并聯雙排行星齒輪機構的研究

張國芬，宋 震，盧志強，錢鋒杰，楊 磊

（無錫職業技術學院汽車與交通工程學院，江蘇 無錫214121）

并聯雙排行星齒輪機構的研究

張國芬，宋 震，盧志強，錢鋒杰，楊 磊

（無錫職業技術學院汽車與交通工程學院，江蘇 無錫214121）

并聯雙排行星齒輪機構是復雜變速器的基本單元，計算傳動比要以整體來計算，最常見的三種并聯雙排行星齒輪機構是典型辛普森式CR-SS、改進型辛普森式CR-CR和拉維娜式。結合它們的結構，利用四節點杠桿法得到豐田A341E和通用4T65E（CR-CR）以及大眾AG4的速度矢量圖，圖解其傳動比并對它們進行多方面的對比，從而為今后自動變速器的自主設計提供參考。

杠桿法；行星齒輪機構；辛普森式行星齒輪機構；拉維娜式行星齒輪機構

0 引言

目前絕大部分轎車自動變速器是采用行星齒輪變速器，最多擋位是10AT，第二款10AT[1]是2016年通用雪佛蘭全新科邁羅ZL1上使用的，它采用的是辛普森式和拉維娜式行星機構的組合，參考文獻[2]對10AT的行星齒輪機構做了一些研究。多速行星齒輪變速器結構原理和傳動比的計算復雜，用的方法很多，如傳統的公式計算法[3]、矩陣法[4]、圖論法[5]、杠桿法[6-7]也叫速度矢量法[8]或圖解法[9]。本文采用杠桿法來分析典型辛普森式CR-SS和改進型辛普森式CR-CR以及拉維娜式的結構，利用四節點杠桿法圖解其傳動比并對它們進行多方面的對比，從而為今后自動變速器的自主設計提供參考。

1 單排行星齒輪機構速度矢量

1.1 單排行星齒輪機構的結構和特征方程

自動變速器行星齒輪機構都是由單排行星齒輪機構組合而成，圖1是兩種常見的單排行星齒輪機構簡圖，其中圖A）是單排單級，圖B）是單排雙級，齒數比α=zR/zS>1，注意的是這里1和α是一種比例關系。

圖1 兩種常見單排行星齒輪機構簡圖

1.2 單排行星齒輪機構的速度矢量圖

單排行星齒輪可以簡化為三節點等效杠桿，圖2是以PC節點作為等效杠桿支點（即行星架PC制動時）的速度矢量圖，圖中用速度矢量nS表示太陽輪S的速度和nR表示齒圈R的速度。

圖2 兩種常見單排行星齒輪機構矢量圖

2 三種常見的并聯雙排行星齒輪機構

計算多排行星機構傳動比時，串聯關系可以由多個單排傳動比連乘得到總傳動比，而并聯關系要把整體作為一個獨立機構來計算傳動比[10]。并聯雙排行星齒輪機構是復雜變速器的基本單元，最常見的三種是典型辛普森式CR-SS、改進型辛普森式CRCR和拉維娜式（可以看成CC-RR）。為了表達方便，本文統一用 Sj、Rj、PCj和 αj表示各構件的第 j排對應的各參數。

2.1 典型辛普森式行星齒輪機構CR-SS

辛普森行星齒輪機構是兩個單排單級行星齒輪機構并聯組合而成，復雜的辛普森行星齒輪機構都是在此基礎上增加和組合其他行星排[11]。典型辛普森式CR-SS也稱為共用太陽輪式，結構如圖3的（A）所示。其特點是PC1和R2連為一體（CR），S1和S2連為一體（SS），構件連接如圖（B），虛線表示連接關系。第一排增加K是為了保證兩排的等效杠桿比例基準一致（即保證連接的兩節點距離相等），可得K=（1+ α2）/α1；把（B）中連接的節點合在一起，得到圖 3 的C）所示的四個節點的等效杠桿圖。

圖3 典型辛普森式CR-SS杠桿圖

2.2 改進型辛普森式行星齒輪機構CR-CR

改進型辛普森式CR-CR也稱為獨立太陽輪式，結構如圖4 A）所示，特點是前后兩排中都是獨立的太陽輪 S1和 S2，PC1與 R2連為一體（CR），R1與 PC2連為一體（RC），改進型辛普森式實質是CR-RC，習慣上寫成CR-CR，它是 CR-SS的改進形式，構件連接如（B）所示，等效杠桿如（C）所示。

圖4 改進型辛普森式CR-CR結構及杠桿圖

2.3 拉維娜式行星齒輪機構

拉維娜式結構如圖5的（A）所示，特點是前后兩排共用R和PC，前排是單排單級（對應大太陽輪S1），后排是單排雙級（對應小太陽輪S2），拉維娜式可以看成CC-RR，構件連接如（B）所示，等效杠桿如（C）所示。

圖5 拉維娜式結構及杠桿圖

3 應用實例

3.1 典型辛普森式CR-SS 4擋變速器

豐田A341E是日本皇冠3.0轎車的自動變速器，它采用典型辛普森式CR-SS串聯一個超速排，其結構示意圖如圖6所示。超速排是單排單級，用下標j=0 來表示該排，α0=ZR0/ZS0=79/33=2.394；CR-SS的前后兩排對應的同名元件完全一樣，所以α1=α2=ZR2/ZS2=79/42=1.881[12].

