自动变速器动力传递路线分一

自动变速器动力传递路线分析（一）# b e$ S Y1 s+ K6 j! T9 C 资讯来源：汽车维修与保养 曹利民 七分诊断，三分修理已成为汽车维修业内的共识，对自动变速器而言更是如此。要正确诊断自动变速器故障，必需了解该自动变速器的动力传递路线及控制原理；解体修理则需要该自动变速器的结构/装配图及间隙调整数据。为提高自动变速器修理人员的理论分析水平和故障诊断能力，本刊策划了自动变速器动力传递路线分析系列文章，以保有量及维修量较大的国产轿车自动变速器为主，自本期起将每期介绍一个箱型。全文由我刊特聘专家曹利民撰写。9 |4 U7 x. m4 Q+ f! w9 Otr/tr 基础知识, O% H$ _9 X2 B! 一.自动变速器动力传递概述, C, i- 3 R; q2 z3 X+ 自动变速器由液力元件、变速机构、控制系统、主传动部件等几大部分组成。变速机构可分为固定平行轴式、行星齿轮式和金属带式无级自动变速器（CVT）三种。我国在用的车辆中，大多数自动变速器都采用行星齿轮式变速机构，这也是本文重点分析的对象。行星齿轮机构一般由2个或2个以上行星齿轮组按不同的组合方式构成，其作用是通过对不同部件的驱动或制动，产生不同速比的前进挡、倒挡和空挡。; Z6 H; Y3 g. w# Z& L 下载 (7.87 KB)2009-3-8 13:35- M6 d 7 s8 V# g; |1 U2 C/ m1 x9 X换挡执行元件的作用是约束行星齿轮机构的某些构件，包括固定并使其转速为0，或连接某部件使其按某一规定转速旋转。通过适当选择行星齿轮机构被约束的基本元件和约束方式，就可以得到不同的传动比，形成不同的挡位。换挡执行元件包括离合器、制动器和单向离合器3种不同的元件，离合器的作用是连接或驱动，以将变速机构的输入轴（主动部件）与行星齿轮机构的某个部件（被动部件）连接在一起，实现动力传递。制动器的作用是固定行星齿轮机构中的某基本元件，它工作时将被制动元件与变速器壳体连接在一起，使其固定不能转动。单向离合器具有单向锁止的特点，当与之相连接的元件的旋转趋势使其受力方向与锁止方向相同时，该元件被固定（制动）或连接（驱动）；当受力方向与锁止方向相反时，该元件被释放（脱离连接）。由此可见，单向离合器在不同的状态下具有与离合器、制动器相同的作用。8 n& c5 k8 . 9 Qo由以上介绍可知，掌握不同组合行星齿轮机构的运动规律是自动变速器故障诊断的基础。3 H# W2 S h0 EO下载 (3.4 KB)2009-3-8 13:35! C 2 o& D: j$ b/ y0 j7 p7 E# _8 I7 % s* j8 - L1 j: k二.单排单级行星齿轮机构d6 W. S; I( g2 R1单排单级行星齿轮机构的传动比# P3 Y/ 6 2 N/ d最简单的行星齿轮机构由一个太阳轮、一个内齿圈和一个行星架组成，我们称之为一个单排单级行星排，如图1所示。由于单排行星齿轮机构具有两个自由度，为了获得固定的传动比，需将太阳轮、齿圈或行星架三者之一制动（转速为0）或约束（以某一固定的转速旋转），以获得我们所需的传动比；如果将三者中的任何两个连接为一体，则整个行星齿轮机构以同一速度旋转。