行星齿轮自动变速器档位分析方法

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行星齿轮自动变速器的机械传动系统结构比手动变速器复杂，相关资料对行星齿轮自动变速器的档位分析，主要是通过给定的各档位工作元件来分析自动变速器机械传动系统的动力传递路线，对自动变速器各档位工作元件是如何得出的未作分析；对自动变速器的传动比，只是计算了单排行星齿轮的传动比，对多排行星齿轮组合结构传动比的计算方法也未作分析。但从自动变速器的设计过程而言，是先有机械系统的结构设计，然后得出各档位的工作元件；绝大部分车用行星齿轮自动变速器的机械系统都是多排行星齿轮组合而成，传动比的计算相对于单排行星齿轮更加复杂，特别是自动2档传动比的计算。所以，分析行星齿轮自动变速器各档位的工作元件，并计算传动比的方法对人们学习或研究自动变速器有-定借鉴作用。

1 单排行星齿轮机构变速原理单排行星齿轮机构主要包括太阳轮、齿圈、行星架及行星轮，行星轮通过轴承安装在行星架上 J。太阳轮、行星架、齿圈被称为单排行星齿轮的三个基本元件 ，彼此间的结构关系如图1所示。

在单排行星齿轮机构中，必须使太阳轮、齿圈和行星架这三个基本元件中的-个制动，或使其中两个元件互相连接在-起，才具有-定传动比。另外，假设某-元件转速不变，其余两个元件的转速之间存在线性关系。

a)通过固定行星齿轮机构的不同元件可得6种不同的传动状态 J，如表1：(a)单排行星齿轮机构三元件(b)三元件之间的结构关系图1 单排行星齿轮的结构表 1 单排行星齿轮机构的变速原理b)直接传动状态：在单排行星齿轮机构的三元件中，只要使其中两个元件互相连接在-起转动，其余-个元件也随之同速同向转，这种状态下，传动比为1，即直接传动状态。

C)假设某-元件转速不变，其余两个元件转速之间存在线性变化关系：根据单排行星齿轮机构运动规律特性方程式 J：T/，1Oft2-(1Or) 0 (1)作者简介：甘守武(1980-)，男 ，贵州普定人，讲师，硕士研究生，主要研究方向为载运工具运用工程。

Mhine Building Automation，Jun2012，41(J)：75～79 ·75·· 机械制造 · 甘守武，等 ·行星齿轮 自动变速器档位分析方法n。～太阳轮转速 ；n -齿圈转速；n3-行星架转速；- 齿圈齿数 z：与太阳轮齿数 z 之比，即：Z2/Z1，且 Or>1。

nl。 (2)- 常数将式(2)带入式(1)，得到：( ÷) a (3)1 >0 (4)O/结合式(3)和式(4)，得：行星架的转速随齿圈的转速上升而上升，下降而下降。应用同样的推理方法还可以得到：假设齿圈输入转速-定，太阳轮转速随行星架转速上升而上升；假设行星架的转速-定，太阳轮的转速上升，齿圈的转速下降，反之，齿圈的转速上升，太阳轮的转速下降。

2 行星齿轮的组合形式单排行星齿轮在实际应用中实现的档位较少 ，不足以满足汽车各种工况的需求，所以汽车使用的自动变速器都是通过多组行星齿轮组合而成。由于组合的结构不同，主要有以下几种类型。

2.1 辛普森式行星齿轮结构辛普森式齿轮机构的特点如图2所示，两组行星齿轮共用-个太阳轮；前排的齿圈和后排的行星架连为-体或前排的行星架和后排的齿圈连为-体 。

轴(a)辛普森结构原理图 (b)辛普森机械传动图图2 辛普森式齿轮机构2.2 CR.CR式行星齿轮结构CR-CR式行星齿轮机构的特点如图 3所示 ，前排行星齿轮架和后排的齿圈连成-体；前排的齿圈和后排的行星齿架也连成-体。

