自動變速器動力傳遞路線分析（一

一.自動變速器動力傳遞概述
 自動變速器由液力元件、變速機構(gòu)、控制系統(tǒng)、主傳動部件等幾大部分組成。變速機構(gòu)可分為固定平行軸式、行星齒輪式和金屬帶式無級自動變速器（CVT）三種。我國在用的車輛中，大多數(shù)自動變速器都采用行星齒輪式變速機構(gòu)，這也是本文重點分析的對象。行星齒輪機構(gòu)一般由2個或2個以上行星齒輪組按不同的組合方式構(gòu)成，其作用是通過對不同部件的驅(qū)動或制動，產(chǎn)生不同速比的前進擋、倒擋和空擋。

 換擋執(zhí)行元件的作用是約束行星齒輪機構(gòu)的某些構(gòu)件，包括固定并使其轉(zhuǎn)速為0，或連接某部件使其按某一規(guī)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。通過適當選擇行星齒輪機構(gòu)被約束的基本元件和約束方式，就可以得到不同的傳動比，形成不同的擋位。換擋執(zhí)行元件包括離合器、制動器和單向離合器3種不同的元件，離合器的作用是連接或驅(qū)動，以將變速機構(gòu)的輸入軸（主動部件）與行星齒輪機構(gòu)的某個部件（被動部件）連接在一起，實現(xiàn)動力傳遞。制動器的作用是固定行星齒輪機構(gòu)中的某基本元件，它工作時將被制動元件與變速器殼體連接在一起，使其固定不能轉(zhuǎn)動。單向離合器具有單向鎖止的特點，當與之相連接的元件的旋轉(zhuǎn)趨勢使其受力方向與鎖止方向相同時，該元件被固定（制動）或連接（驅(qū)動）；當受力方向與鎖止方向相反時，該元件被釋放（脫離連接）。由此可見，單向離合器在不同的狀態(tài)下具有與離合器、制動器相同的作用。
 由以上介紹可知，掌握不同組合行星齒輪機構(gòu)的運動規(guī)律是自動變速器故障診斷的基礎(chǔ)。

