基于分析推理法下的通用GF6自动变速器档位分析

屈亚锋

(武汉交通职业学院 湖北 武汉：430065)

0 引言

通用GF6是典型的多排组合式6档“手自一体”自动变速器，最早应用于2008款别克君越轿车[1]。近年来，该款自动变速器变速传动机构在别克英朗、威朗、GL6、GL8、阅朗、昂科拉以及雪佛兰沃兰多、科沃兹、探界者、科鲁兹、迈锐宝、科帕奇等上海通用生产的部分车型上仍然广泛采用[2]，是目前上海通用汽车主流变速器之一。虽然液压和电子控制系统更加精确和先进，而且不同车型变速器的尺寸可能有所不同，但内部的变速传动机构的结构是相同的。文献[1]和[3]对通用GF6变速器的应用及各档位动力传递路线作出详细的介绍，并直接给出了各档位的换挡执行元件。和其他参考资料(如汽车底盘电控系列教材等)类似，文献[1]和[3]都没有对GF6变速器各档位进行详细分析。

自动变速器档位分析能让学者理解研发者的设计意图，对于理解液压和电子控制系统的控制策略、分析自动变速器故障原因、拆装检修自动变速器等有较大的帮助。目前，自动变速器档位分析最常见的方法是分析推理法。分析推理法是指根据变速传动机构的结构和换档执行元件的作用，利用单排单、双行星齿轮机构特性方程式来分析自动变速器档位并计算传动比的一种方法。对于通过单排或双排实现自动变速器档位的自动变速器而言，可以快速采用单排单、双行星齿轮机构特性方程式计算出传动比的大小，非常直观地反映出自动变速器档位分析是否正确。但分析推理法存在一定的缺陷，对于通过三排及三排以上行星齿轮机构组合才能实现档位的情况，计算传动比的过程比较复杂，很难快速分析出换档执行元件。本文对通用GF6自动变速器档位分析时，提出假设分析法来解决前述缺陷，为研究类似自动变速器的学者提供一定的理论参考。

1 通用GF6自动变速器变速传动机构的结构

1.1 变速传动机构的特点

通用GF6自动变速器变速传动机构的结构如图1所示[3]，由三排单行星齿轮机构组成，从输入轴端看，分别假定为第1、2、3排，则该款自动变速器变速传动机构有如下特点：一是1排和2排齿圈、行星架组成组件，1排和3排行星架、齿圈组成组件，及2排和3排齿圈、行星架组成组件，形成3个独立运动的部件；二是1、2、3排的太阳轮各自独立，也是3个独立的运动部件；三是第2排太阳轮与输入轴通过花键连接，任何档位都有动力输入；四是1排和3排行星架、齿圈组件作为动力输出。

图1 通用GF6自动变速器变速传动机构的结构

1.2 各行星排特性方程式

如图1所示，分别假定第1、2、3排的参数为α1、α2和α3。则每排的特性方程式分别为[4]：

n11+α1n12-(1+α1)n13=0

(1)

n21+α2n22-(1+α2)n23=0

(2)

n31+α3n32-(1+α3)n33=0

(3)

上述各式中，n11、n21和n31分别为第1、2、3排太阳轮的转速；n12、n22和n32分别为第1、2、3排齿圈的转速；n13、n23和n33分别为第1、2、3排行星架的转速。

1.3 各换挡执行元件的作用

通过图1，该款自动变速器共有6个换档执行元件，各自的作用如下：

C1-2-3-4：制动第1排太阳轮

C2-6：制动第3排太阳轮

C3-5-R：连接第3排太阳轮与输入轴

C4-5-6：连接2和3排齿圈、行星架组件与输入轴

CL-R：制动2和3排齿圈、行星架组件

OWC：单向制动2和3排齿圈、行星架组件(允许2、3排齿圈、行星架组件顺转，不允许其逆转)

2 通用GF6自动变速器各档位分析

2.1 “D”档位分布分析

通用GF6自动变速器中数字“6”表示前进档数量为6个，即：D1、D2、D3、D4、D5和D6。

通过图1可以看出，第3排能够实现下面两个方案：

方案1：行星架输入(C4-5-6起作用)，太阳轮固定(C2-6起作用)，齿圈输出，实现超速档。

方案2：行星架和太阳轮共同输入(C3-5-R和C4-5-6起作用)，齿圈输出，实现直接档。

由于第3排齿圈是该款自动变速器的动力输出，且C3-5-R、C4-5-6和第2排太阳轮不存在输入动力的转速差，故该款变速箱只有一个超速档，即D6档。前述方案2实现的直接档必然是D5档。

