杠桿法分析皇冠8速自動變速器傳動比(上)

◆文/江蘇 高惠民

高惠民 (本刊編委會委員)現(xiàn)任江蘇省常州外汽豐田汽車銷售服務(wù)有限公司技術(shù)總監(jiān)，江蘇技術(shù)師范學(xué)院、常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程運用系專家委員，高級技師。

近年來與乘用車配套的行星自動變速器擋位數(shù)已從普及6擋位發(fā)展到了8至9擋位，其速比范圍不斷擴大，速比間隔逐漸變小，有效地改善了變速器換擋品質(zhì)，提高了車輛的經(jīng)濟性和駕駛平順性。

采用行星機構(gòu)自動變速器后各齒輪和構(gòu)件之間的運動關(guān)系(構(gòu)件的速度和方向)、傳動情況(傳動路線和傳動比)等在過去大多數(shù)文獻或教學(xué)中主要采用數(shù)學(xué)解析法來計算，將行星機構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)求解歸結(jié)為解線性方程式。但這種數(shù)學(xué)解析法比較抽象，物理概念(運動關(guān)系和傳力情況)不清楚，很難直觀理解。而由美國通用汽車公司提出的將行星機構(gòu)齒輪轉(zhuǎn)換成杠桿系來進行分析，從視覺上看直觀、形象、簡單明了，而且也便于掌握其實質(zhì)性的功能(這里應(yīng)該特別提到上海同濟大學(xué)黃宗益等教授已將行星機構(gòu)杠桿模擬分析法發(fā)展應(yīng)用在行星自動變速器的設(shè)計中，并發(fā)表了多篇專著)。轉(zhuǎn)換后的杠桿系和原行星機構(gòu)在運動學(xué)和動力學(xué)上的數(shù)學(xué)關(guān)系式是完全等價的。本文將以豐田皇冠8速(AA81E型)自動變速器為例，用杠桿法分析它的各擋傳動比和速度。

一、杠桿法原理

行星機構(gòu)杠桿分析法是將行星機構(gòu)用垂直布置的杠桿系等效替代，這樣行星機構(gòu)的分析轉(zhuǎn)化為垂直布置的杠桿系統(tǒng)的分析。單行星齒輪排的等效杠桿圖如圖1所示。

圖1 單行星齒輪排的等效杠桿圖

將一個行星排簡化為一具有三個支點的垂直杠桿，三支點分別代表太陽輪S，行星架PC和齒圈R。其中單級行星齒輪等效輪杠桿圖里的中間支點為PC，兩端支點為S和R。雙級行星齒輪等效杠桿圖里的中間支點為R，兩端支點為S和PC。根據(jù)行星齒輪機構(gòu)運動特性方程推算得到，支點S到支點PC的距離與支點R到支點PC的距離之比為K/l(杠桿力臂長度比)，K定義為齒圈與太陽輪的齒數(shù)比。不同的是單級行星齒輪機構(gòu)等效杠桿的中間支點為PC，雙級行星齒輪機構(gòu)等效杠桿的中間支點為R。這樣以一個垂直杠桿代替一個行星排，其轉(zhuǎn)速和力矩關(guān)系符合行星排的轉(zhuǎn)速方程式和力矩方程式，行星排三元件的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別轉(zhuǎn)化為等效杠桿圖上支點的水平速度和水平力。

汽車自動變速器采用的行星齒輪機構(gòu)一般由多排行星齒輪傳動組成。多行星排并聯(lián)時，每個行星排視為一個豎直的杠桿和三個支點。行星排之間的構(gòu)件相互連接，在杠桿圖上視為各支點之間的連接。在處理時根據(jù)需要，既可以將杠桿重疊又可以將杠桿分開。將杠桿分開時連接點用一條水平線來表示；重疊時將相互連接的部分合并為一個點。對杠桿的力臂進行調(diào)整，調(diào)整時要保證連接部分合并點之間的力臂長度相等，并且各杠桿力臂長度比不變，這樣將多個行星排的杠桿圖合并為一個總杠桿圖。圖2(a)所示為兩排行星齒輪機構(gòu)傳動簡圖，其結(jié)構(gòu)特點是前排的行星架與后排的齒圈相連；前排的齒圈與后排的行星架相連。兩個行星排機構(gòu)有三個自由度，四個獨立旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。設(shè)前排齒圈與太陽輪齒數(shù)比為K1，后排齒圈與太陽輪齒數(shù)比為K2。圖2(b)所示為等效杠桿圖，在等效杠桿圖上為一個有四個支點的杠桿，杠桿力臂長度比為K2/l/K1。

