液力自动变速器行星齿轮传动系简析

赵海燕，王乐

（西安双特智能传动有限公司，陕西 西安 710119）



液力自动变速器行星齿轮传动系简析

赵海燕，王乐

（西安双特智能传动有限公司，陕西 西安 710119）

摘 要：文章分析了ZF公司五档、六档、八档、九档液力自动变速器行星齿轮传动系统的传动路线，并进行比较，通过分析为同类型自动变速器及其他行星齿轮传动系统的开发及设计提供参考。

关键词：自动变速器；换挡逻辑；行星齿轮传动系统

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.059

CLC NO.: U463.4Document Code: BArticle ID: 1671-7988(2016)04-165-03

引言

在现代汽车工业中，液力自动变速器作为车用变速器的高端产品一直被国外汽车零部件公司所垄断，其中德国采埃孚集团（以下简称ZF公司）的产品开发及设计能力一直处于领先水平。其设计的五档、六档、八档、九档液力自动变速器产品已经是全球高端轿车的标准配置。本文旨在通过分析其不同产品的传动路线及换挡逻辑为国内技术人员在行星齿轮传动系统及换挡逻辑的概念设计提供一定的帮助和参考。

1、不同变速器传动路线及换挡逻辑分析

1.1 五档自动变速器传动路线及换挡逻辑

五档自动变速器以ZF公司5HP24变速器为例分析。该款变速器用于宝马、路虎、捷豹等多款高端车型。5HP24主要由三组单级行星齿轮组和七组换挡元件组成，换挡元件包括三组离合器、三组制动器及一个单向离合器。图1为传动路线简图，其中离合器A驱动行星排2、3的太阳轮；离合器B驱动行星排1、3的齿圈，行星排2的行星架；离合器C驱动行星排1的太阳轮；制动器D固定行星排1的太阳轮；制动器E固定行星排1的行星架及行星排2的齿圈；制动器F固定行星排1、3的齿圈及行星排2的行星架；H为单向离合器，一档传动时工作。G为变矩器闭锁离合器，与行星齿轮组换挡系统无关，仅当变矩器处于非变矩工况时该离合器结合，以提高传动效率。

图1　5HP24传动路线简图

表1为5HP24变速器的换挡逻辑表，以二档为例分析该变速器的动力传递路线。二档时离合器A和制动器E结合，动力输入后经行星排2、3的太阳轮输入，由于行星排2的齿圈被制动器E固定，此时动力从行星排2的行星架输出至行星排3的齿圈，与行星排3太阳轮输入的动力共同带动行星排3的行星架转动，输出至变速器的输出端。其他档位传动路线按照表1状态以此类推。

表1　5HP24换挡逻辑

1.2 六档自动变速器传动路线及换挡逻辑

六档自动变速器以ZF公司6HP26变速器为例分析，该变速器为全球首款轿车用六速液力自动变速器，2001年首次用于宝马7系E65车型，此后被所有主流整车厂所使用。6HP26行星齿轮变速系统由一组单级行星齿轮组和一组Ravigneaux式行星齿轮组组成。变速器换挡由五组换挡元件完成，包括三组离合器、两组制动器。图2为传动路线简图，其中离合器A连接行星排1的行星架与双级行星排2的太阳轮；离合器B连接行星排1的行星架与双级行星排2的外圈行星轮；离合器C驱动行星排1的齿圈与双级行星排2的行星架。制动器D固定双级行星排2的外圈行星轮；制动器E固定双级行星排2的行星架。F为变矩器闭锁离合器。

图2　6HP26传动路线简图

表2　6HP26换挡逻辑

表2为6HP26变速器的换挡逻辑表，以一档为例分析该变速器的动力传递路线。一档时离合器A和制动器E结合，动力经行星排1的齿圈输入行星架输出，通过离合器A驱动双级行星排2的太阳轮；双级行星排2的行星架被制动器E固定，此时动力从行星排2的太阳轮带动齿圈输出至变速器的输出端；所以一档时动力通过1、2排行星排双级减速输出，减速比最大。其他档位传动路线按照表2状态以此类推。

1.3 八档自动变速器传动路线及换挡逻辑

八档自动变速器以ZF公司8HP70变速器为例分析。该变速器于2008年开始量产，应用于宝马、奥迪、克莱斯勒及路虎等多种车型上，是一款主流八档自动变速器。8HP70行星齿轮变速系统主要由四组单级行星齿轮组与五组换挡元件组成，换挡元件包括三组离合器和两组制动器。图3为传动路线简图，其中制动器A固定行星排1、2的太阳轮；制动器B固定行星排1的齿圈；离合器C连接行星排3的太阳轮和齿圈；离合器D驱动行星排3的齿圈及行星排4的太阳轮；离合器E连接行星排3、4的行星架。离合器F为变矩器闭锁离合器。

图3　8HP70传动路线简图

表3　8HP70换挡逻辑

表3为8HP70变速器的换挡逻辑表，以三档为例分析该变速器的动力传递路线。三档时离合器C、D结合，动力输入后带动行星排2和行星排3整体转动同时驱动行星排4的太阳轮转动；制动器B结合，固定行星排1的齿圈，动力经行星排2带动行星排1的太阳轮驱动行星排1的行星架减速输出至行星排4的齿圈；此时行星排4的太阳轮为等速输入，行星排4的齿圈为减速输入，动力经行星架减速输出至变速器输出端，所以三档时动力通过1、4排行星排减速输出。其他档位传动路线按照表3状态以此类推。

