CR-CR式多擋自動(dòng)變速器速度平面構(gòu)建與分析方法

宮 濤，郝孟軍，羅美琴

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與軌道交通學(xué)院，四川 宜賓 644003)

0 引 言

多擋自動(dòng)變速器多以拉維娜式、辛普森式及CR-CR式行星齒輪機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，增加1-2排行星排而形成[1]。其中CR-CR型行星齒輪機(jī)構(gòu)所用元件更少，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量更輕，被廣泛采用在多擋變速器中[2]。CR-CR式行星齒輪機(jī)構(gòu)是雙行星齒輪排機(jī)構(gòu)，前排行星架與后排齒圈固定連接，前排齒圈與后排行星架固定連接[3]。由CR-CR式行星齒輪機(jī)構(gòu)組成的自動(dòng)變速器自由度多，傳動(dòng)比計(jì)算復(fù)雜[4]，常用的方法有公式計(jì)算法[5]、矩陣方法[6]、圖論法[7]、杠桿法[8]等。杠桿法最直觀，廣泛運(yùn)用在行星齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)特性分析、計(jì)算驗(yàn)證和研究設(shè)計(jì)中[9-14]。對(duì)CR-CR型自動(dòng)變速器，計(jì)算法需要記憶公式，不能反映運(yùn)動(dòng)情況，傳統(tǒng)杠桿法不夠立體。

如何能不用傳統(tǒng)公式進(jìn)行計(jì)算傳動(dòng)比，又能立體展示各元件的運(yùn)動(dòng)情況，要對(duì)現(xiàn)有方法上進(jìn)行改進(jìn)。筆者以CR-CR型6速自動(dòng)變速器為例，提出一種基于傳統(tǒng)杠桿法建立速度矢量，構(gòu)建以固定元件為回轉(zhuǎn)中心的速度平面，來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和傳動(dòng)比計(jì)算。

1 CR-CR型6速自動(dòng)變速器機(jī)械結(jié)構(gòu)

GF6自動(dòng)變速器由2組離合器、3組制動(dòng)器、1組單項(xiàng)離合器、3組行星齒輪組(結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示)構(gòu)成[15]。通過不同執(zhí)行元件的工作，產(chǎn)生6個(gè)前進(jìn)擋和1個(gè)倒車擋(各擋位執(zhí)行元件工作情況如圖2所示)。

圖1 GF6 自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

2 建立等效平面

采用等效杠桿法，將圖1中3個(gè)行星齒輪排進(jìn)行等效簡(jiǎn)化(如圖3所示)，將3個(gè)支點(diǎn)分別表示太陽輪Si、行星架Pi和齒圈Ri。其中Si表示行星齒輪排i的太陽輪，Pi表示行星齒輪排i的行星架，Ri表示行星齒輪排i的齒圈，設(shè)PiRi=1，則SiPi=αi，αi為行星齒輪排i的齒圈齒數(shù)與太陽輪齒數(shù)之比，i=1、2、3。

圖2 各擋位執(zhí)行元件工作情況

圖3 行星齒輪排等效杠桿圖

根據(jù)GF6自動(dòng)變速器行星齒輪機(jī)構(gòu)之間的連接關(guān)系，將其進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的各行星齒輪排處于同一平面內(nèi)(如圖4所示)。

圖4 GF6 自動(dòng)變速器行星齒輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化平面

在行星齒輪排簡(jiǎn)化平面上，構(gòu)建垂直于平面的速度矢量，規(guī)定向上的方向?yàn)檎?，便可以根?jù)杠桿的基本關(guān)系對(duì)各支點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和受力進(jìn)行分析。

3 構(gòu)建速度平面及傳動(dòng)比計(jì)算

3.1 D位1擋速度平面及傳動(dòng)比計(jì)算

D位1擋時(shí)，換擋執(zhí)行元件B1和OWC(單向鎖止)工作，B1用來固定S1，OWC用來固定P3(R2)。動(dòng)力由S2輸入，P1輸出。構(gòu)建D位1擋速度矢量圖如圖5所示，所有工作元件的速度均在以S1-P3為回轉(zhuǎn)中心的速度平面上。

S2A1表示S2速度，P2C1表示P2(R1)速度，P1B1表示P1(R3)速度。

圖5 D位1擋速度平面

由相似三角形得：

(1)

(2)

由公式(1)、(2)相乘得：

(3)

因此，D位1擋傳動(dòng)比為：

3.2 D位2擋速度平面及傳動(dòng)比計(jì)算

D位2擋時(shí)，參與工作的換擋執(zhí)行元件有B1和B3，B1用來限制S1轉(zhuǎn)動(dòng)，B2用來限制S3轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)力由S2輸入，P1輸出。構(gòu)建D位2擋速度矢量圖如圖6所示，所有工作元件的速度均在以S1-S3為回轉(zhuǎn)中心的速度平面上。