圖2 雙排行星齒輪機構(gòu)等效杠桿圖

行星齒輪變速器是由行星齒輪機構(gòu)加上執(zhí)行元件組成。在等效杠桿圖加上自動變速器執(zhí)行元件(制動器、離合器和單向離合器)，標(biāo)注出輸入和輸出構(gòu)件就得到了完整的行星齒輪變速器杠桿分析圖。如圖3所示為改進型辛普森行星齒輪機構(gòu)變速器杠桿分析圖，圖4所示為拉維納行星齒輪機構(gòu)變速器杠桿分析圖。通過已知的等效杠桿圖支點間力臂距離比例和自動變速器的輸入轉(zhuǎn)速，用相似三角形幾何方法計算出自動變速器的各個擋位的傳動比和輸出的轉(zhuǎn)速(包括行星齒輪機構(gòu)每個構(gòu)件的轉(zhuǎn)速)。

圖3 辛普森行星輪變速器杠桿圖

圖4 拉維納行星輪系變速器杠桿圖

二、AA81E自動變速器行星齒輪機構(gòu)特征分析

皇冠8AR-FTS發(fā)動機的車型上采用了AA81E 8速行星齒輪機構(gòu)的自動變速器。自動變速器行星齒輪機構(gòu)技術(shù)參數(shù)列于表1。

變速機構(gòu)由兩排行星齒輪機構(gòu)組成。圖5所示為AA81E自動變速器結(jié)構(gòu)剖面圖，圖6所示為AA81E自動行星齒輪機構(gòu)傳動圖，第一級傳動為雙級行星齒輪排，第二級傳動為拉維納行星齒輪排。

圖5 AA81E自動變速器結(jié)構(gòu)剖面圖

圖6 AA81E自動變速器傳動圖

表1 皇冠A81E自動變速器行星齒輪機構(gòu)技術(shù)參數(shù)

第一級傳動由發(fā)動機動力經(jīng)變扭器的渦輪軸傳至雙級行星齒輪排行星架PC1，固定太陽輪S1形成單自由度機構(gòu)，由齒圈R1和行星架PC1輸出兩種轉(zhuǎn)速動力。行星架PC1作為機構(gòu)的動力輸入元件通過離合器C2、C4直接輸出動力，而齒圈R1以本級的減速比通過離合器C1、C3輸出動力。

第二級傳動為拉維納型二自由度組合的行星齒輪排，由四個中心元件(大太陽輪S2、小太陽輪S3、共用齒圈R2、共用行星架PC2)和長行星輪、短行星輪組成。長、短行星輪通過兩端與行星架連接組合成行星齒輪變速機構(gòu)。

兩個行星齒輪排組合為三自由度機構(gòu)，由換擋執(zhí)行元件離合器和制動器控制各個擋位的傳動。離合器C1、C2、C3、C4是實現(xiàn)第一級到第二級的動力傳動連接；制動器B1固定大太陽輪、B2和單向離合器F固定拉維納行星齒輪排共用行星架。由于機構(gòu)自由度為3，需要有兩個約束才能實現(xiàn)確定的傳動，所以每一擋位要有兩個換擋元件才能工作。換擋執(zhí)行元件動作狀態(tài)列于表2，約束情況有兩種：①一個離合器和一個制動器工作；②兩個離合器工作。

表2 換擋執(zhí)行元件動作狀態(tài)

當(dāng)一個離合器和一個制動器工作時，第一級到第二級一個離合器連接傳動，即一路動力連接，兩個行星齒輪排動力傳動為串聯(lián)，這樣的擋位有一、二、八、R擋位。當(dāng)兩個離合器工作時，第一級到第二級兩個離合器連接傳動，即雙路動力連接，兩個行星齒輪排動力傳動為并聯(lián)，這樣的擋位有三、四、五、六、七擋位為并聯(lián)。其中三、六擋位雙路同步動力輸入，即雙輸入為同一軸，所以第二級拉維納行星齒輪排為直接擋；其他擋位則是兩種轉(zhuǎn)速動力的雙路輸入。等效杠桿圖如圖7所示。其中圖7(a)為將兩個行星齒輪排杠桿分開畫出的等效杠桿圖，圖7(b)為將兩個行星齒輪排杠桿重疊畫出的等效杠桿圖，圖7(c)為已知兩個行星齒輪排的三個行星齒輪機構(gòu)特征參數(shù)(K1=前排齒圈(R1)齒數(shù)/前排太陽輪(S1)齒數(shù)=82/38=2.158 ；K2=后排齒圈(R2)齒數(shù)/后排小太陽輪(S3)齒數(shù)=74/30=2.466；K3=后排齒圈(R2)齒數(shù)/后排大太陽輪(S3)齒數(shù)=74/34=2.176)和輸入轉(zhuǎn)速參數(shù)以及各擋位執(zhí)行元件動作程序，計算出輸出轉(zhuǎn)速畫出的等效杠桿圖。

三、AA81E自動變速器傳遞路線和傳動比

根據(jù)圖7(c)的等效杠桿速度線圖，以下是各擋具體的傳遞路線和傳動比計算，如果在已知輸入轉(zhuǎn)速的條件下，還可以利用Excel計算出行星齒輪排各構(gòu)件的轉(zhuǎn)速圖表。一擋動力傳遞路線如圖8所示。