& n% I, t9 C8 t目前，在有关自动变速器的资料中，有关传动比的计算公式有以下几个：?7 v) ! f+ W( _1 L1 # S1 U5 0 k（n1-nH）/（n3-nH）=-Z3/Z1 式（1）+ 9 u8 z8 x3 q& u; Q式中：n1-太阳轮转速；nH-行星架转速；n3-内齿圈转速；Z1-太阳轮齿数；Z3-内齿圈齿数7 e; z7 b8 Z( gn1+n2-（1+）n3=0 式（2）; w& J2 c9 F9 式中：n1-太阳轮转速；n2-内齿圈转速；n3-行星架转速；=内齿圈齿数/太阳轮齿数=Z2/Z1 X0 c) / Y. E0 c* W& B. Y. KZ2=Z1+Z3 式（3）# d: g) L- I$ + w式中：Z1-太阳轮齿数；Z2-行星架假想齿数；Z3-内齿圈齿数3 y; 6 w6 K/ p0 L$ v下面对这3个公式的原理与推导过程作以介绍，这也是本文后面对不同型号自动变速器速比计算方法的基础。定轴轮系齿轮传动比计算公式为i=（-1）m（所有的从动齿轮数乘积）/（所有的主动齿轮数乘积）=（-1）mZn/Z1，它对行星齿轮机构是不适用的。因为在行星齿轮机构中，星轮在自转的同时，还随着行星架的转动而公转，这使得定轴轮系传动比的计算方法不再适用。我们可以用“相对速度法”或“转化机构法”对行星齿轮机构的传动比进行分析，这一方法的理论依据是“一个机构整体的绝对运动并不影响其内部各构件间的相对运动”，这就好象手表表针的相对运动并不随着人的行走而变化一样，这一理论是一位名叫Willes的科学家于1841年提出的。假定给整个行星轮系加上一个绕支点O旋转的运动（-），这个运动的角速度与行星架转动的角速度（）相同，但方向相反，这时行星架静止不动，使星轮的几何轴线固定，我们就得到了一个定轴轮系，这样就能用定轴轮系的方法进行计算了。用转速n代替角速度，不同构件转化前和转化后的转速见表1。3 J( T- V; 0 E# Y/ U利用定轴轮系传动比计算公式有：$ G& n! W8 n, ji13H=n1H/n3H=（n1-nH）/（n3-nH）=（-1）1Z2Z3/Z1Z2=-Z3/Z1式（4） ) t! p# w F sz$ F如果把=Z2/Z1代入原公式（4）中，可得到式（2）或式（3）。由此可见，这3个公式其实是同一个公式的不同表达方式。4 L( e$ ! A3 Q! g2单排单级行星齿轮机构行星架的假想齿数) m( J. w5 Y6 t1 x) c在式（4）中，假设固定内齿圈，使n3=0，代入式（5）得式（6）：9 3 g; |1 c/ L) 4 g% o( O Dn1/nH=（Z1+Z3）/Z1 式（5）3 * w$ f- z3 Q+ m4 v9 ( w又：i1H=n1/nH=ZH/Z1 式（6）- m: b+ N& V7 3 V* J6 Oh- b联解式（5）、（6）可得出：& v8 # 1 p+ r, e I+ ZH=Z1+Z3& v x8 O8 - 即“行星架的假想齿数是太阳轮齿数和内齿圈齿数之和”，注意，这一结论只适用于单级行星齿轮机构，在双级行星齿轮系就不适用了。- m7 u& |: S, 2 C1 n# s+ Y3单排单级行星齿轮机构运动状态分析6 k& J; K$ p/ x: o, C: u0 q（1）太阳轮固定（n1=0），行星架驱动，内齿圈输出：将n1=0代入式（4），有i=nH/n3=Z3/（Z1+Z3），传动比小于1，即为同向增速运动。* y3 ( K1 g, 9 A/ v# j8 |8 2 x（2）太阳轮固定（n1=0），内齿圈驱动，行星架输出：将n1=0代入式（4），有i=n3/nH=（Z1+Z3）/Z3，传动比大于1，即为同向减速运动。- c# O$ q( 4 M9 s（3）齿圈固定（n3=0），行星架驱动，太阳轮输出：将n3=0代入式（4），有i=nH/n1=Z1/（Z1+Z3），传动比小于1，即为同向增速运动。3 U- Q4 $ ?) q: P（4）齿圈固定（n3=0），太阳轮驱动，行星架输出：将n3=0代入式（4），有i=n1/nH=（Z1+Z3）/Z1，传动比大于1，即为同向减速运动。