豐田U341E型自動(dòng)變速器傳動(dòng)比的計(jì)算

夏良耀

（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311112）

1 齒輪變速機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和功能

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

U341E型自動(dòng)變速器安裝在豐田卡羅拉轎車上，它的齒輪變速機(jī)構(gòu)采用了CR-CR式行星齒輪機(jī)構(gòu)，這是一種將前和后行星齒輪架連接到齒圈的行星齒輪裝置，根據(jù)這二套行星齒輪組件在變速器中的位置，分別稱作“前行星架/后齒圈組件”和“后行星架/前齒圈組件”。這二套行星齒輪組件分別同各自的太陽輪連接起來，加上控制其轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)器和離合器，以及傳遞扭矩的軸，組合起來就構(gòu)成四速行星齒輪機(jī)構(gòu)，可產(chǎn)生四個(gè)前進(jìn)擋速比和一個(gè)倒檔速比。U341E型自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2是自動(dòng)變速器行星齒輪傳動(dòng)布置示意圖。

圖1 U341E型自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 主要部件的功能

U341E型自動(dòng)變速器變速齒輪控制部件主要有三個(gè)離合器（C1、C2、C3）、三個(gè)制動(dòng)器（B1、B2、B3）、二個(gè)單向離合器（F1、F2）和二套行星齒輪組件組成，通過各部件的動(dòng)力傳遞，最終把動(dòng)力輸出到中間軸主、從動(dòng)齒輪及差速器，實(shí)現(xiàn)車輛的正常行駛。各部件的主要功能和換擋執(zhí)行元件的工作情況見表1所示。

圖2 自動(dòng)變速器行星齒輪傳動(dòng)示意圖

表1 主要部件的功能和換擋執(zhí)行元件的工作情況

2 變速器各擋動(dòng)力傳遞情況及傳動(dòng)比計(jì)算

豐田 U341E型自動(dòng)變速器齒輪變速機(jī)構(gòu)是由二個(gè)單排行星齒輪組件所組成，各擋傳動(dòng)比的計(jì)算應(yīng)根據(jù)各個(gè)行星排被控制的具體情況（是否制動(dòng)或閉鎖）來定。各個(gè)行星排構(gòu)件轉(zhuǎn)速方程式[1]為：

式中：

na1、na2——前、后排太陽輪的轉(zhuǎn)速；

p1、p2——前、后行星排的特性參數(shù)（，Zb——齒圈齒數(shù)，Za——太陽輪齒數(shù)）；

nb1、nb2——前、后齒圈的轉(zhuǎn)速；

nx1、nx2——前、后行星架的轉(zhuǎn)速。

2.1 1擋

2.1.1 變速器動(dòng)力傳遞情況

當(dāng)變速器換擋手柄處于“1”擋（D→1、3→1和2→1）時(shí)，由圖1和圖2及表1可知，此時(shí)換擋執(zhí)行元件C1和F2參與工作。前進(jìn)擋離合器C1接合，輸入軸的動(dòng)力通過C1傳給前太陽輪，再由前太陽輪傳給前行星輪和前排齒圈，此時(shí)，單向離合器F2阻止后行星架/前齒圈組件逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（后行星架/前齒圈被固定），使得前行星架/后齒圈組件順著輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并把動(dòng)力傳給中間軸齒輪副。此時(shí)后排行星齒輪組處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，動(dòng)力傳遞路線：輸入軸→C1→前排太陽輪→前排行星輪→前排行星架→中間軸主、從動(dòng)齒輪→輸出軸[2]。

2.1.2 傳動(dòng)比計(jì)算

由于后行星排作空轉(zhuǎn)不傳遞動(dòng)力，因此傳動(dòng)比的計(jì)算應(yīng)根據(jù)前行星排的工作情況來確定。前行星排的運(yùn)動(dòng)特性方程式[1]為：

由于前齒圈被單向固定（nb1=0），所以變速器處于“1”擋時(shí)的傳動(dòng)比為：

2.2 2擋

2.2.1 變速器動(dòng)力傳遞情況

當(dāng)變速器換擋手柄處于“2”擋（D→2、3→2）時(shí)，由圖1和圖2及表1可知，此時(shí)換擋執(zhí)行元件C1、B2和F1參與工作。前進(jìn)擋離合器C1接合，輸入軸的動(dòng)力通過C1傳給前太陽輪，再由前太陽輪傳給前行星輪和行星架，此時(shí)，單向離合器F1和制動(dòng)器B2聯(lián)合作用，阻止后太陽輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)力傳遞路線：輸入軸→C1→前排太陽輪→前排行星輪→前齒圈→后行星架→后排行星輪→后齒圈→前行星架→中間軸主、從動(dòng)齒輪→輸出軸[2]。

