丰田A761E机械原理图及构造.docx
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丰田A761E机械原理图及构造
【荆州创业学校】丰田A761E机械原理图及构造
柯美辉
【摘要】:
文章介绍了目前使用最多的3种汽车自动变速器,并结合其结构和发展过程,分析了各自的发展现状及前景。
A761E是丰田轿车上的6速电控自动变速器,由1个单排双级行星齿轮机构和2个单排单级行星齿轮机构组成,其内部共有12个换挡执行元件,这3排行星齿轮机构可产生6个前进挡和1个倒挡,根据不同挡位各执行元件的状态,可逐个分析各挡动力传动路线,通过对行星齿轮机构建立运动方程和分析约束条件,可逐个进行各挡传动比的计算。
【关键词】:
A761E自动变速器行星齿轮机构传动路线传动比
一、汽车变速系统综述
汽车变速器是影响整车动力性、经济性和舒适性的重要汽车零部件总成,是汽车的核心零部件之一。
自动变速器因其良好的舒适性与经济性已逐步得到了消费者的喜爱,在我国装载自动变速器的乘用车比例在不断增多。
目前使用的汽车自动变速器主要有3种类型:
液力自动变速器、电控机械式自动变速器、机械无级变速器。
1、液力自动变速器
液力自动变速器的基本结构是由液力变矩器与动力换档的辅助变速装置组成。
液力变矩器安装在发动机和变速器之间,以液压油为工作介质,起传递转矩、变矩、变速及离合的作用。
液力变矩器可在一定X围内自动无级地改变转矩比和传动比,以适应行驶阻力的变化。
但是由于液力变矩器变矩系数小,不能完全满足汽车使用的要求,所以,它必须与齿轮变速器组合使用,扩大传动比的变化X围。
目前,绝大多数液力自动变速器都采用行星齿轮系统作为辅助变速器。
行星齿轮系统主要由行星齿轮机构和执行机构组成,通过改变动力传递路线得到不同的传动比。
由此可见,液力自动变速器实际上是能实现局部无级变速的有级变速器。
液力自动变速器是目前使用最多的自动变速器。
采用此种类型的自动变速器,免除了手动变速器繁杂的操作,使开车变得省力。
同时,电子控制也使自动切换速度柔和、平顺,因此汽车具有良好的乘坐舒适性和安全性、优越的动力性和方便的操纵性。
但这种变速器效率低,结构复杂,成本也较高。
液力自动变速器已走过了六十多年的历史,其技术成熟,性能可靠。
对液力自动变速器的研究,主要围绕提高效率而展开。
20世纪60年代的研究重点是采用多元件工作轮,70年代是使用闭锁离合器,80年代则采取增加行星齿轮变速器档位的方法及使用电子控制。
最近几年,传统的液力自动变速器通过采用CAD/CAM技术来提高液力变矩器效率,增加行星齿轮变速器的档位以及电子技术的应用,液力自动变速器的性能已相当完善。
现在的液力自动变速器可通过微电脑对整个传动系统进行控制。
由各种电子传感器和微电脑组成的电控单元,根据各传感元件输入的信号确定换档和锁定时机,发出信号,控制执行元件,电磁阀动作,完成电控单元下达的换档、锁止等命令。
液力自动变速器的应用X围广,可装备轿车、客车、货车等各种车型,在汽车自动变速器行业中占有主导地位。
2、电控机械式自动变速器
电控机械式自动变速器是一种由普通齿轮式机械变速器组成的有级式自动变速器。
这种变速器主要包括3个部分:
自动离合器、齿轮式机械变速器和电子控制系统。
它基本保留了原离合器和手动变速器的结构,只是将换档杆改为液压(气压或电)执行机构。
