五速自动变速器行星齿轮机构的研究

五速自动变速器行星齿轮机构的研究

摘要

变速器是汽车上的重要组成部分之一，现代轿车上绝大部分都是使用的自动变速器。因为自动变速器具有各挡之间传动比小、起步扭矩变大、驾驶舒适性等一系列的优点，所以自动速变速器在汽车上越来越广泛的使用。但是变速器的结构复杂，对于初学者在学习的时候是有些困难的，本文通过研究最基本的五速变速器的行星齿轮机构，以两个经典的五速变速器：宝马ZF5HP24、奔驰W5A580的行星齿轮机构，来作为典型的行星齿轮机构案例分析。因为宝马和奔驰这两种车具有象征意义，学起来也比较感兴趣，我们通过介绍其工作换挡原理，以及这两种变速器的传动比计算，分析各个变速器的传动方案，使初学者学起变速器的内容更加简单，在文章中，我们利传统公式法和杠杆法计算各个五速自动变速器的传动比，然后再从它们的结构，特别是行星齿轮机构的工作元件数，独立元件数，换挡元件数对比分析，得出哪一种传动比是最佳的传动比。最后在本课题研究的基础上，对课题的研究成果进行总结，分析出各自变速器的优点与不足，同时做进一步展望。

关键词：自动变速器；杠杆法；行星齿轮机构;宝马ZF5HP24；奔驰W5A580

Research on the planetary gear mechanism of five-speed automatic transmission

Abstract

Transmission is one of the most important parts of automobiles. Most of the modern cars use automatic transmission. Automatic transmission is more and more widely used in automobile because it has a series of advantages, such as small transmission ratio, bigger starting torque and driving comfort. But the structure of the transmission is complex. It is difficult for beginners to learn. This paper studies the most basic five speed transmission planetary gear mechanism and two classic five speed transmissions, BMW ZF5HP24 and the planetary gear mechanism of Mercedes Benz W5A580, as a typical case analysis of planetary gear mechanism. Because the two kinds of cars of BMW and Mercedes are of symbolic meaning and are more interested in learning. By introducing the shift principle of their work and the calculation of the transmission ratio of the two kinds of transmission, we analyze the transmission scheme of each transmission so that the beginner to learn the contents of the transmission more simply. In the article, we benefit the traditional formula. The method and lever method are used to calculate the transmission ratio of each five speed automatic transmission, and then from their structure, especially the number of working elements of the planetary gear mechanism, the number of independent components and the number of shift elements, which is the best transmission ratio. Finally, on the basis of this research, we summarize the research results of the subject, analyze the advantages and disadvantages of each transmission, and make further prospects.

Key words: Automatic transmission;levermethod;planetary gear mechanism; BMW ZF5HP24; Mercedes-Benz W5A580

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1自动变速器的发展历程 1

1.2五速自动变速器的特点 2

1.3本文研究意义 2

1.4本文研究的主要内容 3

第2章宝马五速自动变速器行星齿轮机构 4

2.1 宝马五速自动变速器结构 4

2.2宝马ZF5HP 24自动变速器行星齿轮机构结构及特征方程 5

2.3传统公式法计算宝马ZF5HP 24行星齿轮机构传动比 7

2.4 杆法计算宝马ZF5HP 24行星齿轮机构传动比 9

2.5本章小结 11

第3章奔驰五速自动变速器行星齿轮机构 12

3.1 奔驰五速自动变速器结构 12

3.2传统公式法计算奔驰W5A580行星齿轮机构传动比 13

3.4本章小结 15

第4章宝马ZF5HP24和奔驰W5A580的对比 16

4.1组成的对比 16

4.2传动比的对比 17

4.3 综合对比 20

4.4本章小结 21

结论与展望 22

致谢 23

参考文献 24

主要研究成果 25

第1章绪论

1.1自动变速器的发展历程

现代变速器的发展起源于1904年的斯特蒂文兄弟开发的飞机变速箱，开始只有两个挡位，这种变速箱经常会在没有警告的情况下失效。到了1908年，福特的T型车的引入，自动变速器的新一阶段开启，这种变速箱具有简单的双速加反向的行星变速器，它的操作是由驾驶员用踏板手动控制，踏板启动变速器的摩擦元件，选择合适的挡位，但这种变速器仍然要求驾驶员指导何时进行换挡，以及汽车何时才能顺利的启动。后来到1932年，世界上第一台液压油自动变速器由两位巴西工程师研发，之后这些原型和项目出售给了通用汽车公司。到了1934年，通用汽车公司开发出半自动变速器，这种变速器的缺陷比手动变速器还难操作，但是它引人注目的是，这种自动变速器采用了液压控制的动力换挡行星齿轮箱，它对于行驶速度敏感，这也是未来发展的趋势。

