一种行星齿轮结构方式的多挡变速器技术领域
本发明属于自动变速器技术领域，涉及一种自动变速器单元，特别是用于机动车
的动力传动系，具体涉及一种行星齿轮结构方式的多挡变速器。
背景技术
机动车的动力系包括发动机、多档变速器和差速器或主减速器组成。多档变速器
通过容许发动机在其扭矩范围内被多次操作来提高车辆的整个操作范围。变速器中可得到
的前进速度比(前进档)的数量确定了发动机扭矩范围重复的次数。前进档的数量较少将会
限制车辆的整个速度范围，并因此需要相对较大的发动机，方可产生较宽的速度和扭矩范
围。
目前四档自动变速器特别是行星齿轮结构的自动变速器已在我国不断地普及，这
些变速器改进了车辆的操作性能和燃料经济性。前进速度比的数量增加将减少在速度比之
间的步长，并因此通过在正常车辆加速下使操作员基本察觉不到速度比替换而改进变速器
的换档质量。六档、七档、八档、九档自动变速器在车辆加速度和改进的燃料经济性方面比
四档和五档自动变速器有明显的优势，但是由于这些变速器的尺寸大、结构的复杂性和成
本高，这些自动变速器的普及上还受到一定的限制。
一般而言可自动切换的行星齿轮结构方式的车辆自动变速器已在现有技术中被
多次描述并且始终被进一步开发和改进。比如德国ZF公司CN104114902A和CN101970902A、
德国戴姆勒股份公司CN102203458A和美国GM公司US7695398B2公开了行星齿轮结构方式的
多级自动变速器，该自动变速器具有一个输入轴、一个输出轴、四个行星轮组和六个换档控
制元件，通过有针对性地操作这些换档控制元件改变四个行星齿轮组中的动力流，在输入
轴和输出轴之间获得不同的传动比。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有自动变速器结构复杂、质量重和生产成
本高，特别是难以提供略微渐进的且分级良好的传动比系列、自动变速器各个元件的负荷
最小化和良好的啮合效率的问题。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：
本发明提出了一种自动变速器单元，尤其是机动车自动变速器单元，所述变速器
单元具有：沿着主旋转轴前后相继地设置的四个行星轮组即第一、第二、第三和第四行星轮
组；
六个换档切换元件，所述换档切换元件允许选择性地接合可使变速器实现九个前
进档位；
输入轴与第一齿圈、第二和第三离合器不能相对转动地连接，再通过这两个离合
器分别接合第一行星架、第三行星架和第四行星架；
以及动力输出轴，所述动力输出轴与第四齿圈连接。由此可提供一种自动变速器
单元，该自动变速器单元具有档位数量多、分级良好且传动比范围足够、变速器结构紧凑。
对于“不能相对转动地连接”应理解为两个构件通过花键或刚性等形式连接，使两
个构件转动时具有相等的角速度。
对于“离合器”应理解为被设置用于使两个可转动地设置的离合器元件选择性不
能相对转动地连接或分开的单元。对于“制动器”应理解为被设置用于使可转动的制动器元
件与固定单元尤其是变速器壳体选择性不能相对转动地连接或分开的单元。
对于“沿着主旋转轴前后相继地设置的第一、第二、第三和第四行星轮组变速器”
在此意义下尤其是应理解为四个行星轮组变速器的排列顺序，这些行星轮组变速器以该排
列顺序沿着主旋转轴设置，其中，第一行星轮组变速器有利地朝向输入轴侧，第四行星轮组
变速器有利地朝向输出轴侧。另外，为了简化，对于“第一至第四太阳轮”、“第一至第四行星
轮架”、“第一至第四齿圈”应理解为分别配置给第一至第四行星轮变组速器的太阳轮或行
星轮架或齿圈，即例如对于第一行星轮架应理解为第一行星轮组变速器的行星轮架。
一种行星齿轮结构方式的多挡变速器，包括设置在壳体G内的四个行星齿轮组、八
个能转动的轴和六个换档切换元件；
所述四个行星齿轮组分别为第一行星轮组P1、第二行星轮组P2、第三行星轮组P3、
