張國(guó)芬，宋 震，盧志強(qiáng)，錢鋒杰，楊 磊

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214121）

并聯(lián)雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)的研究

張國(guó)芬，宋 震，盧志強(qiáng)，錢鋒杰，楊 磊

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214121）

并聯(lián)雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)是復(fù)雜變速器的基本單元，計(jì)算傳動(dòng)比要以整體來(lái)計(jì)算，最常見的三種并聯(lián)雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)是典型辛普森式CR-SS、改進(jìn)型辛普森式CR-CR和拉維娜式。結(jié)合它們的結(jié)構(gòu)，利用四節(jié)點(diǎn)杠桿法得到豐田A341E和通用4T65E（CR-CR）以及大眾AG4的速度矢量圖，圖解其傳動(dòng)比并對(duì)它們進(jìn)行多方面的對(duì)比，從而為今后自動(dòng)變速器的自主設(shè)計(jì)提供參考。

杠桿法；行星齒輪機(jī)構(gòu)；辛普森式行星齒輪機(jī)構(gòu)；拉維娜式行星齒輪機(jī)構(gòu)

0 引言

目前絕大部分轎車自動(dòng)變速器是采用行星齒輪變速器，最多擋位是10AT，第二款10AT[1]是2016年通用雪佛蘭全新科邁羅ZL1上使用的，它采用的是辛普森式和拉維娜式行星機(jī)構(gòu)的組合，參考文獻(xiàn)[2]對(duì)10AT的行星齒輪機(jī)構(gòu)做了一些研究。多速行星齒輪變速器結(jié)構(gòu)原理和傳動(dòng)比的計(jì)算復(fù)雜，用的方法很多，如傳統(tǒng)的公式計(jì)算法[3]、矩陣法[4]、圖論法[5]、杠桿法[6-7]也叫速度矢量法[8]或圖解法[9]。本文采用杠桿法來(lái)分析典型辛普森式CR-SS和改進(jìn)型辛普森式CR-CR以及拉維娜式的結(jié)構(gòu)，利用四節(jié)點(diǎn)杠桿法圖解其傳動(dòng)比并對(duì)它們進(jìn)行多方面的對(duì)比，從而為今后自動(dòng)變速器的自主設(shè)計(jì)提供參考。

1 單排行星齒輪機(jī)構(gòu)速度矢量

1.1 單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特征方程

自動(dòng)變速器行星齒輪機(jī)構(gòu)都是由單排行星齒輪機(jī)構(gòu)組合而成，圖1是兩種常見的單排行星齒輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中圖A）是單排單級(jí)，圖B）是單排雙級(jí)，齒數(shù)比α=zR/zS>1，注意的是這里1和α是一種比例關(guān)系。

圖1 兩種常見單排行星齒輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的速度矢量圖

單排行星齒輪可以簡(jiǎn)化為三節(jié)點(diǎn)等效杠桿，圖2是以PC節(jié)點(diǎn)作為等效杠桿支點(diǎn)（即行星架PC制動(dòng)時(shí)）的速度矢量圖，圖中用速度矢量nS表示太陽(yáng)輪S的速度和nR表示齒圈R的速度。

圖2 兩種常見單排行星齒輪機(jī)構(gòu)矢量圖

2 三種常見的并聯(lián)雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)

計(jì)算多排行星機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比時(shí)，串聯(lián)關(guān)系可以由多個(gè)單排傳動(dòng)比連乘得到總傳動(dòng)比，而并聯(lián)關(guān)系要把整體作為一個(gè)獨(dú)立機(jī)構(gòu)來(lái)計(jì)算傳動(dòng)比[10]。并聯(lián)雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)是復(fù)雜變速器的基本單元，最常見的三種是典型辛普森式CR-SS、改進(jìn)型辛普森式CRCR和拉維娜式（可以看成CC-RR）。為了表達(dá)方便，本文統(tǒng)一用 Sj、Rj、PCj和 αj表示各構(gòu)件的第 j排對(duì)應(yīng)的各參數(shù)。