二.單排單級行星齒輪機構(gòu)
1．單排單級行星齒輪機構(gòu)的傳動比
 最簡單的行星齒輪機構(gòu)由一個太陽輪、一個內(nèi)齒圈和一個行星架組成，我們稱之為一個單排單級行星排，如圖1所示。由于單排行星齒輪機構(gòu)具有兩個自由度，為了獲得固定的傳動比，需將太陽輪、齒圈或行星架三者之一制動（轉(zhuǎn)速為0）或約束（以某一固定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)），以獲得我們所需的傳動比；如果將三者中的任何兩個連接為一體，則整個行星齒輪機構(gòu)以同一速度旋轉(zhuǎn)。
 目前，在有關(guān)自動變速器的資料中，有關(guān)傳動比的計算公式有以下幾個：
 （n1-nH）/（n3-nH）=-Z3/Z1 式（1）
 式中：n1-太陽輪轉(zhuǎn)速；nH-行星架轉(zhuǎn)速；n3-內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速；Z1-太陽輪齒數(shù)；Z3-內(nèi)齒圈齒數(shù)
 n1+αn2-（1+α）n3=0 式（2）
 式中：n1-太陽輪轉(zhuǎn)速；n2-內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速；n3-行星架轉(zhuǎn)速；α=內(nèi)齒圈齒數(shù)/太陽輪齒數(shù)=Z2/Z1
 Z2=Z1+Z3 式（3）
 式中：Z1-太陽輪齒數(shù)；Z2-行星架假想齒數(shù)；Z3-內(nèi)齒圈齒數(shù)
 下面對這3個公式的原理與推導過程作以介紹，這也是本文后面對不同型號自動變速器速比計算方法的基礎(chǔ)。定軸輪系齒輪傳動比計算公式為i=（-1）m（所有的從動齒輪數(shù)乘積）/（所有的主動齒輪數(shù)乘積）=（-1）mZn/Z1，它對行星齒輪機構(gòu)是不適用的。因為在行星齒輪機構(gòu)中，星輪在自轉(zhuǎn)的同時，還隨著行星架的轉(zhuǎn)動而公轉(zhuǎn)，這使得定軸輪系傳動比的計算方法不再適用。我們可以用“相對速度法”或“轉(zhuǎn)化機構(gòu)法”對行星齒輪機構(gòu)的傳動比進行分析，這一方法的理論依據(jù)是“一個機構(gòu)整體的絕對運動并不影響其內(nèi)部各構(gòu)件間的相對運動”，這就好象手表表針的相對運動并不隨著人的行走而變化一樣，這一理論是一位名叫Willes的科學家于1841年提出的。假定給整個行星輪系加上一個繞支點O旋轉(zhuǎn)的運動（-ω），這個運動的角速度與行星架轉(zhuǎn)動的角速度（ω）相同，但方向相反，這時行星架靜止不動，使星輪的幾何軸線固定，我們就得到了一個定軸輪系，這樣就能用定軸輪系的方法進行計算了。用轉(zhuǎn)速n代替角速度ω，不同構(gòu)件轉(zhuǎn)化前和轉(zhuǎn)化后的轉(zhuǎn)速見表1。
 利用定軸輪系傳動比計算公式有：
 i13H=n1H/n3H=（n1-nH）/（n3-nH）=（-1）1Z2Z3/Z1Z2=-Z3/Z1                                        式（4）
 如果把α=Z2/Z1代入原公式（4）中，可得到式（2）或式（3）。由此可見，這3個公式其實是同一個公式的不同表達方式。
2．單排單級行星齒輪機構(gòu)行星架的假想齒數(shù)
 在式（4）中，假設(shè)固定內(nèi)齒圈，使n3=0，代入式（5）得式（6）：
 n1/nH=（Z1+Z3）/Z1 式（5）
 又：i1H=n1/nH=ZH/Z1 式（6）
 聯(lián)解式（5）、（6）可得出：
 ZH=Z1+Z3
 即“行星架的假想齒數(shù)是太陽輪齒數(shù)和內(nèi)齒圈齒數(shù)之和”，注意，這一結(jié)論只適用于單級行星齒輪機構(gòu)，在雙級行星齒輪系就不適用了。
3．單排單級行星齒輪機構(gòu)運動狀態(tài)分析
 （1）太陽輪固定（n1=0），行星架驅(qū)動，內(nèi)齒圈輸出：將n1=0代入式（4），有i=nH/n3=Z3/（Z1+Z3），傳動比小于1，即為同向增速運動。
 （2）太陽輪固定（n1=0），內(nèi)齒圈驅(qū)動，行星架輸出：將n1=0代入式（4），有i=n3/nH=（Z1+Z3）/Z3，傳動比大于1，即為同向減速運動。
 （3）齒圈固定（n3=0），行星架驅(qū)動，太陽輪輸出：將n3=0代入式（4），有i=nH/n1=Z1/（Z1+Z3），傳動比小于1，即為同向增速運動。
 （4）齒圈固定（n3=0），太陽輪驅(qū)動，行星架輸出：將n3=0代入式（4），有i=n1/nH=（Z1+Z3）/Z1，傳動比大于1，即為同向減速運動。
 （5）行星架固定（nH=0），齒圈驅(qū)動，太陽輪輸出：將nH=0代入式（4），有i=n3/n1=-Z1/Z3，傳動比小于1，且為負值，即為反向增速運動。
 （6）行星架固定（nH=0），太陽輪驅(qū)動，齒圈輸出：將nH=0代入式（4），有i=n1/n3=-Z3/Z1，傳動比大于1，且為負值，即為反向減速運動。
 現(xiàn)將單排單級行星齒輪機構(gòu)在不同狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)速度和方向總結(jié)于表2。

