自动变速器齿轮系统传动比计算与分析_刘后毅

经 Ｃ１ 传给后齿圈， 也可经直接档离合器 Ｃ２ 传给太
阳轮； 输出轴和前齿圈、后行星架连接在一起， 输出
动力。显而易见， Ｃ０ 是主传动件， 易于损坏， 对变速
器性能有重大影响， 其次是前进档离合器 Ｃ １［４］。
３．３ 传动比计算
图 ３ 所示变速器可形成 Ｐ－Ｒ －Ｎ －Ｄ －２－Ｌ 共计 ６
个档位， 根据行星齿轮运动方程和传动比计算公式，
下；
１
Ｄ
３
档位：
直接档传动比
Ｉ３＝
Ｚ３ Ｚ３
＝１．０３，
可在
Ｄ１￣Ｄ３
之间自动转换， 无超速档， 路面稍差时使用， 其 Ｉ２、Ｉ１
同下；
１
１
２
档位：
传动比
Ｉ２＝
Ｚ６×Ｚ７×Ｚ２ Ｚ５×Ｚ６×Ｚ２
＝
Ｚ７×Ｚ２ Ｚ５×Ｚ２
＝１．４５，
液力
变矩器、中间齿轮副、２ 档齿轮和 Ｃ ２ 工作， 动力固定
于 ２ 档， 坏路面或上下坡时使用；
图 １ 本田 Ｍ Ａ Ｘ Ａ 自动变速器结构原理
图中各元件功能如下： １ 档离合器 Ｃ１ 连接中间
轴和 Ｚ１， ２ 档离合器 Ｃ ２ 连 接 中 间 轴 和 Ｚ２， ３ 档 离 合 器 Ｃ ３ 连接输入轴和 Ｚ３， ４ 档离合器 Ｃ ４ 连接输入轴 和 Ｚ４。
２．２ 传动比计算
１１１
１
据定轴轮系传动比计算公式
是
Ｍ１＝Ｐ１Ｒ１，
Ｍ２＝Ｐ２Ｒ２，
Ｍ３＝Ｐ３Ｒ３，
令
α＝
Ｚ３ Ｚ１
＝ Ｒ３ Ｒ１
则
Ｒ３＝αＲ１，
Ｒ２＝
Ｒ１＋Ｒ３ ２
＝
１＋α ２
Ｒwenku.baidu.com，
根 据 受 力 平 衡 方 程 Ｐ１＝Ｐ３和 Ｐ２
! " ＝－２Ｐ１， 则 Ｍ１＝Ｐ１Ｒ１， Ｍ２＝Ｐ２Ｒ２＝－ ２Ｐ１
１＋α ２
Ｒ１＝－ （ １＋α）
Ｐ１Ｒ１， Ｍ３＝Ｐ３Ｒ３＝αＰ１Ｒ１， 根据能量守恒定律得 Ｍ１ｎ１＋Ｍ２
ｎ２＝０，
１２
ｎ ３ ＝ｎ ２ ，
传动比
Ｉ
辛＝
ｎ３
２
ｎ２
＝
１＋α２α ＝２．４５，
总传动比
Ｉ＝Ｉ 超×Ｉ 辛＝２．４５； Ｄ ２ 档， Ｃ ０、Ｃ １、Ｂ ２、Ｆ０、Ｆ１ 工作， 动力
经超速输入轴 － 超速行星架 －Ｃ ０－ 超速太阳轮 － 超速
齿圈 － 中间轴 －Ｃ １－ 后齿圈 － 后行星轮 － 后行星架 －
ｎ２＋Ｍ３ｎ３＝０， 化 简 得 到 单 排 行 星 齿 轮 机 构 的 运 动 方
技术纵横 １７
图 ２ 单排行星齿轮机构运动简图 １－ 太阳轮， ２－ 行星架， ３－ 齿圈， Ｚ１－ 太阳轮齿数， Ｚ２－ 行星轮齿数，
Ｚ３－ 齿圈齿数
程： ｎ１＋αｎ３＝（ １＋α） ｎ２。结合行星轮系传动比计算公式
１
１
Ｌ
档位：
传动比
Ｉ１＝
Ｚ６×Ｚ７×Ｚ１ Ｚ５×Ｚ６×Ｚ１
＝
Ｚ７×Ｚ１ Ｚ５×Ｚ１
＝２．４３，
液力
变矩器、中间齿轮副、１ 档齿轮和 Ｃ １ 工作， 动力固定
于 １ 档， 坏路面或上下坡时使用， 可利用发动机制
动。
３ 辛普森行星齿轮自动变速器
３．１ 行星齿轮机构运动方程
根据图 ２ 所示， 作用在行星齿轮上的转矩分别
阳轮， 可实现发动机反拖制动；
Ｌ 档位： Ｃ ０、Ｃ １、Ｂ ３、Ｆ０、Ｆ２ 工作， 其传动路线和
传动比与 Ｄ１ 相同， 不同之处是增加了 Ｂ３ 工作， 制