圖6 D位2擋速度平面

S2A2表示S2速度，P1B2表示P1(R3)速度，P2C2表示P2(R1)速度，P3D2表示P3(R2)速度。

由相似三角形原理得：

(4)

(5)

(6)

由公式(4)、(5)分別得：

(7)

(8)

將式(7)、(8)代入公式(6)得：

(9)

因此，D位2擋傳動(dòng)比為：

3.3 D位3擋速度平面及傳動(dòng)比計(jì)算

D位3擋時(shí)，參與工作的換擋執(zhí)行元件有B1和C1，B1用來限制S1轉(zhuǎn)動(dòng)，C1用來將輸入軸動(dòng)力傳遞至S3。構(gòu)建D位3擋速度矢量圖如圖7所示，所有工作元件的速度均在以S1為回轉(zhuǎn)中心的速度平面上。

S2A3表示S2速度，S3C3表示S3速度，均為輸入速度，P1D3表示P1(R3)速度，P3F3表示P3(R2)速度，P2E3表示P2(R1)速度。

圖7 D位3擋速度平面

由相似三角形原理得：

(10)

(11)

(12)

因S2與S3速度相同，故：

S2A3=S3C3

(13)

由式(10)得：

(14)

將式(13)、(14)代入式(12)得：

因此，D位3擋傳動(dòng)比為：

3.4 D位4擋速度平面及傳動(dòng)比計(jì)算

D位4擋時(shí)，參與工作的換擋執(zhí)行元件有B1、C2，B1用來限制行星S1轉(zhuǎn)動(dòng)，C2用來將輸入軸動(dòng)力傳遞至P3(R2)。D位4擋速度矢量圖如圖8所示，所有工作元件的速度均在以S1為回轉(zhuǎn)中心的速度平面上。

S2A4表示S2速度，P3C4表示P3(R2)速度，P1D4表示P1(R3)速度，P2B4表示P2(R1)速度。

圖8 D位4擋速度平面

由相似三角形得：

(15)

因S2與P3速度相同，

故S2A4=P2B4=P3C4

因此，D位4擋傳動(dòng)比為：

3.5 D位5擋速度平面及傳動(dòng)比計(jì)算

D位5擋時(shí)，參與工作的換擋執(zhí)行元件為C1和C2，C2作用是將輸入軸動(dòng)力傳遞至P3(R2)，C1作用是將輸入軸動(dòng)力傳遞至S3。構(gòu)建D位5擋速度速度平面如圖9所示。S3D5表示S3速度，P3C5表示P3(R2)速度，R3E5表示P1(R3)速度。

圖9 D位5擋速度平面

圖中S3、P3同為輸入，速度相同，根據(jù)行星齒輪運(yùn)動(dòng)特性得S3、P3、R3同速同向轉(zhuǎn)動(dòng)，D位5擋傳動(dòng)比為：

3.6 D位6擋速度平面及傳動(dòng)比計(jì)算

D位6擋時(shí)，參與工作的換擋執(zhí)行元件有B3和C2，只有行星齒輪排3參與工作，B3用來限制S3轉(zhuǎn)動(dòng)，C2作用是將輸入軸動(dòng)力傳遞至P3。構(gòu)建D位6擋速度平面如圖10所示。P3C6表示P3(R2)速度，P1B6表示P1(R3)速度。

圖10 D位6擋速度平面

由相似三角形得：

(16)

因此，D位6擋傳動(dòng)比為：

3.7 R擋速度平面及傳動(dòng)比計(jì)算

R擋時(shí)，參與工作的換擋執(zhí)行元件有OWC和C1，OWC用來限制P3(R2)的轉(zhuǎn)動(dòng)，C1作用是將輸入軸動(dòng)力傳遞至S3。構(gòu)建R擋速度平面如圖11所示。P1CR表示P1(R3)速度，S3BR表示S3速度。

圖11 R擋速度平面

由相似三角形得：

(17)

因此，R擋傳動(dòng)比為：

式中：“-”用來表示方向相反。

結(jié)合表1傳動(dòng)比值及傳動(dòng)比式，由D位1擋、2擋、4擋及R擋建立方程，聯(lián)立解方程得α1=2.24，α2=2.08，α3=2.87，帶入其它傳動(dòng)比式驗(yàn)證，結(jié)果正確。

表1 GF6各擋傳動(dòng)比式及比值

4 結(jié) 語

對(duì)一種CR-CR型多擋自動(dòng)變速器進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析并計(jì)算了傳動(dòng)比。采用杠桿法，構(gòu)建基于元件連接平面的空間速度矢量圖，建立各工作元件速度平面，利用相似三角形原理，計(jì)算并驗(yàn)證各擋位傳動(dòng)比；提供了一種計(jì)算更簡(jiǎn)單，能立體展示元件運(yùn)動(dòng)狀況和速度關(guān)系的實(shí)用方法，能有效輔助教學(xué)和設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)掌握，豐富了自動(dòng)變速器研究理論基礎(chǔ)。