基于特性方程式下的自动变速箱档位分析

(武汉交通职业学院汽车工程学院，湖北武汉 430065)

基于特性方程式下的自动变速箱档位分析

屈亚锋

(武汉交通职业学院汽车工程学院，湖北武汉 430065)

介绍了单排单行星齿轮机构运动规律特性方程式，针对丰田A340E自动变速箱档位分布情况，研究出丰田A340E自动变速箱各档位与执行元件关系，通过传动比的计算验证基于特性方程式下的自动变速箱档位分析技巧的准确性。

丰田A340E自动变速箱；档位分布；执行元件；传动比

随着变速箱技术的不断发展，越来越多的轻型车辆(尤其轿车)采用自动变速箱。自动变速箱从设计思路、结构和控制等方面都比手动变速箱复杂，因此维修自动变速箱必须有扎实的理论功底和丰富的实践经验。笔者选用丰田A340E四档自动变速箱行星齿轮变速传动机构为例，为学者提供了基于特性方程式下的自动变速箱档位分析技巧，给学者打下了分析复杂变速器的理论基础。

1 单排单行星齿轮齿轮机构简介

1.1 单排单行星齿轮齿轮机构的运动规律特性方程式

假设:太阳轮转速n1，齿圈的转速n2，行星架的转速n3，齿圈齿数Z2，太阳轮齿数Z1,参数α=Z2/Z1>1。则单排单行星齿轮变速机构运动规律的特性方程式为：n1+ αn2-(1+α)n3= 0—— 式1

1.2 单排单行星齿轮齿轮机构的八种运动方式和传动比计算

传动比是指输入轴转速与输出轴转速的比值，用字母i来表示。以图1为例：1为动力输入，3为动力输出，2被加以约束，即n2= 0—— 式2。根据传动比的概念，式1和式2联立求解，则i13=n1/n3=1+α。用上面例子的方法，我们可以推导出单排单行星齿轮齿轮机构八种运动方式及传动比，具体见表1。

表1 单排单行星齿轮齿轮机构八种运动方式及传动比

通过表1不难看出，方案1与方案2计算的传动比都大于1，可做为自动变速箱低速档位。方案1的传动比最大,可做为自动变速箱的D1档(注：不是所有车型都采用)。方案3和6输入与输出方向相反，且方案3传动比大于1，可作为自动变速箱倒档。方案6传动比小于1，是超速倒档，无车型采用。方案4和5计算的传动比都小于1，且方案4传动比在0.5～1之间，可做为自动变速箱超速档。方案5传动比小于0.5，增速太大，无车型采用。方案7任两元件作为动力输入且速度相等，传动比为1，可做为自动变速箱直接档。方案8无约束条件，只有动力输入，可做为自动变速箱空档。

2 丰田A340E自动变速箱档位分布情况分析

丰田A340E自动变速箱中字母4表示D档位数为4个(D1、D2、D3、D4)。经仔细观察丰田A340E齿轮机构的结构，图1，第1排与第2、3排由中间轴12连接，因此分析档位数时可单独分析第1排和第2、3排，然后再看两者之间的联系。第1排动力由1输入，3输出，13由B0或C0F0约束。如果13由C0F0约束，第1排获得传动比为1；如果13由B0约束，则第1排获得传动比为а1/(1+а1)。第2、3排动力由第2排11或第2、3排10输入，第2排行星架4与第3排齿圈9组件输出。如果C1、C2同时起作用，可获得直接档；如果第2排11输入，4输出，约束10可获得低速档；由于第2、3排无法实现表1方案4，无法获得超速档。因此，第1排与第2、3排获得档位相互匹配，可判断出丰田A340E齿轮机构有1个超速档(D4)，1个直接档(D3)和2个低速档(D1、D2)。

图1 丰田A340E自动变速器齿轮机构的结构1．第1排行星架；2.第1排行星齿轮；3.第1排齿圈；4.第2排行星架；5.第2排行星齿轮；6.第3排行星架；7.第3排行星齿轮；8.输出轴；9.第3排齿圈；10.第2、3排共用太阳轮；11.第2排齿圈；12.中间轴；13.第1排太阳轮；14.输入轴