动住后行星架， 可实现发动机反拖制动。
４ 拉维奥行星齿轮自动变速器
４．１ 典型结构分析 拉维奥行星齿轮系统的轴向和径向尺寸都比 较小， 结构紧凑， 既可用于前桥驱动， 也可用于后桥 驱动， 其缺点是拆装困难， 制造成本比较高。采用这 种 齿 轮 系 统 的 车 辆 有 ： Ｍ Ａ ＺＤ Ａ 、Ｍ ＩＴＳＵ Ｂ ＩＳＨ Ｉ、 Ｈ Ｙ Ｕ Ｎ Ｄ Ａ Ｉ、Ａ Ｕ Ｄ Ｉ Ａ ６、雪佛兰、奥斯莫比尔等部分车 型 ； Ｓ５００、Ｓ６００ 高级奔驰轿 车 则 采 用 拉 维 奥 行 星 齿 轮系统和一个普通行星排组成的变速器［５］。
排可以形成 ４ 个前进档［３］。这种自动变速器径向尺
寸比较小， 轴向尺寸比较大， 一般用于后桥驱动的
轿车上， 常见于丰田车系。采用这种齿轮系统的车
辆还 有 ＰＲ ＩＮ Ｃ Ｅ ， Ｎ ＩＳＳＡ Ｎ ， Ｖ Ｏ ＬＶ Ｏ 部 分 车 型 ； 其 变
形型式是将超速行星排布置在辛普森行星排的后
面， 如 ＢＭ Ｗ －７ 系列轿车。
Ｎ 档位： 自动变速器所有工作元件都释放， 输出
齿轮处于自由状态；
Ｄ 档位： Ｄ １ 档， Ｃ ２、Ｆ１ 参加工作， 动力经输入轴 －Ｃ ２－ 小太阳轮 － 短行星轮 － 长行星轮 － 齿圈同向
Ｉ１３＝（
－
１）
ｎ
Ｚ２Ｚ３ Ｚ１Ｚ２
＝（
－
１）
ｎ
Ｚ３ Ｚ１
［２］，
可以方便地进行各档位传
动比计算。
３．２ 典型结构分析
辛 普 森 齿 轮 系 统 的 输 入 轴 、中 间 轴 和 输 出 轴 在
同一轴线上， ２ 个行星排共用 １ 个太阳轮， 前齿圈和
后行星架连接在一起通过输出轴传递动力， 可形成
３ 个前进档和 １ 个倒档。与布置它前面的超速行星
Ｐ 档位： 自动变速器各个工作元件都释放， 仅驻
车棘爪工作， 输出齿轮被锁止；
Ｒ 档 位 ： 执 行 元 件 Ｃ １、Ｂ ２ 工 作 ， 动 力 经 输 入 轴
－Ｃ １－ 大太阳轮 － 长行星轮 － 齿圈反向输出， 传动比
Ｉ＝（ － １） ｎ Ｚ３ ＝ １８×７２ ＝－ ２．００； Ｚ１ ３６×１８
由
ｎ１＋αｎ３＝（
１＋α） ｎ２得
Ｉ
超＝
ｎ２ ｎ３
＝１，
Ｉ 辛＝ ｎ１ ＝－ Ｚ３ ＝－ ６０ ＝－ ２．２２（ ｎ２＝０） ， 总传动比 Ｉ＝Ｉ 超×Ｉ ｎ３ Ｚ１ ２７
辛＝ － ２．２２；
Ｎ 档位： Ｃ ０、Ｆ０ 工作， 只有超速行星排运转， 后
面的各个工作元件均释放， 动力中断；
Ｄ 档位： Ｄ １ 档， Ｃ ０、Ｃ １、Ｆ０、Ｆ２ 工作， 动力传递路 线是： 超速输入轴 － 超速行星架 －Ｃ ０－ 超速太阳轮 －
超速齿圈 － 中间轴 －Ｃ １－ 后齿圈 － 后行星轮 － 后行
星架， 同时经后行星轮 － 太阳轮 － 前行星轮 － 前齿
圈 － 输出轴同向输出， 传动比 Ｉ 超＝１， 根据 ｎ１＋αｎ３＝
１
１
２
２
（ １＋α） ｎ２得 ｎ１＋αｎ３＝（ １＋α） ｎ２和 ｎ１＋αｎ３＝（ １＋α） ｎ２， 由于
２
１
ＩＲ＝
ＺＲ ＺＲ
×ＺＲ ０ ＺＲ
＝
ＺＲ ＺＲ
＝１．９５，
液力变
矩
器把动力经 Ｃ ４ 传给倒档齿轮、主减速器， 输出轴反
转；
Ｎ 档位： 只有液力变矩器工作， 各档齿轮和离合
