基于拓展杠桿法的8速行星齒輪機構(gòu)的設(shè)計

文強

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，廣西柳州545006）

0 引言

行星機構(gòu)式自動變速器（簡稱自動變速器或AT）的主要部件包括了液力變矩器和行星齒輪變速機構(gòu)，而這兩大部件工作狀態(tài)決定著自動變速器的傳遞效率。液力變矩器具有自動離合器、吸收振動、減少換擋沖擊、可在一定范圍內(nèi)無級變速、變矩的優(yōu)點。但在某些工況下，液力變矩器具有傳遞效率低、油耗增加的不足之處。擋位數(shù)的增加，使得發(fā)動機在低燃油消耗率區(qū)域工作的可能性增加，降低油耗[1]。而且，傳動比范圍廣、擋位數(shù)多更有利于改善車輛的燃油消耗率。多擋位化已成為自動變速器發(fā)展的趨勢，自動變速器的多擋位要求更多的行星排機構(gòu)串聯(lián)、并聯(lián)來實現(xiàn)。

杠桿法在研究、分析和設(shè)計自動變速器的動力方案時具有直觀、簡單的特點，由于原有的杠桿法在分析多擋位自動變速器時具有一定的局限性，因此需要對原有的杠桿法進行拓展和改進。國內(nèi)許多學(xué)者和研究人員對杠桿法做了大量的研究。黃宗益等[2]提出了運用杠桿法來分析和合成多行星排機構(gòu)的動力傳遞方案;張國芬等[3]提出利用杠桿法并聯(lián)雙排行星齒輪機構(gòu)的設(shè)計；尤明福等[4-5]在原有的杠桿法的基礎(chǔ)上進行了拓展和改進，并驗證了拓展和改進的杠桿法是合理可行的；侯國強等[6-7]利用拓展和改進后的杠桿法對奔馳7速自動變速器、ZF9速自動變速器的換擋過程進行了分析。

更多行星排齒輪機構(gòu)的串聯(lián)、并聯(lián)的連接方式，可以實現(xiàn)更多擋位動力傳遞，但這給執(zhí)行元件的布置帶來一定的困難。在自動變速器結(jié)構(gòu)中，兩行星排最好的連接關(guān)系是兩行星排的同名元件相連，在這種結(jié)構(gòu)中軸的疊套最少[8]，且便于執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)位置的布置。分析表明：拉維娜兩行星排結(jié)構(gòu)中兩行星排的行星架剛性連接，兩行星排的兩齒圈剛性連接，因此，拉維娜結(jié)構(gòu)滿足不同行星排之間元件的最好連接關(guān)系。在滿足車輛最小傳動比的條件下，增加擋位數(shù)量及增加超速擋數(shù)量，都能有效地提升自動變速器的傳遞效率、降低油耗。本文將利用拓展的杠桿法，在拉維娜結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，研究和設(shè)計出一套8速行星齒輪機構(gòu)的新型動力傳遞方案。動力傳遞方案中包含有多個超速擋，以便提升自動變速器的傳遞效率、降低油耗。同時，利用平面圖形判定法檢驗了8速行星齒輪機構(gòu)新結(jié)構(gòu)中的各行星排元件和執(zhí)行元件位置之間的布置關(guān)系無幾何干涉現(xiàn)象，因此，該8速行星齒輪機構(gòu)的動力傳遞方案及其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是可以合理布置并實現(xiàn)的。

1 等效杠桿法的拓展

1.1 等效杠桿法的拓展

在分析和研究自動變速器的方法中，杠桿法具有直觀、簡單、明了的特點。杠桿法包括等效杠桿輸出點分析圖法和等效傳動杠桿圖法。文獻[8]指出：在等效杠桿輸出點分析圖法中，1個行星排結(jié)構(gòu)的3個元件（即行星架、太陽輪、齒圈）分別對應(yīng)1個支點；若多個行星排并聯(lián)或串聯(lián)時，不同行星排之間剛性連接的元件共用1個支點，且在某些情況下可以適當?shù)卣{(diào)整支點的位置。多行星排數(shù)和多擋位數(shù)成為自動變速器發(fā)展的趨勢，支點數(shù)也在增加，而原有的杠桿法只有5個支點，因此，需要對原有的杠桿法進行拓展和改進。文獻[4]～[7]都對原有的杠桿法進行了拓展和改進，通過對已有的杠桿法進行研究、分析和拓展，得出本文拓展和改進后的等效杠桿輸出點分析圖法，如圖1所示。在圖1中:1）有A、B、C、D四個支點；2）為了便于分析，將自動變速器輸入軸轉(zhuǎn)速單元化，即輸入軸轉(zhuǎn)速為1，且0＜k1＜k2＜1；3）k1表示經(jīng)過傳動比為1/k1的某減速機構(gòu)通過執(zhí)行元件與支點連接，或者與支點剛性連接；4）k2表示經(jīng)過傳動比為1/k2的某減速機構(gòu)通過執(zhí)行元件與支點連接，或者與支點剛性連接；5）C支點與自動變速器的輸出軸剛性連接；C支點的轉(zhuǎn)速大于1，該擋為超速擋；C支點的轉(zhuǎn)速大于0且小于1，該擋為減速擋；C支點的轉(zhuǎn)速小于0，該擋為倒擋；C支點的轉(zhuǎn)速等于1，該擋為直接擋。