3 丰田A340E自动变速箱各档位分析技巧

3.1 D档位分析

(1)D1、D2档位分析

根据表1可知，单排单行星齿轮机构获得低速档位的条件是方案1或方案2。根据档位分布情况分析不难看出，方案1无法实现，方案2可以实现，即：11输入(C1起作用)，4输出，约束10(B1起作用或B2、F1起作用)。方案2由第2排起作用形成动力传递，传动比为：(1+α2)/α2。根据一般变速箱设计的常识，这个传动比太小，不能做为D1档，因此可判断作为D2档。此处分析D2档位技巧：表1中任意一种方案，只要是某款自动变速箱直接采用了，就可以直接作为自动变速箱的档位。方案2既然不能用于D1档，那就可直接用做D2档。

1)D2档位分析

① D2档位与执行元件的关系

分析技巧：由于D2档位不是D位的最高档，可继续升档，设计时如果有制动或单向制动两种约束条件时，可选择单向约束条件，故第2、3排选用C1、B2、F1；第1排有1或а1/(1+а1)两种传动比方案，为不改变第2、3排所获得传动比(1+α2)/α2的大小，故选用C0、F0。因此D2档的换挡执行元件为：C0、F0、C1、B2、F1。

② D2档位传动比的计算

n11+ α1n12-(1+α1)n13=0—— (第1行星排) 式3

n11=n13—— (第1行星排) 式4

n21+α2n22-(1+α2)n23=0—— (第2行星排) 式5

n21=0—— (第2行星排) 式6

由式3、4；5、6联立求解D2挡传动比：

i2=(n13/n12)(n22/n23)=1×(1+α2)/α2

2)D1档位分析

当遇到不能直接利用单排单行星齿轮齿轮机构八种运动方式中的一种做为变速箱的档位时，可考虑有连接关系的两排(第2、3排)同时起作用获得传动比。由于D2档位选C1为第2排齿圈输入，考虑到先入为主的思路，先试试C1能否实现两排同时起作用获得传动比。仔细观察第2、3排结构不难发现，第2排行星架和第3排齿圈为组件动力输出，只能由共用的太阳轮将动力由第2排传递到第3排，约束第3排行星架(B3或F2)，这样可实现两排同时起作用获得传动比。如果选C2作为动力输入，第2排齿圈或行星架无约束条件，第3排约束行星架只能获得倒档，因此无法实现两排同时起作用获得传动比。

①D1档位与执行元件的关系：C0、F0、C1、F2

分析技巧：同D2档分析思路，在此不赘述。

②D1档位传动比的计算

n31+α3n32-(1+α3)n33=0—— (第3行星排) 式7

n33=0；n23=n32；n21=n31——式8

由式3、4；5、7、8联立求解D1挡传动比：

i1=(n13/n12)(n22/n23) =1×(1+α2+α3)/α2，显然大于D2档位传动比。

(2)D3档位分析

由表1可知，某一单排行星齿轮排有两个动力输入(速度相等)，其余一部件动力输出可获得直接档。

1)D3档位与执行元件的关系

分析技巧：D3档是直接档，故第一排选C0、F0方案，可获得传动比为1；第2、3排只有C1、C2同时作为动力输入，因此只能选择C1、C2，正好动力传递发生在第2排，传动比为1；D3档选择方案(C0、F0、C1、C2)和D2档方案(C0、F0、C1、B2、F1)比较，发现相差元件较多(C2和B2)，此时由于C2必须选择，那应考虑B2起作用会不会影响D3档，仔细研究发现当C2将动力传递给太阳轮10时，太阳轮10顺时针旋转，而F1的作用是允许太阳轮10顺时针旋转，B2起作用并不会影响D3档动力传递，反而会提高换挡质量(相邻档位相差元减少，油路控制容易，换挡冲击小)。因此，D3档的执行元件为：C0、F0、C1、C2、B2、F1。

