尤明福 李志偉 甘 偉 高奇峰

1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津，300222 2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，紹興，312000

0 引言

為解決原有杠桿法分析三排行星結(jié)構(gòu)（行星排機構(gòu)中有常輸入或制動構(gòu)件）的不足［1－2］，筆者對原有杠桿法進(jìn)行了新的擴(kuò)展，通過擴(kuò)展后的杠桿法對ZF6速傳動方案進(jìn)行了分析研究，經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)此方法完全正確可行，運用其分析ZF類三排行星齒輪機構(gòu)的傳動非常簡單直觀。本文基于上述研究，運用該方法設(shè)計了一種8速自動變速器傳動方案，此方案設(shè)計簡單可行，可為6擋及6擋以上自動變速器的傳動及傳動方案分析和設(shè)計提供借鑒。

1 杠桿法分析原理［3］

一個行星排由太陽輪、行星輪、齒圈及行星架構(gòu)成。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，將一個行星排等效為一個垂直杠桿和3個支點，3個支點分別代表太陽輪 （S）、行星架（PC）和齒圈（R）。對于單行星行星排，支點S和R距支點PC的長度（力臂）分別與齒圈齒數(shù)Zr和太陽輪齒數(shù)Zs成正比，圖中k為任意比例常數(shù)。單行星行星排和雙行星行星排的等效杠桿圖如圖1a和圖1b所示，兩圖的主要區(qū)別在于齒圈位置不同。

圖1 等效杠桿圖

多行星排并聯(lián)時，每個行星排視為一個垂直的杠桿和3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，重疊時，將相互連接的部分合并為一個點，分開時，連接點用一水平線表示。兩種情況都要對杠桿的力臂進(jìn)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，在這種由多個行星排杠桿圖合并的總杠桿圖上標(biāo)上離合器（Ki）、制動器（Bi），以及輸入構(gòu)件（i）、輸出構(gòu)件（o），即得多行星排并聯(lián)等效杠桿圖。

2 拓展后的杠桿法介紹

原有杠桿法［4－7］在分析傳動方案時，基于的條件是行星齒輪機構(gòu)中各個構(gòu)件都能進(jìn)行制動或作為動力的輸入元件，這種基于原有杠桿法對傳動方案中的兩排行星排機構(gòu)進(jìn)行分析的方法是可行的，但隨著6擋自動變速器的誕生，如ZF6擋自動變速器和通用6擋自動變速器在三排行星齒輪機構(gòu)中都巧妙地使用了常輸入元件而大大地減少了離合器和制動器的數(shù)量，以至于原有杠桿法在分析它的傳動方案時失去了其作用，基于此，筆者在原有拉維那式兩排行星齒輪機構(gòu)的等效杠桿轉(zhuǎn)速線圖中加了一條KZ軸輸入轉(zhuǎn)速線。此KZ軸輸入轉(zhuǎn)速線正好能反映在拉維那機構(gòu)兩行星排的基礎(chǔ)上再加一排行星齒輪的目的，也即提供了兩種不同的輸入轉(zhuǎn)速。KZ的取值取決于多加的單排行星齒輪輸出轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速之比值。

3 基于拓展后的杠桿法對ZF6速自動變速器的傳動分析

ZF6速自動變速器相關(guān)傳動資料［8］如表1、圖2所示。表中，⊙表示工作；○表示發(fā)動機制動時工作。

表1 ZF6速自動變速器元件作用表

圖2 ZF6速自動變速器傳動簡圖

圖3為根據(jù)ZF6速自動變速器傳動簡圖繪制的杠桿圖。由圖2、圖3分析可知，原有的杠桿法難以滿足ZF6速的分析研究，故筆者對原有杠桿法進(jìn)行了新的擴(kuò)展，拓展后的等效杠桿轉(zhuǎn)速線圖如圖4所示，從圖4中可以清晰地看出ZF6速自動變速器各擋位下的轉(zhuǎn)速關(guān)系和作用元件及自由輪的布置。圖4所示的x軸表示行星排中各構(gòu)件轉(zhuǎn)速的大小和方向，縱軸表示各固定件的轉(zhuǎn)速線。其中，①節(jié)點代表S2構(gòu)件，②節(jié)點代表P2P3構(gòu)件，③節(jié)點代表R2R3構(gòu)件，④節(jié)點代表S3構(gòu)件。k為前排行星齒輪減速后的行星架P1輸出的轉(zhuǎn)速同輸入轉(zhuǎn)速之比，x軸上的1代表輸入轉(zhuǎn)速單位化，a為拉維那齒圈齒數(shù)與大太陽輪齒數(shù)之比，b為等效的拉維那行星架齒數(shù)與小太陽輪齒數(shù)之比。

圖3 ZF6速自動變速器杠桿圖

圖4 ZF6速等效杠桿轉(zhuǎn)速線圖

4 基于ZF6速自動變速器結(jié)構(gòu)形式下的傳動比方案分析

4.1 ZF6速自動變速器傳動比計算驗證新杠桿法的正確性

圖5為ZF6速自動變速器傳動方案分析圖，由圖5可知ZF6速自動變速器使用的是傳動比為5、6、7、9、15、16、18的傳動方案，根據(jù)表2中的5、7、18和表1中的1、3及倒擋傳動比計算可得：k＝0.642 67，b＝1.6658，a＝2.181 23；再把k、a、b值代入表2的傳動比計算式可得：i2＝2.3704，i4＝1.154 79，i5＝ 0.859 239，i6＝0.6856；算出來的傳動比值和表1中的傳動比吻合，故本文利用自創(chuàng)的擴(kuò)展杠桿法分析ZF結(jié)構(gòu)形式的三排行星齒輪機構(gòu)的傳動方案完全正確可行。

