解析德国采埃孚九速自动变速器
2013-04-26河北吴泽辉
◆文/河北 吴泽辉
德国采埃孚集团公司(ZF)是当今世界上最主要的传动系统产品专业制造厂家之一,其主要产品包括机械式变速器、自动变速器和各式齿轮传动箱等。本文重点分析ZF九速自动变速器的动力传递路线(图1),解析ZF的设计理念,希望对于从事自动变速器维修、教学和设计的人员有所启示。
图2是作者自制的ZF九速自动变速器动力传递路线图,该图采用四个单级行星排,可以将第一个行星排和第二个行星排看成一个变速器,将第三个行星排和第四个行星排看成另一个变速器。需要注意各排的连接关系,第一排齿圈与第二排太阳轮连接,第一排行星架和第二排行星架连接作为输出驱动第三排齿圈,第三排行星架和第四排齿圈连接,第三排和第四排太阳轮连接。图中有E、F、B三个离合器和A、D、C三个制动器,由第四排行星架作为输出。下面,依次对ZF九速自动变速器动力传递路线进行分析。
一、一挡动力传递路线分析
图3为一挡时,离合器F接合,驱动第一排齿圈和第二排太阳轮。因为制动器D制动第二排齿圈,所以利用第二排太阳轮驱动行星架减速输出至第三排齿圈。在第三排和第四排,因为制动器A制动两排的太阳轮,在第三排齿圈驱动行星架减速输出至第四排齿圈,在第四排齿圈驱动行星架减速输出。所以一挡时形成三级减速,分别是第二排太阳轮驱动行星架减速、第三排齿圈驱动行星架减速、第四排齿圈驱动行星架减速。
二、二挡动力传递路线分析
图4为二挡时,离合器F保持接合,驱动第一排齿圈和第二排太阳轮。但是制动器C制动第一排太阳轮,所以在第一排太阳轮固定。齿圈驱动行星架减速输出至第三排齿圈,第三排和第四排工作与一挡相同。所以二挡时形成三级减速为第一排齿圈驱动行星架减速、第三排齿圈驱动行星架减速、第四排齿圈驱动行星架减速。
三、三挡动力传递路线分析
图5为三挡时,离合器F保持接合,驱动第一排齿圈和第二排太阳轮,离合器B接合驱动第一排太阳轮。因为第一排太阳轮和齿圈同时被驱动,所以行星架整体输出。第三排和第四排工作与一挡、二挡相同,所以二挡时形成二级减速为第一排整体输出、第三排齿圈驱动行星架减速、第四排齿圈驱动行星架减速。
四、四挡动力传递路线分析
图6为四挡时,离合器E接合驱动第四排齿圈、制动器A保持对第四排太阳轮的制动,第四排行星架在齿圈的驱动下减速输出。四挡时形成一级减速,即第四排齿圈驱动行星架减速。注意在四挡时,第三排行星驱动齿圈将动力传递给第二排和第一排行星架,而离合器F保持接合将动力传递给第一排太阳轮和第二排齿圈。但是第一排太阳轮自由、第二排齿圈自由,所以第一排和第二排不参与动力传递。
五、五挡动力传递路线分析
图7为五挡时,离合器F保持接合,驱动第一排齿圈和第二排太阳轮,离合器B接合驱动第一排太阳轮。因为第一排太阳轮和齿圈同时被驱动,所以行星架整体输出至第三排齿圈。离合器E接合,驱动第三排行星架,在第三排中齿圈和行星架同速,所以第三排太阳轮也同速整体旋转。在第四排齿圈与太阳轮同速,所以驱动行星架同速整体输出,形成直接挡。
六、六挡至九挡动力传递路线分析
前文将第一排和第二排看作一个变速器、将第三排和第四排看作另一个变速器。在很多挡位如一挡、二挡和五挡,动力流从一二排传给三四排,符合动力总是从前向后传递的规律。但从六挡开始,不再认为动力流是从前向后传递,而是将第一排和第二排组成的变速器看作一个制动器,约束第三排的齿圈,这一约束不是完全制动,而是部分约束。