第四行星轮组P4；
所述第一、第二、第三和第四行星齿轮组Pl，P2，P3，P4构造成负传动比行星齿轮
组。但在允许连接而不产生干涉的位置下，可以将单个或多个负传动比行星齿轮组改变为
正传动比行星齿轮组，即同时更换齿圈和行星架连接关系，并且将固定传动比的值增加1；
也可以将单个或多个正传动比行星齿轮组改变为负传动比行星齿轮组，即同时更换齿圈和
行星架连接关系，并且将固定传动比的值减少1。
所述第一行星轮组P1设置在输入侧，所述第一行星轮组Pl包括第一太阳轮P11、第
一行星轮架P12和第一齿圈P13；第一行星轮架P12在圆周轨道上引导第一行星轮P14，第一
行星轮P14能够在第一行星轮架P12上圆周转动；第一行星轮P14与第一太阳轮P11并且与第
一齿圈P13相啮合；
所述第二行星轮组P2、第三行星轮组P3依次设置在中间；所述第二行星轮组P2包
括第二太阳轮P21、第二行星轮架P22和第二齿圈P23；第二行星轮架P22在圆周轨道上引导
第二行星轮P24，第二行星轮P24能够在第二行星轮架P22上圆周转动；第二行星轮P24与第
二太阳轮P21并且与第二齿圈P23相啮合；
所述第三行星轮组P3包括第三太阳轮P31、第三行星轮架P32和第三齿圈P33；第三
行星轮架P32在圆周轨道上引导第三行星轮P34，第三行星轮P34能够在第三行星轮架P32上
圆周转动；第三行星轮P34与第三太阳轮P31并且与第三齿圈P33相啮合；
所述第四行星轮变速器P4设置在输出侧，所述第四行星轮组P4包括第四太阳轮
P41、第四行星轮架P42和第四齿圈P43；第四行星轮架P42在圆周轨道上引导第四行星轮
P44，第四行星轮P44能够在第四行星轮架P42上圆周转动；第四行星轮P44与第四太阳轮P41
并且与第四齿圈P43相啮合。
所述八个能转动的轴分别为输入轴1、输出轴2、第三轴3、第四轴4、第五轴5、第六
轴6、第七轴7和第八轴8；
所述第三轴3与第二行星架P22不能相对转动地连接；
所述第四轴4与第一行星架P12不能相对转动地连接；
所述第五轴5与第三行星架P32、第四行星架P42不能相对转动地连接；
所述第六轴6与第一太阳轮P11、第二太阳轮P21不能相对转动地连接；
所述第七轴7与第二齿圈P23、第三齿圈P33、第四太阳轮P41不能相对转动地连接；
所述第八轴8与第三太阳轮P31不能相对转动地连接；
所述输出轴2与第四齿圈P43不能相对转动地连接。
所述六个换档切换元件由三个离合器和三个制动器组成，所述三个离合器分别为
第一离合器C1、第二离合器C2、第三离合器C3，所述三个制动器分别为第一制动器B1、第二
制动器B2、第二制动器B3；
所述六个换档切换元件选择性地接合使得在输入轴1和输出轴2之间获得不同的
传动比，从而能实现九个前进挡和一个倒挡；
第一离合器C1是可操纵的扭拒传递装置，以有选择性地将所述第四轴4与第七轴7
连接起来；
第二离合器C2是可操纵的扭拒传递装置，以有选择性地将所述输入轴1与第四轴4
连接起来；
第三离合器C3是可操纵的扭拒传递装置，以有选择性地将所述输入轴1与第五轴5
连接起来；
第一制动器B1是可操纵的扭拒传递装置，以有选择性地将所述第三轴3与壳体G连
接起来；
第二制动器B2是可操纵的扭拒传递装置，以有选择性地将所述第六轴6与壳体G连
接起来；
第三制动器B3是可操纵的扭拒传递装置，以有选择性地将所述第八轴8与壳体G连
接起来。
技术方案中所述第一离合器C1包括第一离合器a元件C11和第一离合器b元件C12，
第二离合器C2包括第二离合器a元件C21和第二离合器b元件C22，第三离合器C3包括第三离
合器a元件C31和第三离合器b元件C32；
所述第一制动器B1包括第一制动器a元件B11，第二制动器B2包括第二制动器a元
件B21，第三制动器B3包括第三制动器a元件B31。
