基于分析推理法下的通用GF6自動(dòng)變速器檔位分析

屈亞鋒

(武漢交通職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢：430065)

0 引言

通用GF6是典型的多排組合式6檔“手自一體”自動(dòng)變速器，最早應(yīng)用于2008款別克君越轎車[1]。近年來，該款自動(dòng)變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在別克英朗、威朗、GL6、GL8、閱朗、昂科拉以及雪佛蘭沃蘭多、科沃茲、探界者、科魯茲、邁銳寶、科帕奇等上海通用生產(chǎn)的部分車型上仍然廣泛采用[2]，是目前上海通用汽車主流變速器之一。雖然液壓和電子控制系統(tǒng)更加精確和先進(jìn)，而且不同車型變速器的尺寸可能有所不同，但內(nèi)部的變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是相同的。文獻(xiàn)[1]和[3]對(duì)通用GF6變速器的應(yīng)用及各檔位動(dòng)力傳遞路線作出詳細(xì)的介紹，并直接給出了各檔位的換擋執(zhí)行元件。和其他參考資料(如汽車底盤電控系列教材等)類似，文獻(xiàn)[1]和[3]都沒有對(duì)GF6變速器各檔位進(jìn)行詳細(xì)分析。

自動(dòng)變速器檔位分析能讓學(xué)者理解研發(fā)者的設(shè)計(jì)意圖，對(duì)于理解液壓和電子控制系統(tǒng)的控制策略、分析自動(dòng)變速器故障原因、拆裝檢修自動(dòng)變速器等有較大的幫助。目前，自動(dòng)變速器檔位分析最常見的方法是分析推理法。分析推理法是指根據(jù)變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和換檔執(zhí)行元件的作用，利用單排單、雙行星齒輪機(jī)構(gòu)特性方程式來分析自動(dòng)變速器檔位并計(jì)算傳動(dòng)比的一種方法。對(duì)于通過單排或雙排實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速器檔位的自動(dòng)變速器而言，可以快速采用單排單、雙行星齒輪機(jī)構(gòu)特性方程式計(jì)算出傳動(dòng)比的大小，非常直觀地反映出自動(dòng)變速器檔位分析是否正確。但分析推理法存在一定的缺陷，對(duì)于通過三排及三排以上行星齒輪機(jī)構(gòu)組合才能實(shí)現(xiàn)檔位的情況，計(jì)算傳動(dòng)比的過程比較復(fù)雜，很難快速分析出換檔執(zhí)行元件。本文對(duì)通用GF6自動(dòng)變速器檔位分析時(shí)，提出假設(shè)分析法來解決前述缺陷，為研究類似自動(dòng)變速器的學(xué)者提供一定的理論參考。

1 通用GF6自動(dòng)變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

1.1 變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

通用GF6自動(dòng)變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]，由三排單行星齒輪機(jī)構(gòu)組成，從輸入軸端看，分別假定為第1、2、3排，則該款自動(dòng)變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有如下特點(diǎn)：一是1排和2排齒圈、行星架組成組件，1排和3排行星架、齒圈組成組件，及2排和3排齒圈、行星架組成組件，形成3個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的部件；二是1、2、3排的太陽輪各自獨(dú)立，也是3個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)部件；三是第2排太陽輪與輸入軸通過花鍵連接，任何檔位都有動(dòng)力輸入；四是1排和3排行星架、齒圈組件作為動(dòng)力輸出。

圖1 通用GF6自動(dòng)變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

1.2 各行星排特性方程式

如圖1所示，分別假定第1、2、3排的參數(shù)為α1、α2和α3。則每排的特性方程式分別為[4]：

n11+α1n12-(1+α1)n13=0

(1)

n21+α2n22-(1+α2)n23=0

(2)

n31+α3n32-(1+α3)n33=0

(3)

上述各式中，n11、n21和n31分別為第1、2、3排太陽輪的轉(zhuǎn)速；n12、n22和n32分別為第1、2、3排齒圈的轉(zhuǎn)速；n13、n23和n33分別為第1、2、3排行星架的轉(zhuǎn)速。

