機(jī)械定軸式自動(dòng)變速器的研究

機(jī)械定軸式自動(dòng)變速器的研究

石功名1，尤明福2，侯國強(qiáng)2

(1.河源技師學(xué)院，廣東河源517000；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222)

摘要：機(jī)械定軸式自動(dòng)變速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、易于制造和生產(chǎn)繼承性好等優(yōu)點(diǎn)。介紹了定軸式自動(dòng)變速器的發(fā)展、分析了當(dāng)今市場(chǎng)兩種典型的定軸式自動(dòng)變速器，并設(shè)計(jì)出了一種新式的定軸式自動(dòng)變速器。

關(guān)鍵詞:定軸式自動(dòng)變速器發(fā)展新設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH122文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：石功名(1982-)，男，河源技師學(xué)院講師。

收稿日期：2015-04-20

Researchonmechanicalfixed-shaftautomatictransmission

SHIGongming，YOUMingfu，HOUGuoqiang

Abstract:The mechanical fixed-shaft automatic transmission has the advantages of simple structure, high transmission efficiency, easy manufacturing and production of inheritance etc.. This paper introduces the development of fixed-shaft automatic transmission, analyzes two kinds of typical fixed-shaft automatic transmission on the market today, and designs a new type of fixed-shaft automatic transmission.

Keywords:fixed-shaft automatic transmission；development；redesign

0引言

目前，車輛自動(dòng)變速器大多采用齒輪傳動(dòng)有級(jí)變速器。齒輪變速器主要分為行星齒輪式和定軸式兩種基本類型。定軸式自動(dòng)變速器又稱平行軸式自動(dòng)變速器。1979年由日本本田公司率先研制生產(chǎn)出了3速平行軸式自動(dòng)變速器[1]。之后瑞典斯堪尼亞公司的CAG系統(tǒng)、美國伊頓公司的SAMT系統(tǒng)其齒輪傳動(dòng)部分均采用了定軸式布置[2]。

定軸式自動(dòng)變速器的換擋操縱機(jī)構(gòu)與普通手動(dòng)機(jī)械式變速器的機(jī)械換擋部分基本相同，而在電子控制方面引入了微機(jī)控制電液伺服操縱機(jī)構(gòu)，能夠?qū)z測(cè)到的汽車行駛工況(節(jié)氣門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速等)信號(hào)，輸入控制器，經(jīng)控制器分析處理，按控制器內(nèi)的換擋規(guī)律向電子閥發(fā)出換擋指令，進(jìn)行液壓油路的轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)檔位的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

1大眾0AM自動(dòng)變速器

1.1大眾0AM自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

大眾0AM直接換擋自動(dòng)變速器是典型的電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)，又稱為雙離合器機(jī)械自動(dòng)變速器(DCT)[3]。其換擋時(shí)傳動(dòng)動(dòng)力不間斷，從而為乘員提供相當(dāng)好的乘坐舒適性。大眾0AM直接換擋自動(dòng)變速器采用干式雙離合器設(shè)計(jì)，擁有兩個(gè)輸入軸和三個(gè)輸出軸。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1　大眾0AM直接換擋自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由圖1可知大眾0AM自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

0AM自動(dòng)變速器具有兩個(gè)干式離合器K1、K2，可以分別與雙質(zhì)量飛輪接合，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩傳遞至變速器輸入軸1和輸入軸2。輸入軸1貫穿于空心的輸入軸2中。兩根輸入軸通過球軸承支承在變速器殼體上。其中輸入軸1上制有1檔、3檔、5檔和7檔齒輪；輸入軸2上制有2檔、4檔、6檔和R檔齒輪；輸出軸1上空套有1檔、2檔、3檔和4檔輸出齒輪；輸出軸2空套有5檔、6檔、7檔和R1齒輪，制有R檔惰輪；輸出軸3上制有R檔輸出齒輪R2。