电子控制系统根据传感器送来的车辆当前的车速、加速度、节气门开度等参数决定换档点的选择,通过指令控制离合器分合与发动机供油或断油,对变速器发出换档指令并实现换档。
电控系统可存储多种规律提供驾驶员选用,不仅有经济性规律、动力性规律,而且还有防污染规律以及适应驾驶员爱好的规律等。
电控机械式自动变速器具有液力自动变速器自动变速的优点,又保留了原手动变速器齿轮传动效率高、成本低、结构简单的长处,其性能价格比较高,生产改造投入较少。
其缺点是非动力换档,这可通过电控软件方面得到一定弥补。
先进的电控机械式自动变速器,均装有电控单元,它是变速器的核心。
将车辆的行驶状况与希望实现的状况进行实时比较,并发出控制命令,改变变速器的档位、离合器的分离与结合以及油门的开度,实现自动选择最佳档位和最佳换档时间。
在几种自动变速器中,电控机械式的性能价格比最高。
在中低档轿车、城市客车、军用车辆、载货车等方面应用前景较广阔。
3、机械式无级变速器
机械式无级变速器种类很多,有实用价值的仅有V形金属带式。
金属带式无级变速器属摩擦式无级变速器,其传动与变速的关键件是具有V型槽的主动锥轮、从动锥轮和金属带,金属带安装在主动锥轮和从动锥轮的V形槽内。
每个锥轮由一个固定锥盘和一个能沿轴向移动的可动锥盘组成,来自液压系统的压力分别作用到主、从动锥轮的可动锥盘上,通过改变作用到主、从动锥轮可动锥盘上液压力的大小,便可使主、从动锥轮传递扭矩的节圆半径连续发生变化,从而达到无级改变传动比的目的。
机械式无级自动变速器传动比连续,传递动力平稳,操纵方便,同时因加速时无需切断动力,因此汽车乘坐舒适,超车加速性能好。
特别值得一提的是,由于可使发动机始终在其经济转速区域内运行,从而大大改善了燃油经济性。
但与齿轮传动相比,效率并不高,且此种变速器起动性能差,需另加起动装置,制造困难,价格也较高。
目前世界上已出现了一批生产金属带式无级变速器的厂家。
包括通用汽车公司在内的国外企业都在加速发展无级自动变速器技术。
金属带式无级变速器商品化的时间虽不长,在汽车变速器中的占有率也仅占1%,其中90%在日本,10%在欧洲,但因其理论上性能优越,被视为自动变速器的主要发展方向之一。
近年来,自动变速器(AT)在北美市场,AT和CVT(无级变速器)在日本市场,手动变速器在欧洲市场分别占据主导地位。
几年前开始出现双离合器变速器(DCT),这将在一定程度上改变现有的市场格局。
而未来几年,全球的乘用车变速器市场的竞争将在AT、CVT和DCT之间激烈展开。
目前,在国内AT是最受欢迎的,因其结构简单、生产工艺也不复杂,是自动变速器中技术最为成熟的一种,而且我国现有的手动变速器生产线等能力都能够被有效的利用。
但是AT自动变速器使用的液力变矩器会提高车辆10%左右的油耗。
和当今节能环保的发展趋势相背。
所以,普遍认AT在一定时期内仍然是自动变速器的主流,但长期来看的话会被其他自动变速器所取代。
AMT变速箱在三类新型自动变速箱中,技术难度相对较低,但是存在换挡动力中断等影响驾驶舒适性的问题。
DCT则是目前国内最受关注也是大家最为看好的,DCT变速器能满足消费者对驾驶运动感和车辆节油的双重要求。
相比较目前中国市场上广泛使用的AT自动变速器,DSG可以降低油耗。
与传统MT手动变速器相比,在整个换档期间能确保最少有一组齿轮在输出动力,令动力没有出现间断的状况。
二、汽车变速系统实例分析
1、A761E自动变速器概况