设置有所述第一离合器C1被操纵时，使与所述第四轴4不能相对转动地连接的所
述第一离合器a元件C11和与所述第七轴7不能相对转动地连接的所述第一离合器b元件C12
连接起来；设置有所述第二离合器C2被操纵时，使与所述输入轴1不能相对转动地连接的所
述第二离合器a元件C21和与所述第四轴4不能相对转动地连接的所述第二离合器b元件C22
连接起来；设置有所述第三离合器C3被操纵时，使与所述输入轴1不能相对转动地连接的所
述第三离合器a元件C31和与所述第五轴5不能相对转动地连接的所述第三离合器b元件C32
连接起来；
设置有所述第一制动器B1被操纵时，使与所述第三轴3不能相对转动地连接的所
述第一制动器a元件B11和壳体G连接起来；设置有所述第二制动器B2被操纵时，使与所述第
六轴6不能相对转动地连接的所述第二制动器a元件B21和壳体G连接起来；设置有所述第三
制动器B3被操纵时，使与所述第八轴8不能相对转动地连接的所述第三制动器a元件B21和
壳体G连接起来。
技术方案中所述输入轴1与第一齿圈P13、第一离合器a元件C11、第三离合器a元件
C31不能相对转动地连接。
技术方案中通过闭合第一和第三制动器B1，B3以及第一离合器C1得到第一前进
挡，通过闭合第二和第三制动器B2，B3以及第一离合器C1得到第二前进挡，通过闭合第三制
动器B3以及第一和第二离合器C1，C2得到第三前进挡，通过闭合第三制动器B3以及第一和
第三离合器C1，C3得到第四前进挡，或者通过闭合第三制动器B3以及第二和第三离合器C2，
C3得到第四前进挡，通过闭合第一、第二和第三离合器C1，C2，C3得到第五前进挡，通过闭合
第二制动器B2以及第一和第三离合器C1，C3得到第六前进挡，通过闭合第一制动器B1以及
第一和第三离合器C1，C3得到第七前进挡，通过闭合第一和第二制动器B1，B2以及第三离合
器C3得到第八前进挡，通过闭合第一制动器B1以及第二和第三离合器C2，C3得到第九前进
挡，通过闭合第一和第三制动器B1，B3以及第二离合器C2得到倒挡。
技术方案中所述第一、第二、第三和第四行星齿轮组Pl，P2，P3，P4构造成负传动比
行星齿轮组；
所述行星齿轮组沿轴向观察按第一行星齿轮组Pl、第二行星齿轮组P2、第三行星
齿轮组P3、第四行星齿轮组P4的顺序设置。
技术方案中所述变速器的各换档切换元件C1，C2，C3，B1，B2，B3构造成能根据需要
切换的换档切换元件，是机电和/或电液的换档切换元件。
所述第二离合器a元件(C21)与第一齿圈(P13)连接，第二离合器b元件(C22)与第
一太阳轮(P11)连接。
所述第二离合器a元件(C21)与第一行星架(P12)连接，第二离合器b元件(C22)与
第一太阳轮(P11)连接。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
本发明能提供九个前进档和一个倒档，具有档位数量多、提供略微渐进的且分级
良好的传动比系列，传动比范围足够，适用于轿车的多档自动变速器的整体传动比范围，从
而提高行驶舒适性并降低油耗。同时，变速器结构紧凑，减少构件数量使得其重量和生产成
本最小化。传动效率高、各元件的负荷小，具有低的绝对和相对转速以及低的行星齿轮组力
矩和换档切换元件控制力矩，有利于提高变速器的使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1是根据本发明的一个实施例自动变速器单元的示意性视图；
图中：
G 壳体；
1 输入轴；
2 输出轴；
3 第三轴；
4 第四轴；
5 第五轴；
6 第六轴；
7 第七轴；
8 第八轴；
C1 第一离合器；
C2 第二离合器；
C3 第三离合器；
B1 第一制动器；
B2 第二制动器；
B3 第三制动器；
P1 第一行星齿轮组；
P2 第二行星齿轮组；
P3 第三行星齿轮组；