2.1 典型辛普森式行星齒輪機(jī)構(gòu)CR-SS

辛普森行星齒輪機(jī)構(gòu)是兩個(gè)單排單級(jí)行星齒輪機(jī)構(gòu)并聯(lián)組合而成，復(fù)雜的辛普森行星齒輪機(jī)構(gòu)都是在此基礎(chǔ)上增加和組合其他行星排[11]。典型辛普森式CR-SS也稱為共用太陽(yáng)輪式，結(jié)構(gòu)如圖3的（A）所示。其特點(diǎn)是PC1和R2連為一體（CR），S1和S2連為一體（SS），構(gòu)件連接如圖（B），虛線表示連接關(guān)系。第一排增加K是為了保證兩排的等效杠桿比例基準(zhǔn)一致（即保證連接的兩節(jié)點(diǎn)距離相等），可得K=（1+ α2）/α1；把（B）中連接的節(jié)點(diǎn)合在一起，得到圖 3 的C）所示的四個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效杠桿圖。

圖3 典型辛普森式CR-SS杠桿圖

2.2 改進(jìn)型辛普森式行星齒輪機(jī)構(gòu)CR-CR

改進(jìn)型辛普森式CR-CR也稱為獨(dú)立太陽(yáng)輪式，結(jié)構(gòu)如圖4 A）所示，特點(diǎn)是前后兩排中都是獨(dú)立的太陽(yáng)輪 S1和 S2，PC1與 R2連為一體（CR），R1與 PC2連為一體（RC），改進(jìn)型辛普森式實(shí)質(zhì)是CR-RC，習(xí)慣上寫成CR-CR，它是 CR-SS的改進(jìn)形式，構(gòu)件連接如（B）所示，等效杠桿如（C）所示。

圖4 改進(jìn)型辛普森式CR-CR結(jié)構(gòu)及杠桿圖

2.3 拉維娜式行星齒輪機(jī)構(gòu)

拉維娜式結(jié)構(gòu)如圖5的（A）所示，特點(diǎn)是前后兩排共用R和PC，前排是單排單級(jí)（對(duì)應(yīng)大太陽(yáng)輪S1），后排是單排雙級(jí)（對(duì)應(yīng)小太陽(yáng)輪S2），拉維娜式可以看成CC-RR，構(gòu)件連接如（B）所示，等效杠桿如（C）所示。

圖5 拉維娜式結(jié)構(gòu)及杠桿圖

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 典型辛普森式CR-SS 4擋變速器

豐田A341E是日本皇冠3.0轎車的自動(dòng)變速器，它采用典型辛普森式CR-SS串聯(lián)一個(gè)超速排，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。超速排是單排單級(jí)，用下標(biāo)j=0 來(lái)表示該排，α0=ZR0/ZS0=79/33=2.394；CR-SS的前后兩排對(duì)應(yīng)的同名元件完全一樣，所以α1=α2=ZR2/ZS2=79/42=1.881[12].

圖6 豐田A341E自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)示意圖

豐田A341E各擋換擋元件（離合器、制動(dòng)器和單向離合器）如表1所示。為了表達(dá)方便，把圖3的CR-SS等效杠桿放到放坐標(biāo)系中，橫坐標(biāo)表示速度，in表示輸入，一般輸入速度橫坐標(biāo)X=1，唯一例外的是超速擋輸入速度橫坐標(biāo)X>1；out線表示輸出線（過(guò)輸出元件對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)且平行于X軸），第j擋比例線與out線的交點(diǎn)橫坐標(biāo)值是該擋的輸出速度nj（j=1，2，…）；結(jié)合圖3和圖6可得速度矢量如圖7，再由相似三角形，各擋傳動(dòng)比圖解如下：

表1 豐田A341E自動(dòng)變速器各擋換擋元件

圖7 豐田A341E速度矢量圖

3.2 改進(jìn)型辛普森式CR-CR 4擋變速器

別克君威4T65E等自動(dòng)變速器都采用改進(jìn)型辛普森式CR-CR結(jié)構(gòu)[13-14]。圖8是通用4T65E自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)示意圖，α1=ZR1/ZS1=62/26=2.385；α2=ZR2/ZS2=74/42=1.762[15].