液力变矩器虽然能够在一定X围内自动地、无级地改变转速比和转矩比,以适应汽车行驶阻力的变化。
但其传动效率却只有在输出轴转速接近输入轴转速时达到最大值,而且其增矩作用只有2~4倍,不能很好的满足汽车的使用要求。
故汽车多采用液力变矩器与齿轮式变速器串联组成液力机械式自动变速器。
目前齿轮式变速器多采用行星齿轮变速器。
行星齿轮变速器的组成包括行星齿轮机构和换挡执行机构两部分,行星齿轮机构是提供几种不同的传动比供选择而换挡执行机构的作用是实现挡位的变换。
自动变速器的换挡执行元件包括离合器、制动器、单向离合器等。
其中离合器和制动器应用液压进行操纵,单向离合器利用摩擦力进行工作。
离合器的作用是用来连接输入轴和行星机构的某一个元件或某两个元件,将动力传给自动变速器。
制动器的作用是固定行星齿轮机构中的某一基本元件,阻止其旋转。
单向离合器的作用是阻止行星齿轮机构的某一个元件相对于另一个元件发生某一方向的运动。
下面将要介绍的A761E自动变速器就是由液力变矩器和齿轮式变速器串联组成的液力机械式自动变速器。
A761E是6速电控自动变速器,丰田公司的高挡轿车如新款雷克萨斯、皇冠、锐志装载A761E自动变速器。
A761E自动变速器换挡执行元件和行星齿轮机构的动力传递示意图如图1所示。
A761E自动变速器的前排是1个单排双级行星齿轮机构,太阳轮与齿圈连接的行星齿轮是双级的;A761E的中间排和后排都是单排单级行星齿轮机构,两排行星齿轮机构共用太阳轮轴,属辛普森结构;A761E自动变速器的3个行星排之间具有连接关系的元件组成复合元件,分别是:
前排一中间排齿圈,中间排行星架—后排齿圈,中间排—后排共用太阳轮;后排行星架是动力输出端。
A761E中输入轴动力分别通过C1(与F4共同作用)或C4、C2、C3四个离合器输给中间排—后排共用太阳轮、中间排行星架—后排齿圈、前排太阳轮;制动器B3(与单向离合器F2共同作用)可单向固定前排太阳轮,制动B1或单向离合器Fl可固定前排行星架,B2可双向固定前排一中间排齿圈,制动器B4或单向离合器F3可固定中间排行星架—后排齿圈,F1、F3只可起单向固定元件作用,而B1、B4可双向固定元件,各执行元件在不同挡位时工作状态如表1。
所谓发动机制动,是指在车辆行驶过程中驾驶人放松加速踏板,由于汽车的质量较大,其惯性使得车辆仍要以原来速度行驶,而此时发动机以怠速转速运转,因此车轮通过传动系使发动机转速升高,以此消耗汽车动能达到减速的目的。
表1不同挡位各执行元件的状态
档位
离合器
制动器
单向离合器
C1
C2
C3
C4
B1
B2
B3
B4
F1
F2
F3
F4
驻车挡
倒车档
●
○
●
●
空挡
1挡
●
○
○
●
●
2挡
●
○
○
●
●
●
●
3挡
●
●
○
○
☆
●
●
4挡
●
●
☆
○
☆
●
5挡
☆
●
●
●
☆
6挡
☆
●
☆
●
☆
●:
工作○:
当发动机制动时工作☆:
仅用于连接
2、A761E自动变速器中行星齿轮机构的运动方程单排单级行星齿轮机构的运动方程为
n1+αn2-(1+α)n3=0
(1)
z3=z2+z1
(2)
在单排单级式行星齿轮机构中,使用的是太阳轮项加上齿圈项等于行星架项,即行星架的假想齿数是太阳轮齿数和内齿圈齿数之和;行星架齿数最多,运动最慢,太阳轮与齿圈运动方向相反。
单排双级式行星齿轮机构的运动方程为
n1-αn2-(α-1)n3=0(3)
z3=z2-z1(4)
在单排双级式行星齿轮机构中,太阳轮项与行星架项是两个小项,它们之和等于齿圈项。