根据D1、D2、D3、D4、D5和D6各档位传动比由大到小依次的特点，即可判断出该款自动变速器档位分布情况为：4个低速挡(D1、D2、D3和D4)，1个直接档(D5)，1个超速档(D6)。

2.2 “D”档各档位分析方法

2.2.1 D1档位分析

考虑D1档位的传动比是该款自动变速器最大的，从此条件出发选择换档执行元件。通过图1可以发现，1排和3排行星架、齿圈组件是动力输出部件，第1排太阳轮能够实现制动(C1-2-3-4起作用)。

若选择第3排齿圈作为动力输出，无论是第3排太阳轮输入(C3-5-R起作用)，或者是第3排行星架输入(C4-5-6起作用)，只能得到倒档或超速档，因此D1档位必然是第1排行星架是动力输出。由于第1排太阳轮能够实现制动(C1-2-3-4起作用)，因此第1排齿圈肯定是动力输入。根据式(1)，可快速计算出(1+α1)/α1大小的减速比。

但是，第1排齿圈并未直接与输入轴连接，而是和第2排行星架组成组件，故第2排行星架转速的高低决定了第1排齿圈转速的高低。若第2排行星架转速最低，即可得到变速器的D1档。根据式(2)，若选择第2排太阳轮输入(与输入轴直接花键连接)，齿圈固定(CL-R或OWC起作用)，则可实现第2排行星架最低转速，减速比为(1+α2)。

故实现D1档位的条件是C1-2-3-4、CL-R或OWC。由于D1档位不是D位的最高档，设计时如果有制动或单向制动两种约束条件时，必须选择单向约束条件，使D1档位无发动机的制动作用，故选用OWC，主要作用是阻止2和3排齿圈、行星架组件逆时针转动[5-6]。因此，D1档位的最优换档执行元件是：C1-2-3-4和OWC。由于第2排动力输出(2排行星架)正好是第1排动力输入(1排齿圈)，1和2排属于串联组合，因此D1档位传动比大小为：(1+α1)/α1×(1+α2)。

2.2.2 D2和D3档位分析

通过图1发现，考虑2和3排齿圈、行星架为组件，若第2排齿圈未固定，根据式(2)，第2排行星架的转速将取决于第2排齿圈的转速，规律是：第2排齿圈的转速越高，第2排行星架的转速也越高。而第2排齿圈的转速又与第3排行星架的转速有关，故该款自动变速器 D2和D3档位在计算传动比时可能是1、2和3排同时起作用，需要通过式(1)、(2)、(3)联立求解传动比，会异常复杂，不易计算。我们在分析某一款自动变速器时，只需准确分析出换档执行元件即可，有时不必计算出具体的传动比，因此此时可用假设分析法来快速判断出输出轴转速高低，就可以判断出换档执行元件分析是否正确。

假设第1、2和3排的参数为α1=α2=α3=2(自动档汽车行星齿轮排参数一般为1.5至3之间，取中间值)，代入式(1)、(2)、(3)得到：

n11+2n12-3n13=0

(4)

n21+2n22-3n23=0

(5)

n31+2n32-3n33=0

(6)

式(4)、(5)、(6)中：n12=n23，n13=n32，n22=n33。

通过图1，第3排的约束条件有：C2-6或C3-5-R。若选择C2-6，即制动第3排太阳轮，n31=0；再假设输入轴的转速为2000r/min(自动档汽车行驶时发动机转速大部分在1500r/min至2500r/min，取中间值)，即n21=2000r/min；C1-2-3-4制动第1排太阳轮，即n11=0。将以上条件代入式(4)、(5)、(6)，即可快速求出输出轴转速n13或n32≈632r/min。若选择C3-5-R，即n31=2000r/min，将此条件和n11=0代入式(4)、(5)、(6)，可求出输出轴转速n13或n32≈1053r/min，显然速度增加了。

若将n21=1000r/min，n11=0代入式(4)、(5)，则D1档位时输出轴转速n13=α1/(1+α1)(1+α2)×1000r/min=2/9×2000r/min≈444r/min。由此可判断前述假设法是完全正确的。因此，D2档位的换挡执行元件为C1-2-3-4和C2-6；D3档位的换挡执行元件为C1-2-3-4和C3-5-R。