2.2.2 傳動(dòng)比計(jì)算

變速器在“2”擋時(shí)動(dòng)力發(fā)生在前、后行星排，各個(gè)行星排構(gòu)件轉(zhuǎn)速方程式[1]為：

由于B2和F1的聯(lián)合作用，使得后太陽輪不能逆輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)而被固定，因此na2=0。另外，后行星架/前齒圈和前行星架/后齒圈分別各自固裝在一起，因此得：nb1=nx2；nb2=nx1。由以上方程式解得變速器處于“2”擋時(shí)的傳動(dòng)比為：

2.3 3擋

2.3.1 變速器動(dòng)力傳遞情況

當(dāng)變速器換擋手柄處于“3”擋（D→3、3→3）時(shí)，由圖1和圖2及表1可知，此時(shí)換擋執(zhí)行元件C1、C2和B2參與工作。前進(jìn)擋離合器C1和直接離合器C2接合，輸入軸的動(dòng)力傳遞分為二路：一路通過 C1傳給前太陽輪，再由前太陽輪傳給前行星輪及前行星架輸出；另一路通過 C2傳給后行星架/前齒圈，再傳給前行星輪及前行星架輸出，這時(shí)前后排行星齒輪組鎖成一體旋轉(zhuǎn)，后排行星齒輪組處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。另外F1與B2配合，阻止后太陽輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)力傳遞路線：

2.3.2 傳動(dòng)比計(jì)算

變速器在3擋時(shí)，由于離合器C1和C2接合，使二個(gè)行星齒輪組件結(jié)合成整體旋轉(zhuǎn)，各部件之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即na1=nb1=nx1=na2=nb2=nx2，則其傳動(dòng)比為：

2.4 4擋

2.4.1 變速器動(dòng)力傳遞情況

當(dāng)變速器換擋手柄處于“4”擋（D→4）時(shí)，由圖 1和圖2及表1可知，此時(shí)換擋執(zhí)行元件C2、B1和B2參與工作。直接離合器C2接合，輸入軸的動(dòng)力通過C2傳給后行星架/前齒圈進(jìn)行輸出，此時(shí)，制動(dòng)器 B1固定后太陽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)器B2固定F1轉(zhuǎn)動(dòng)，前排行星齒輪組處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。動(dòng)力傳遞路線：輸入軸→C2→后行星架→前齒圈→前行星架→中間軸主、從動(dòng)齒輪→輸出軸。

2.4.2 傳動(dòng)比計(jì)算

變速器在4擋時(shí)動(dòng)力傳遞發(fā)生在后行星排，因此后行星排構(gòu)件轉(zhuǎn)速方程式[1]為：

由于B1的作用，使得后太陽輪被固定不能轉(zhuǎn)動(dòng)，na2=0。因此變速器處于4擋時(shí)的傳動(dòng)比為：

2.5 R擋

2.5.1 變速器動(dòng)力傳遞情況

當(dāng)變速器換擋手柄處于“R”擋時(shí)，由圖1和圖2及表1可知，此時(shí)換擋執(zhí)行元件 C3和 B3參與工作。倒擋離合器C3接合，輸入軸的動(dòng)力通過C3傳給后太陽輪輸出，此時(shí)，制動(dòng)器B3固定后行星架/前齒圈，前排行星齒輪組處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。動(dòng)力傳遞路線：輸入軸→C3→后太陽輪→后行星輪→后齒圈→前行星架→中間軸主、從動(dòng)齒輪→輸出軸[2]。

2.5.2 傳動(dòng)比計(jì)算

變速器在“R”擋時(shí)動(dòng)力傳遞發(fā)生在后行星排，因此后行星排構(gòu)件轉(zhuǎn)速方程式[1]為：

由于B3的作用，使得后行星架被固定不能轉(zhuǎn)動(dòng)，nx2=0。因此變速器處于“R”擋時(shí)的傳動(dòng)比為：

式中負(fù)號(hào)表示輸入軸與輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。

3 結(jié)束語

自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，其內(nèi)部的動(dòng)力傳遞情況也不容易理解，因而傳動(dòng)比的計(jì)算也有一定的難度。由于自動(dòng)變速器中齒輪傳動(dòng)是行星齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，因此傳動(dòng)比的計(jì)算不能按普通定軸輪系的方法來進(jìn)行，必須要按周轉(zhuǎn)輪系傳動(dòng)比的計(jì)算方法來計(jì)算。因此在計(jì)算傳動(dòng)比時(shí)，首先要熟悉自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)原理，掌握行星齒輪工作狀態(tài)時(shí)的動(dòng)力傳遞關(guān)系，再結(jié)合執(zhí)行元件的工作控制情況，然后應(yīng)用周轉(zhuǎn)輪系傳動(dòng)比的計(jì)算方法就不難把傳動(dòng)比計(jì)算出來。