三．單排雙級行星齒輪機構(gòu)
1．單排雙級行星齒輪機構(gòu)的傳動比
 單排雙級行星齒輪機構(gòu)與單排單級行星齒輪機構(gòu)相比，多了一只嚙合齒輪,  如圖2所示。
 同樣根據(jù)轉(zhuǎn)換法，對于多級嚙行星齒輪系，我們通過單排單級行星齒輪機構(gòu)傳動比的計算公式，可以推出如下公式：
 iGKH=nGH/nKH=（nG-nH）/（nK-nH）=
（-1）m（從G到K所有的從動齒輪數(shù)乘積）/（從G到K所有的主動齒輪數(shù)乘積），（式中m為從G到K嚙合齒輪的對數(shù)） 式（7）
 對于單排雙級行星齒輪機構(gòu)，m=2，從式（7）我們可以得出單排雙級行星齒輪機構(gòu)的運動方程式為：
 i13H=n1H/n3H=(nnH)/(n3-nH)=(-1)2Z2Z3/Z1Z2=Z3/Z1 式（8）
2．單排雙級行星齒輪機構(gòu)行星架的假想齒數(shù)
 在式（8）中，假設(shè)固定內(nèi)齒圈，使n3=0，代入式（8）得式（9）：
 n1/nH=（Z3-Z1）/Z1 式（9）
 又：i1H=n1/nH=ZH/Z1 式（10）
 聯(lián)解式（9）、（10）可得出：
 ZH=Z3-Z1
 即單排雙級行星齒輪機構(gòu)中，行星架的假想齒數(shù)是內(nèi)齒圈齒數(shù)減去太陽輪齒數(shù)。可見，單排雙級行星齒輪機構(gòu)的速比計算公式和行星架的假想齒數(shù)與單排單級行星齒輪機構(gòu)是不同的，這一點在本文后面不同車型自動變速器復雜行星齒輪機構(gòu)傳動比的計算時非常重要。
3.單排雙極行星齒輪機構(gòu)運動狀態(tài)分析
 對于單排雙級行星齒輪機構(gòu)，有Z3＞Z1，（Z3-Z1）＜Z3，但（Z3-Z1）與Z1的大小比較不確定，所以在下面的旋轉(zhuǎn)規(guī)律分析中，有些條件不具備的情況沒有列出增速還是減速。
 （1）太陽輪固定（n1=0），行星架驅(qū)動，內(nèi)齒圈輸出：將n1=0代入式（8），有i=nH/n1=Z1/（Z1-Z1），傳動比大于1且為正，即為同向減速運動。
 （2）太陽輪固定（n1=0），內(nèi)齒圈驅(qū)動，行星架輸出：將n1=0代入式（8），有i=n1/nH=（Z3-Z1）/Z3，傳動比小于1且為正，即為同向增速運動。
 （3）齒圈固定（n3=0），行星架驅(qū)動，太陽輪輸出：將n3=0代入式（8），有i=nH/n1=-Z1/（Z3-Z1），傳動比為負，但是大于還是小于1不確定，故為反向運動。
 （4）齒圈固定（n3=0），太陽輪驅(qū)動，行星架輸出：將n3=0代入式（8），有i=n1/nH=-（Z3-Z1）/Z1，傳動比為負，但是否大于或小于1不確定，故為反向運動。
 （5）行星架固定（nH=0），齒圈驅(qū)動，太陽輪輸出：將nH=0代入式（8），有i=n3/n1=Z1/Z3，傳動比小于1，且為正值，即為同向增速運動。
 （6）行星架固定（nH=0），太陽輪驅(qū)動，齒圈輸出：將nH=0代入式（8），有i=n1/n3=Z3/Z1，傳動比大于1，且為正值，即為同向減速運動。
 現(xiàn)將單排雙級行星齒輪機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度和方向總結(jié)于表3。對于單排雙級行星齒輪機構(gòu)，有Z3＞Z1，（Z3-Z1）＜Z3，但（Z3-Z1）與Z1的大小比較不確定，所以在下表的旋轉(zhuǎn)規(guī)律中，有些條件不具備的情況沒有列出增速還是減速。

               
四．復雜行星齒輪機構(gòu)
 由以上行星齒輪機構(gòu)傳動比分析可知，簡單的行星齒輪機構(gòu)不能滿足汽車行駛時對不同速比的要求，因此在實際應用中常常采用多個單排行星齒輪機構(gòu)進行串、并聯(lián)或換聯(lián)主從動構(gòu)件的方法組成更為復雜的行星齒輪機構(gòu)，來滿足汽車行駛擋位的需要。將兩個單排單級行星齒輪機構(gòu)組合起來形成的雙排單級行星齒輪機構(gòu)，稱為辛普森結(jié)構(gòu)；將一個單排單級行星齒輪機構(gòu)和一個單排雙級行星齒輪機構(gòu)或由兩個單排雙級行星齒輪機構(gòu)按特定的方式組合起來，稱為拉維那式行星齒輪機構(gòu)。以上介紹的是簡單的行星齒輪機構(gòu)的運動規(guī)律分析及傳動比的計算方法，實際應用的復雜行星齒輪機構(gòu)將在各車型動力傳遞分析中介紹。