5.5  自动变速器齿轮系的开发设计

5.5 自动变速器齿轮系的开发设计

前面已经介绍过不同行星齿轮系的结构及基本运动规律，行星齿轮系的转矩和速度传递原理可以归纳成下面3个公式：

即转矩和等于零，功率不变和速度成加权平均的特性。

式中，T_s为作用于太阳轮上的转矩，T_r为作用于齿圈上的转矩，T_p为作用于行星架上的转矩，α为齿圈与太阳轮的齿数比，ω_s为太阳轮转速，ω_r为齿圈转速，ω_p为行星架转速。前后太阳轮齿数分别为s₁、s₂，前后齿圈齿数分别为r₁、r₂。

下面以CR-CR式的行星齿轮机构（图5-26a）为例对变速器行星齿轮机构的转矩和速度传递进行介绍。

CR-CR式行星齿轮机构绘制成杠杆图如图5-26b所示，其中各元件基本运动关系如式5-23至式5-26所示。

如果将发动机的输出端与前太阳轮S1相连，作为输入，变速器的输出端与前行星架P1后齿圈R2组件相连，作为输出，而前齿圈R1和后行星架CP2组件与变速器的外壳相连。于是有ω_r1=ω_p2=0，ω_s1=ω_in和ω_r2=ω_p1=ω_out的关系。连接动力系统后新的行星齿轮机构杠杆图如图5-27所示，锁止前齿圈R1和后行星架P2组件的杠杆图如图5-27a所示。

输入和输出的速度比为

图5-26 CR-CR式行星齿轮机构及杠杆原理图

R—齿圈 S—太阳轮 P—行星架

如果将前太阳轮S1作为输入，而前行星架P1与后齿圈R2组件作为输出，则，将后太阳轮S2固定即ω_s2=0。于是杠杆图如图5-27b所示。

输入和输出的速度比为

如果将前太阳轮S1与后齿圈R2前行星架P1组件连接在一起共同作为输入，前齿圈R1和后行星架P2组件作为输出，杠杆图如图5-27c所示，即，，。以后太阳轮S2固定，前齿圈R1与后行星架P2组件作为输入，前行星架P1与后齿圈R2组件作为输出，杠杆图如图5-27dω_s2=0，，，可得另外两个速比

如果将后太阳轮S2作为输入，，前齿圈R1与后行星架P2组件固定，，而前行星架P1与后齿圈R2组件作为输出，，可以得到了一个输入输出速比为负值传动比，如图5-27e所示。

图5-27 不同输入输出下的行星齿轮杠杆原理图

这样，就得到了4个正向速比和一个反向速比，如果将上述4个正向速比分别定义为一档、二档、三档和四档，将反向速比定义为倒档，就可以得到一个完整的4速自动变速器档位图谱，见表5-8。

表5-8 4速自动变速器图谱

（续）

假设行星齿轮系前后行星排的齿圈太阳轮齿数比为r₁：s₁=3∶1，r₂∶s₂=3∶1，s₁∶s₂=1∶1的话，各档位速比见表5-9。

表5-9 行星齿轮机构四档速比

表5-9中一档和二档的速比差较大，可以将前太阳轮s₁调大一些（1.2），将r₂∶s₂的值调小一些（2.8∶1），计算所得速比见表5-10。

表5-10 行星齿轮机构调整后的四档速比

变速器的速比范围由调整前的4/0.75=5.33变为3.5/0.74=4.73。可见调整后变速器的变速范围缩小了，一档速比减小，整车加速性能变差，最高档速比变化不大，所以最高车速变化不大。对于整车节油率来说，必须要综合考虑发动机参数和换档策略，并对照特定循环工况才能确定油耗是否增加或降低。(https://www.daowen.com)

