机械定轴式自动变速器的研究

机械定轴式自动变速器的研究

石功名1，尤明福2，侯国强2

(1.河源技师学院，广东河源517000；2.天津职业技术师范大学，天津300222)

摘要：机械定轴式自动变速器具有结构简单、传动效率高、易于制造和生产继承性好等优点。介绍了定轴式自动变速器的发展、分析了当今市场两种典型的定轴式自动变速器，并设计出了一种新式的定轴式自动变速器。

关键词:定轴式自动变速器发展新设计

中图分类号：TH122文献标识码：A

作者简介：石功名(1982-)，男，河源技师学院讲师。

收稿日期：2015-04-20

Researchonmechanicalfixed-shaftautomatictransmission

SHIGongming，YOUMingfu，HOUGuoqiang

Abstract:The mechanical fixed-shaft automatic transmission has the advantages of simple structure, high transmission efficiency, easy manufacturing and production of inheritance etc.. This paper introduces the development of fixed-shaft automatic transmission, analyzes two kinds of typical fixed-shaft automatic transmission on the market today, and designs a new type of fixed-shaft automatic transmission.

Keywords:fixed-shaft automatic transmission；development；redesign

0引言

目前，车辆自动变速器大多采用齿轮传动有级变速器。齿轮变速器主要分为行星齿轮式和定轴式两种基本类型。定轴式自动变速器又称平行轴式自动变速器。1979年由日本本田公司率先研制生产出了3速平行轴式自动变速器[1]。之后瑞典斯堪尼亚公司的CAG系统、美国伊顿公司的SAMT系统其齿轮传动部分均采用了定轴式布置[2]。

定轴式自动变速器的换挡操纵机构与普通手动机械式变速器的机械换挡部分基本相同，而在电子控制方面引入了微机控制电液伺服操纵机构，能够将检测到的汽车行驶工况(节气门开度、发动机转速和车速等)信号，输入控制器，经控制器分析处理，按控制器内的换挡规律向电子阀发出换挡指令，进行液压油路的转换，最终实现档位的自动转换。

1大众0AM自动变速器

1.1大众0AM自动变速器结构简介

大众0AM直接换挡自动变速器是典型的电控机械式自动变速器(AMT)，又称为双离合器机械自动变速器(DCT)[3]。其换挡时传动动力不间断，从而为乘员提供相当好的乘坐舒适性。大众0AM直接换挡自动变速器采用干式双离合器设计，拥有两个输入轴和三个输出轴。其结构简图如图1所示。

图1　大众0AM直接换挡自动变速器结构简图

由图1可知大众0AM自动变速器的结构特点如下：

0AM自动变速器具有两个干式离合器K1、K2，可以分别与双质量飞轮接合，将发动机输出转矩传递至变速器输入轴1和输入轴2。输入轴1贯穿于空心的输入轴2中。两根输入轴通过球轴承支承在变速器壳体上。其中输入轴1上制有1档、3档、5档和7档齿轮；输入轴2上制有2档、4档、6档和R档齿轮；输出轴1上空套有1档、2档、3档和4档输出齿轮；输出轴2空套有5档、6档、7档和R1齿轮，制有R档惰轮；输出轴3上制有R档输出齿轮R2。

1.2大众0AM自动变速器换挡过程分析

由表1可知大众0AM自动变速器各档位换挡过程如下。1档：K1离合器接合，动力传动至输入轴1，固连于输入轴1的1档齿轮带动空套在输出轴1上的1档输出齿轮转动，结合套J1-3左移，将动力传至输出轴1；2档：K2离合器接合，动力传动至输入轴2，固连于输入轴2的2档齿轮带动空套在输出轴1上的2档输出齿轮转动，结合套J2-4右移，将动力传至输出轴1；3档：K1离合器接合，动力传动至输入轴1，固连于输入轴1的3档齿轮带动空套在输出轴1上的3档输出齿轮转动，结合套J1-3右移，将动力传至输出轴1；4档；K2离合器接合，动力传动至输入轴2，固连于输入轴2的4档齿轮带动空套在输出轴1上的4档输出齿轮转动，结合套J2-4左移，将动力传至输出轴1；5档：K1离合器接合，动力传动至输入轴1，固连于输入轴1的5档齿轮带动空套在输出轴2上的5档输出齿轮转动，结合套J5-7左移，将动力传至输出轴2；6档：K2离合器接合，动力传动至输入轴2，固连于输入轴2的6档齿轮带动空套在输出轴2上的6档输出齿轮转动，结合套J6-R左移，将动力传至输出轴2；7档：K1离合器接合，动力传动至输入轴1，固连于输入轴2的7档齿轮带动空套在输出轴2上的7档输出齿轮转动，结合套J5-7右移，将动力传至输出轴2；R档：K2离合器接合，动力传动至输入轴2，固连于输入轴2的R档齿轮带动空套在输出轴2上的R1齿轮转动，结合套J6-R右移，将动力传至固连于输出轴2的R档惰轮，进而带动固连于输出轴3的R档输出齿轮R2转动，动力由输出轴3输出。