前太阳轮- 上、后行星轮、后太阳轮(a)CR-CR式结构原理图 (b)CR-CR式机械传动图图3 CR-CR式行星齿轮结构· 76·2.3 单向串联式行星齿轮结构单向串联式行星齿轮机构的特点如图4所示 ，前行星齿轮架和后排齿圈连成-体；但前排齿圈和后排的行星齿轮则是各 自独立的。

l /后龋架 /肺躲前行星轮-'I j ～后行星轮- /j- -前太阳轮 、后太阳轮(a)单向串联式结构原理图 (b)单向串联式机械传动图图4 单向串联式行星齿轮结构2.4 复合式行星齿轮结构以上四种行星齿轮组合都是由两组行星齿轮组合完成的，而复合式行星齿轮结构是由两组以上行星齿轮组合而成，这样可以实现较多的档位。宝马 5HP24自动变速器就是复合式行星齿轮结构 ，如图 5所示。

(a)复合式结构原理图 (b)复合式机械传动图图5 复合式行星齿轮结构3 行星齿轮 自动变速器档位分析方法- 般行星齿轮 自动变速器的档位为 P，R，N，D，3，2，1。因为 P，N档不存在变速状态，本文不作分析，只分析R，D，3，2，1档位，这几个档位与单排行星齿轮机构的变速原理是相联系的。虽然各种行星齿轮 自动变速器的结构不相同，但各档位工作元件的分析方法基本相同，本文以CR.CR结构的行星齿轮自动变速器为例，分析各档位的工作元件，并计算各档位传动比。三菱、北京现代、东南、奇瑞、中华、北京吉普及欧兰德等车型上使用的F4A42型变速器就是CR-CR结构，如图6所示。从机械传动系统结构分析，输入轴与离合器 c1，c2，c3的外毂相连，任何- 个离合器接合都可以把输入轴的动力传给后面相应的元件；前排的行星架及后排的齿圈与输出轴刚性连接，共同作为动力输出；制动器 B1，B2分别用于制动后排行星齿轮的行星架及太阳轮；单向离合器的内毂与自动变速器壳体相连，外毂与前排的齿圈及后排的行星架相连，可用于单向制动前排的齿圈及后排的行星架。这种结构可以获得四个前进档和-个倒档，本文以 D1，D2，D3，D4分别http：fZZHD.chinajourna1.net.cn E-mail：ZZHD###chainajourna1.net.ca《机械制造与自动化》· 机械制造 · 甘守武，等 ·行星齿轮 自动变速器档位分析方法表示 自动变速器 D位的 1档，2档，3档及 4档。

c1，c2，c3-离合器；BI，B2-制动器；F1-档单向离合器图6 F4A42自动变速器机械传动结构图分别对前后排行星齿轮组应用运动规律特性方程式：：or1n -(1 1)n 0 (5)n or2n；-(1 2)n；0 (6)n：，n -前、后排太阳轮转速；n ，n -前、后排齿圈转速 ；n ，n；-前、后排行星架转速；，，Ot：-前、后排齿圈齿数与太阳轮齿数之比。

由机械传动系统的结构可得：rt ，n； (7)n ，n； (8)3.1 R档的分析方法a)R档工作元件的分析：R档是自动变速器的倒档，要求实现反向减速状态，由单排行星齿轮机构变速原理可知，这种状态必须固定行星架，太阳轮主动，齿圈从动♂合自动变速器的机械传动系统结构分析，后排齿圈与输出轴是刚性连接的，只要后排行星架被 B1固定，后排的太阳轮通过 c2与输入轴相连，反向减速状态就能实现。所以倒档时的工作元件是 B1和 c2。R档动力传递线路及前后排行星齿轮的运动状态如图7所示。