要实现齿轮机构各元件的固定、与输入输出端的连接，必须增加换档执行元件才能实现。现将换档元件连接在变速器齿轮系上，以便实现4个前进档和一个倒档的功能。

由图5-27可知，S1、S2、R1与P2组件都可以设为输入元件，P1与R2组件是固定的输出元件，所以P1与R2组件可以直接连到输出端口，S1、S2、R1与P2组件3个元件需要离合器才能实现任意选择其中之一作为输入。同时P2与R1组件、S2需要进行固定，所以这两个元件需要各加上一个制动器才能实现。因此整个齿轮系需要连接5个换档执行元件就可以完成4个前进档和一个倒档功能。

表5-11 行星齿轮机构各元件功能表

由表5-11可知，一、二、三档时S1与输入连接，需要连接一个离合器，称为Clutch123（C123）；P1与R2组件所有档位下都与输出端相连，不需要离合器；P2与R1组件在一档和倒档时与变速器壳体相连，使之固定不动，需要接入一个制动器，称为Clutch1R（C1R，为方便统称为Clutch），在三档和四档时与输入端连接，需要接入一个离合器，称为Clutch34（C34）；S2在二档和四档时固定，需要接入一个制动器，称为Clutch24（C24），倒档时与输入端连接，需要接入另一个离合器ClutchR（CR）。根据上面分析，可以得到变速器行星齿轮系及换档执行元件的基本连接关系，如图5-28所示。这样布置换档执行元件，变速器换档时可以只有一个执行元件动作，而其他元件保持上一档位时的状态，可以减小换档时间，增强元件使用寿命。

图5-28 行星齿轮系及换档执行元件连接关系

停车时，变速杆在P位（无档位），换档执行元件不工作，且驻车锁止机构开启（ParkPaw）。驾驶人将发动机起动，进入怠速状态，并将变速杆调到R位，变速器要迅速地将C1R和CR两个离合器合上，挂入倒档，汽车从车位驶出。

汽车倒出车位后，驾驶人将变速杆调到D位，变速器需挂入一档，由于C1R是倒档和一档的公用离合器，所以只需要将CR分离，而将C123接合。同理也可挂入其他几个档位，见表5-12。自动变速器系统对于换档的控制有较为严格的规定，单换档被定义为合法，而双换档就被定义为非法，因此这里有几种换档方式是“非法”的：一档和四档的直接变换，二档、三档和四档与倒档的直接变换，其余的档位变换都是合法的。

表5-12 不同档位下换档元件工作状态

变速器行星齿轮系除了速比分配之外，还需考虑换档前后的转矩关系。由于行星齿轮为刚性传动，速度上是没有衰减的，但转矩却会因为摩擦、形变等原因产生衰减。这里假设为理想状态，忽略转矩传递过程中的衰减。

行星齿轮的基本转矩有主动力矩、反作用力矩和阻碍力矩3种。假设太阳轮作为输入，齿圈固定，行星架作为输出，那么作用于太阳轮上就是主动力矩，作用于行星架上就是反作用力矩，而作用于齿圈上的就是阻碍力矩。三者满足T_s+T_r=T_p的关系。一档时，后行星齿轮排不参与转矩传递，因此输入输出的转矩关系为

汽车换档过程如由一档升到二档的过程其实是一个转矩转换的过程。

一档时，R1上的转矩达到最大（图5-29），二档时，R1上的转矩逐渐减小，S2上的转矩逐渐增大，而与之对应的R2上的转矩根据比例产生变化（图5-30）。

对于前行星齿轮排：

对于后行星齿轮排：

，符号代表方向。

整个过程的静态转矩如式（5-33）～式（5-36）所示。

图5-29 一档时各元件上的作用转矩

图5-30 转矩转换过程

稳态工况下，输入转矩与受到阻力转矩在各个齿轮的啮合点上受力相互平衡，而动态工况下受力元件的速度发生变化即产生了加速度，那么输入转矩就不等于阻力转矩，即

式中J为受力元件的转动惯量，ω为其转速。

变速器换档过程中，受力元件的加速作用是不能忽略的。

其余的档位转矩的变化，与上述类似，这里不再重复描述。具体的换档过程是一个复杂的转矩与速度转换的过程，一般应该有转矩转换和速度转换两个过程。如果这两个过程处理不好，就会出现换档的质量问题。