通用福特10檔自動(dòng)變速箱速比計(jì)算的研究

朱新明，穆金輝

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東 深圳 518118）

前言

美國(guó)通用和福特聯(lián)合開(kāi)發(fā)全球第一款基于行星齒輪機(jī)構(gòu)的10檔電控液力自動(dòng)變速箱。通用的變速箱代號(hào)為10LX，福特代號(hào)為 10RX。變速箱代號(hào)的意思為：“10”表示有 10個(gè)前進(jìn)擋；“R”即rear[1]，“L”即longitude，均表示適用于縱置平臺(tái)的后驅(qū)或四輪驅(qū)動(dòng)；“X”表示該系列不同型號(hào)變速箱的代號(hào)[2]，通用的變速箱型號(hào)有10L80和10L90[1]。

1 變速箱的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)

該型號(hào)10檔變速箱實(shí)物剖面圖請(qǐng)見(jiàn)圖1[4]：

該變速箱具有諸多突出優(yōu)點(diǎn)：

① 變速箱總前進(jìn)檔位有10個(gè)和1個(gè)倒檔，其中6個(gè)低速檔位，1個(gè)直接檔以及3個(gè)超速檔；

② 采用4排普通單級(jí)行星齒輪機(jī)構(gòu)；

③ 共計(jì)有6組換擋元件，2組制動(dòng)器和4組離合器控制換擋。與此同時(shí)，一組制動(dòng)器和一組離合器采用內(nèi)嵌式被嵌入到相應(yīng)的制動(dòng)器和離合器里面；

④ 換擋元件執(zhí)行任何換擋時(shí)，每一個(gè)檔位均是有4組換擋元件是閉合的，2組換擋元件是斷開(kāi)的以減小摩擦損失；

圖1 福特通用聯(lián)合聯(lián)合開(kāi)發(fā)10檔變速箱剖面圖

⑤ 變速箱集成化程度非常高，整體結(jié)構(gòu)非常緊湊。采用全鋁制造總體重量?jī)H為 106kg[5]。由于內(nèi)嵌式執(zhí)行元件的采用，使得變速箱的總體尺寸和ZF8檔變速箱差不多[4]。ZF的8檔變速箱所采用的變速箱制動(dòng)器布局和該型號(hào)變速箱類似，區(qū)別在于ZF變速箱的B1/B2離合器不是采用的通用福特變速箱的內(nèi)嵌式制動(dòng)器，從占用空間位置的角度來(lái)講，ZF變速箱的這部分軸向尺寸要大于通用福特變速箱的軸向尺寸。

通用福特聯(lián)合開(kāi)發(fā)的10檔變速箱與ZF8檔變速箱對(duì)比圖請(qǐng)見(jiàn)圖2[4]；

圖2 ZF 8檔變速箱與福特通用10檔變速箱結(jié)構(gòu)對(duì)比

該變速箱動(dòng)力傳遞部分原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖請(qǐng)見(jiàn)圖3：

圖3 變速箱動(dòng)力傳遞部分原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

各行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒數(shù)和速比請(qǐng)見(jiàn)下表1[6]：

表1 各行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒數(shù)和速比

2 執(zhí)行器組合分析、速比計(jì)算

2.1 各執(zhí)行器組合分析

B1/B2兩組制動(dòng)器，C1/C2/C3/C4四組離合器：如果制動(dòng)器B1/B2均參與工作，離合器C1/C2/C3/C4挑選兩個(gè)參與工作，工作組合數(shù)為；如果A或B制動(dòng)器參與工作，C1/C2/C3/C4挑選三個(gè)參與工作，工作組合數(shù)為；如果制動(dòng)器B1/B2均不參與工作，那么只有離合器C1/C2/C3/C4工作，工作組合數(shù)為n=1。總結(jié)各工作組合如下表2：

表2 各執(zhí)行器工作組合表

結(jié)合該變速箱實(shí)際的結(jié)構(gòu)對(duì)15種工作組合進(jìn)行分析：當(dāng)制動(dòng)器B1/B2均參與工作時(shí)，離合器C3/C4與離合器C3/C1以及離合器 C3/C2這三種工作模式下的變速箱速比是一樣的。此時(shí)制動(dòng)器B1/B2制動(dòng)，P1的太陽(yáng)輪、行星架和齒圈均不動(dòng)，則P4齒圈不動(dòng)，離合器C3結(jié)合輸入到P4太陽(yáng)輪，P4行星架輸出。另外C1/C2離合器閉合時(shí)，P2齒圈鎖止，由于P2太陽(yáng)輪也鎖止，導(dǎo)致P2行星架制動(dòng)，此時(shí)無(wú)法工作；當(dāng)只有B制動(dòng)器工作時(shí)，如果離合器C1/C3/C4也結(jié)合的話，此時(shí)P4齒圈直接連接到P1行星架上，P1太陽(yáng)輪鎖止，P1齒圈無(wú)動(dòng)作，則P1行星架無(wú)輸入，故P4行星架無(wú)輸出。整理得到該變速箱各執(zhí)行器有效工作組合如下表3：

表3 各執(zhí)行器有效工作組合表

2.2 速比計(jì)算

a.制動(dòng)器B1/B2+離合器C3/C1或C3/C2或C3/C4速比

制動(dòng)器B1/B2制動(dòng)，P1/P2太陽(yáng)輪、P1齒圈、P1行均固定則P4齒圈固定。C3離合器結(jié)合，帶動(dòng)P4太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)，P4行星架作為輸出，有如下關(guān)系：