即行星架的假想齿数是内齿圈齿数减去太阳轮齿数。
在单排双级行星齿轮机构中,由于太阳轮与齿圈的连接行星齿轮是双级的、有惰轮过桥的,所以太阳轮与齿圈的运动方向相同。
在上述式中,n1为太阳轮转速;n2为内齿圈转速;n3为行星架转速;z1为太阳轮齿数;;z2为内齿圈齿数;z3为行星架假想齿数;α=内齿圈齿数/太阳轮齿数=z2/z1。
A761E自动变速器中前排是一个单排双级行星齿轮机构,中间排和后排都是单排单级行星齿轮机构,属辛普森式结构。
可对这3排行星齿轮机构各建立运动方程如下
n11-α1n12+(α1-1)n13=0(5)
n21+α2n22-(α2+1)n23=0(6)
n31+α3n32-(α3+1)n33=0(7)
上述式中,n11、n12、n13依次为前排行星齿轮机构的太阳轮、齿圈、行星架转速;n21、n22、n23依次为中间排行星齿轮机构的太阳轮、齿圈、行星架转速;n31、n32、n33依次为后排行星齿轮机构的太阳轮、齿圈、行星架转速;α1、α2、α3依次为前、中、后3个行星齿轮机构中齿圈与太阳轮的比。
3、A761E自动变速器各挡位传动的分析与计算
发动机动力经液力变矩器传人自动变速器输入轴,从输入端观察,输入轴方向与发动机方向同,为顺时针旋转,以下各行星齿轮机构旋转方向以此为参照。
3.11挡动力传递分析
1挡动力传递路线如图2所示,由表1可知1挡时C1、F4、F3工作,其动力传递路线可描述如下:
离合器Cl接合、单向离合器F4锁止,则中间排—后排共用太阳轮顺时针同速旋转,单向离合器F3锁止,固定中间排行星架—后排齿圈,后排行星架顺时针减速旋转(输出轴)。
1挡时真正参与动力传递的是后排行星齿轮机构。
制动器B4具有双向固定中间排行星架—后排齿圈效果,若用制动器B4代替F3,离合器C4代替C1和F4的共同作用,变速器将具有发动机制动效果。
根据1挡的动力传递路线,可知约束条件为n32=0。
由运动方程式(7)和约束条件即可求出1挡传动比为
3.22挡动力传递分析
2挡动力传递路线如图3所示,由表1可知2挡时C1、B3、F1、F2、F4工作,其动力传递路线可描述如下:
制动器B3接合,单向离合器F2锁止,则前排太阳轮固定;单向离合器F1锁止,则前排行星架固定,前排行星齿轮机构整个固定,则前排一中间排齿圈被固定。
离合器Cl接合、单向离合器F4锁止,中间排—后排共用太阳轮顺时针同速旋转,前排一中间排齿圈固定,中间排行星架—后排齿圈顺时针减速旋转。
分析后排行星齿轮机构,运动方程式如式(7):
n31+α3n32-(α3+1)n33=0
中间排行星架—后排齿圈转速n23(n32)为顺时针减速旋转,而中间一后排共用太阳轮转速n21(n31)为顺时针同速旋转,为保持式(7)等号两边相等,则后排行星架(输出轴)n33必小于n31(n21),后排行星架(输出轴)顺时针减速旋转。
B3、F2、F1的共同作用是单向固定了前排一中间排的齿圈,B2则具有双向固定前排一中间排齿圈作用,若用制动器B2代替B3、F2、Fl,离合器C4可代替离合器Cl和单向离合器F4共同作用,则具有发动机制动效果。
2挡时前排行星齿轮机构被整体固定,l挡时后排齿圈被固定,2挡时后排齿圈为顺时针减速旋转,故2挡时后排行星架转速比1挡时要快。
根据以上动力传递的定性分析,可对2挡的传动比定量计算如下:
各行星齿轮机构中约束条件为:
由运动方程式(6)和式(7)及以上约束条件可求出2挡传动比为
3.33挡动力传递分析
3挡动力传递路线如图4所示,由表1可知3挡时C3、F1、C1、F4工作,其动力传递路线可描述如下:
(1)离合器C3接合,前排太阳轮顺时针同速旋转,单向离合器Fl单向固定前排行星架,因前排是单排双级行星齿轮机构,前排一中间排齿圈为顺时针减速旋转。
(2)中间排行星齿轮机构,运动方程式如式(6)
n21+α2n22-(α2+1)n23=0
离合器Cl和单向离合器F4共同工作,中间—后排共用太阳轮速度n21(n31)顺时针同速旋转,前排一中间排齿圈n12(n22)顺时针减速旋转,为保持式(6)等号两边相等,则中间排行星架—后排齿圈n23为顺时针减速旋转。
(3)后排行星齿轮机构,运动方程式如式(7):
n31+α3n32-(α3+1)n33=0
中间—后排共用太阳轮n21(n31)为顺时针同速旋转,而中间排行星架—后排齿圈转速n23(n32)为顺时针减速旋转,为保持式(7)式等号左右相等,则后排行星架速度n32为顺时针减速旋转输出。
单向离合器F1的作用是单向固定前排行星架,制动器Bl工作可双向固定前排行星架,若用B1代替Fl,C4代替C1和F4,则具有发动机制动效果。
3挡时所有的行星齿轮机构都参与了动力传递,2挡时只有中排和后排两个行星齿轮机构参与了动力传递。
2挡时前排一中间排齿圈被固定,而3挡时前排一中间齿圈为顺时针减速旋转,故3挡时中间行星架—后排齿圈比2挡转速要快,3挡时后排行星架输出比2挡时要快。
根据3挡的动力传递路线定性分析,可进行3挡传动比的计算:
对前排行星齿轮机构约束条件为n13=0,由方程式(5)和约束条件可求得
对中、后排行星齿轮机构的约束条件如下
由运动方程式(6)和式(7)及以上约束条件可求出3挡传动比为
3.44挡动力传递分析
4挡动力传递路线如图5所示,由表1可知4挡时C1、F4、C2工作,其动力传递路线可描述如下:
4挡时离合器C1和单向离合器F4共同作用,中间—后排共用太阳轮为顺时针同速旋转,离合器C2工作,中间排行星架—后排齿圈为顺时针同速旋转,则整个后排行星齿轮机构为顺时针同速旋转,故后排行星架为顺时针同速旋转(输出端),传动比为1。
4挡时若离合器C4代替C1和F4的共同作用则具有发动机制动效果。
根据4挡动力传递路线分析可知,4挡的传动比为:
3.55挡动力传递分析
5挡动力传递路线如图6所示,由表1可知5挡时C2、C1、B1工作,其动力传递路线可描述如下:
(1)制动器Bl固定前排行星架,离合器C3结合,前排太阳轮为顺时针同速旋转,前排齿圈为顺时针减速旋转。
(2)中间排行星齿轮机构,运动方程式如式(6):
n21+α2n22-(α2+1)n23=0
前排一中间排齿圈速度n12(n22)为顺时针减速旋转,离合器C2工作,中间排行星架—后排齿圈n23为顺时针同速旋转,为保持式(6)等号左右相等,则中间排一后排太阳轮n21转速必须大于n23,由此得出中间—后排共用太阳轮为顺时针增速旋转。
(3)后排行星齿轮机构,运动方程式如式(7):
n31+α3n32-(α3+1)n33=0
离合器C2工作,中间排行星架—后排齿圈转速n23(n32)为顺时针同速旋转,而中间排—后排太阳轮速度n21(n31)为顺时针增速旋转,为保持式(7)等号左右相等则后排行星架转速n33速度必定大于n32,后排行星架为顺时针增速旋转,是超速挡。
5挡时前、中、后3个行星排都参与了动力传递,没有单向离合器参与动力传递,故有发动机制动。