器都释放， 输出轴未锁止；
１
Ｄ
４
档位：
超速档传动比
Ｉ４＝
Ｚ４ Ｚ４
＝０．７２５，
各档齿轮
和换档离合器 Ｃ １、Ｃ ２、Ｃ ３、Ｃ ４ 先后工作， 可在 Ｄ１￣Ｄ４ 之间自动转换， 适合正常路面行驶， 其 Ｉ３、Ｉ２、Ｉ１ 同
１６
技术纵横
轻型汽车技术 ２００７（ ３） 总 ２１１
自动变速器齿轮系统传动比计算与分析
刘后毅 张全良
（ 山东交通学院）
摘要 自动变速器齿轮系统结构复杂， 形式多样， 它和控制阀体、液力变矩器被列为自动变 速器的三大主要部件与认知难点， 一般人员难以彻底搞清它的结构和动力传递。文章结合 典型结构简图， 分析了自动变速器三种类型齿轮系统的结构特点和动力路线， 给出了相应 齿轮系统的传动比计算方法。实际工作中， 可以依据具体情况灵活套用一种类型。 关键词：自动变速器 齿轮系统 动力分析 传动比计算
轮 － 后行星架 － 输出轴， 同时经 Ｃ ２－ 太阳轮 － 前行
星轮 － 前齿圈与输出轴同向输出， Ｉ超 ＝１， 由于 Ｃ１、 Ｃ２ 同时参加工作， 辛普森行星排刚性运转， 总传动
比 Ｉ＝ Ｉ 超×Ｉ 辛 ＝１．００； Ｄ ４ 档 ， Ｃ １、Ｃ ２、Ｂ ２、Ｂ ０ 工 作 ， 动 力经超速输入轴 － 超速行星架 － 超速齿圈 － 中间
本田 Ｍ ＡＸＡ 变速驱动桥是典型的平行轴式自 动变速器， 车 辆 采 用 发 动 机 横 置 、前 轮 驱 动 布 置 方 式（ 见图 １） 。其齿轮系统是三轴式结构， 由 ８ 对外 啮合齿轮副、４ 个换档离合器、１ 个倒档滑套、以及 主减速器和差速器组成［１］。
２ 平行轴式斜齿轮自动变速器
２．１ 典型结构分析 平行轴式自动变速器一般由输入轴、中间轴、输 出轴三根带斜齿轮的平行轴组成； 仅由输入轴和输 出轴构成的两轴式变速器， 可形成 ３ 个前进档， 没有 超速档。平行轴式自动变速器轴向尺寸短， 便于拆装 维修； 缺点是变速箱横向尺寸比较大， 对前桥离地间 隙有一定影响。平行轴式变速器一般都和主减速器、 差速器组装在一个壳体中， 这种齿轮系统多见于本 田车系。
图 ４ 拉维奥行星齿轮系统结构原理
ＦＯ Ｒ Ｄ 雷鸟轿车自动变速器， 由变矩器和拉维 奥行星齿轮系统组成（ 见图 ４） 。其各控制元件功能 如下： Ｆ１ 防止行星架逆转； Ｃ１ 连接输入轴和大太阳 轮（ 倒档太阳轮 ） ； Ｃ ２ 连 接 输 入 轴 和 小 太 阳 轮（ 前 进档太阳轮） ； Ｃ３ 连接输入轴和行星架； Ｂ１ 固定大
对各档位传动比计算如下：
Ｐ 档位： 各元件处于释放状态， 通过棘爪将输出
轴锁死在变速器壳上；
Ｒ 档位： Ｃ ０、Ｆ０、Ｃ ２、Ｂ ３ 工作， 动力传递路线是：
超速输入轴 － 超速行星架 －Ｃ ０－ 超速太阳轮 － 超速
齿圈 － 中间轴 －Ｃ ２－ 太阳轮 － 前行星轮 － 前齿圈 －
输出轴反向输出，
２００７（ ３） 总 ２１１ 轻型汽车技术
技术纵横 １９
太阳轮； Ｂ２ 固定行星架， 与 Ｆ１ 共同防止行星架逆
转。
４．２ 传动比计算
ｎ
同理可证： 拉维奥行星轮系的传动比 Ｉ＝（ － １）
Ｚ３ Ｚ１
，
运动方程
ｎ１＋αｎ３＝（
１＋α） ｎ２以及
１