9 d$ _: hO6 5 H（5）行星架固定（nH=0），齿圈驱动，太阳轮输出：将nH=0代入式（4），有i=n3/n1=-Z1/Z3，传动比小于1，且为负值，即为反向增速运动。. o1 P: F S$ F6 h v（6）行星架固定（nH=0），太阳轮驱动，齿圈输出：将nH=0代入式（4），有i=n1/n3=-Z3/Z1，传动比大于1，且为负值，即为反向减速运动。0 V: J& Z2 : y) p% fU现将单排单级行星齿轮机构在不同状态下的旋转速度和方向总结于图2。; Fc2 O& Y& t; YL% P 下载 (9.54 KB)2009-3-8 13:35) e j+ _; w+ n. N4 R( r E+ wS1 u; y9 o1 n i三单排双级行星齿轮机构( M# ?1 X. Zf# v. X% 1单排双级行星齿轮机构的传动比|5 RU Q- H/ R单排双级行星齿轮机构与单排单级行星齿轮机构相比，多了一只啮合齿轮,如图2所示。: . A3 Z6 . V% + f 同样根据转换法，对于多级啮行星齿轮系，我们通过单排单级行星齿轮机构传动比的计算公式，可以推出如下公式：2 - S W* a. ! ziGKH=nGH/nKH=（nG-nH）/（nK-nH）=/ yG: t( h t! k（-1）m（从G到K所有的从动齿轮数乘积）/（从G到K所有的主动齿轮数乘积），（式中m为从G到K啮合齿轮的对数） 式（7）* ?2 W& j& 3 o0 a2 b对于单排双级行星齿轮机构，m=2，从式（7）我们可以得出单排双级行星齿轮机构的运动方程式为：/ _: l: L! eSi13H=n1H/n3H=(n1-nH)/(n3-nH)=(-1)2Z2Z3/Z1Z2= Z3/ Z1 式（8）) m_4 n3 m; j W2单排双级行星齿轮机构行星架的假想齿数) c4 o, i4 V% ! f- Y在式（8）中，假设固定内齿圈，使n3=0，代入式（8）得式（9）：: R$ a3 S+ _) 0 R$ + wn1/nH=（Z3-Z1）/Z1 式（9）3 O/ U& n$ y ? C ( t4 P* b* N又：i1H=n1/nH=ZH/Z1 式（10）, U T# B9 v; v; g$ * F联解式（9）、（10）可得出：2 W* U8 _+ m+ n* i9 W0 M7 . BZH=Z3-Z1! R% B; C5 l( t; n4 & E% 即单排双级行星齿轮机构中，行星架的假想齿数是内齿圈齿数减去太阳轮齿数。可见，单排双级行星齿轮机构的速比计算公式和行星架的假想齿数与单排单级行星齿轮机构是不同的，这一点在本文后面不同车型自动变速器复杂行星齿轮机构传动比的计算时非常重要。3 e$ x H2 A: 4 l3.单排双极行星齿轮机构运动状态分析: |7 B; A 1 j对于单排双级行星齿轮机构，有Z3Z1，（Z3-Z1）Z3，但（Z3-Z1）与Z1的大小比较不确定，所以在下面的旋转规律分析中，有些条件不具备的情况没有列出增速还是减速。4 C: K4 Z) v6 O. C1 T（1）太阳轮固定（n1=0），行星架驱动，内齿圈输出：将n1=0代入式（8），有i=nH/n1=Z1/（Z1-Z1），传动比大于1且为正，即为同向减速运动。4 S1 K1 V$ E$ T# g（2）太阳轮固定（n1=0），内齿圈驱动，行星架输出：将n1=0代入式（8），有i=n1/nH=（Z3-Z1）/Z3，传动比小于1且为正，即为同向增速运动。_+ j O F) bh2 w（3）齿圈固定（n3=0），行星架驱动，太阳轮输出：将n3=0代入式（8），有i=nH/n1=-Z1/（Z3-Z1），传动比为负，但是大于还是小于1不确定，故为反向运动。