P4 第四行星齿轮组；
P11 第一太阳轮；
P12 第一行星架；
P13 第一齿圈；
P14 第一行星轮；
P21 第二太阳轮；
P22 第二行星架；
P23 第二齿圈；
P24 第二行星轮；
P31 第三太阳轮；
P32 第三行星架；
P33 第三齿圈；
P34 第三行星轮；
P41 第四太阳轮；
P42 第四行星架；
P43 第四齿圈；
P44 第四行星轮；
C11 第一离合器a元件；
C12 第一离合器b元件；
C21 第二离合器a元件；
C22 第二离合器b元件；
C31 第三离合器a元件；
C32 第三离合器b元件；
B11 第一制动器a元件；
B21 第二制动器a元件；
B31 第三制动器a元件；
① 第二离合器的第一个可替换位置
② 第二离合器的第二个可替换位置
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
图1示出了一个自动变速器单元的一个实施例，该自动变速器单元构造成机动车
自动变速器单元。自动变速器单元具有四个行星轮组Pl、P2、P3、P4。第一行星轮组Pl、第二
行星轮组P2、第三行星轮组P3和第四行星轮组P4前后相继地沿着主旋转轴设置。自动变速
器单元的第一、第二、第三和第四行星轮组Pl、P2、P3、P4是单级行星轮组。变速器单元具有
六个换档切换元件C1、C2、C3、B1、B2、B3。这些换档切换元件被设置用于转换正好九个前进
自动变速器档位Gl、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8、G9和一个倒档GR。但自动变速器单元也可用仅
八个前进变速器档位来工作，例如通过不转换第一前进变速器档位Gl或第九前进变速器档
位G9。
自动变速器单元被设置用于使机动车的未详细示出的驱动机与机动车的未详细
示出的驱动轮连接。借助于变速器单元可调节驱动机与驱动轮之间的变速比。变速器单元
可与混合驱动模块连接，借助于该混合驱动模块可改变驱动力矩。另外，借助于混合驱动模
块和变速器单元可实现CVT，由此可实现一个变速比至少可在局部区域内无级调节的变速
器单元。
自动变速器单元具有输入轴1，该输入轴被设置用于将驱动力矩引入到变速器单
元中。可在输入轴1连接一个未详细示出的模块，该模块尤其是应被设置用于提供起步功
能。作为连接在前面的模块例如可考虑变矩器或湿式起步离合器。但原则上也可将被设置
用于起步的模块集成在变速器单元中或者例如使用离合器单元C1、C2、C3、B1、B2、B3之一来
起步。
另外，自动变速器单元具有动力输出轴2，该动力输出轴被设置用于将驱动力矩从
变速器单元引出。动力输出轴2被设置用于与机动车的驱动轮连接。可在动力输出轴2后面
连接一个未详细示出的模块——从自动变速器单元引出的力矩可借助于该模块分配给驱
动轮，例如被设置用于补偿驱动轮之间的转速差的行星轮变速器，或者将驱动力矩分配给
两个不同的输入轴的全轮驱动单元。动力输入轴1和动力输出轴2原则上可彼此相对任意设
置。在此，尤其有利的是同轴地设置在自动变速器单元的彼此对置的两侧，但也可考虑设置
在变速器单元的相同侧。
第一行星轮组P1设置在输入侧。第一行星轮组Pl具有单级行星轮组。单级行星轮
组包括第一行星轮组Pl包括第一太阳轮P11、第一行星轮架P12和第一齿圈P13；第一行星轮
架P12在圆周轨道上引导第一行星轮P14，第一行星轮P14能够在第一行星轮架P12上圆周转
动；第一行星轮P14与第一太阳轮P11并且与第一齿圈P13相啮合。第一行星轮组Pl的特征系
数(行星轮组内传动比)K1＝-2.2。
第二行星轮组P2在中间设置在输入侧。第二行星轮组P2具有单级行星轮组。单级
行星轮组包括第二行星轮组P2、第三行星轮组P3依次设置在中间；所述第二行星轮组P2包
括第二太阳轮P21、第二行星轮架P22和第二齿圈P23；第二行星轮架P22在圆周轨道上引导
