通用福特10档自动变速箱速比计算的研究
2018-10-22朱新明穆金辉
朱新明，穆金辉
（比亚迪汽车工业有限公司，广东 深圳 518118）
前言
美国通用和福特联合开发全球第一款基于行星齿轮机构的10档电控液力自动变速箱。通用的变速箱代号为10LX，福特代号为 10RX。变速箱代号的意思为：“10”表示有 10个前进挡；“R”即rear[1]，“L”即longitude，均表示适用于纵置平台的后驱或四轮驱动；“X”表示该系列不同型号变速箱的代号[2]，通用的变速箱型号有10L80和10L90[1]。
1 变速箱的结构、特点
该型号10档变速箱实物剖面图请见图1[4]：
该变速箱具有诸多突出优点：
① 变速箱总前进档位有10个和1个倒档，其中6个低速档位，1个直接档以及3个超速档；
② 采用4排普通单级行星齿轮机构；
③ 共计有6组换挡元件，2组制动器和4组离合器控制换挡。与此同时，一组制动器和一组离合器采用内嵌式被嵌入到相应的制动器和离合器里面；
④ 换挡元件执行任何换挡时，每一个档位均是有4组换挡元件是闭合的，2组换挡元件是断开的以减小摩擦损失；
图1 福特通用联合联合开发10档变速箱剖面图
⑤ 变速箱集成化程度非常高，整体结构非常紧凑。采用全铝制造总体重量仅为 106kg[5]。由于内嵌式执行元件的采用，使得变速箱的总体尺寸和ZF8档变速箱差不多[4]。ZF的8档变速箱所采用的变速箱制动器布局和该型号变速箱类似，区别在于ZF变速箱的B1/B2离合器不是采用的通用福特变速箱的内嵌式制动器，从占用空间位置的角度来讲，ZF变速箱的这部分轴向尺寸要大于通用福特变速箱的轴向尺寸。
通用福特联合开发的10档变速箱与ZF8档变速箱对比图请见图2[4]；
图2 ZF 8档变速箱与福特通用10档变速箱结构对比
该变速箱动力传递部分原理结构简图请见图3：
图3 变速箱动力传递部分原理结构简图
各行星齿轮机构的齿数和速比请见下表1[6]：
表1 各行星齿轮机构的齿数和速比
2 执行器组合分析、速比计算
2.1 各执行器组合分析
B1/B2两组制动器，C1/C2/C3/C4四组离合器：如果制动器B1/B2均参与工作，离合器C1/C2/C3/C4挑选两个参与工作，工作组合数为；如果A或B制动器参与工作，C1/C2/C3/C4挑选三个参与工作，工作组合数为；如果制动器B1/B2均不参与工作，那么只有离合器C1/C2/C3/C4工作，工作组合数为n=1。总结各工作组合如下表2：
表2 各执行器工作组合表
结合该变速箱实际的结构对15种工作组合进行分析：当制动器B1/B2均参与工作时，离合器C3/C4与离合器C3/C1以及离合器 C3/C2这三种工作模式下的变速箱速比是一样的。此时制动器B1/B2制动，P1的太阳轮、行星架和齿圈均不动，则P4齿圈不动，离合器C3结合输入到P4太阳轮，P4行星架输出。另外C1/C2离合器闭合时，P2齿圈锁止，由于P2太阳轮也锁止，导致P2行星架制动，此时无法工作；当只有B制动器工作时，如果离合器C1/C3/C4也结合的话，此时P4齿圈直接连接到P1行星架上，P1太阳轮锁止，P1齿圈无动作，则P1行星架无输入，故P4行星架无输出。整理得到该变速箱各执行器有效工作组合如下表3：
表3 各执行器有效工作组合表
2.2 速比计算
a.制动器B1/B2+离合器C3/C1或C3/C2或C3/C4速比
制动器B1/B2制动，P1/P2太阳轮、P1齿圈、P1行均固定则P4齿圈固定。C3离合器结合，带动P4太阳轮旋转，P4行星架作为输出，有如下关系：