: n4 E$ 9 c2 4 W$ Y（4）齿圈固定（n3=0），太阳轮驱动，行星架输出：将n3=0代入式（8），有i=n1/nH=-（Z3-Z1）/Z1，传动比为负，但是否大于或小于1不确定，故为反向运动。0 ) F, |; P; s/ c) 1 （5）行星架固定（nH=0），齿圈驱动，太阳轮输出：将nH=0代入式（8），有i=n3/n1=Z1/Z3，传动比小于1，且为正值，即为同向增速运动。( 5 Z( z/ N. s a& . H7 o, H8 j（6）行星架固定（nH=0），太阳轮驱动，齿圈输出：将nH=0代入式（8），有i=n1/n3=Z3/Z1，传动比大于1，且为正值，即为同向减速运动。/ D$ ; n. H8 e! A( , z b9 o现将单排双级行星齿轮机构的旋转速度和方向总结于表3。对于单排双级行星齿轮机构，有Z3Z1，（Z3-Z1）Z3，但（Z3-Z1）与Z1的大小比较不确定，所以在下表的旋转规律中，有些条件不具备的情况没有列出增速还是减速。! D$ I8 ( r# H6 _/ v下载 (6.43 KB)2009-3-8 13:35. $ N) X9 P6 d: |- L0 J: s * _8 v& Q9 下载 (6.86 KB)2009-3-8 13:35& I% j* R& L! I. r, u) q/ k5 t d, b$ q& P6 h( 9 H0 U: v四复杂行星齿轮机构( ) / U F- + w由以上行星齿轮机构传动比分析可知，简单的行星齿轮机构不能满足汽车行驶时对不同速比的要求，因此在实际应用中常常采用多个单排行星齿轮机构进行串、并联或换联主从动构件的方法组成更为复杂的行星齿轮机构，来满足汽车行驶挡位的需要。将两个单排单级行星齿轮机构组合起来形成的双排单级行星齿轮机构，称为辛普森结构；将一个单排单级行星齿轮机构和一个单排双级行星齿轮机构或由两个单排双级行星齿轮机构按特定的方式组合起来，称为拉维那式行星齿轮机构。以上介绍的是简单的行星齿轮机构的运动规律分析及传动比的计算方法，实际应用的复杂行星齿轮机构将在各车型动力传递分析中介绍。自动变速器动力传递路线分析（二）& m( G4 J+ t& Y5 $ u本系列文章包括：一汽/海南马自达FN4A-EL、大众捷达/宝来01M、桑塔那/帕萨特01N、波罗001、奥迪A6/帕萨特（B5）5HP-19（5速手/自动一体化）、上海通用赛欧AF13、凯越（1.8）/雪佛兰景程4HP-16、凯越（1.6）/福特嘉年华81-40LE、别克4T65E、别克荣御/凯迪拉克5L40E（5速手/自动一体化）、金杯通用雪佛兰4L60E、长安福特蒙迪欧（2.0）CD4E、福特蒙迪欧（2.5）5F31J（5速手/自动一体化）、神龙富康（AL4）、奇瑞4HP-14、郑州日产帕拉丁RE4R01A、北京现代伊兰特F4A42等十几个车型及一些常见的进口车型。本刊上期介绍了自动变速器动力传递分析基础知识，目的是提高自动变速器修理人员的故障诊断能力，着重动力传递路线分析。 z# h- ; ) ; F2 I3 t7 uFN4A-EL是一款电子控制4速自动变速器，用于一汽轿车生产的马自达M6和海南马自达轿车。一汽马自达M6和海南马自达装备的FN4A-EL的基本构造相同，动力传递路线相同，只是最终传动比及控制系统有所不同，所以在这里一并介绍。