第二行星轮P24，第二行星轮P24能够在第二行星轮架P22上圆周转动；第二行星轮P24与第
二太阳轮P21并且与第二齿圈P23相啮合。第二行星轮组P2的特征系数(行星轮组内传动比)
K2＝-2.0。
第三行星轮组P3在中间设置在输出侧。第三行星轮组P3具有单级行星轮组。单级
行星轮组包括第三太阳轮P31、第三行星轮架P32和第三齿圈P33。第三行星轮架P32在圆周
轨道上引导第三行星轮P34。第三行星轮P34与第三太阳轮P31并且与第三齿圈P33相啮合。
第三行星轮P34可在第三行星轮架P32上圆周转动。第三行星轮组P3的特征系数(行星轮组
内传动比)K3＝-2.0。
第四行星轮变速器P4设置在输出侧。第四行星轮组P4具有单级行星轮组。单级行
星轮组包括第四太阳轮P41、第四行星轮架P42和第四齿圈P43。第四行星轮架P42在圆周轨
道上引导第四行星轮P44。第四行星轮P44与第四太阳轮P41并且与第四齿圈P43相啮合。第
四行星轮P44可在第四行星轮架P42上圆周转动。第四行星轮组P4的特征系数(行星轮组内
传动比)K4＝-1.6。
二个离合器C2、C3构造成离合器单元。这二个离合器分别具有一个可转动的离合
器a元件C21、C31和一个可转动的离合器b元件C22、C32。二个离合器a元件C21、C31彼此不能
相对转动地连接。离合器C1具有一个可转动的离合器a元件C11和一个可转动的离合器b元
件C12。当离合器C1、C2、C3分别被操纵时，离合器a元件C11、C21、C31分别和离合器b元件
C12、C22、C32连接起来，两元件具有相等的旋转角速度。
三个制动器单元B1、B2、B3分别构造成制动器单元并且分别仅具有一个制动器a元
件B11、B21、B31。当制动器B1、B2、B3分别被操纵时，制动器a元件B11、B21、B31分别与变速器
壳体G连接，使制动器a元件旋转的角速度为零。
如图1所示的本发明多档自动变速器，包括设置在一个壳体G中的一个输入轴1、一
个输出轴2、四个行星齿轮组Pl，P2，P3，P4以及包括总共八个能转动的轴1、2、3、4、5、6、7、8
和六个换档切换元件C1、C2、C3、B1、B2、B3，换档切换元件包括多个离合器C1、C2、C3和多个
制动器B1、B2、B3，换档切换元件选择性地接合使得在输入轴1和输出轴2之间获得不同的传
动比，从而能实现九个前进挡和一个倒挡，其中，
输入轴1通过第三离合器C3与连接于第三行星架P32、第四行星架P42的第五轴5实
现可松脱地连接；输入轴1与第一齿圈P13连接；输入轴1通过第二离合器C2与连接于第一行
星架P12的第四轴4实现可松脱地连接；并且第四轴4通过第一离合器C1与连接于第二齿圈
P23、第三齿圈P33、第四太阳轮P41的第七轴7实现可松脱地连接；连接于第二行星架P22的
第三轴3通过第一制动器B1与壳体G实现可松脱地连接；连接于第一太阳轮P11、第二太阳轮
P21的第六轴6通过第二制动器B2与壳体G实现可松脱地连接；连接于第三太阳轮P31的第八
轴8通过第三制动器B3与壳体G实现可松脱地连接；输出轴2与第四齿圈P43连接。
由图1可知，输入轴1与第一齿圈P13、第二离合器a元件C21、第三离合器a元件C31
不能相对转动地连接，输出轴2与第四齿圈P43不能相对转动地连接，第三轴3与第二行星架
P22、第一制动器a元件B11不能相对转动地连接，第四轴4与第一行星架P12、第二离合器b元
件C22、第一离合器a元件C11不能相对转动地连接，第五轴5与第三行星架P32、第四行星架
P42、第三离合器b元件C32不能相对转动地连接，第六轴6与第一太阳轮P11、第二太阳轮
P21、第二制动器a元件B21不能相对转动地连接，第七轴7与第二齿圈P23、第三齿圈P33、第