1.3 各換擋執(zhí)行元件的作用

通過圖1，該款自動(dòng)變速器共有6個(gè)換檔執(zhí)行元件，各自的作用如下：

C1-2-3-4：制動(dòng)第1排太陽輪

C2-6：制動(dòng)第3排太陽輪

C3-5-R：連接第3排太陽輪與輸入軸

C4-5-6：連接2和3排齒圈、行星架組件與輸入軸

CL-R：制動(dòng)2和3排齒圈、行星架組件

OWC：單向制動(dòng)2和3排齒圈、行星架組件(允許2、3排齒圈、行星架組件順轉(zhuǎn)，不允許其逆轉(zhuǎn))

2 通用GF6自動(dòng)變速器各檔位分析

2.1 “D”檔位分布分析

通用GF6自動(dòng)變速器中數(shù)字“6”表示前進(jìn)檔數(shù)量為6個(gè)，即：D1、D2、D3、D4、D5和D6。

通過圖1可以看出，第3排能夠?qū)崿F(xiàn)下面兩個(gè)方案：

方案1：行星架輸入(C4-5-6起作用)，太陽輪固定(C2-6起作用)，齒圈輸出，實(shí)現(xiàn)超速檔。

方案2：行星架和太陽輪共同輸入(C3-5-R和C4-5-6起作用)，齒圈輸出，實(shí)現(xiàn)直接檔。

由于第3排齒圈是該款自動(dòng)變速器的動(dòng)力輸出，且C3-5-R、C4-5-6和第2排太陽輪不存在輸入動(dòng)力的轉(zhuǎn)速差，故該款變速箱只有一個(gè)超速檔，即D6檔。前述方案2實(shí)現(xiàn)的直接檔必然是D5檔。

根據(jù)D1、D2、D3、D4、D5和D6各檔位傳動(dòng)比由大到小依次的特點(diǎn)，即可判斷出該款自動(dòng)變速器檔位分布情況為：4個(gè)低速擋(D1、D2、D3和D4)，1個(gè)直接檔(D5)，1個(gè)超速檔(D6)。

2.2 “D”檔各檔位分析方法

2.2.1 D1檔位分析

考慮D1檔位的傳動(dòng)比是該款自動(dòng)變速器最大的，從此條件出發(fā)選擇換檔執(zhí)行元件。通過圖1可以發(fā)現(xiàn)，1排和3排行星架、齒圈組件是動(dòng)力輸出部件，第1排太陽輪能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)(C1-2-3-4起作用)。

若選擇第3排齒圈作為動(dòng)力輸出，無論是第3排太陽輪輸入(C3-5-R起作用)，或者是第3排行星架輸入(C4-5-6起作用)，只能得到倒檔或超速檔，因此D1檔位必然是第1排行星架是動(dòng)力輸出。由于第1排太陽輪能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)(C1-2-3-4起作用)，因此第1排齒圈肯定是動(dòng)力輸入。根據(jù)式(1)，可快速計(jì)算出(1+α1)/α1大小的減速比。

但是，第1排齒圈并未直接與輸入軸連接，而是和第2排行星架組成組件，故第2排行星架轉(zhuǎn)速的高低決定了第1排齒圈轉(zhuǎn)速的高低。若第2排行星架轉(zhuǎn)速最低，即可得到變速器的D1檔。根據(jù)式(2)，若選擇第2排太陽輪輸入(與輸入軸直接花鍵連接)，齒圈固定(CL-R或OWC起作用)，則可實(shí)現(xiàn)第2排行星架最低轉(zhuǎn)速，減速比為(1+α2)。

故實(shí)現(xiàn)D1檔位的條件是C1-2-3-4、CL-R或OWC。由于D1檔位不是D位的最高檔，設(shè)計(jì)時(shí)如果有制動(dòng)或單向制動(dòng)兩種約束條件時(shí)，必須選擇單向約束條件，使D1檔位無發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)作用，故選用OWC，主要作用是阻止2和3排齒圈、行星架組件逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)[5-6]。因此，D1檔位的最優(yōu)換檔執(zhí)行元件是：C1-2-3-4和OWC。由于第2排動(dòng)力輸出(2排行星架)正好是第1排動(dòng)力輸入(1排齒圈)，1和2排屬于串聯(lián)組合，因此D1檔位傳動(dòng)比大小為：(1+α1)/α1×(1+α2)。