表1大众0AM自动变速器各档结合元件工作表

结合元件离合器结合套K1K2J1-3J2-4J5-7J6-R档位1○○(左)2○○(右)3○○(右)4○○(左)5○○(左)6○○(左)7○○(右)R○○(右)

大众0AM自动变速器在奇数档和偶数档之间换挡时，可以通过预先结合结合套(同步器)，再转换离合器K1、K2，从而保证动力不间断，实现平稳换挡。但其在奇数档之间或偶数档之间转换时仍然是同步器切断动力换挡，将对换挡响应和换挡操作产生一定的不利影响[4]。

2本田Smatic定轴式自动变速器

2.1本田Smatic定轴式自动变速器结构简介

图2　本田Smatic定轴式自动变速器传动简图

在当今绝大多数液力机械式自动变速器(HMT)采用行星齿轮变速器的趋势下，本田Smatic自动变速器仍然采用定轴式结构。它由三根轴(输入轴，中间轴和输出轴)，4个换挡离合器和一个结合套组成，可实现4个前进档，1个后退档[5]。其中4个前进档采用摩擦结合元件换挡，可实现不切断动力，从而不停车换档。前进档与倒档之间的转换是通过结合套实现的。由于采用前轮驱动，自动变速器和驱动桥合为一体，因此动力传递路线短，结构更紧凑。

2.2本田Smatic定轴式自动变速器换挡过程分析

由表2可知，本田Smatic定轴式自动变速器各档位换挡过程如下：1档：动力由输入轴齿轮传递至空套在输出轴上的齿轮，再传递到中间轴，此时C1离合器接合，空套在中间轴上的齿轮与中间轴连为一体，带动与之啮合的输出轴齿轮转动，动力经主减速器主动齿轮传出； 2档：与1档时类似，C2离合器接合，空套在中间轴上的齿轮与中间轴连为一体，带动与之啮合的输出轴齿轮转动，动力经主减速器主动齿轮传出；3档：C3离合器结合，空套在输入轴上的齿轮与输入轴连为一体，动力由输入轴直接传递至输出轴经主减速器减速传出；4档：C4离合器结合，空套在输入轴上的齿轮与输入轴连为一体，结合套左移，动力由输入轴直接传递至输出轴经主减速器减速传出；R档：C4离合器结合，空套在输入轴上的齿轮与输入轴连为一体，结合套右移，动力经倒档惰轮传递至输出轴，再经主减速器减速输出。

表2本田Smatic定轴式自动变速器各档结合

元件工作表

本田Smatic定轴式自动变速器各前进档换挡时只需变换一个结合元件，从而可有效减小换挡冲击，提升换挡品质和换挡舒适性。

3一种新设计的定轴式自动变速器

3.1新设计的定轴式自动变速器结构简介

针对大众直接换挡自动变速器换挡时可能出现的动力中断现象和本田定轴式自动变速器档位数较少，已不能够满足当今汽车市场自动变速器多档化的要求的情况。笔者新设计了一种液力定轴式自动变速器，它具有5个减速档，1个直接档，1个超速档和1个倒档。

图3所示为新设计的定轴式自动变速器结构简图。它具有一个输入轴，两个输出轴，和一个中间轴。其中输入轴与液力变矩器涡轮固连，输入轴上有离合器C3、C4；中间轴与行星排太阳轮制为一体；齿轮1、2、3与行星排行星架制为一体，空套在中间轴上；齿轮4、5、6空套在输出轴1上；齿轮7、8空套在输出轴2上。离合器C3连接行星排齿圈和输入轴，离合器C4连接行星排太阳轮和输入轴，制动器B制动行星排太阳轮。