2.2.3 D4档位分析

根据式(2)，若第2排齿圈转速继续升高，则第2排行星架转速也升高，变速器输出轴转速也升高，档位也就上升。通过图1可以看出，当C4-5-6起作用，第2排齿圈与输入轴转速相同，即此时第2排为直接传动，意味着第1排齿圈与输入轴转速相同。若C1-2-3-4制动第1排太阳轮，可获得(1+α1)/α1大小的减速比。若将n21=n12=2000r/min，n11=0代入式(4)，则输出轴的转速为n13=α1/(1+α1)×2000r/min≈1333r/min，比D3档输出速度又增加了，也意味着档位继续上升。因此D4档位的换挡执行元件为C1-2-3-4和C4-5-6。

2.2.4 D5档位分析

根据“D”档位分布研究，D5档是直接档，虽然2(C4-5-6起作用)或3(C3-5-R和C4-5-6起作用)排均可实现单排直接传动，但第2排实现直接传动后，还需要由第1排减速后才可实现动力输出，即上述D4档位分析。而1排和3排行星架、齿圈组件直接与输出轴连接，C3-5-R和C4-5-6起作用时，实现变速器的直接动力传输，即传动比为1。若将n31=n33=2000r/min代入式(6)，则输出轴的转速n32=2000r/min。因此D5档位的换档执行元件为C3-5-R和C4-5-6。

2.2.5 D6档位分析

根据“D”档位分布研究，D6档是超速档。而单行星齿轮机构获得超速档的条件是行星架作为动力输入，齿圈输出，固定太阳轮，此条件只能在第3排实现，即C4-5-6和C2-6起作用，传动比大小为α3/(1+α3)。若将n33=2000r/min，n31=0代入式(6)，则输出轴的转速n32=(1+α3)/α3×2000r/min =3000r/min，显然比输入轴转的快，为超速档。因此，D6档位的换挡执行元件为C4-5-6和C2-6。

2.3 手动或制动档位分析

根据图1，该款自动变速器仅有OWC一个单向离合器，用来单向制动2排和3排齿圈、行星架组件，而CL-R直接制动2排和3排齿圈、行星架组件，因而在手动或制动“1”档起作用，与D1档的区别是可实现发动机制动作用，而传动比与D1档完全相同。由于再无其他单向离合器，因此手动或制动的其他档位与D2、D3、D4、D5和D6各档位换档执行元件完全相同，传动比大小也完全相同。

2.4 R档位分析

单行星齿轮机构获得倒档的条件是太阳轮作为动力输入，齿圈输出，固定行星架，此条件只能在第3排实现，即C3-5-R和CL-R，传动比大小为|-α3|，“-”表示输入轴和输出轴反向。因此，R档的换档执行元件为C3-5-R和CL-R。

2.5 各档位与执行元件关系总结

通过前文对通用GF6自动变速器D档位、手动或制动档位和R档位的换挡执行元件分析，该款自动变速器各档位与执行元件的关系如表1所示。表1中传动比大小数值来自文献[1]中变速箱的技术参数，表1中通过不同的符号来表示各执行元件的工作状态，各种符号的含义如下所示：●表示液压元件起作用；H表示单向离合器起作用；Δ表示空档时起作用的液压元件。

表1 通用6T40/45E自动变速器各档位与执行元件关系

3 结语

通用GF6自动变速器行星齿轮变速传动机构经过近十年的应用、发展和改进，是目前通用自动档车型市场占有率最高的变速器，同时也是维护保养、故障检修率较高的变速器。

本文在不知道通用GF6自动变速器各档位换挡执行元件的前提下，以行星齿轮变速传动机构的结构和各换档执行元件的安装位置为基础，通过分析推理法来分析各档位，并针对分析推理法难以分析三排行星齿轮机构组合实现档位的情况，提出假设分析法，在不必计算出传动比大小的情况下，通过输出轴转速高低的变化，准确判断出自动变速器某档位的换档执行元件选择是否准确，推理结果和文献[3]提供的各档位换档执行元件相同，为进一步理解通用GF6自动变速器液压和电子控制系统的控制策略、拆解变速器前分析自动变速器故障原因及拆解检修自动变速器打下坚实的基础，同时对研究6档及以上自动变速器的学者提供新的分析方法和思路。