2.2.2 D2和D3檔位分析

通過圖1發(fā)現(xiàn)，考慮2和3排齒圈、行星架為組件，若第2排齒圈未固定，根據(jù)式(2)，第2排行星架的轉(zhuǎn)速將取決于第2排齒圈的轉(zhuǎn)速，規(guī)律是：第2排齒圈的轉(zhuǎn)速越高，第2排行星架的轉(zhuǎn)速也越高。而第2排齒圈的轉(zhuǎn)速又與第3排行星架的轉(zhuǎn)速有關(guān)，故該款自動(dòng)變速器 D2和D3檔位在計(jì)算傳動(dòng)比時(shí)可能是1、2和3排同時(shí)起作用，需要通過式(1)、(2)、(3)聯(lián)立求解傳動(dòng)比，會(huì)異常復(fù)雜，不易計(jì)算。我們?cè)诜治瞿骋豢钭詣?dòng)變速器時(shí)，只需準(zhǔn)確分析出換檔執(zhí)行元件即可，有時(shí)不必計(jì)算出具體的傳動(dòng)比，因此此時(shí)可用假設(shè)分析法來快速判斷出輸出軸轉(zhuǎn)速高低，就可以判斷出換檔執(zhí)行元件分析是否正確。

假設(shè)第1、2和3排的參數(shù)為α1=α2=α3=2(自動(dòng)檔汽車行星齒輪排參數(shù)一般為1.5至3之間，取中間值)，代入式(1)、(2)、(3)得到：

n11+2n12-3n13=0

(4)

n21+2n22-3n23=0

(5)

n31+2n32-3n33=0

(6)

式(4)、(5)、(6)中：n12=n23，n13=n32，n22=n33。

通過圖1，第3排的約束條件有：C2-6或C3-5-R。若選擇C2-6，即制動(dòng)第3排太陽輪，n31=0；再假設(shè)輸入軸的轉(zhuǎn)速為2000r/min(自動(dòng)檔汽車行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大部分在1500r/min至2500r/min，取中間值)，即n21=2000r/min；C1-2-3-4制動(dòng)第1排太陽輪，即n11=0。將以上條件代入式(4)、(5)、(6)，即可快速求出輸出軸轉(zhuǎn)速n13或n32≈632r/min。若選擇C3-5-R，即n31=2000r/min，將此條件和n11=0代入式(4)、(5)、(6)，可求出輸出軸轉(zhuǎn)速n13或n32≈1053r/min，顯然速度增加了。

若將n21=1000r/min，n11=0代入式(4)、(5)，則D1檔位時(shí)輸出軸轉(zhuǎn)速n13=α1/(1+α1)(1+α2)×1000r/min=2/9×2000r/min≈444r/min。由此可判斷前述假設(shè)法是完全正確的。因此，D2檔位的換擋執(zhí)行元件為C1-2-3-4和C2-6；D3檔位的換擋執(zhí)行元件為C1-2-3-4和C3-5-R。

2.2.3 D4檔位分析

根據(jù)式(2)，若第2排齒圈轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，則第2排行星架轉(zhuǎn)速也升高，變速器輸出軸轉(zhuǎn)速也升高，檔位也就上升。通過圖1可以看出，當(dāng)C4-5-6起作用，第2排齒圈與輸入軸轉(zhuǎn)速相同，即此時(shí)第2排為直接傳動(dòng)，意味著第1排齒圈與輸入軸轉(zhuǎn)速相同。若C1-2-3-4制動(dòng)第1排太陽輪，可獲得(1+α1)/α1大小的減速比。若將n21=n12=2000r/min，n11=0代入式(4)，則輸出軸的轉(zhuǎn)速為n13=α1/(1+α1)×2000r/min≈1333r/min，比D3檔輸出速度又增加了，也意味著檔位繼續(xù)上升。因此D4檔位的換擋執(zhí)行元件為C1-2-3-4和C4-5-6。

2.2.4 D5檔位分析

根據(jù)“D”檔位分布研究，D5檔是直接檔，雖然2(C4-5-6起作用)或3(C3-5-R和C4-5-6起作用)排均可實(shí)現(xiàn)單排直接傳動(dòng)，但第2排實(shí)現(xiàn)直接傳動(dòng)后，還需要由第1排減速后才可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出，即上述D4檔位分析。而1排和3排行星架、齒圈組件直接與輸出軸連接，C3-5-R和C4-5-6起作用時(shí)，實(shí)現(xiàn)變速器的直接動(dòng)力傳輸，即傳動(dòng)比為1。若將n31=n33=2000r/min代入式(6)，則輸出軸的轉(zhuǎn)速n32=2000r/min。因此D5檔位的換檔執(zhí)行元件為C3-5-R和C4-5-6。

