基于輪系運動學(xué)的ZF—9HP自動變速器傳動分析

段永彬　張玉芝　閻炳強

摘 要：ZF-9HP自動變速器是ZF公司近幾年推出的新款9速自動變速器。ZF-9HP自動變速器在動力性能，扭矩傳輸，燃油經(jīng)濟性等方面具有優(yōu)勢，作為未來前驅(qū)車輛的最佳選擇已應(yīng)用于多個廠家的多款車上。本文以9HP48為例敘述了ZF-9HP自動變速器各檔工作元件，並利用行星齒輪系統(tǒng)傳動公式對其各檔傳動比作了詳細的數(shù)學(xué)分析。

關(guān)鍵詞：ZF-9HP；傳動比計算

1 引言

傳統(tǒng)自動變速器的傳動分析較為成熟，計算方法相對簡單[1][2][3][4]，對于7速、8速的變速器有圖解法[5]、輪系法[6]、杠桿法[7] [8] [9]、表格分析法[10]、圖論法[11]等，也有文獻提高簡化的方法[12]，對于9速度變速器多采用杠桿法分析[13]。

ZF-9HP自動變速器齒輪傳動部分含有4套行星齒輪系統(tǒng)、2個制動器C和D、2個離合器和E、2個爪式離合器A和F如圖1所示，動力由左側(cè)輸入由第一排行星架輸出。其結(jié)構(gòu)特殊性在于第三排行星齒輪系統(tǒng)的太陽輪和第四排行星齒輪系統(tǒng)的齒圈是一個整體零件。

ZF-9HP自動變速器電液控制系統(tǒng)通過控制這些元件的工作形成了9個前進檔1個倒擋。從左至右各個齒輪系統(tǒng)齒圈齒數(shù)對太陽輪齒數(shù)的比依次設(shè)定為k1、k2、k3、k4。

2 運動分析

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

設(shè)：輸入轉(zhuǎn)速為n1，輸出轉(zhuǎn)速為n2，則：

第一排太陽輪、齒圈、行星架轉(zhuǎn)速依次為n11，n12，n13；

第二排太陽輪、齒圈、行星架轉(zhuǎn)速依次為n21，n22，n23；

第三排太陽輪、齒圈、行星架轉(zhuǎn)速依次為n31，n32，n33；

第四排行星齒輪太陽輪轉(zhuǎn)速、齒圈轉(zhuǎn)速、行星架轉(zhuǎn)速依次為n41，n42，n43；

根據(jù)ZF-9HP自動變速器結(jié)構(gòu)可知：

n11=n21，n12=n23，n13=n2

n22=n33=n43，=n42

2.2 各擋傳動分析

1檔：工作元件為D、F、A，離合器F將第一、二排太陽輪固定，制動器D將第三排齒圈固定，離合器A帶動第三排太陽輪旋轉(zhuǎn)，則有：

n1+0-（1+k3）n33=0

對于第二排行星齒輪有：

0+k2n33-（1+k2）n23=0

解方程得：

n23=n33==n1 （1）

對于第一排行星齒輪有：

0+k2n23-（1+k1）n2=0

解方程得：

n2=n23…?！? （2）

將（1）代入（2）得：

n2=·n1

2檔：工作元件C、F、A，制動器C將第四排太陽輪固定，對于第四排行星齒輪則有：

0+k4n1-（1+k4）n43=0

解方程得：n43=n1，對于第二排行星齒輪有：

0+k2n22-（1+k2）n43=0

解方程得：

n23=n22=n1

對于第一排行星齒輪有：

0+k1n12-（1+k1）n2=0

解方程得：

n2=·n1

3檔：工作元件B、F、A，離合器B將第四排太陽輪和輸入軸固接，對于第四排行星齒輪則有：n1+k4n1-（1+k4）n43=0

所以：n43=n1 n22=n1 對于第二排行星齒輪則有：

n1+k2n1-（1+k2）n23=0

解方程得：

n23=n1

對于第一排行星齒輪則有：

0+k1n23-（1+k1）n2=0，

得：

n2=·n1

4檔：工作元件E、F、A，合器E將輸入軸與第一排齒圈固接，對于第一排行星齒輪則有：0+k1n1-（1+k1）n2=0

得：

n2=n1

5檔：工作元件B、E、A；四排行星齒輪作為一個整體一起旋轉(zhuǎn)。

n2=n1

6檔：工作元件C、E、A，對于第四排行星齒輪有：

0+k4n1-（1+k4）n22=0

解方程得：

n22=n1

對于第二排行星齒輪有：

n21+k2n22-（1+k2）n1=0 （1）

對于第一排行星齒輪有：

n11+k1n1-（1+k1）n2=0 （2）

（1）-（2）得：

n2=n1

7檔：工作元件D、E、A，對于第三排行星齒輪則有：

n1+0-（1+k3）n33=0 n33=n1

對于第二排行星齒輪則有：

n21+k2n33-（1+k2）n1=0 （1）

對于第一排行星齒輪則有：

n11+k1n1-（1+k1）n2=0 （2）

（1）-（2）得：

在該變速器中，第三排的太陽輪和第四排的齒圈是一個整體零件，在8檔和9檔傳動過程中，第三、四排行星齒輪是共同參與工作的，為了明確第四排的太陽輪、第三排的齒圈、第三、四排行星齒輪的共用行星架在傳動過程中的數(shù)學(xué)關(guān)系，如圖2所示，作如下分析：