图3　新设计的定轴式自动变速器结构简图

3.2新设计的定轴式自动变速器换挡过程分析

由表3可知新设计的定轴式自动变速器各档位换挡过程如下。1档：离合器C3、制动器B和结合套C1工作。行星排齿圈和输入轴连为一体，太阳轮被制动，行星架减速输出至中间轴齿轮2，带动与之啮合的齿轮5转动，此时结合套C1右移，动力经输出轴1上的常啮合齿轮输出；2档：离合器C3、制动器B和结合套C2工作。与1档时相同，行星架减速输出至中间轴齿轮2，带动与之啮合的齿轮7转动，此时结合套C2右移，动力经输出轴2上的常啮合齿轮输出；3档：离合器C3、制动器B和结合套C1工作。与1档时相同，行星架减速输出至中间轴齿轮3，带动与之啮合的齿轮6转动，此时结合套C1左移，动力经输出轴1上的常啮合齿轮输出；4档：离合器C3、C4和结合套C1工作。此时前行星排整体输出至中间齿轮2，带动与之啮合的齿轮5转动，此时结合套C1右移，动力经输出轴1上的常啮合齿轮输出；5档：离合器C3、C4和结合套C2工作，此时前行星排整体输出至中间齿轮2，带动与之啮合的齿轮7转动，此时结合套C2右移，动力经输出轴2上的常啮合齿轮输出；6档：离合器C3、C4和结合套C1工作。此时前行星排整体输出至中间轴齿轮3，带动与之啮合的齿轮6转动，结合套C1左移，动力经输出轴1上的常啮合齿轮输出；7档：离合器C3、C4和结合套C2工作，此时前行星排整体输出至中间齿轮3，此时结合套C2左移，动力经输出轴2上的常啮合齿轮输出；R档，离合器C3、CR和制动器B工作，行星排齿圈和输入轴连为一体，太阳轮被制动，行星架减速输出至中间轴齿轮1，经倒档惰轮带动空套在输出轴1上的齿轮4转动，此时离合器CR将齿轮4与输出轴1连为一体，动力减速输出。其中1、2、R档为二级减速，3、4、5为一级减速，6档为直接档，7档为一级超速。

表3新设计的定轴式自动变速器各档结合

元件工作表

由表3可知新设计的定轴式自动变速器各前进档相邻档位之间换挡时只需改变一个结合元件，从而减少了控制系统设计的复杂度，降低了换挡冲击，改善了换挡品质。同时由于离合器C3参与了所有档位工作，工作强度大，因此为防止离合器C3过度磨损失效，离合器C3摩擦片片数应多于离合器C4和CR，且应采用摩擦系数μ值更大，传热性好，热容量大和耐热极限高的摩擦材料。并且在液压系统设计时，应充分考虑离合器C3的冷却问题。

新设计的定轴式自动变速器输入轴与液力变矩器涡轮相连，仍属于液力机械式自动变速器(HMT)范畴。与本田定轴式自动变速器相比加入了一个行星排，档位数增加为7个，使得速比间隔更均匀，更好的提高了驾乘人员的乘坐舒适性。

4结论

定轴式自动变速器传动效率高、成本低、结构简单；生产继承性好，维修方便。但其也存在着一些弊端，如换挡过程动力可能中断，舒适性有待提高等。因此应对其进行改进，设计出采用液力变矩器和平行轴式齿轮传动机构的液力平行轴式自动变速器。液力平行轴式自动变速器是在AT和AMT的基础上发展起来的新型自动变速箱，它具有AT和AMT的优点，同时避免了AT制造成本高和AMT控制复杂的缺点，是我国越野用自动变速器和商用车辆自动变速器的一个发展方向[6]。笔者据此新设计的定轴式自动变速器，只是在机械传动方面对其进行了创新，并未涉及液压控制系统和电子控制部分设计。同时对各档位传动比仅做了定性研究，未按照机械设计中的标准模数结合各档位情况对各工作齿轮齿数进行精确计算，据此得出各档位传动比数值，并利用软件仿真验证，这在今后的研究中有待于近一步完善和提高。

参考文献

[1]杨妙梁.车用自动变速器发展概述[J].上海汽车，1994.5：31

[2]李贤彬，鲁民巧.汽车自动变速器的历史、现状及发展趋势[J].邢台职业技术学院学报，2006.6:22

[3]冯永忠.大众车系0AM直接换挡变速器维修图册[M].北京：机械工业出版社，2010.5：1、11、15-19

[4]黄宗益.现代轿车自动变速器原理和设计[M].上海：同济大学出版社，2006：18-19

[5]黄宗益.现代轿车自动变速器原理和设计[M].上海：同济大学出版社，2006：44-45

[6]张祥平.提高液力平行轴式自动变速器换挡品质关键技术研究[D].长春：吉林大学硕士论文，2011