丰田U341E型自动变速器传动比的计算

夏良耀

（浙江交通职业技术学院，浙江 杭州 311112）

1 齿轮变速机构的特点和功能

1.1 结构特点

U341E型自动变速器安装在丰田卡罗拉轿车上，它的齿轮变速机构采用了CR-CR式行星齿轮机构，这是一种将前和后行星齿轮架连接到齿圈的行星齿轮装置，根据这二套行星齿轮组件在变速器中的位置，分别称作“前行星架/后齿圈组件”和“后行星架/前齿圈组件”。这二套行星齿轮组件分别同各自的太阳轮连接起来，加上控制其转动的制动器和离合器，以及传递扭矩的轴，组合起来就构成四速行星齿轮机构，可产生四个前进挡速比和一个倒档速比。U341E型自动变速器的结构如图1所示，图2是自动变速器行星齿轮传动布置示意图。

图1 U341E型自动变速器结构简图

1.2 主要部件的功能

U341E型自动变速器变速齿轮控制部件主要有三个离合器（C1、C2、C3）、三个制动器（B1、B2、B3）、二个单向离合器（F1、F2）和二套行星齿轮组件组成，通过各部件的动力传递，最终把动力输出到中间轴主、从动齿轮及差速器，实现车辆的正常行驶。各部件的主要功能和换挡执行元件的工作情况见表1所示。

图2 自动变速器行星齿轮传动示意图

表1 主要部件的功能和换挡执行元件的工作情况

2 变速器各挡动力传递情况及传动比计算

丰田 U341E型自动变速器齿轮变速机构是由二个单排行星齿轮组件所组成，各挡传动比的计算应根据各个行星排被控制的具体情况（是否制动或闭锁）来定。各个行星排构件转速方程式[1]为：

式中：

na1、na2——前、后排太阳轮的转速；

p1、p2——前、后行星排的特性参数（，Zb——齿圈齿数，Za——太阳轮齿数）；

nb1、nb2——前、后齿圈的转速；

nx1、nx2——前、后行星架的转速。

2.1 1挡

2.1.1 变速器动力传递情况

当变速器换挡手柄处于“1”挡（D→1、3→1和2→1）时，由图1和图2及表1可知，此时换挡执行元件C1和F2参与工作。前进挡离合器C1接合，输入轴的动力通过C1传给前太阳轮，再由前太阳轮传给前行星轮和前排齿圈，此时，单向离合器F2阻止后行星架/前齿圈组件逆时针转动（后行星架/前齿圈被固定），使得前行星架/后齿圈组件顺着输入轴的旋转方向转动，并把动力传给中间轴齿轮副。此时后排行星齿轮组处于空转状态，动力传递路线：输入轴→C1→前排太阳轮→前排行星轮→前排行星架→中间轴主、从动齿轮→输出轴[2]。

2.1.2 传动比计算

由于后行星排作空转不传递动力，因此传动比的计算应根据前行星排的工作情况来确定。前行星排的运动特性方程式[1]为：

由于前齿圈被单向固定（nb1=0），所以变速器处于“1”挡时的传动比为：

2.2 2挡

2.2.1 变速器动力传递情况

当变速器换挡手柄处于“2”挡（D→2、3→2）时，由图1和图2及表1可知，此时换挡执行元件C1、B2和F1参与工作。前进挡离合器C1接合，输入轴的动力通过C1传给前太阳轮，再由前太阳轮传给前行星轮和行星架，此时，单向离合器F1和制动器B2联合作用，阻止后太阳轮逆时针转动，此时动力传递路线：输入轴→C1→前排太阳轮→前排行星轮→前齿圈→后行星架→后排行星轮→后齿圈→前行星架→中间轴主、从动齿轮→输出轴[2]。

2.2.2 传动比计算

变速器在“2”挡时动力发生在前、后行星排，各个行星排构件转速方程式[1]为：

由于B2和F1的联合作用，使得后太阳轮不能逆输入轴转动而被固定，因此na2=0。另外，后行星架/前齿圈和前行星架/后齿圈分别各自固装在一起，因此得：nb1=nx2；nb2=nx1。由以上方程式解得变速器处于“2”挡时的传动比为：

2.3 3挡

2.3.1 变速器动力传递情况

当变速器换挡手柄处于“3”挡（D→3、3→3）时，由图1和图2及表1可知，此时换挡执行元件C1、C2和B2参与工作。前进挡离合器C1和直接离合器C2接合，输入轴的动力传递分为二路：一路通过 C1传给前太阳轮，再由前太阳轮传给前行星轮及前行星架输出；另一路通过 C2传给后行星架/前齿圈，再传给前行星轮及前行星架输出，这时前后排行星齿轮组锁成一体旋转，后排行星齿轮组处于空转状态。另外F1与B2配合，阻止后太阳轮逆时针转动。动力传递路线：

2.3.2 传动比计算

变速器在3挡时，由于离合器C1和C2接合，使二个行星齿轮组件结合成整体旋转，各部件之间没有相对运动，即na1=nb1=nx1=na2=nb2=nx2，则其传动比为：

2.4 4挡

2.4.1 变速器动力传递情况

当变速器换挡手柄处于“4”挡（D→4）时，由图 1和图2及表1可知，此时换挡执行元件C2、B1和B2参与工作。直接离合器C2接合，输入轴的动力通过C2传给后行星架/前齿圈进行输出，此时，制动器 B1固定后太阳轮转动，制动器B2固定F1转动，前排行星齿轮组处于空转状态。动力传递路线：输入轴→C2→后行星架→前齿圈→前行星架→中间轴主、从动齿轮→输出轴。

2.4.2 传动比计算

变速器在4挡时动力传递发生在后行星排，因此后行星排构件转速方程式[1]为：

由于B1的作用，使得后太阳轮被固定不能转动，na2=0。因此变速器处于4挡时的传动比为：

2.5 R挡

2.5.1 变速器动力传递情况

当变速器换挡手柄处于“R”挡时，由图1和图2及表1可知，此时换挡执行元件 C3和 B3参与工作。倒挡离合器C3接合，输入轴的动力通过C3传给后太阳轮输出，此时，制动器B3固定后行星架/前齿圈，前排行星齿轮组处于空转状态。动力传递路线：输入轴→C3→后太阳轮→后行星轮→后齿圈→前行星架→中间轴主、从动齿轮→输出轴[2]。

2.5.2 传动比计算

变速器在“R”挡时动力传递发生在后行星排，因此后行星排构件转速方程式[1]为：

由于B3的作用，使得后行星架被固定不能转动，nx2=0。因此变速器处于“R”挡时的传动比为：

式中负号表示输入轴与输出轴转动方向相反。

3 结束语

自动变速器的结构相对比较复杂，其内部的动力传递情况也不容易理解，因而传动比的计算也有一定的难度。由于自动变速器中齿轮传动是行星齿轮机构传动，因此传动比的计算不能按普通定轴轮系的方法来进行，必须要按周转轮系传动比的计算方法来计算。因此在计算传动比时，首先要熟悉自动变速器的结构原理，掌握行星齿轮工作状态时的动力传递关系，再结合执行元件的工作控制情况，然后应用周转轮系传动比的计算方法就不难把传动比计算出来。