ｎ１－
１
αｎ３＝（
１－
１
α）
ｎ２
１
１
（ 前排 α＝Ｚ３／Ｚ１＝２．００， 后排 α＝Ｚ３／Ｚ１ ＝２．４０） 。
图 ３ 辛普森行星齿轮系统结构原理
丰田轿车 Ａ ４３Ｄ 自动变速器， 由变矩器、超速行 星排和辛普森行星排三部分组成（ 见图 ３） 。其各元 件功能如下： Ｂ０ 用来制动超速太阳轮； Ｃ０ 连接超速 行星架和超速太阳轮； Ｆ０ 和 Ｂ０ 共同工作， 防止超速 行星架逆时针转动； Ｃ１ 连接中间轴和后齿圈； Ｃ２ 连 接中间轴和太阳轮； Ｂ１ 用来制动太阳轮； Ｂ２ 和 Ｆ１ 共同控制太阳轮， 防止太阳轮逆时针转动； Ｂ３ 用来 制动前行星架， 也称倒档制动器； Ｆ１ 防止太阳轮逆
１引 言
自动变速器在汽车上的应用越来越广泛， 尽管 目前所见到的自动变速器结构形式多种多样， 产地 遍及世界各地， 但都可以划分为三种类型。这三种类 型分别是平行轴式斜齿轮自动变速器、辛普森行星 齿轮自动变速器、拉维奥行星齿轮自动变速器。每一 种自动变速器齿轮系统， 都有其各自的结构特点和 动力传动方案。文章基于长期实验室积累和大量相 关资料的学习研究， 选择三个车型， 绘制了其自动变 速器结构简图， 对自动变速器三种典型齿轮系统的 结构特点和动力路线进行了分析论述， 提出了相应 齿轮系统的传动比计算方法。在此， 与广大专家和汽 车爱好者进行交流探讨。
轴 － 辛普森行星排 － 输出轴同向输出， 由于 Ｂ０ 制
动超速太阳轮，
Ｉ
超＝
ｎ２ ｎ３
＝
α ＝０．６９， １＋α
由于 Ｃ １、Ｃ ２ 同
时参加工作， Ｉ 辛＝１； 总传动比 Ｉ＝ Ｉ 超×Ｉ 辛＝０．６９； ２ 档位： 传动路线和传动比与 Ｄ １、Ｄ ２ 完全一样，
不同之处是 Ｄ ２ 增加了 Ｂ１ 工作， 帮助 Ｂ２ 制动住太
３
输出轴同向输出，
Ｉ
超＝１，
Ｉ
辛＝
ｎ２
２
ｎ２
＝１＋
α１ ＝１．４５
（ ｎ 太＝０） ， 总
轻型汽车技术 ２００７（ ３） 总 ２１１
传 动 比 Ｉ＝Ｉ 超×Ｉ 辛 ＝１．４５； Ｄ ３ 档 ， Ｃ ０、Ｃ １、Ｃ ２、Ｂ ２、Ｆ０ 工 作， 动力经超速输入轴 － 超速行星架 －Ｃ ０－ 超速太
阳轮 － 超速 齿 圈 － 中 间 轴 － Ｃ １－ 后 齿 圈 － 后 行 星
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技术纵横
转； Ｆ２ 连接前行星架和外壳， 防止前行星架逆时针
转动。
前面的超速行星齿轮机构， 通过超速行星架输
入动力， 除形成超速档外， Ｃ０ 一直处于结合状态， 使
输入轴、超速行星架和超速太阳轮连成一体， 动力经
过超速齿圈等速传给中间轴， 这时超速排传动比总
为 １； 中间轴后端和前进档离合器 Ｃ１ 连接， 动力可
Ｉ＝（－
ｎ
１）
Ｚ１Ｚ２Ｚ３…ＺＮ
Ｚ１Ｚ２Ｚ３…ＺＮ
２００７（ ３） 总 ２１１ 轻型汽车技术
（ ｎ－ 齿轮外啮合次数） ［２］， 对本田 Ｍ Ａ Ｘ Ａ 齿轮传动
比分析计算如下：
Ｐ 档位： 换档离合器 Ｃ １、Ｃ ２、Ｃ ３、Ｃ ４ 和倒档齿套
都释放， 仅驻车棘爪工作， 输出轴被锁止；
０
１
１
Ｒ
档位： 传动比