1.4 九档自动变速器传动路线及换挡逻辑

九档自动变速器以ZF公司9HP48变速器为例分析。该变速器作为全球首款九速自动变速器于2013年开始量产，应用于克莱斯勒、路虎、保时捷等多款豪华车型。9HP48行星齿轮变速系统主要由四组单级行星齿轮组及六组换挡元件组成，换挡元件包括两组离合器、两组制动器及两组爪型离合器。图4为传动路线简图，其中离合器A驱动行星排1的齿圈、行星排2的行星架；离合器B驱动行星排4的太阳轮；制动器C固定行星排3的齿圈；制动器D固定行星排4的太阳轮；爪型离合器E固定行星排1、2的太阳轮。爪型离合器F驱动行星排3的太阳轮及行星排4的齿圈。离合器G为变矩器闭锁离合器。

图4　9HP48传动路线简图

表4　9HP48换挡逻辑

表4为9HP48变速器的换挡逻辑表，以倒档为例分析该变速器的动力传递路线。倒档时离合器B结合，动力输入后带动行星排4的太阳轮转动；制动器C结合固定行星排3的齿圈，行星排3的太阳轮与行星排4的齿圈固定，行星排3的行星架与行星排4的行星架固定，所以动力经行星排4的太阳轮输入，经行星排3的行星架反向减速输出至行星排2的齿圈；爪型离合器E结合，行星排1、2的太阳轮固定，行星排2的齿圈通过行星架带动行星排1的齿圈驱动行星排1的行星架同样反向减速输出至变速器输出端，所以倒档时动力反向减速输出。其他档位传动路线按照表4状态以此类推。

2、行星齿轮传动系统的对比分析

综上所述，ZF五档变速器使用三排行星齿轮组七组换挡元件实现五速换挡，而六档变速器在减少一排行星齿轮组和减少两组换挡元件的情况下可实现六速换挡。六档变速器通过采用Ravigneaux型双行星齿轮组并优化换挡元件位置以更简单的结构更小的重量实现更好的性能。这两款变速器使用优化的换挡逻辑，每个档位仅两组换挡元件工作，且相邻档位都共用一组换挡元件，这样在换挡过程中可以减少离合器动作，增加换挡元件使用寿命。ZF八档变速器使用四排行星齿轮组和五组换挡元件，九档变速器与之类似仅增加一组换挡元件。八档变速器采用纵向布置，用于后驱或全驱车型，其行星轮系为直列式排布。九档变速器为横向布置，用于前驱或全驱车型，其前两排行星轮系为直列排布，后两排为嵌套排布以此来缩减纵向尺寸，使之更适合前驱车型。与五档和六档变速器相比，由于行星排的增加每个档位需要三组离合器同时工作，同样其换挡逻辑也经过优化设计，相邻档位共用两组离合器，所以换挡时也仅需多结合一组换挡元件。下表5为这几款变速器的相关数据对比。

表5　行星齿轮传动系统对比

参考ZF公司的多款变速器可以得出，在进行行星齿轮变速系统设计时需根据变速器布置形式及档位配置选择合适的行星排排列形式，同时还需分析传动路线以规避专利保护。在换挡执行元件的设计及换挡逻辑选择上还需根据变速器使用工况及结构优化执行元件工作状态以使换挡过程更合理，换挡动作更便利。

3、结语

随着我国汽车工业的发展，汽车关键零部件技术的缺失越来越明显，液力自动变速器作为高档轿车的核心零部件其重要性日渐突出。行星齿轮变速系统作为AT产品的核心，需进行重点突破。国外已有多种不同档位不同结构的AT产品，我们需要通过分析了解其产品特点并另辟蹊径设计具有自主知识产权的行星齿轮变速系统以提高我国高端零部件设计制造的核心竞争力。

参考文献

[1] 曹利民.8HP系列自动变速器动力传递路线分析.[J]汽车维修技师. 2010(2):22-24.

[2] 侯国强,尤明福,于文涛基于拓展的杠杆法的ZF-9 HP自动变速器换挡过程分析. [J]机械研究与应用.2013(6):46-49

[3] 陈家瑞.汽车构造.[M]吉林人民交通出版社,2006.

中图分类号：U463.4

文献标识码：B

文章编号：1671-7988(2016)04-165-03

作者简介：赵海燕，就职于西安双特智能传动有限公司设计部。王乐，就职于西安双特智能传动有限公司设计部。

Brief Analysis of AT Planetary Gearset System

Zhao Haiyan, Wang Le
（Xi’an FC intelligence transmission co., LTD, Shaanxi Xi 'an 710119）

Abstract:Brief analyses5speed, 6speed,8speed and 9speed hydraulicautomatic transmission of ZF company. Provide reference and concept for developing and designing other automatic transmission or planetary gearset through comparisonanalysis.

Keywords:Automatic transmission; Shift Schematic; planetarygearsetsystem