圖5 ZF6速自動變速器傳動方案分析圖

表2 ZF6速結(jié)構(gòu)形式下的各種傳動情況（除直接擋）

結(jié)合表2的3種傳動方案分析可知：基于換擋過程中只結(jié)合一個元件、分離一個元件的換擋原則進(jìn)行換擋，不僅能實現(xiàn)6個前進(jìn)擋的傳動方案選擇，而且能保證在換擋控制元件數(shù)目盡可能少的前提下確保換擋的平順性。

4.2 各種傳動比方案分析

第一種傳動方案：傳動比為1、2、3、4、15、16、18，減速擋傳動比分布在相對較大的區(qū)域內(nèi)，適合于礦山車輛等要求動力強勁的車輛裝配，但減速擋和超速擋傳動比相差較大，會明顯影響汽車換擋的平順性；需要的離合器、制動器數(shù)分別為4個和3個。

第二種傳動方案：傳動比為5、6、7、8、9、15、16、18，減速擋傳動比相對分布于中間區(qū)域，兼顧傳動比要求和換擋的平順性；需要的離合器、制動器數(shù)分別為3個和2個。

第三種傳動方案：傳動比為10、11、12、13、15、16、18，減速擋傳動比都分布在相對較小的區(qū)域，換擋平順性好，但僅適合于傳動比要求非常小的車輛使用，如室內(nèi)工程車等。需要的離合器、制動器數(shù)分別為5個和2個（無直接擋），或5個和1個（有直接擋）。

第四種傳動方案：傳動比為5、6、11、12、13、15、16、18，這種傳動方案可實現(xiàn)8速自動變速器的傳動，由于擋位的增加和傳動方案中增加了直接擋（增大了傳動效率），油耗的減少是毋庸置疑的，同時，這種傳動方案可很好地兼顧傳動比和換擋的平順性要求。需要的離合器、制動器數(shù)分別為5個和2個。

從上述分析可知：第二種傳動方案和第四種傳動方案都可兼顧汽車的動力性和換擋的平順性，但第二種傳動方案作用元件最少，在其基礎(chǔ)上增加兩個離合器便能實現(xiàn)第四種傳動方案的8速傳動。故第二種傳動方案在實現(xiàn)6速的前提下無疑是現(xiàn)代轎車上自動變速器裝配的最優(yōu)選擇，而ZF6速自動變速器的傳動方案也正是第二種傳動方案，這亦進(jìn)一步證明本文三排行星齒輪結(jié)構(gòu)傳動方案設(shè)計分析的正確合理性。

5 8速自動變速器傳動比方案設(shè)計

根據(jù)上述對ZF6速自動變速器傳動方案的分析研究，本文新設(shè)計的8速自動變速器傳動方案如圖6所示，也即上述的第四種傳動方案，總體結(jié)構(gòu)形式仍然采用ZF6速自動變速器太陽輪固定單行星排和原AG4變速器串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式。圖6中圓圈圈定的部分表示8速自動變速器。表3所示為8速自動變速器各擋位的作用元件及傳動比。

圖6 8速自動變速器傳動方案

根據(jù)圖6和表3繪制的8速自動變速器杠桿轉(zhuǎn)速線圖如圖7所示。

根據(jù)8速杠桿轉(zhuǎn)速線圖7繪制的8速自動變速器等效杠桿圖如圖8所示。

表3 8速自動變速器各擋位元件及傳動比

圖7 8速自動變速杠桿轉(zhuǎn)速線圖

圖8 8速自動變速器等效杠桿圖

根據(jù)圖8及上述分析繪制的8速自動變速器的作用元件表如表4所示，表中⊙表示起作用，◎表示發(fā)動機制動時起作用。

表4 8速自動變速器的作用元件表

綜上所述，本文新設(shè)計的8速自動變速器在結(jié)構(gòu)與ZF6速自動變速器完全一樣的前提下，僅增加2個離合器（K4、K5）就在同一結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了2個減速擋，大大簡化了制造工藝。另外，該設(shè)計確保了在相鄰換擋之間僅改變一個作用元件，就能保證換擋控制精度的實現(xiàn)；僅增加一個直接擋，就能增大和改善傳動效率，使得8速自動變速器的換擋平順性和發(fā)動機的使用功率優(yōu)于6速自動變速器，減少了車輛的燃油消耗量和環(huán)境污染。增加擋位而不增加駕駛換擋工作量的自動變速器充分贏得了客戶的贊許和良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

本文利用新拓展的杠桿法成功地分析和制定了ZF6速自動變速器的傳動及其傳動方案，這種新杠桿法在分析類似ZF6擋自動變速器三排行星齒輪機構(gòu)（行星排機構(gòu)中有常輸入或制動構(gòu)件）的傳動及傳動方案時非常的直觀和簡便易行?；诜治龊脱芯啃略O(shè)計的8速自動變速器傳動方案，僅在ZF6速自動變速器上增加2個離合器和一個直接擋，就很好地實現(xiàn)了換擋操控的平順性和提高了發(fā)動機的使用效率，在滿足駕駛舒適性的同時達(dá)到了節(jié)油環(huán)保的目的。

本文的不足之處在于受時間限制，未能對8速自動變速器傳動方案進(jìn)行傳動方面的仿真驗證。

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