在此引入矢量表示法,用矢量表示行星齿轮机构的运动状态。如图8所示,用线段AB、BC和AC长度代表齿圈、太阳轮和行星架齿数。在单级行星排中,行星架齿数(AC段)等于太阳轮齿数(BC段)加上齿圈齿数(AB段)。用横向带箭头的线段代表转速和转向,线段长度代表转速,箭头方向代表转向。如图中行星架固定情况下,可以看出太阳轮驱动齿圈反向减速;而如果两个同速同向旋转,则第三个形成整体同速同向旋转。
引入矢量表示法可以很容易理解三个构件同时旋转,但转速和转向各异的情况。如图9所示,齿圈和行星架转速相同的情况下,整体驱动太阳轮同速输出。之后在行星架转速不变的情况下,减少齿圈转速,可以看到太阳轮转速将增加。这一原则可以直接应用于六挡、七挡、八挡和九挡的动力传动。
如图10所示,将第三排和第四排分拆出来,在五挡直接传动时,离合器E接合,驱动第三排行星架,第三排行星架和齿圈同速同向,所以驱动第三排太阳轮整体旋转。从图9的分析可知,除非第三排齿圈转速下降直至固定,甚至反转情况下,在第三排行星架转速不变情况下,会增加第三排太阳轮转速。从而带动第四排太阳轮转速增加,最终带动第四排行星架转速增加。控制第三排齿圈转速,实现六挡(第三排齿圈一级减速)、七挡(第三排齿圈二级减速)、八挡(第三排齿圈固定)和九挡(第三排齿圈逆转)的传动。
六挡、七挡、八挡和九挡时,离合器E接合驱动第三排行星架和第四排齿圈。图11为六挡时,制动器C制动第一排太阳轮,离合器F接合驱动第一排齿圈,则第一排行星架在齿圈驱动下形成一级减速,与第一排行星架连接的第三排齿圈一级减速,第三排太阳轮一级增速,第四排行星架一级增速输出。
图12为七挡时,离合器F与六挡相同保持接合,但制动器D制动第二排齿圈,则第二排太阳轮驱动行星架形成二级减速。与第二排行星架连接的第三排齿圈二级减速,第三排太阳轮二级增速,第四排行星架二级增速输出。
图13为八挡时,第一排、二排的制动器C和D制动,第一排和第二排被总体固定,则第三排齿圈被固定。第三排太阳轮三级增速,第四排行星架三级增速输出。
图14为九挡时,第一排和第二排的离合器B接合,制动器D制动。离合器B驱动第一排太阳轮顺转,驱动第一排齿圈逆转,与第一排齿圈连接的第二排太阳轮逆转。制动器D制动第二排齿圈,第二排行星架在太阳轮(逆转)驱动下逆转,带动第一排行星架逆转。最终第三排齿圈低速逆转,第三排太阳轮四级增速,第四排行星架四级增速输出。
七、倒挡动力传递路线分析
图15为倒挡时,第一排和第二排与九挡相同,驱动第三排齿圈减速逆转,在第三排和第四排制动器A制动两排的太阳轮,在第三排逆转的齿圈驱动行星架逆转减速,在第四排逆转的齿圈驱动行星架逆转减速,形成倒挡输出。
八、总结
要熟悉掌握液力自动变速器行星齿轮变速装置,需要四个层次的能力要求:
1.能看懂传动图,能分析挡位传递需求。面对已有的传动图,需要能分析离合器、制动器和单向离合器,各行星排的连接关系,各挡位的动力传递过程。
2.依据传动图能和实物对应起来。在装配时依据传动图可以指导实物装配。从理论结合实际来讲,在从事自动变速器学习和维修中,能将传动图与实物部件一一对应。
3.依据实物图能够画出传动图,并能正确梳理其关系。
4.分析变速器设计特点,针对具体故障分析传递机构潜在的故障部位。