得：
b.制动器B1/B2+离合器C1/C4速比
制动器B1/B2制动，P1/P2太阳轮、P1齿圈、P1行星架均固定则与P1行星架相连的P4齿圈也固定。C1/C4离合器结合，P2齿圈同时输入到P3行星架和P3太阳轮，则P3齿圈以与P2齿圈相同的转速旋转并输入到P4太阳轮。此时P4行星架作为输出，存在如下关系：
得：
c.制动器B1/B2+离合器C2/C4速比
制动器B1/B2制动，P1/P2太阳轮、P1齿圈、P1行星架均固定则与P1行星架相连的P4齿圈也固定。离合器C2/C4离合器结合，P2齿圈输入到P3太阳轮，P3行星架固定，则P3齿圈输出到P4太阳轮。此时P4行星架作为输出，存在如下关系：
得：
d.制动器B1+离合器C1/C2/C3速比
制动器B1制动，离合器C1/C2/C3工作。此时P1/P2相当于一个辛普森式复合行星齿轮机构，P4行星架作为输出，存在如下关系：
得：
e.制动器B1+离合器C1/C2/C4速比
制动器B1制动，离合器C1/C2/C4工作。此时P1/P2相当于一个辛普森式复合行星齿轮机构。P3/P4所有元件等速。P4行星架作为输出，存在如下关系：
得：
f.制动器B1+离合器C2/C3/C4速比
制动器B1制动，离合器C2/C3/C4工作。离合器C2/C4结合，P1行星架连接到P3行星架上。P2行星架作为输入，P1行星架作为输出，P2齿圈输出到P3太阳轮，P1行星架经离合器D和F到P3行星架，发动机动力另外经过C3离合器连接到P3齿圈和P4太阳轮上作为输入。P4太阳轮和P4齿圈均有输入，P4行星架作为输出，存在如下关系：
得：
g.制动器B1+离合器C1/C3/C4速比
制动器B1制动，离合器C1/C3/C4工作，P1齿圈锁止。动力从P2行星架输入，P1/P2共用太阳轮，P1行星架和P2齿圈输出。由于C1/C3/C4离合器闭合，P2/P3所有元件等速旋转。P1齿圈固定，P1行星架输出到P4齿圈，P4行星架作为输出，存在如下关系：
得：
h.制动器B2+离合器C1/C2/C3速比
制动器B2制动，P2太阳轮锁止，P2行星架输入，P2齿圈输出到P3太阳轮，经离合器C1后到离合器C2再到P4齿圈，从发动机过来的动力到离合器C3之后再到P4太阳轮。P4齿圈和太阳轮共同输入，P4行星架作为输出，存在如下关系：
得：
i.制动器B2+离合器C1/C2/C4速比
制动器B2制动， P2太阳轮锁止，P2行星架输入，P2齿圈输出到P3太阳轮，经离合器C1后到离合器C2和离合器C4,离合器C2到P4齿圈，离合器C4到P3行星架，P3齿圈输出到P4太阳轮。P4齿圈和太阳轮共同输入。P4行星架作为输出，存在如下关系：
得：
j.制动器B2+C2/C3/C4工作速比
制动器B2制动，P2行星架输入，P2齿圈输出到P3太阳轮，P3行星架输出到P4齿圈。P4齿圈和太阳轮共同输入，P4行星架作为输出，存在如下关系：
得：
k.无制动器，离合器C1/C2/C3/C4速比
无制动器制动，P1/P2/P3/P4所有旋转元件全部旋转，此时输出等于输入，直接比传动：
对上述计算所得数据结合相应各换挡执行元件分析可得各个档位及执行元件关系表，见表4：
表4 档位-换挡元件-速比关系表
上述计算所得速比与福特汽车向美国专利商局提交的专利文件《8545362B1》[7]完全一致。
3 总结
该型号变速箱从设计上力求紧凑有利于减轻重量并减小总体尺寸；变速箱齿比范围非常绵密从而有利于日常驾驶的动力发挥和提高车辆平顺性。笔者认为这是一款通用和福特工程师们匠心独具的智慧结晶。