1.2大眾0AM自動(dòng)變速器換擋過程分析

由表1可知大眾0AM自動(dòng)變速器各檔位換擋過程如下。1檔：K1離合器接合，動(dòng)力傳動(dòng)至輸入軸1，固連于輸入軸1的1檔齒輪帶動(dòng)空套在輸出軸1上的1檔輸出齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合套J1-3左移，將動(dòng)力傳至輸出軸1；2檔：K2離合器接合，動(dòng)力傳動(dòng)至輸入軸2，固連于輸入軸2的2檔齒輪帶動(dòng)空套在輸出軸1上的2檔輸出齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合套J2-4右移，將動(dòng)力傳至輸出軸1；3檔：K1離合器接合，動(dòng)力傳動(dòng)至輸入軸1，固連于輸入軸1的3檔齒輪帶動(dòng)空套在輸出軸1上的3檔輸出齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合套J1-3右移，將動(dòng)力傳至輸出軸1；4檔；K2離合器接合，動(dòng)力傳動(dòng)至輸入軸2，固連于輸入軸2的4檔齒輪帶動(dòng)空套在輸出軸1上的4檔輸出齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合套J2-4左移，將動(dòng)力傳至輸出軸1；5檔：K1離合器接合，動(dòng)力傳動(dòng)至輸入軸1，固連于輸入軸1的5檔齒輪帶動(dòng)空套在輸出軸2上的5檔輸出齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合套J5-7左移，將動(dòng)力傳至輸出軸2；6檔：K2離合器接合，動(dòng)力傳動(dòng)至輸入軸2，固連于輸入軸2的6檔齒輪帶動(dòng)空套在輸出軸2上的6檔輸出齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合套J6-R左移，將動(dòng)力傳至輸出軸2；7檔：K1離合器接合，動(dòng)力傳動(dòng)至輸入軸1，固連于輸入軸2的7檔齒輪帶動(dòng)空套在輸出軸2上的7檔輸出齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合套J5-7右移，將動(dòng)力傳至輸出軸2；R檔：K2離合器接合，動(dòng)力傳動(dòng)至輸入軸2，固連于輸入軸2的R檔齒輪帶動(dòng)空套在輸出軸2上的R1齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合套J6-R右移，將動(dòng)力傳至固連于輸出軸2的R檔惰輪，進(jìn)而帶動(dòng)固連于輸出軸3的R檔輸出齒輪R2轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力由輸出軸3輸出。

表1大眾0AM自動(dòng)變速器各檔結(jié)合元件工作表

結(jié)合元件離合器結(jié)合套K1K2J1-3J2-4J5-7J6-R檔位1○○(左)2○○(右)3○○(右)4○○(左)5○○(左)6○○(左)7○○(右)R○○(右)

大眾0AM自動(dòng)變速器在奇數(shù)檔和偶數(shù)檔之間換擋時(shí)，可以通過預(yù)先結(jié)合結(jié)合套(同步器)，再轉(zhuǎn)換離合器K1、K2，從而保證動(dòng)力不間斷，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)換擋。但其在奇數(shù)檔之間或偶數(shù)檔之間轉(zhuǎn)換時(shí)仍然是同步器切斷動(dòng)力換擋，將對(duì)換擋響應(yīng)和換擋操作產(chǎn)生一定的不利影響[4]。

2本田Smatic定軸式自動(dòng)變速器

2.1本田Smatic定軸式自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

圖2　本田Smatic定軸式自動(dòng)變速器傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

在當(dāng)今絕大多數(shù)液力機(jī)械式自動(dòng)變速器(HMT)采用行星齒輪變速器的趨勢(shì)下，本田Smatic自動(dòng)變速器仍然采用定軸式結(jié)構(gòu)。它由三根軸(輸入軸，中間軸和輸出軸)，4個(gè)換擋離合器和一個(gè)結(jié)合套組成，可實(shí)現(xiàn)4個(gè)前進(jìn)檔，1個(gè)后退檔[5]。其中4個(gè)前進(jìn)檔采用摩擦結(jié)合元件換擋，可實(shí)現(xiàn)不切斷動(dòng)力，從而不停車換檔。前進(jìn)檔與倒檔之間的轉(zhuǎn)換是通過結(jié)合套實(shí)現(xiàn)的。由于采用前輪驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)變速器和驅(qū)動(dòng)橋合為一體，因此動(dòng)力傳遞路線短，結(jié)構(gòu)更緊湊。

