ZF9HP变速器：全球首款九速行星齿轮自动变速器

1.ZF9HP自动变速器的基本参数

9HP是ZF公司针对横置发动机而开发的世界首台九速自动变速器（图5-129）。它与传统的六速自动变速器在尺寸和重量上相当，在经济性、平顺性和响应速度等方面均更有优势，目前，已确定的有9HP-28和9HP-48两个型号。最大输出转矩为280N·m的9HP-28可能主要匹配1.4T、1.6T乃至2.0T之类的中小排量增压发动机或者3.0L排量以下的自然吸气发动机；而最大输出转矩为480N·m的9HP-48则用来与2.0T以上的涡轮增压发动机或者3.0L以上的大排量自然吸气发动机配合使用。9HP-28和9HP-48的基本参数见表5-16。表5-17所示为9HP变速器与八速及六速变速器速比对比。

图5-129 ZF9HP自动变速器

表5-16 9HP-28和9HP-48的基本参数

表5-17 9HP变速器与八速及六速变速器速比对比（均为横置）

注：—表示该变速器没有此档。

9HP变速器与同级别的六速自动变速器相比，尺寸几乎一致。这样一来，所有的车辆升级为9AT将变得非常简单，不需要重新设计发动机室的结构和尺寸，就可以直接容纳新的九速变速器。由于重量也没什么太大变化，所以车辆的前后重量分配、悬架调校等都几乎不需要重新调整，对于厂商而言升级的成本大大降低，而汽车产品的竞争力将会大大提高。

对比横置六速及八速自动变速器，可以看出9HP变速器的超速档数量达到了4个。从6档开始就是超速档，9档的传动比仅为0.480，远远低于一般超速档的传动比，总的速比跨度更是达到了9.795（最大传动比与最小传动比的比值）。这台九速自动变速器的传动比设定上明显偏向经济性，使车辆能够在更宽的车速区间以更经济的转速行驶。相比传统六速自动变速器，9HP的节油率可以达到10%以上。

图5-130 ZF9HP变速器齿轮变速机构示意图

2.ZF9HP自动变速器的结构

9HP自动变速器的核心结构是4个行星齿轮组和6个换档执行元件（图5-130），其中2个制动器和4个离合器。通过换档执行元件来控制行星齿轮组的不同组合，可以实现9个前进档和1个倒档。不同档位时，各换档执行元件的动作情况见表5-18。它利用嵌套的行星齿轮来缩短变速器的长度，通过优化变速器的结构以及在满足强度的基础上使用轻质的零部件材料使整体质量得到了控制。9HP变速器的电控单元（也称为电脑）布置于变速器的顶部，而液压控制单元（也称为滑阀箱）位于变速器侧面（图5-131），高精度的电磁阀是响应速度和换档质量的保证。

表5-18 换档执行元件在各档位的工作状态表

注：●表示工作。

图5-131 ZF9HP自动变速器的结构图

下面先介绍ZF9HP自动变速器中换档执行元件的名称及功用，然后再分析其传动原理。

（1）离合器

1）离合器B：3/5/9和倒档离合器，主要负责输入轴与第4齿轮组中的太阳轮的连接与释放。

2）离合器E：4/5/6/7/8和9档离合器，主要负责输入轴与第1、2齿轮组中共用行星架的连接与释放。

（2）爪形离合器

1）爪形离合器A：1/2/3/4/5/6和7档离合器，主要负责第1、2齿轮组中共用太阳轮与变速器壳体的连接与释放。

2）爪形离合器F：1/2/3/4和倒档离合器，主要负责输入轴与第3、4齿轮组中太阳轮和内齿圈组件的连接与释放。

（3）制动器

1）制动器C：2/6和8档制动器，主要负责第4齿轮组中太阳轮与自动变速器壳体的连接与释放。

2）制动器D：1/7/8/9和倒档制动器，主要负责第3齿轮组中内齿圈与自动变速器壳体的连接与释放。

3.ZF9HP自动变速器各档位动力传递分析

（1）1档动力传递分析

如图5-132所示，1档时，离合器A、F和制动器D同时工作，输入轴的动力经离合器F传递到第3齿轮组中的太阳轮并使其顺时针旋转。制动器D工作将第3齿轮组中的内齿圈制动，则动力由第3齿轮组中的太阳轮带动行星架减速传递到第2齿轮组中的内齿圈并使其顺时针旋转，因离合器A工作将第1、2齿轮组中的共用太阳轮与变速器壳体连接，则第2齿轮组中的内齿圈带动共用行星架减速将动力输出。1档动力传递的特点是动力经第3、2齿轮组2次减速后输出。