⑧ ### - 动力传递方向 -转动方向 X- 固定元件图7 倒档动力传递路线图b)R档传动比的计算：因为后排行星架被固定，即：n 0 (9)把式(9)带人式(6)，得R档传动比：n2 /n：2(负号表示方向相反) (10)3.2 D1档的分析方法a)D1档工作元件的分析：D1档是为了使汽车驱动Machine Building 8 Automation，Jun 2012，41(J)：75～79轮获得最大的扭矩，所以在前进档中传动比最大，需要实现同向减速状态。由单排行星齿轮机构变速原理可知，行星架必须作为输出，才可以实现同向减速，由机械传动系统结构的分析可知，前排行星架与输出轴刚性连接，即为输出；对于前排行星齿轮，离合器 cl接合就使前排太阳轮与输入轴相连 ，即为输入 ；在汽车起步时，由于前排行星架作为输出，阻力很大，这时前排齿圈会有逆时针转动的趋势，由于单向离合器 F1的作用，前排齿圈被制动，即为固定。综上所述，前排行星齿轮的状态是齿圈被固定，太阳轮主动，行星架从动，实现同向减速状态。因为汽车起步时，车速很低，单向离合器承受的扭矩很大，当车速低于设定值时(不同型号会有差别)，自动变速器 ECU会控制B1接合，以保护Fl，当速度高于设定值时，B1分离，可以减小 D1升 D2档的换挡冲击及 ECU控制的执行元件数量。所以D1档时工作元件为 c1、F1和B1(车速低于-定值时起作用)。D1档动力传递线路及前后排行星齿轮的运动状态如图 8所示。

X -Ib④ ⑨- - 动力传递方向 -转动方向 X固定元件图 8 D1档动力传递路线图b)D1档传动比的计算：因为前排齿圈被固定，即：n 0 (II)把式(II)带入式(5)，得 D1档传动比：n]/n 1orl (12)3.3 D1升 Dl2档的分析方法a)D2档工作元件的分析：D2档也是使输出轴实现同向减速状态 ，且 I)2档 的传动 比小于 D1档 的传动比。

由单排行星齿轮变速原理的分析可知，D1档升 D2时，假设输入轴的转速不变，使前排的齿圈顺时针转起来，前排行星架的转速就会比 D1档时提高 ，即输出轴转速提高，传动比变小，因为前排的齿圈与后排的行星架相连，所以只要使后排的行星架顺时针转起来即可实现 D2档传动比。在 D1档时，因为后排齿圈与前排行星架-起顺时针转，作为输出，所以只要通过 B2制动后排太阳轮，后排行星架就能顺时针转，前排的齿圈也-起顺时针转，输出轴的转速就得到提高，同时 Fl也不起制动作用。所以D2档的工作元件是c1及B2。对比Dl及D2档的工作元件，在升降档时，ECU只需要控制液压系统改变 B2的状态就可实现换挡。D2档动力传递线路及前后排行星齿轮的运动状态如图9所示。

b)D2档传动比的计算，因为后排的太阳轮被固· 77 ·· 机械制造 · 甘守武 ，等 ·行星齿轮 自动变速器档位分析方法上升不会受到发动机惯性的限制 ，这种情况就必须频繁使用制动系统，影响制动系统的可靠性及行车的安全性。但如果使用手动1档，由于前排齿圈被Bl制动，输出轴的加速转动力会试图带动前排太阳轮也加速转动 ，从而带动发动机的曲轴加速转动，但发动机的惯性会阻碍曲轴的加速转动，这样就实现了发动机制动的效果。

4 结语a)分析自动变速器的档位和计算传动比要以单排行星齿轮机构的变速原理为基础，分别对每-排行星齿轮建立运动规律特性方程式，并分析各参数之间的关系。

b)分析自动变速器的档位和计算传动比首先要分析机械传动系统的结构。分析结构时，主要有以下几个要点：1)有几个离合器及其是用来传递那两个元件的动力；2)有几个制动器及其是用来制动那个元件；3)有几个单向离合器及其是在什么情况下起制动作用。

C)对于手 自-体的行星齿轮 自动变速器 ，手动档与自动档区别在于手动档的档位升降会受到限制，及手动 1档有发动机制动 ，在交通拥堵及斜坡路段时用手动档会更加安全可靠。