2)D3档位传动比的计算

n21=n22——式10

由式3、4；5、10联立求解D3挡传动比：

i3=(n13/n12)(n22或n21/n23)=1×1=1

(3)D4档位分析

由表1可知，某一单排行星齿轮排行星架动力输入，齿圈动力输出，约束太阳轮可获得超速档。

1)D4档位与执行元件的关系

分析技巧：D4档位是超速档，仔细观察第1、2、3排，只有第1排可实现，故第1排选择B0约束太阳轮；为不改变第1排传动比的大小，第2、3排仍然采用D3档的方案。因此D4档的执行元件为：B0、C1、C2、B2、F1。

2)D4档位传动比的计算

n11=0——式11

由式3、11；5、10联立求解D4挡传动比：

i4=(n13/n12)(n22或n21/n23)=а1/(1+а1)×1

(4)“2位”和“1位”档位分析

1)“2位”档位分析

“2位”档位属于A340E自动变速箱的闭锁低速档，它限制了前进档位变化的范围，只有21和22两个档位。21档位不是“2位”的最高档，选择执行元件与D1档完全相同。22档位是“2位”的最高档，可利用发动机的制动作用，因此选择约束时直接选择制动。故22档位的执行元件为：C0、F0、C1、B1、B2、F1。选择B2、F1的原因：B1直接制动太阳轮10，B2、F1单向制动太阳轮不起作用；当变速杆从2位换至D位，只需控制一条油路(B1泄油)即可实现D2档，提高了换挡质量。传动比的计算、动力传递路线和D2档位相同，不同的是22档位可利用发动机的制动作用。

2)“1位”档位

“1位”档位也属于A340E自动变速箱的闭锁低速档，它进一步限制了前进档位变化的范围，只有11一个档位。11档位是“1位”的最高档，可利用发动机的制动作用，因此选择约束时直接选择制动。故11档位的执行元件为：C0、F0、C1、B3。传动比的计算、动力传递路线和D1档位相同，不同的是11档位可利用发动机的制动作用。

(5)R档分析

由表1可知，某一单排行星齿轮排太阳轮动力输入，齿圈动力输出，约束行星架可获得R档。

1)R档位与执行元件的关系

分析技巧：仔细观察第1、2、3排，只有第3排可实现，故第3排选择太阳轮10为动力输入(执行元件为C2)；行星架的约束有B3和F2两种方案，考虑倒档只有一个，不可能升档，约束条件选择B3直接制动行星架6；为不改变第3排传动比的大小，第1排采用C0、F0方案。因此R档的执行元件为：C0、F0、C2、B3。

2)R档位传动比的计算

n33=0—— 式12

由式3、4；7、12联立求解R挡传动比：

iR=(n13/n12)(n31/n32)=1×(-α3)(“-”号表示输入输出反向)

4 结 语

本文以单行星行星齿轮特性方程式为出发点，通过对丰田A340E四挡行星齿轮变速传动机构实例分析，验证了各档位与执行元件的关系。文中重点阐述了如何运用单行星行星齿轮特性方程式来分析挡位和执行元件的关系。本文的分析技巧适用于目前研发出并使用的四挡、五挡、六档自动变速器，对六档以上的自动变速器尚有一定的缺陷，还需要进一步的改进分析，读者使用时注意应用的范围。

1 郭兆松.丰田U760E型自动变速器行星齿轮变速机构的传动分析[J].拖拉机与农用运输车,2016(04):20-24.

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4 李培军.汽车底盘电控技术[M].人民邮电出版社,2013:19-23.

Abstract: This essay introduces the single row single planetary gear mechanism motion characteristic equation, analyzes TOYOTA A340E automatic transmission gear distribution, and finally puts forward the technique for analyzing the relationship between TOYOTA A340E automatic transmission gear and actuator. The accuracy of the technique is verified by the transmission ratio.

Keywords:TOYOTA A340E automatic transmission; gear distribution; actuator; transmission ratio

(责任编辑：谭银元)

AutomaticGearShiftAnalysisTechniquebasedonCharacteristicEquation

QUYa-feng
(Wuhan Technical College of Communication, Wuhan 430065, China)

U463.2

A

1671-8100(2017)03-0039-04

2017-04-08

屈亚锋，男，讲师，硕士研究生，研究方向为汽车运用技术。