齒圈和行星架轉(zhuǎn)速相同的情況下，整體驅(qū)動太陽輪同速輸出。之后在行星架轉(zhuǎn)速不變的情況下，減少齒圈轉(zhuǎn)速，可以看到太陽輪轉(zhuǎn)速將增加。這一原則可以直接應(yīng)用于六擋、七擋、八擋和九擋的動力傳動。

如圖10所示，將第三排和第四排分拆出來，在五擋直接傳動時，離合器E接合，驅(qū)動第三排行星架，第三排行星架和齒圈同速同向，所以驅(qū)動第三排太陽輪整體旋轉(zhuǎn)。從圖9的分析可知，除非第三排齒圈轉(zhuǎn)速下降直至固定，甚至反轉(zhuǎn)情況下，在第三排行星架轉(zhuǎn)速不變情況下，會增加第三排太陽輪轉(zhuǎn)速。從而帶動第四排太陽輪轉(zhuǎn)速增加，最終帶動第四排行星架轉(zhuǎn)速增加?？刂频谌琵X圈轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)六擋(第三排齒圈一級減速)、七擋(第三排齒圈二級減速)、八擋(第三排齒圈固定)和九擋(第三排齒圈逆轉(zhuǎn))的傳動。

六擋、七擋、八擋和九擋時，離合器E接合驅(qū)動第三排行星架和第四排齒圈。圖11為六擋時，制動器C制動第一排太陽輪，離合器F接合驅(qū)動第一排齒圈，則第一排行星架在齒圈驅(qū)動下形成一級減速，與第一排行星架連接的第三排齒圈一級減速，第三排太陽輪一級增速，第四排行星架一級增速輸出。

圖12為七擋時，離合器F與六擋相同保持接合，但制動器D制動第二排齒圈，則第二排太陽輪驅(qū)動行星架形成二級減速。與第二排行星架連接的第三排齒圈二級減速，第三排太陽輪二級增速，第四排行星架二級增速輸出。

圖13為八擋時，第一排、二排的制動器C和D制動，第一排和第二排被總體固定，則第三排齒圈被固定。第三排太陽輪三級增速，第四排行星架三級增速輸出。

圖14為九擋時，第一排和第二排的離合器B接合，制動器D制動。離合器B驅(qū)動第一排太陽輪順轉(zhuǎn)，驅(qū)動第一排齒圈逆轉(zhuǎn)，與第一排齒圈連接的第二排太陽輪逆轉(zhuǎn)。制動器D制動第二排齒圈，第二排行星架在太陽輪(逆轉(zhuǎn))驅(qū)動下逆轉(zhuǎn)，帶動第一排行星架逆轉(zhuǎn)。最終第三排齒圈低速逆轉(zhuǎn)，第三排太陽輪四級增速，第四排行星架四級增速輸出。

七、倒擋動力傳遞路線分析

圖15為倒擋時，第一排和第二排與九擋相同，驅(qū)動第三排齒圈減速逆轉(zhuǎn)，在第三排和第四排制動器A制動兩排的太陽輪，在第三排逆轉(zhuǎn)的齒圈驅(qū)動行星架逆轉(zhuǎn)減速，在第四排逆轉(zhuǎn)的齒圈驅(qū)動行星架逆轉(zhuǎn)減速，形成倒擋輸出。

八、總結(jié)

要熟悉掌握液力自動變速器行星齒輪變速裝置，需要四個層次的能力要求：

1.能看懂傳動圖，能分析擋位傳遞需求。面對已有的傳動圖，需要能分析離合器、制動器和單向離合器，各行星排的連接關(guān)系，各擋位的動力傳遞過程。

2.依據(jù)傳動圖能和實(shí)物對應(yīng)起來。在裝配時依據(jù)傳動圖可以指導(dǎo)實(shí)物裝配。從理論結(jié)合實(shí)際來講，在從事自動變速器學(xué)習(xí)和維修中，能將傳動圖與實(shí)物部件一一對應(yīng)。

3.依據(jù)實(shí)物圖能夠畫出傳動圖，并能正確梳理其關(guān)系。

4.分析變速器設(shè)計(jì)特點(diǎn)，針對具體故障分析傳遞機(jī)構(gòu)潛在的故障部位。