四太阳轮P41、第一离合器b元件C12不能相对转动地连接，第八轴8与第三太阳轮P31、第三
制动器a元件B31不能相对转动地连接。
在表1中示出根据图1的多档自动变速器的示例性的换档逻辑、各档传动比和传动
比间隔。对于每个挡位只需要闭合三个换档切换元件。从该换挡示意图可以示例性地得出
各个挡位的各自的传动比和可由此确定的向下更高一挡的换挡跳跃或者说传动比间隔(挡
位之间的传动比比值)，其数值总共为9.992是变速器的速比范围。表1中“×”表示离合器、
制动器被操纵(接合)，“(×)”表示离合器可以被操纵(接合)，也可以不被操纵(接合)，均不
影响变速器在该档位的传动比。
表1
由表1可见，在顺序换挡方式时，两个相邻的挡位分别仅须接通一个换档切换元件
和断开一个切换元件，另外两个换档切换元件接通情况不变，即换入相邻挡位时共用两个
换档切换元件。此外可见，换档时能实现较小的换挡跳跃且较大的传动比范围。同时各个档
位的传动效率高。
通过闭合第一和第三制动器B1，B3以及第一离合器C1得到第一前进挡，通过闭合
第二和第三制动器B2，B3以及第一离合器C1得到第二前进挡，通过闭合第三制动器B3以及
第一和第二离合器C1，C2得到第三前进挡，通过闭合第三制动器B3以及第一和第三离合器
C1，C3得到第四前进挡，或者通过闭合第三制动器B3以及第二和第三离合器C2，C3得到第四
前进挡，通过闭合第一、第二和第三离合器C1，C2，C3得到第五前进挡，通过闭合第二制动器
B2以及第一和第三离合器C1，C3得到第六前进挡，通过闭合第一制动器B1以及第一和第三
离合器C1，C3得到第七前进挡，通过闭合第一和第二制动器B1，B2以及第三离合器C3得到第
八前进挡，通过闭合第一制动器B1以及第二和第三离合器C2，C3得到第九前进挡，通过闭合
第一和第三制动器B1，B3以及第二离合器C2得到倒挡。
根据本发明，即使在相同的变速器示意图中视换挡逻辑的不同也可得到不同的传
动比间隔，从而可实现应用于特定或车辆特定的变型方案。
作为第一个替换方案，可以将实施例方案中改变第二离合器C2的连接方式，具体
是：第二离合器a元件C21与第一齿圈P13连接，第二离合器b元件C22与第一太阳轮P11连接，
其余结构不变，换档逻辑如表1所示。第二离合器C2具体的替换位置如图1中的符号“①”所
示。
作为第二个替换方案，可以将实施例改变第二离合器C2的连接方式，具体是：第二
离合器a元件C21与第一行星架P12连接，第二离合器b元件C22与第一太阳轮P11连接，其余
结构不变，换档逻辑如表1所示。第二离合器C2具体的替换位置如图1的符号“②”所示。
另外，根据本发明可选地规定，在多档自动变速器的每个合适的位置上设置附加
的单向离合器，例如为了在一个轴和壳体之间连接或可选地连接两个轴。
在输入轴侧或输出轴侧，可设置车轴差速器和/或分配器差速器。
在本发明一种有利的改进方案的范围内，输入轴1可按照需要通过一个离合元件
与驱动马达分开，作为离合元件可使用液力变矩器、液压式离合器、干式起动离合器、湿式
起动离合器、磁粉离合器或者离心力离合器。也可将这种起动元件沿动力流方向设置在变
速器下方，在这种情况下输入轴1与驱动马达的曲轴固定连接。
此外，根据本发明的多档自动变速器允许将扭转减震器设置在驱动马达和变速器
之间。
在本发明的另一种未示出的实施方式的范围内，可在每个轴上、优选在输入轴1或
输出轴2上设置无磨损的制动器、例如液压式或电动缓行器或类似物，这特别是对于用在商
用车中具有重要意义。此外，为了驱动附加的机组可以在每个轴，优选在输入轴1或输出轴2
上设置辅助驱动装置。
所使用的摩擦式换档切换元件可构造成能动力切换的离合器或者制动器。特别是
可使用力锁合的离合器或制动器、例如片式离合器、带式制动器和/或圆锥离合器。
在这里所建议的多档自动变速器的另一优点在于，在每个轴上可安装作为发电机
和/或作为附加驱动装置的电机。