图5-132 ZF9HP自动变速器1档动力传递路线

（2）2档动力传递分析

如图5-133所示，2档时，离合器A、F和制动器C同时工作，输入轴的动力经离合器F传递到第4齿轮组中的内齿圈并使其顺时针旋转。制动器C工作将第4齿轮组中的太阳轮制动，则动力由第4齿轮组中的内齿圈带动行星架减速传递到第2齿轮组中的内齿圈并使其顺时针旋转，因离合器A工作将第1、2齿轮组中的共用太阳轮与变速器壳体连接，则第2齿轮组中的内齿圈带动共用行星架减速将动力输出。2档动力传递的特点是动力经第4、2齿轮组2次减速后输出。(www.xing528.com)

图5-133 ZF9HP自动变速器2档动力传递路线

（3）3档动力传递分析

如图5-134所示，3档时，离合器A、F、B同时工作。离合器F、B工作使第4齿轮组处于直接传动状态，动力经行星架传递到第2齿轮组中的内齿圈，经第2齿轮组1次减速后将动力输出。3档动力传递的特点是动力经第2齿轮组1次减速后输出。

图5-134 ZF9HP自动变速器3档动力传递路线

（4）4档动力传递分析

如图5-135所示，4档时，离合器E、A、F同时工作。离合器E工作将输入轴与第1、2齿轮组的共用行星架连接。离合器A工作将第1、2齿轮组的共用太阳轮与变速器壳体连接。离合器F工作将动力传递到第3、4齿轮组中的太阳轮与内齿圈组件。根据行星齿轮机构的运动方程计算可知其传动比为1.380，该档为低速档。

（5）5档动力传递分析

如图5-136所示，5档时，离合器E、A、B同时工作。离合器E工作将输入轴与第1、2齿轮组的共用行星架连接。离合器A工作将第1、2齿轮组的共用太阳轮与变速器壳体连接。离合器B工作将动力传递到第4齿轮组中的太阳轮。根据行星齿轮机构的运动方程计算可知其传动比为1.000，该档为直接档。

图5-135 ZF9HP自动变速器4档动力传递路线

图5-136 ZF9HP自动变速器5档动力传递路线

（6）6档动力传递分析

如图5-137所示，6档时，离合器E、A和制动器C同时工作。离合器E工作将输入轴与第1、2齿轮组的共用行星架连接。离合器A工作将第1、2齿轮组的共用太阳轮与变速器壳体连接。制动器C工作将第4齿轮组中的太阳轮与自动变速器壳体连接。根据行星齿轮机构的运动方程计算可知其传动比为0.800。

图5-137 ZF9HP自动变速器6档动力传递路线

（7）7档动力传递分析

如图5-138所示，7档时，离合器E、A和制动器D同时工作。离合器E工作将输入轴与第1、2齿轮组的共用行星架连接。离合器A工作将第1、2齿轮组的共用太阳轮与变速器壳体连接。制动器D工作将第3齿轮组中的内齿圈与自动变速器壳体连接。根据行星齿轮机构的运动方程计算可知其传动比为0.700。

图5-138 ZF9HP自动变速器7档动力传递路线

（8）8档动力传递分析

如图5-139所示，8档时，离合器E和制动器D、C同时工作。离合器E工作将输入轴与第1、2齿轮组的共用行星架连接。制动器D工作将第3齿轮组中的内齿圈与自动变速器壳体连接。制动器C工作将第4齿轮组中的太阳轮与自动变速器壳体连接。根据行星齿轮机构的运动方程计算可知其传动比为0.580。

图5-139 ZF9HP自动变速器8档动力传递路线

（9）9档动力传递分析

如图5-140所示，9档时，离合器E、B和制动器D同时工作。离合器E工作将输入轴与第1、2齿轮组的共用行星架连接。离合器B工作将动力传递到第4齿轮组中的太阳轮。制动器D工作将第3齿轮组中的内齿圈与自动变速器壳体连接。根据行星齿轮机构的运动方程计算可知其传动比为0.480。

图5-140 ZF9HP自动变速器9档动力传递路线

（10）倒档动力传递分析

如图5-141所示，倒档时，离合器F、B和制动器D同时工作。离合器F工作将动力传递到第3、4齿轮组中的太阳轮与内齿圈组件。离合器B工作将动力传递到第4齿轮组中的太阳轮。制动器D工作将第3齿轮组中的内齿圈与自动变速器壳体连接。根据行星齿轮机构的运动方程计算可知其传动比为-3.800，其中“-”表示动力传递方向，即汽车倒向行驶。

图5-141 ZF9HP自动变速器倒档动力传递路线

该变速器在4、5、6、7、8、9和倒档时的动力传递过程复杂，并不能通过讲述进行说明，只能通过行星齿轮机构的运动方程计算传动比来进行比较。