圖1 拓展和改進的等效杠桿輸出點分析圖

1.2 8速等效杠桿輸出點分析圖的選擇

通過對圖1的分析表明：拓展和改進后的等效杠桿輸出點分析圖中有30個減速擋、1個直接擋、4個超速擋、4個倒擋。根據(jù)自動變速器換擋過程的單一切換原則[8-9]，以及執(zhí)行元件位置布置的制約，只有部分擋位能在一套動力傳遞方案中使用。分析表明：1）在圖1中，若使用2組獨立的行星排結(jié)構(gòu)形成傳動比分別為1/k1、1/k2的減速機構(gòu)，勢必會造成執(zhí)行元件數(shù)量的增加，同時，將使自動變速器的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、增加自動變速器的質(zhì)量和生產(chǎn)成本。因此，在減速機構(gòu)中可以將兩行星排以并聯(lián)連接的方式聯(lián)立，且有常輸入，這將減少執(zhí)行元件使用的數(shù)量；但是，并聯(lián)式的減速機構(gòu)中，不能同時形成1/k1、1/k2的傳動比。2）支點A分別與自動變速器殼、減速機構(gòu)、輸入軸的3個連接點（通過執(zhí)行元件連接），支點B分別與減速機構(gòu)、輸入軸的兩個連接點（通過執(zhí)行元件連接），支點D與減速機構(gòu)的連接點（通過執(zhí)行元件連接），這6個連接點的執(zhí)行元件布置位置相互制約，因此，使用這6個連接點（即6個執(zhí)行元件）形成的擋位不能同時出現(xiàn)在同一組動力傳遞方案中，但某一動力傳遞方案中可以選用其中的幾個連接點。根據(jù)以上的擋位選用原則，本文選出了3組8速行星齒輪機構(gòu)的等效杠桿輸出點分析圖，如圖2所示。

圖2 3組8速行星齒輪機構(gòu)的等效杠桿輸出點分析圖

通過對圖2的分析表明：圖2（b）、圖2（c）的2種動力傳遞方案都需要8個執(zhí)行元件實現(xiàn)8個前進擋和2個倒擋；而圖2（a）的動力傳遞方案可以使用7個執(zhí)行元件來實現(xiàn)8個前進擋和2個倒擋，且圖2（a）的動力傳遞方案中有3個超速擋，前進擋傳動比范圍更廣。在自動變速器動力傳遞方案中，在最小傳動比滿足車輛動力需要的情況下，增加擋位數(shù)、增加傳動比的范圍及增加超速擋數(shù)都能有效地提升自動變速器的傳遞效率、降低油耗[10]。因此，8速行星齒輪機構(gòu)的等效杠桿輸出點分析圖優(yōu)先選用圖2（a）。

2 拉維娜結(jié)構(gòu)

拉維娜結(jié)構(gòu)包含2個行星排結(jié)構(gòu)，兩行星排的行星架剛性連接、齒圈剛性連接，如圖3所示。因此，拉維娜結(jié)構(gòu)中的兩行星排連接關(guān)系滿足自動變速器中兩行星排最好的連接關(guān)系，在這種結(jié)構(gòu)中軸的疊套最少，執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)位置布置方便，不易出現(xiàn)交叉的現(xiàn)象。因此，在新設(shè)計的8速行星齒輪機構(gòu)中選用拉維娜結(jié)構(gòu)作為其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

3 8速行星齒輪機構(gòu)

圖3 拉維娜結(jié)構(gòu)簡圖

經(jīng)過擇優(yōu)選擇，8速行星齒輪機構(gòu)的等效杠桿輸出點分析圖如圖4所示。8速行星齒輪機構(gòu)選用拉維娜結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，除此之外還有2個行星排并聯(lián)組成的減速機構(gòu)。通過對各擋位的動力傳遞及各行星排的旋轉(zhuǎn)方向分析，減速機構(gòu)選用單行星輪行星排和雙行星排行星排并聯(lián)連接的結(jié)構(gòu)，減速機構(gòu)的傳動簡圖如圖5所示。減速機構(gòu)中使用了常輸入（即行星排元件與自動變速的輸入軸剛性連接），以便減少執(zhí)行元件的數(shù)量，從而降低自動變速器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，降低生產(chǎn)成本及故障概率。