4 u, j+ J- S* ; W4 Z4 Y! B | 下载 (5.2 KB)2009-3-8 13:552 f6 i% K1 e1 v; B8 N6 y# i9 q9 c* j0 ?: A/ P& ! J) n# C& I( x% Y3 V$ N 下载 (7.03 KB)2009-3-8 13:559 L, f0 o. o- Z2 i& i$ t$ D, H& y h. j4 c* KFN4A-EL自动变速器采用改进型辛普森行星齿轮机构，即前、后排两个太阳轮独立运动，后排行星架与前排齿圈为一体；后排齿圈与前排行星架为一体，是动力输出端。在变速器内部有3个离合器、2个制动器和1个单向离合器。FN4A-EL自动变速器的基本技术参数见表1，动力传递路线示意图如图1所示，各换挡执行元件的作用见表2，不同挡位时换挡执行元件状态见表3。, 8 c4 A4 6 f% j, a( H 下载 (9.16 KB)2009-3-8 13:556 p* n7 i/ 7 f! * P% R$ v3 p 下载 (5.94 KB)2009-3-8 13:559 e- 3 ?3 H5 P* ym2 b7 _9 C6 k4 q根据单排单级行星齿轮机构传动比计算方程式，分别代入前、后排行星齿轮系，得出如下方程组：# a1 B; S o# 8 T: uy& ? (n11-n1H)/（n13-n1H）=-Z13/Z11) X4 L D! A8 Jt& x m% z% K式（1）4 A1 g8 v. 0 n. x/ y9 o/ 7 (n21-n2H)/（n23-n2H）=-Z23/Z21. 1 h/ q! Q4 i4 |式（2）/ Z+ B4 M8 Y$ i, x1 w式中：n11前排太阳轮转速；n1H前排行星架转速；n13前排内齿圈转速；n21后排太阳轮转速；n2H后排行星架转速；n23后排内齿圈转速；Z11前排太阳轮齿数；Z13前排内齿圈齿数；Z21后排太阳轮齿数；Z23后排内齿圈齿数t# j0 ?4 b. C) w, j; m因前行星排的行星架与后行星排的齿圈为一体，故有：n1H=n23；同时，前行星排的齿圈与后行星排的行星架为一体，故有：n13=n2H。: i9 & z( m/ $ |- S2 Ii各部件的齿数为：前排太阳轮：Z11=49；前排内齿圈：Z13=89；后排太阳轮：Z21=37；后排内齿圈：Z23=98。9 A$ M3 X; z3 ?7 E, M根据表3中各部件状态及齿数，联解以上方程（1）和（2），可求得不同挡位的传动比。( |7 L6 D# Q9 V J6 p; A5 q: t9 ( E一P/N挡动力传递路线7 o/ H% E5 u) ( q# N在P或N挡，没有换挡执行元件动作，行星齿轮机构中各部件都没有被驱动或制动，故没有动力输出。A% f( hL3 W二R挡动力传递路线! P& I/ L8 k+ n, x: V 1 _, O R挡时，倒挡离合器工作，驱动后排太阳轮；低挡和倒挡制动器工作，固定后排行星架/前排齿圈，后排齿圈/前排行星架反向减速输出，动力传递路线如图2所示。+ r* p+ N( C: t8 A) X 由以上分析可知，倒挡时，只有后行星排参与动力传递，即：n2H=0，n1H=n23，n13=n2H，代入式（2）有：- & P, l3 q+ : f 3 i=n21/n1H=n21/n23=-Z23/Z21=-98/37=-2.64864868 J: R% 3 A5 V5 o/ L# q三1挡动力传递路线 K& T( F- 7 P4 V W1D1、S1（Non-HOLD）和L1（Non-HOLD）的1挡动力传递路线3 d1 H1 g. k5 F) S0 k$ K1挡时，前进挡离合器工作，驱动前排太阳轮；单向离合器锁止，单向固定前排齿圈/后排行星架，防止其逆时针方向旋转（从变矩器方向观察），则后排齿圈/前排行星架同向减速输出，动力传递路线如图3所示。