圖6 豐田A341E自動變速器結構示意圖

豐田A341E各擋換擋元件（離合器、制動器和單向離合器）如表1所示。為了表達方便，把圖3的CR-SS等效杠桿放到放坐標系中，橫坐標表示速度，in表示輸入，一般輸入速度橫坐標X=1，唯一例外的是超速擋輸入速度橫坐標X>1；out線表示輸出線（過輸出元件對應的節點且平行于X軸），第j擋比例線與out線的交點橫坐標值是該擋的輸出速度nj（j=1，2，…）；結合圖3和圖6可得速度矢量如圖7，再由相似三角形，各擋傳動比圖解如下：

表1 豐田A341E自動變速器各擋換擋元件

圖7 豐田A341E速度矢量圖

3.2 改進型辛普森式CR-CR 4擋變速器

別克君威4T65E等自動變速器都采用改進型辛普森式CR-CR結構[13-14]。圖8是通用4T65E自動變速器結構示意圖，α1=ZR1/ZS1=62/26=2.385；α2=ZR2/ZS2=74/42=1.762[15].

圖8 通用4T65E自動變速器結構示意圖

通用4T65E各擋換擋元件如表2所示，結合圖4和圖8可得速度矢量如圖9，由相似三角形，各擋傳動比圖解如下：

表2 通用4T65E自動變速器各擋換擋元件

圖9 通用4T65E速度矢量圖

3.3 拉維娜式4擋變速器

大眾AG4（01M/01N）等自動變速器都采用拉維娜式行星齒輪機構。圖10是大眾AG4自動變速器結構示意圖，α1=ZR/ZS1=57/24=2.375，α2=ZR/ZS2=57/21=2.714[12].

圖10 大眾AG4自動變速器結構示意圖

大眾AG4自動變速器各擋換擋元件如表3所示，結合圖5和圖10可得速度矢量圖如圖11，各擋傳動比圖解如下：

表3 大眾AG4自動變速器各擋換擋元件

圖11 大眾AG4速度矢量圖

3.4 A341E和4T65E以及AG4對比

表4是包含評價參數的A341E和4T65E以及AG4對比，從表中可以看到：（1）改進型辛普森式CR-CR和拉維娜式傳動比非常接近，二者1擋和倒擋的傳動比數值都比典型辛普森式大，說明它們1擋的動力性和倒擋的安全性相對好一些；（2）拉維娜式的工作元件數和換檔元件數最少，說明拉維娜式的成本和故障率方面也有優勢；（3）從尺寸和工藝參數方面，拉維娜式α2=2.714幾乎完美，T=0.875也是三種機構中最好的。

表4 A341E和4T65E以及AG4對比

4 結論

（1）并聯雙排行星齒輪機構可以實現3-4個前進擋和1個倒擋。典型辛普森式CR-SS一般不用它的超速擋，改進型辛普森式CR-CR和拉維娜式用4個前進擋和1個倒擋。

（2）改進型辛普森式CR-CR和拉維娜式等效杠桿各元件相對位置一樣，速度矢量圖僅1擋和2擋不同，這兩種設計方案存在很多相似性。

（3）三種常見的并聯雙排行星齒輪機構中，拉維娜式多方面具有優勢。

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Research on Two-row Parallel Planetary Gear Mechanism Based on Lever Method

ZHANG Guo-fen，SONG Zhen，LU Zhi-qiang，QIAN Feng-jie，YANG Lei
（School of Automobile and Transportation，Wuxi Institute of Technology，Wuxi Jiangsu 214121，China）

As the basic unit of complicated transmission system，two-row parallel planetary gear mechanism is considered as one part in transmission ratio computation.The three mostly used parallel planetary automatic transmissions are simpson CR-SS，Simpson CR-CR and Ravigneaux mechanism.Using 4-node lever method，the velocity vector diagram of TOYOTA A341E，GM 4T65E and Volkswagen AG4 is produced based on their structures，their transmission ratios are illustrated and compared in many aspects，providing references for independent transmission design in the future.

lever method；planetary gear mechanism；simpson mechanism；ravigneaux mechanism

U463.212

A

1672-545X（2017）10-0105-04

2017-07-04

博士啟動基金資助項目（編號：30593117034）

張國芬（1975-），女，湖北蘄春人，博士，講師，主要研究方向為機械傳動技術；宋 震（1976-），男，江蘇無錫人，碩士，講師，主要研究方向為汽車維修技術；盧志強（1982-），男，江蘇無錫人，本科，實驗員，主要研究方向為汽車維修技術；錢鋒杰（1996-），男，江蘇南通人，專科，主要研究方向為汽車維修技術；楊 磊（1997-）男，江蘇宿遷人，專科，主要研究方向為汽車維修技術。