2.2本田Smatic定軸式自動(dòng)變速器換擋過程分析

由表2可知，本田Smatic定軸式自動(dòng)變速器各檔位換擋過程如下：1檔：動(dòng)力由輸入軸齒輪傳遞至空套在輸出軸上的齒輪，再傳遞到中間軸，此時(shí)C1離合器接合，空套在中間軸上的齒輪與中間軸連為一體，帶動(dòng)與之嚙合的輸出軸齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)主減速器主動(dòng)齒輪傳出； 2檔：與1檔時(shí)類似，C2離合器接合，空套在中間軸上的齒輪與中間軸連為一體，帶動(dòng)與之嚙合的輸出軸齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)主減速器主動(dòng)齒輪傳出；3檔：C3離合器結(jié)合，空套在輸入軸上的齒輪與輸入軸連為一體，動(dòng)力由輸入軸直接傳遞至輸出軸經(jīng)主減速器減速傳出；4檔：C4離合器結(jié)合，空套在輸入軸上的齒輪與輸入軸連為一體，結(jié)合套左移，動(dòng)力由輸入軸直接傳遞至輸出軸經(jīng)主減速器減速傳出；R檔：C4離合器結(jié)合，空套在輸入軸上的齒輪與輸入軸連為一體，結(jié)合套右移，動(dòng)力經(jīng)倒檔惰輪傳遞至輸出軸，再經(jīng)主減速器減速輸出。

表2本田Smatic定軸式自動(dòng)變速器各檔結(jié)合

元件工作表

本田Smatic定軸式自動(dòng)變速器各前進(jìn)檔換擋時(shí)只需變換一個(gè)結(jié)合元件，從而可有效減小換擋沖擊，提升換擋品質(zhì)和換擋舒適性。

3一種新設(shè)計(jì)的定軸式自動(dòng)變速器

3.1新設(shè)計(jì)的定軸式自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

針對(duì)大眾直接換擋自動(dòng)變速器換擋時(shí)可能出現(xiàn)的動(dòng)力中斷現(xiàn)象和本田定軸式自動(dòng)變速器檔位數(shù)較少，已不能夠滿足當(dāng)今汽車市場(chǎng)自動(dòng)變速器多檔化的要求的情況。筆者新設(shè)計(jì)了一種液力定軸式自動(dòng)變速器，它具有5個(gè)減速檔，1個(gè)直接檔，1個(gè)超速檔和1個(gè)倒檔。

圖3所示為新設(shè)計(jì)的定軸式自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。它具有一個(gè)輸入軸，兩個(gè)輸出軸，和一個(gè)中間軸。其中輸入軸與液力變矩器渦輪固連，輸入軸上有離合器C3、C4；中間軸與行星排太陽輪制為一體；齒輪1、2、3與行星排行星架制為一體，空套在中間軸上；齒輪4、5、6空套在輸出軸1上；齒輪7、8空套在輸出軸2上。離合器C3連接行星排齒圈和輸入軸，離合器C4連接行星排太陽輪和輸入軸，制動(dòng)器B制動(dòng)行星排太陽輪。

圖3　新設(shè)計(jì)的定軸式自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2新設(shè)計(jì)的定軸式自動(dòng)變速器換擋過程分析