圖7 皇冠AA81E自動變速箱傳動速度等效杠桿法分析圖

圖8 一擋動力傳遞路線

雙級行星齒輪排：發(fā)動機動力由變扭器的渦輪軸傳至雙級行星齒輪排行星架PC1，太陽輪S1固定，則內(nèi)齒圈R1同向減速轉(zhuǎn)動。

拉維納行星齒輪排：離合器C1接合，將雙級行星齒輪排的齒圈R1與拉維納行星齒輪排的小太陽輪S3連接在一起，動力經(jīng)雙級行星齒輪排內(nèi)齒圈R1傳至拉維納行星齒輪排的小太陽輪S3，短行星輪逆時針轉(zhuǎn)，長行星輪順時針轉(zhuǎn)，并帶動大太陽輪S2逆時鐘轉(zhuǎn)，由于單向離合器F1單向固定了拉維納行星齒輪排的共用行星架PC2逆發(fā)動機旋向轉(zhuǎn)動，使其只能與發(fā)動機同向轉(zhuǎn)動，因此拉維納行星齒輪排共用齒圈R2同向減速輸出動力。

變速器輸入轉(zhuǎn)速(雙級行星齒輪排行星架PC1轉(zhuǎn)速)為2 000r/min時，Excel計算得到的輸出轉(zhuǎn)速R2以及兩個行星齒輪排其他構(gòu)件的轉(zhuǎn)速，如圖9所示。

圖9 一擋動力傳遞

當(dāng)車輛滑行動力反向傳遞時，單向離合器F1打滑空轉(zhuǎn)，反向動力傳遞中斷，故沒有發(fā)動機制動功能。但在S1擋位時需要有發(fā)動機制動，如圖10所示，制動器B2進入接合狀態(tài)，雙向固定拉維納行星齒輪組共用行星架PC2，可獲得發(fā)動機制動功能。制動器B2與單向離合器F1并聯(lián)，單向離合器F1依然鎖止。二擋動力傳遞路線如圖11所示。

圖10 一擋動力傳遞(S1擋,帶發(fā)動機制動)

圖11 二擋動力傳遞

雙級行輪排：工作狀態(tài)與一擋時相同。

拉維納行星齒輪排：離合器C1接合，將雙級行星齒輪排的內(nèi)齒圈R1與拉維納行星齒輪排的小太陽輪S3連接，動力經(jīng)雙級行星齒輪排的內(nèi)齒圈R1傳至拉維納行星齒輪排的小太陽輪S3。制動器B1接合，固定了拉維納行星齒輪排的大太陽輪S2，動力經(jīng)共用行星架PC2由拉維納行星齒輪排共用齒圈R2同向減速輸出動力。轉(zhuǎn)速比一擋增加。

圖12所示為變速器輸入轉(zhuǎn)速(雙級行星齒輪排行星架PC1轉(zhuǎn)速)為2 000r/min時，Excel計算得到的輸出轉(zhuǎn)速(拉維納行星齒輪排共用齒圈R2輸出轉(zhuǎn)速)以及兩個行星齒輪排其他構(gòu)件的轉(zhuǎn)速。三擋動力傳遞路線如圖13所示。

圖12 二擋傳動速度

圖13 三擋動力傳遞

雙級行星齒輪排：工作狀態(tài)與二擋時相同。

拉維納行星齒輪排：離合器C1接合，將雙級行星齒輪排的內(nèi)齒圈R1與拉維納行星齒輪排的小太陽輪S3連接，動力經(jīng)雙級行星齒輪排的內(nèi)齒圈R1傳至拉維納行星齒輪排的小太陽輪S3；同時，離合器C3接合，也將經(jīng)雙級行星齒輪排內(nèi)齒圈R1的動力傳至拉維納行星齒輪排大太陽輪S2。拉維納行星齒輪排大、小兩個太陽輪S2、S3被同步驅(qū)動，轉(zhuǎn)速相同，整個拉維納行星齒輪機構(gòu)作整體旋轉(zhuǎn)，拉維納行星齒輪排共用齒圈R2同向減速輸出動力。轉(zhuǎn)速等于雙級行星齒輪排的內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速，比二擋轉(zhuǎn)速增加。

變速器輸入轉(zhuǎn)速(雙級行星齒輪排行星架PC1轉(zhuǎn)速)為2 000r/min時，Excel計算得到的輸出轉(zhuǎn)速(拉維納行星齒輪排共用齒圈R2輸出轉(zhuǎn)速)以及兩個行星齒輪排其他構(gòu)件的轉(zhuǎn)速，如圖14所示。四擋動力傳遞路線如圖15所示。

圖14 三擋傳動速度

圖15 四擋動力傳遞