圖8 通用4T65E自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)示意圖

通用4T65E各擋換擋元件如表2所示，結(jié)合圖4和圖8可得速度矢量如圖9，由相似三角形，各擋傳動(dòng)比圖解如下：

表2 通用4T65E自動(dòng)變速器各擋換擋元件

圖9 通用4T65E速度矢量圖

3.3 拉維娜式4擋變速器

大眾AG4（01M/01N）等自動(dòng)變速器都采用拉維娜式行星齒輪機(jī)構(gòu)。圖10是大眾AG4自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)示意圖，α1=ZR/ZS1=57/24=2.375，α2=ZR/ZS2=57/21=2.714[12].

圖10 大眾AG4自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)示意圖

大眾AG4自動(dòng)變速器各擋換擋元件如表3所示，結(jié)合圖5和圖10可得速度矢量圖如圖11，各擋傳動(dòng)比圖解如下：

表3 大眾AG4自動(dòng)變速器各擋換擋元件

圖11 大眾AG4速度矢量圖

3.4 A341E和4T65E以及AG4對(duì)比

表4是包含評(píng)價(jià)參數(shù)的A341E和4T65E以及AG4對(duì)比，從表中可以看到：（1）改進(jìn)型辛普森式CR-CR和拉維娜式傳動(dòng)比非常接近，二者1擋和倒擋的傳動(dòng)比數(shù)值都比典型辛普森式大，說(shuō)明它們1擋的動(dòng)力性和倒擋的安全性相對(duì)好一些；（2）拉維娜式的工作元件數(shù)和換檔元件數(shù)最少，說(shuō)明拉維娜式的成本和故障率方面也有優(yōu)勢(shì)；（3）從尺寸和工藝參數(shù)方面，拉維娜式α2=2.714幾乎完美，T=0.875也是三種機(jī)構(gòu)中最好的。

表4 A341E和4T65E以及AG4對(duì)比

4 結(jié)論

（1）并聯(lián)雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)3-4個(gè)前進(jìn)擋和1個(gè)倒擋。典型辛普森式CR-SS一般不用它的超速擋，改進(jìn)型辛普森式CR-CR和拉維娜式用4個(gè)前進(jìn)擋和1個(gè)倒擋。

（2）改進(jìn)型辛普森式CR-CR和拉維娜式等效杠桿各元件相對(duì)位置一樣，速度矢量圖僅1擋和2擋不同，這兩種設(shè)計(jì)方案存在很多相似性。

（3）三種常見的并聯(lián)雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)中，拉維娜式多方面具有優(yōu)勢(shì)。

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Research on Two-row Parallel Planetary Gear Mechanism Based on Lever Method

ZHANG Guo-fen，SONG Zhen，LU Zhi-qiang，QIAN Feng-jie，YANG Lei
（School of Automobile and Transportation，Wuxi Institute of Technology，Wuxi Jiangsu 214121，China）

As the basic unit of complicated transmission system，two-row parallel planetary gear mechanism is considered as one part in transmission ratio computation.The three mostly used parallel planetary automatic transmissions are simpson CR-SS，Simpson CR-CR and Ravigneaux mechanism.Using 4-node lever method，the velocity vector diagram of TOYOTA A341E，GM 4T65E and Volkswagen AG4 is produced based on their structures，their transmission ratios are illustrated and compared in many aspects，providing references for independent transmission design in the future.

lever method；planetary gear mechanism；simpson mechanism；ravigneaux mechanism

U463.212

A

1672-545X（2017）10-0105-04

2017-07-04

博士啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：30593117034）

張國(guó)芬（1975-），女，湖北蘄春人，博士，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)技術(shù)；宋 震（1976-），男，江蘇無(wú)錫人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)槠嚲S修技術(shù)；盧志強(qiáng)（1982-），男，江蘇無(wú)錫人，本科，實(shí)驗(yàn)員，主要研究方向?yàn)槠嚲S修技術(shù)；錢鋒杰（1996-），男，江蘇南通人，專科，主要研究方向?yàn)槠嚲S修技術(shù)；楊 磊（1997-）男，江蘇宿遷人，?？疲饕芯糠较?yàn)槠嚲S修技術(shù)。