2.2.5 D6檔位分析

根據(jù)“D”檔位分布研究，D6檔是超速檔。而單行星齒輪機(jī)構(gòu)獲得超速檔的條件是行星架作為動(dòng)力輸入，齒圈輸出，固定太陽輪，此條件只能在第3排實(shí)現(xiàn)，即C4-5-6和C2-6起作用，傳動(dòng)比大小為α3/(1+α3)。若將n33=2000r/min，n31=0代入式(6)，則輸出軸的轉(zhuǎn)速n32=(1+α3)/α3×2000r/min =3000r/min，顯然比輸入軸轉(zhuǎn)的快，為超速檔。因此，D6檔位的換擋執(zhí)行元件為C4-5-6和C2-6。

2.3 手動(dòng)或制動(dòng)檔位分析

根據(jù)圖1，該款自動(dòng)變速器僅有OWC一個(gè)單向離合器，用來單向制動(dòng)2排和3排齒圈、行星架組件，而CL-R直接制動(dòng)2排和3排齒圈、行星架組件，因而在手動(dòng)或制動(dòng)“1”檔起作用，與D1檔的區(qū)別是可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)作用，而傳動(dòng)比與D1檔完全相同。由于再無其他單向離合器，因此手動(dòng)或制動(dòng)的其他檔位與D2、D3、D4、D5和D6各檔位換檔執(zhí)行元件完全相同，傳動(dòng)比大小也完全相同。

2.4 R檔位分析

單行星齒輪機(jī)構(gòu)獲得倒檔的條件是太陽輪作為動(dòng)力輸入，齒圈輸出，固定行星架，此條件只能在第3排實(shí)現(xiàn)，即C3-5-R和CL-R，傳動(dòng)比大小為|-α3|，“-”表示輸入軸和輸出軸反向。因此，R檔的換檔執(zhí)行元件為C3-5-R和CL-R。

2.5 各檔位與執(zhí)行元件關(guān)系總結(jié)

通過前文對(duì)通用GF6自動(dòng)變速器D檔位、手動(dòng)或制動(dòng)檔位和R檔位的換擋執(zhí)行元件分析，該款自動(dòng)變速器各檔位與執(zhí)行元件的關(guān)系如表1所示。表1中傳動(dòng)比大小數(shù)值來自文獻(xiàn)[1]中變速箱的技術(shù)參數(shù)，表1中通過不同的符號(hào)來表示各執(zhí)行元件的工作狀態(tài)，各種符號(hào)的含義如下所示：●表示液壓元件起作用；H表示單向離合器起作用；Δ表示空檔時(shí)起作用的液壓元件。

表1 通用6T40/45E自動(dòng)變速器各檔位與執(zhí)行元件關(guān)系

3 結(jié)語

通用GF6自動(dòng)變速器行星齒輪變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)過近十年的應(yīng)用、發(fā)展和改進(jìn)，是目前通用自動(dòng)檔車型市場(chǎng)占有率最高的變速器，同時(shí)也是維護(hù)保養(yǎng)、故障檢修率較高的變速器。

本文在不知道通用GF6自動(dòng)變速器各檔位換擋執(zhí)行元件的前提下，以行星齒輪變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和各換檔執(zhí)行元件的安裝位置為基礎(chǔ)，通過分析推理法來分析各檔位，并針對(duì)分析推理法難以分析三排行星齒輪機(jī)構(gòu)組合實(shí)現(xiàn)檔位的情況，提出假設(shè)分析法，在不必計(jì)算出傳動(dòng)比大小的情況下，通過輸出軸轉(zhuǎn)速高低的變化，準(zhǔn)確判斷出自動(dòng)變速器某檔位的換檔執(zhí)行元件選擇是否準(zhǔn)確，推理結(jié)果和文獻(xiàn)[3]提供的各檔位換檔執(zhí)行元件相同，為進(jìn)一步理解通用GF6自動(dòng)變速器液壓和電子控制系統(tǒng)的控制策略、拆解變速器前分析自動(dòng)變速器故障原因及拆解檢修自動(dòng)變速器打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)研究6檔及以上自動(dòng)變速器的學(xué)者提供新的分析方法和思路。