根据5挡的动力传递的定性分析,可进行5挡传动比的计算:
对前排行星齿轮机构的约束条件为n13=0,由运动方程式(5)和约束条件可求得
对中、后排行星齿轮机构的约束条件如下:
;
;
由运动方程式(6)和式(7)及以上约束条件可求出5挡传动比为
3.66挡动力传递分析
6挡动力传递路线如图7所示,由表1可知6挡时C2、B2工作,其动力传递路线可描述如下:
(1)离合器C2结合,中间排行星架—后排齿圈为顺时针同速旋转,制动器B2固定前排一中间排齿圈,则中间排—后排共用太阳轮为顺时针增速旋转。
(2)分析后排行星齿轮机构中,齿圈为顺时针同速旋转,太阳轮为顺时针增速旋转,则后排行星架为顺时针增速旋转,是超速挡。
因6挡时没有单向离合器参与动力传递,故有发动机制动。
5挡时前、中、后3个行星排都参与了动力传递,6挡时只有中、后两个行星排参与了动力传递,5挡、6挡时中间排行星架—后排齿圈都为顺时针同速旋转。
但6挡时中间排齿圈是固定的,而5挡时中间排齿圈为顺时针减速旋转,故6挡时中间排—后排共用太阳轮的转速比5挡时快,最终使6挡时后排行星架的输出比5挡时快。
根据6挡的动力传递路线的定性分析,可进行6挡传动比的定量计算:
因前排行星齿轮机构齿圈固定,故n12=0。
对中、后排行星齿轮机构的约束条件如下:
由运动方程式(6)和式(7)及以上约束条件可求出6挡传动比为
3.7倒挡动力传递分析
倒挡动力传递路线如图8所示,由表1可知倒挡时C3、B4、F1工作,其动力传递路线可描述如下:
离合器C3结合,前排太阳轮为顺时针同速旋转,B1、F1固定前排行星架,前排一中间排齿圈顺时针减速旋转,B4固定中间排行星架,中间排—后排太阳轮逆时针旋转,B4固定后排齿圈,后排行星架为逆时针旋转。
在倒挡时具有发动机制动效果。
根据对倒挡的动力传递定性分析,可进行倒挡传动比的定量计算:
对前排、中间排、后排行星齿轮机构的约束条件如下:
由运动方程式(5)至式(7)及以上约束条件可求出倒挡传动比为
4、A761E自动变速器动力传动分析的总结
A761E自动变速器的输出轴始终与后排行星架相连,在l挡、2挡。
3挡、4挡时,输入轴通过离合器C1或C4与中间排—后排太阳轮相连,故传动比i为n31/n33;在5挡、6挡时输入轴通过离合器C2与中间排行星架—后排齿圈相连,故传动比i为n32/n33;在倒挡时输入轴通过离合器C3与前排太阳轮相连,故传动比i为n11/n33。
齿轮不仅改变转速而且改变转矩。
假定主动齿轮转速和转矩为N1和T1,从动齿轮转速和转矩为N2和T2,它们之间关系如下:
N1×T1=N2×T2
因为i=N1/N2就是指传动比,从动轮转矩由主动轮转矩乘以传动比获得。
参考文献:
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[6]俞建军,陈宁.A761E自动变速器动力传递的分析及计算[J].机械传动2012.
注:
此文获荆州市2014年教研成果三等奖
作者简介:
柯美辉、男、1989年11月生、XX省XX市人、XX船舶职业技术学院、汽车专业、升XX理工大学本科毕业、2013年11月入职荆州市创业学校工作、2014/2015两年中带队参加XX省、全国汽车类技能大赛分获一等奖3个、二等奖2个。
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