圖4 8速行星齒輪機構(gòu)的等效杠桿輸出點分析圖

將圖3、圖5相結(jié)合，并利用等效杠桿輸出點分析 圖，8 速行星齒輪機構(gòu)的傳動簡圖如圖6 所示。圖6 中，從左往右依次為第一行星排（雙行星輪行星排）、第二行星排（單行星輪行星排）、第三行星排（雙行星輪行星排）、第四行星排（單行星輪行星排），其中第一、二行星排為拉維娜結(jié)構(gòu)。8速行星齒輪機構(gòu)等效傳動杠桿圖如圖7所示。

4 8速行星齒輪機構(gòu)動力傳遞方案的確定

4.1 各擋位傳動比的確定

圖5 減速機構(gòu)的傳動簡圖

圖6 8速行星齒輪機構(gòu)的傳動簡圖

圖7 8速行星齒輪機構(gòu)的等效傳動杠桿圖

通過對圖4的研究和分析，利用傳動比的計算公式來計算出8速行星齒輪機構(gòu)動力傳遞方案中各擋位的傳動比，各擋位的傳動比如表1所示。從表1中可知，8速行星齒輪機構(gòu)動力傳遞方案中有3個超速擋（即D6、D7、D8擋），超速擋位數(shù)量的增加可以有效提高車輛的動力傳動效率和改善車輛的燃油經(jīng)濟性。

4.2 各擋位工作執(zhí)行元件的確定

行星排式自動變速器的升降擋是通過切換執(zhí)行元件的工作狀態(tài)來實現(xiàn)的。對圖4、圖6、圖7進行研究和分析，得出8速行星齒輪機構(gòu)動力傳遞方案各擋位的執(zhí)行元件工作狀態(tài)，如表2所示。從表2中可以看出，8速行星齒輪機構(gòu)動力傳遞方案的換擋過程滿足單一切換原則，即分離一個執(zhí)行元件和接合另一個執(zhí)行元件。在換擋過程中，執(zhí)行元件切換工作狀態(tài)次數(shù)少，這有利于簡化擋位切換的過程，減少換擋過程中產(chǎn)生的換擋沖擊，降低車輛的換擋頓挫感，改善車輛的乘坐舒適性。

表1 各擋位的傳動比

表2 各擋位工作的執(zhí)行元件

5 平面圖形判定法

利用平面圖形法[11]來判定執(zhí)行元件位置和行星排結(jié)構(gòu)布置關(guān)系在實際方案中是否會發(fā)生幾何干涉問題。圖8為新8速行星齒輪機構(gòu)動力傳遞方案的結(jié)構(gòu)平面圖形判定圖。通過對圖8的研究和分析表明，新8速行星齒輪機構(gòu)動力傳遞方案結(jié)構(gòu)中的行星排結(jié)構(gòu)和執(zhí)行元件位置的布置關(guān)系不存在交叉和干涉的現(xiàn)象。因此，新8速行星齒輪機構(gòu)動力傳遞方案與其對應(yīng)結(jié)構(gòu)中的行星排和執(zhí)行元件布置關(guān)系在實際方案中是可以合理布置并實現(xiàn)的。

圖8 新8速行星齒輪機構(gòu)動力傳遞方案的結(jié)構(gòu)平面圖形判定圖

6 結(jié)論

液力變矩器在某些工況下具有傳動效率低、油耗高的不足之處，本文利用拓展的杠桿法設(shè)計了一套8速行星齒輪機構(gòu)的動力傳遞方案，方案中包含有等效杠桿輸出點分析圖、等效杠桿傳動圖、動力傳遞簡圖、各擋傳動比及各擋的工作執(zhí)行元件。8速行星齒輪機構(gòu)的動力傳遞方案中傳動比范圍廣，且具有3個超速擋，這能有效提高車輛的動力傳遞效率和改善車輛的燃油經(jīng)濟性；同時，該方案的換擋過程滿足執(zhí)行元件的單一切換原則，這有利于降低自動變速器換擋過程的沖擊，減少換擋過程的頓挫感，從而提高車輛的乘坐舒適性。利用平面判定圖形法檢驗8速行星齒輪機構(gòu)動力傳遞方案結(jié)構(gòu)中的行星排結(jié)構(gòu)和執(zhí)行元件位置的布置關(guān)系不存在交叉和干涉的現(xiàn)象,該方案在實際中是可以合理布置并實現(xiàn)的。