2 E O( L% g& d9 4 v下载 (6.67 KB)2009-3-8 13:55% s9 g% n# y% u) h# - 1 s9 , x) c9 xn2 下载 (6.86 KB)2009-3-8 13:558 2 sw7 A. P% P$ I3 u, 0 n# h4 n2 H- Q7 F% G! g5 - d + i% r由以上分析可知，1挡时，只有前行星排参与动力传递，即：n13=0，代入式（1）有：OL0 v$ W+ l3 O, G+ i=n11/n1H=(Z11+Z13)/Z21=(49+89)/49=2.8163265$ R8 r% 2 y9 ) Z4 # Q( e2 R! O3 s+ I3 W) a1挡动力传递过程中，单向离合器锁止，防止前排齿圈逆时针方向旋转是动力传递不可缺少的条件。当动力反向传递时，前排齿圈会顺时针旋转，则单向离合器滑转，故在1挡没有发动机制动。) V$ Q; # 8 f8 h2L1（HOLD）挡动力传递路线# n) G1 Y) b6 7 a# W由以上分析可知，在L1（HOLD）挡，前进挡离合器工作，驱动前排太阳轮；低速和倒挡制动器工作，双向固定前排齿圈/后排行星架，则后排齿圈/前排行星架同向减速输出。因动力传动过程没有单向离合器参与工作，故有发动机制动。动力传递路线如图4所示。1 L3 s- Z% s* W0 P4 P0 q$ G 四2挡动力传递路线7 a9 L/ # W) m& / k) _$ J2挡时，前进挡离合器工作，驱动前排太阳轮；2-4挡制动带工作，固定后排太阳轮，后排齿圈/前排行星架同向减速输出。因2挡动力传动过程没有单向离合器参与，故有发动机制动。动力传递路线如图5所示。 E: k9 z% 9 S6 Y( j8 D下载 (7.14 KB)2009-3-8 13:581 , E5 _6 z2 n9 Z+ W% a 由以上分析可知，2挡时，前、后行星排均参与动力传递，即：n21=0，n1H=n23，n13=n2H，代入式（1）和式（2）有： ( H2 M5 r( D8 Q1 J0 N9 2 8 V7 ni=n11/n1H=(Z11Z21+ Z11Z23+Z13Z21)/(Z11Z21+Z11Z23)=9909/6615=1.49795924 O2 s# F6 t1 C/ c( A五3挡动力传递路线. P7 I T3 % t: P 3挡时，前进挡离合器结合，驱动前排太阳轮；同时3-4挡离合器结合，驱动前排齿圈/后排行星架，因前排行星齿轮机构中齿圈与太阳轮两个部件被同时驱动，则整个行星齿轮机构以一个整体同向等速旋转，为直接传动挡，传动比为1：1。因动力传动过程没有单向离合器参与，故有发动机制动。3挡动力传递路线见图6。1 M, Y# U( nue下载 (6.86 KB)2009-3-8 13:589 B+ e F9 B, # H5 $ 7 j9 T9 . X六4挡动力传递路线 0 C0 / t. r( R* WR 4挡时，4挡离合器结合，驱动后排行星架/前排齿圈；同时2-4挡制动带工作，固定后排太阳轮，则后排齿圈/前排行星架同向增速输出，因动力传动过程没有单向离合器参与，故有发动机制动。4挡动力传递路线见图7。9 q& d5 O/ a% X, o9 C_下载 (6.59 KB)2009-3-8 13:58* h $ 1 E( d& o3 8 h( s% # 由以上分析可知，4挡时，只有后行星排参与动力传递，即：n21=0，代入式（2）有： . C, D& F; u& g1 e) s7 i=n1H/n23=Z23/(Z21+Z23)=98/135=0.7259259 下载 (7.09 KB)2009-3-8 13:55