得：

b.制動(dòng)器B1/B2+離合器C1/C4速比

制動(dòng)器B1/B2制動(dòng)，P1/P2太陽(yáng)輪、P1齒圈、P1行星架均固定則與P1行星架相連的P4齒圈也固定。C1/C4離合器結(jié)合，P2齒圈同時(shí)輸入到P3行星架和P3太陽(yáng)輪，則P3齒圈以與P2齒圈相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)并輸入到P4太陽(yáng)輪。此時(shí)P4行星架作為輸出，存在如下關(guān)系：

得：

c.制動(dòng)器B1/B2+離合器C2/C4速比

制動(dòng)器B1/B2制動(dòng)，P1/P2太陽(yáng)輪、P1齒圈、P1行星架均固定則與P1行星架相連的P4齒圈也固定。離合器C2/C4離合器結(jié)合，P2齒圈輸入到P3太陽(yáng)輪，P3行星架固定，則P3齒圈輸出到P4太陽(yáng)輪。此時(shí)P4行星架作為輸出，存在如下關(guān)系：

得：

d.制動(dòng)器B1+離合器C1/C2/C3速比

制動(dòng)器B1制動(dòng)，離合器C1/C2/C3工作。此時(shí)P1/P2相當(dāng)于一個(gè)辛普森式復(fù)合行星齒輪機(jī)構(gòu)，P4行星架作為輸出，存在如下關(guān)系：

得：

e.制動(dòng)器B1+離合器C1/C2/C4速比

制動(dòng)器B1制動(dòng)，離合器C1/C2/C4工作。此時(shí)P1/P2相當(dāng)于一個(gè)辛普森式復(fù)合行星齒輪機(jī)構(gòu)。P3/P4所有元件等速。P4行星架作為輸出，存在如下關(guān)系：

得：

f.制動(dòng)器B1+離合器C2/C3/C4速比

制動(dòng)器B1制動(dòng)，離合器C2/C3/C4工作。離合器C2/C4結(jié)合，P1行星架連接到P3行星架上。P2行星架作為輸入，P1行星架作為輸出，P2齒圈輸出到P3太陽(yáng)輪，P1行星架經(jīng)離合器D和F到P3行星架，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力另外經(jīng)過(guò)C3離合器連接到P3齒圈和P4太陽(yáng)輪上作為輸入。P4太陽(yáng)輪和P4齒圈均有輸入，P4行星架作為輸出，存在如下關(guān)系：

得：

g.制動(dòng)器B1+離合器C1/C3/C4速比

制動(dòng)器B1制動(dòng)，離合器C1/C3/C4工作，P1齒圈鎖止。動(dòng)力從P2行星架輸入，P1/P2共用太陽(yáng)輪，P1行星架和P2齒圈輸出。由于C1/C3/C4離合器閉合，P2/P3所有元件等速旋轉(zhuǎn)。P1齒圈固定，P1行星架輸出到P4齒圈，P4行星架作為輸出，存在如下關(guān)系：

得：

h.制動(dòng)器B2+離合器C1/C2/C3速比

制動(dòng)器B2制動(dòng)，P2太陽(yáng)輪鎖止，P2行星架輸入，P2齒圈輸出到P3太陽(yáng)輪，經(jīng)離合器C1后到離合器C2再到P4齒圈，從發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)來(lái)的動(dòng)力到離合器C3之后再到P4太陽(yáng)輪。P4齒圈和太陽(yáng)輪共同輸入，P4行星架作為輸出，存在如下關(guān)系：

得：

i.制動(dòng)器B2+離合器C1/C2/C4速比

制動(dòng)器B2制動(dòng)， P2太陽(yáng)輪鎖止，P2行星架輸入，P2齒圈輸出到P3太陽(yáng)輪，經(jīng)離合器C1后到離合器C2和離合器C4,離合器C2到P4齒圈，離合器C4到P3行星架，P3齒圈輸出到P4太陽(yáng)輪。P4齒圈和太陽(yáng)輪共同輸入。P4行星架作為輸出，存在如下關(guān)系：

得：

j.制動(dòng)器B2+C2/C3/C4工作速比

制動(dòng)器B2制動(dòng)，P2行星架輸入，P2齒圈輸出到P3太陽(yáng)輪，P3行星架輸出到P4齒圈。P4齒圈和太陽(yáng)輪共同輸入，P4行星架作為輸出，存在如下關(guān)系：

得：

k.無(wú)制動(dòng)器，離合器C1/C2/C3/C4速比

無(wú)制動(dòng)器制動(dòng)，P1/P2/P3/P4所有旋轉(zhuǎn)元件全部旋轉(zhuǎn)，此時(shí)輸出等于輸入，直接比傳動(dòng)：

對(duì)上述計(jì)算所得數(shù)據(jù)結(jié)合相應(yīng)各換擋執(zhí)行元件分析可得各個(gè)檔位及執(zhí)行元件關(guān)系表，見(jiàn)表4：

表4 檔位-換擋元件-速比關(guān)系表

上述計(jì)算所得速比與福特汽車向美國(guó)專利商局提交的專利文件《8545362B1》[7]完全一致。

3 總結(jié)

該型號(hào)變速箱從設(shè)計(jì)上力求緊湊有利于減輕重量并減小總體尺寸；變速箱齒比范圍非常綿密從而有利于日常駕駛的動(dòng)力發(fā)揮和提高車輛平順性。筆者認(rèn)為這是一款通用和福特工程師們匠心獨(dú)具的智慧結(jié)晶。