由表3可知新設(shè)計(jì)的定軸式自動(dòng)變速器各檔位換擋過程如下。1檔：離合器C3、制動(dòng)器B和結(jié)合套C1工作。行星排齒圈和輸入軸連為一體，太陽輪被制動(dòng)，行星架減速輸出至中間軸齒輪2，帶動(dòng)與之嚙合的齒輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)結(jié)合套C1右移，動(dòng)力經(jīng)輸出軸1上的常嚙合齒輪輸出；2檔：離合器C3、制動(dòng)器B和結(jié)合套C2工作。與1檔時(shí)相同，行星架減速輸出至中間軸齒輪2，帶動(dòng)與之嚙合的齒輪7轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)結(jié)合套C2右移，動(dòng)力經(jīng)輸出軸2上的常嚙合齒輪輸出；3檔：離合器C3、制動(dòng)器B和結(jié)合套C1工作。與1檔時(shí)相同，行星架減速輸出至中間軸齒輪3，帶動(dòng)與之嚙合的齒輪6轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)結(jié)合套C1左移，動(dòng)力經(jīng)輸出軸1上的常嚙合齒輪輸出；4檔：離合器C3、C4和結(jié)合套C1工作。此時(shí)前行星排整體輸出至中間齒輪2，帶動(dòng)與之嚙合的齒輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)結(jié)合套C1右移，動(dòng)力經(jīng)輸出軸1上的常嚙合齒輪輸出；5檔：離合器C3、C4和結(jié)合套C2工作，此時(shí)前行星排整體輸出至中間齒輪2，帶動(dòng)與之嚙合的齒輪7轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)結(jié)合套C2右移，動(dòng)力經(jīng)輸出軸2上的常嚙合齒輪輸出；6檔：離合器C3、C4和結(jié)合套C1工作。此時(shí)前行星排整體輸出至中間軸齒輪3，帶動(dòng)與之嚙合的齒輪6轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合套C1左移，動(dòng)力經(jīng)輸出軸1上的常嚙合齒輪輸出；7檔：離合器C3、C4和結(jié)合套C2工作，此時(shí)前行星排整體輸出至中間齒輪3，此時(shí)結(jié)合套C2左移，動(dòng)力經(jīng)輸出軸2上的常嚙合齒輪輸出；R檔，離合器C3、CR和制動(dòng)器B工作，行星排齒圈和輸入軸連為一體，太陽輪被制動(dòng)，行星架減速輸出至中間軸齒輪1，經(jīng)倒檔惰輪帶動(dòng)空套在輸出軸1上的齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)離合器CR將齒輪4與輸出軸1連為一體，動(dòng)力減速輸出。其中1、2、R檔為二級(jí)減速，3、4、5為一級(jí)減速，6檔為直接檔，7檔為一級(jí)超速。

表3新設(shè)計(jì)的定軸式自動(dòng)變速器各檔結(jié)合

元件工作表

由表3可知新設(shè)計(jì)的定軸式自動(dòng)變速器各前進(jìn)檔相鄰檔位之間換擋時(shí)只需改變一個(gè)結(jié)合元件，從而減少了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，降低了換擋沖擊，改善了換擋品質(zhì)。同時(shí)由于離合器C3參與了所有檔位工作，工作強(qiáng)度大，因此為防止離合器C3過度磨損失效，離合器C3摩擦片片數(shù)應(yīng)多于離合器C4和CR，且應(yīng)采用摩擦系數(shù)μ值更大，傳熱性好，熱容量大和耐熱極限高的摩擦材料。并且在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮離合器C3的冷卻問題。

新設(shè)計(jì)的定軸式自動(dòng)變速器輸入軸與液力變矩器渦輪相連，仍屬于液力機(jī)械式自動(dòng)變速器(HMT)范疇。與本田定軸式自動(dòng)變速器相比加入了一個(gè)行星排，檔位數(shù)增加為7個(gè)，使得速比間隔更均勻，更好的提高了駕乘人員的乘坐舒適性。

4結(jié)論

定軸式自動(dòng)變速器傳動(dòng)效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；生產(chǎn)繼承性好，維修方便。但其也存在著一些弊端，如換擋過程動(dòng)力可能中斷，舒適性有待提高等。因此應(yīng)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出采用液力變矩器和平行軸式齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的液力平行軸式自動(dòng)變速器。液力平行軸式自動(dòng)變速器是在AT和AMT的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型自動(dòng)變速箱，它具有AT和AMT的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了AT制造成本高和AMT控制復(fù)雜的缺點(diǎn)，是我國越野用自動(dòng)變速器和商用車輛自動(dòng)變速器的一個(gè)發(fā)展方向[6]。筆者據(jù)此新設(shè)計(jì)的定軸式自動(dòng)變速器，只是在機(jī)械傳動(dòng)方面對(duì)其進(jìn)行了創(chuàng)新，并未涉及液壓控制系統(tǒng)和電子控制部分設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)各檔位傳動(dòng)比僅做了定性研究，未按照機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)結(jié)合各檔位情況對(duì)各工作齒輪齒數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算，據(jù)此得出各檔位傳動(dòng)比數(shù)值，并利用軟件仿真驗(yàn)證，這在今后的研究中有待于近一步完善和提高。

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