与20世纪30年代自动变速器发展可以相提并论是克莱斯勒将液力耦合器应用于汽车用途工作。液力耦合器解决了避免车辆在变速器停止时间发动机停止发动的问题，最终，自动变速箱和液力耦合技术融合发展应用在1939年推出的通用汽车Hydra-Matic被大规模生产，它的广告非常吸引人——这是自动汽车启动电机问世后的一项重要进步。Hydra-Matic后来被凯迪拉克公司和庞蒂亚克采用，并卖给了其他汽车制造商，，包括宾利、哈德逊、凯撒、劳斯莱斯。并且在二战，被一些军用车辆使用。1950-1954年期间，林肯也与其配套，后来Mereceds-Benz随后设计了与Hydra-Matic不同的四速变速器。

1956年，通用推出Jetaway Hydra-Matic,他为了解决原Hydra-Matic换挡质量问题，这种新型变速器换挡比较顺畅，但是结构是一挡到四挡这之间，传动的效率和结构复杂大大增加。

1948年推出第一台液力变矩器Buick's Dynaflow，然后1949年中期，惠普的绣霸和雪佛兰也推出，他们属于1950年车型，他们的变速箱只有两个前进挡，扭力成倍增加是依赖变矩器来实现的，真正的自动化系统汽车是克莱斯勒在年推出的双速液力变矩器和1956年三速自动变速器的推出。

到了20世纪60年代后期，由于技术的不断革新，带变矩器的三速自动变速器被广泛使用。随着发动机控制单元的功能越来越强大，变速器的阀体内置的逻辑都被改装在发动机控制单元了，因为它可以作为一个独立的控制模块，其引擎管理与计算机共信息，使换挡质量和换挡的时间通过计算机控制，有的高挡车的电脑，甚至可以判断出驾驶员风格，以及最合适他们的风格。

随着时代的不断变革，慢慢的五速自动变速器、六速自动变速器、七速自动变速器等被不断发明出来，并应用于现代汽车上。

1.2五速自动变速器的特点

五速自动变速器的优越性主要表现在操作性能、汽车使用寿命、良好的驾驶动力性等这三个方面。

操作性能方面：由于自动变速器的出现，它取消了像手动变速器一样的离合器踏板，这样使操作更加简单，在换挡变速过程中，它省力，当它换到了一个挡位之后，没有什么突发情况它就不需要做其他的换挡过程了，这样就减少了驾驶员的换挡次数，理论上也相当于可以避免换挡时的频繁摩擦，达到一个保护变速器的寿命的作用，它提高了乘坐安全性和乘坐的平稳性。

延长了汽车使用的寿命方面表现在：自动变速器安装了一个液力变矩器，这个液力变矩器可以在变速器的传动过程中吸收和消除一些冲击，还有上面交代的一个原因，所以说自动变速器的寿命比手动变速器的寿命长，据了解，在汽车传动轴上装的自动变速器，在换挡时候因为有液力变矩器，换挡时候的冲击减小，还间接的延长了发动机的寿命。

良好的汽车驾驶动力性能这方面表现在：自动变速器由于有液力变矩器的作用，它可以在一定范围里面平稳连续无极变换速度，这样就提高了它的加性能。当然变速器在换挡的过程中，传动装置传递的动力不中断，这样才使汽车发动机的功率损失小，使汽车的加速性能得到明显提高。

1.3本文研究意义

现代轿车大多数装的都是自动变速器，手动变速器已经不能适应现在车辆安全性能需求了。自动变速器是现在轿车的一个重要装备组成。它大大降低了驾驶员的驾驶强度，从而很大一部分汽车驾驶的安全性，它能通过传感器在一定范围内感知路面状况、发动机的负载、汽车行驶的速度等一系列行驶状况的变化，对汽车的传动系统及各种可控参数进行调整，使汽车平稳的在路面上行驶和平顺挡位切换，使汽车更好的提供动力性、舒适度、和排放性能。但是它相对于手动变速器，其结构比较复杂，传动效率低。它的机械传动部分的结构和性能是决定变速器好坏的一个重要的标准，目前现代轿车行星变速器上绝大部分采用的是三自由度，五速变速器采用三自由度三行星排的行星齿轮传动，三行星排有很多传动方式搭配方案，究竟哪一传动比较合理，这是一个值得研究的课题。

宝马汽车在中国具有特殊意义，是中国人最熟悉的进口轿车，“开奔驰坐宝马”是很多人的梦想，所以本文针对宝马和奔驰的五速变速器进行研究，揭开它的五速自动变速器行星齿轮机构的面纱，为后续的研究做一个参考。

1.4本文研究的主要内容

本论文以宝马ZF5HP 24自动变速器和奔驰W5A580为研究对象，首先介绍它们的结构，然后着重分析行星齿轮机构的特点，各挡相应换挡元件的工作情况。对于宝马ZF5HP 24采用传统公式法和杠杆法计算器传动比，并对比两种方法的不同。对于奔驰W5A580，由于它是混联，由于时间和篇幅的问题，只用传统公式法计算其传动比。最后本论文对宝马ZF5HP 24和奔驰W5A580进行结构和传动比等多方面的对比，以表格和图来直观显示结果，多个角度分析两个方案。

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