首先設(shè)定共用行星架不動，即n3=0，靠近旋轉(zhuǎn)中心的行星輪代碼為a，內(nèi)外齒整體零件代碼為b，其內(nèi)齒數(shù)為Zb1，外齒數(shù)為Zb2，遠離旋轉(zhuǎn)中心的行星輪代碼為c，在此參考系中，中心論轉(zhuǎn)速為n1r，最外齒圈轉(zhuǎn)速為：n2r，則有：

以上兩式相乘

（1）

兩式相乘：

（2）

（1）×（2）得：

令

給行星架附加實際速度n3。則中心輪實際轉(zhuǎn)速為：

n1=n3+n1r n1r=n1-n3；

最外齒圈實際轉(zhuǎn)速為：

n2=n3+n2r n2r=n2-n3

因為，所以：

整理得：

n1-k34n2-（1-k34）n3=0

結(jié)論：雙行星排齒輪傳動公式n1-kn2-（1-k）n3=0仍然適合于第三、四排行星齒輪傳動機構(gòu)，只是k值不同。

8檔：工作元件C、D、E，對于第三排和第四排行星齒輪機構(gòu)則有：

n1-k34·0-（1-k34）n33=0 n33=0

對于第二排行星齒輪則有：

n21+k2·0-（1+k2）n1=0 （1）

對于第一排行星齒輪則有：

n11+k1n1-（1+k1）n1=0 （2）

（2）-（1）：

9檔：工作元件D、B、E。對于第三排和第四排行星齒輪機構(gòu)則有：

n1-k34·0-（1-k34）n33=0 n33=n1

對于第一排行星齒輪則有：

n11+k1n1-（1+k1）n2=0 （1）

對于第二排行星齒輪有：

n21+k2n33-（1+k2）n1=0 （2）

（1）-（2）得：

R檔：工作元件D、B、F，對于第三排和第四排行星齒輪機構(gòu)則有：

n1-k34·0-（1-k34）n33=0

對于第二排行星齒輪有：

0+k2n33-（1+k2）n23=0

（1）

對于第一排行星齒輪則有：

0+k1n23-（1+k1）n2=0 （2）

將（1）代入（2）：

3 結(jié)語

ZF-9HP自動變速器用四排行星齒輪和六個換擋控制元件組成，形成了9個前進檔和1個倒擋，擴展了傳動比的分布，減小了相鄰檔位傳動比的差，這就在傳動結(jié)構(gòu)上為換擋平順性提供了有力條件。

參考文獻：

[1]周建東.談自動變速器中行星輪系的傳動比計算[J].重慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006，15（4）：147-152.

[2]桂乃磐.計算行星輪系傳動比求法的比較研究[J].山西機械，2003.（4）：4-5.

[3]高少華.關(guān)于典型自動變速器傳動比的計算[J].機電技術(shù)，2015，（4）：13-15.

[4]黃鵬.行星輪系傳動比的快速確定[J].機械工程師，2004，（7）：42-43.

[5]Y尤 揚，尤明福，侯國強.基于圖解法的4T65E自動變速器傳動分析[J].現(xiàn)代機械，2015，（1）：32-36.

[6]劉志剛，譚火南.組合行星輪系自動變速器傳動比計算方法[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2013，32（8）：46-47.

[7]李志偉，甘 偉，高奇峰等.基于杠桿法的4T65E自動變速器傳動研究[J].大眾科技，2013，15（11）：94-98.

[8]尤明福，李志偉，甘 偉.基于杠桿法的8速自動變速器傳動方案的設(shè)計[J].中國機械工程，23（23）：2801-2804.

[9]賈振華，郟國中，無心平.基于行星輪的8速自動變速器傳動比計算[J].汽車實用技術(shù)，2011（9）：39-41.

[10]張琳.行星輪系的表格分析法[J].機械傳動，1998，22（2）：46-47.

[11]肖麗萍，秦曼華.基于圖論的行星輪系傳動比分析[J].機械工程與自動化，2006，（4）：126-127.

[12]馮 仲，陳甲虎，張華平.復(fù)雜行星輪系傳動比計算的簡化法[J].機械傳動，201236（3）：95-96.

[13]李明圣，李 勇，蘭 瑩.于杠桿法的ZF9速自動變速器傳動路線和擋位擴展分析[J].2014，38（4）：146-148.