1.1 背景及意义

变速器作为汽车传动系统的核心零部件，自汽车诞生之日起就扮演着至关重要的角色。传统汽车多采用活塞式内燃机作为主要动力源，混合动力汽车则多由1台活塞式内燃机和一台或多台电机作为主要动力源。对于传统汽车，活塞式内燃机的转矩和转速不能直接满足汽车行驶时的各种工况要求，而混合动力汽车除此之外，还需要将多个动力源根据汽车行驶工况的要求，进行不同混合动力工作模式的耦合输出。因此，所有的汽车都需要变速器。变速器的主要作用如下^[1]：

1）改变汽车传动系统的传动比，扩大驱动车轮转矩和转速范围，使汽车能够工作在各种行驶工况下，保证各个动力源（内燃机、电机）工作在最佳工况下。

2）对于传统汽车，在内燃机输出转速方向不变的情况下，汽车可实现倒退行驶；对于混合动力汽车，实现内燃机与电机的动力耦合输出。

3）改变汽车传动系统的动力传递路线，实现传统汽车的空档功能，以便内燃机平稳起动和怠速运转；实现混合动力汽车的动力分配功能，以便内燃机和电机之间实现动力转换（电机带动内燃机运转、内燃机带动电机发电、制动能量回收等）。

按照变速器操纵方式不同，传统汽车变速器分为手动变速器和自动变速器。相比于手动变速器，自动变速器可以将驾驶人从繁琐的换档操作中解放出来，缓解驾驶人的疲劳并提高驾乘舒适度。因此，在乘用车市场，自动变速器所占市场份额不断增加。从全球市场来看，美国的自动变速器市场占有率超过90%；日本的自动变速器市场占有率在85%以上；欧洲的汽车消费者更追求驾驶感，其自动变速器市场占有率相对较低，大约是30%，但也在逐年快速增加。从2005—2015年，中国乘用车自动变速器的年均增长率为35%。2015年中国乘用车市场自动变速器的配套率首次超过50%，达到51%，市场销量超过1000万台，市场规模超过1500亿元。随着消费者对驾乘舒适度要求的不断提高，预计未来几年，中国汽车市场将继续保持10%左右的增速，而自动变速器市场增速将维持在20%左右。

自动变速器作为机、电、液、控等多物理域零部件耦合系统，按照结构和工作原理可以划分为液力自动变速器（Automatic Transmission，简称AT）、电控机械式自动变速器（Automated Mechanical Transmission，简称AMT）、无级变速器（Continuously Variable Transmission，简称CVT）和双离合器自动变速器（Dual Clutch Transmission，简称DCT）。

图1-1为2011—2015年上述4种自动变速器在国内自动变速器市场的占比情况。其中，液力自动变速器占据了大部分传统自动变速器的市场份额。随着汽车市场的不断扩大，以及更加严苛的二氧化碳排放法规的出台，传统自动变速器技术正向多档化、更大的速比范围方向发展。更多的档位数和更大的速比范围会使内燃机能够最大限度地工作在最佳工作区间内，从而改善汽车的燃油经济性，降低二氧化碳的排放量。

为了使自动变速器更加适应时代的需要，全球各大变速器制造商都推出了多档位的自动变速器，如采埃孚公司在2007年和2013年先后推出纵置后驱应用的8档液力自动变速器8HP70和前置前驱的9档液力自动变速器9HP48；日本爱信公司于2007年推出纵置后驱应用的8档液力自动变速器。北京航空航天大学徐向阳教授团队与盛瑞传动股份有限公司合作，在徐向阳教授的带领下，于2010年开发出具有完全自主知识产权的世界首款前置前驱8档自动变速器（8AT），并实现了平台化、系列化的产品开发。“前置前驱8档自动变速器（8AT）研发及产业化”项目获得了2016年国家科技进步一等奖，这是迄今为止汽车行业获得的第3个国家科技进步一等奖，也是汽车零部件行业获得的唯一的国家科技进步一等奖，打破了国外的技术垄断，实现了我国自动变速器零的突破。2014年，徐向阳教授带领8AT团队成功研发出世界首款前置前驱13档自动变速器（13AT），这也是迄今为止乘用车用最高档位的液力自动变速器。2016年福特和通用汽车联合研发推出具有10个前进档的液力自动变速器。在双离合变速器方面，德国大众公司于2008年推出了7档双离合变速器，日本本田公司在2014年推出了8档双离合变速器。

如图1-2所示，多档位的自动变速器逐渐成为自动变速器市场的主流产品。然而随着档位不断增多，构成自动变速器的齿轮组和换档元件个数也随之增加，导致变速器重量和体积也在增加。为了解决这一问题，以行星齿轮传动为基础的液力自动变速器通过采用更多的自由度，在具有相同换档元件个数的条件下，可以获得更多的档位组合方案，减少空转换档机构数量，从而减小损失、提高传动效率。与定轴传动传动变速器相比，行星齿轮传动变速器具有以下优点^[2]：

1）传动效率高。

2）在同样功率条件下，齿轮啮合应力小，振动噪声小，寿命长。

3）功率密度高，结构紧凑，在相同的尺寸空间下可以实现更大的传动比。

4）便于动力合成与分解，容易形成更多的档位，方便多动力源耦合，利于混合动力变速器应用。

5）换档逻辑简单、灵活，方便实现动力换档，换档品质更高。

液力自动变速器主要由液力传动系统、行星齿轮变速系统、液压操纵系统和电子控制系统等组成。其中，行星齿轮变速系统方案设计是液力自动变速器产品研制开发的第一要务。行星齿轮变速系统方案设计的优劣直接决定了产品的关键技术性能、结构复杂程度、制造成本等技术和经济指标，根据资料统计，液力自动变速器产品的成本有60%～70%取决于设计^[3]。

与定轴齿轮传动不同，行星齿轮传动是动轴传动，简单的行星排由太阳轮、行星架、齿圈以及与太阳轮和齿圈啮合安装在行星架上的行星轮等组成，是2自由度机构，1个行星排上的太阳轮、行星架和齿圈可以通过离合器或制动器（统称为换档操纵元件）与另外1个行星排的太阳轮、行星架和齿圈的任何1个构件进行连接，从而形成不同的传递路径和传动比。当用多个行星排和换档操纵元件组成行星轮变速系统方案时，其数目是海量的，如用3个行星排、3个制动器和3个离合器组成的4自由度方案，理论上的方案数可以达到

式中，n是自由度；p是行星排个数；L是离合器个数；是每个行星排3个构件所有可能的排列方式。

如何从如此众多的备选方案中尽快找出满足设计需求的最佳传动方案，如果没有一整套严密的设计理论，仅依靠经验，其工作量是无法想象的。目前，全世界范围内最先进的自动变速器技术主要集中在一些国际知名的自动变速器生产厂家，如德国采埃孚、奔驰汽车、大众汽车，美国通用汽车、艾里逊、博格华纳，日本爱信、加特可等。这些跨国公司研发自动变速器的历史已有几十年，经过长期的研发积累，采用3自由度行星变速系统组成的优秀的传动方案，基本都已经被这些公司进行了专利保护。要突破自动变速器传动方案专利的封锁，必须跳出现有的3自由度行星变速机构，在更多的自由度中，寻找更多档位、更优的传动方案。然而，在数以亿计乃至十亿、百亿计的方案中找出满足各种约束条件的最优方案，是复杂的海量组合寻优难题，现有的以手动和经验为主的行星变速系统方案综合方法无法满足要求，因此研究多自由度行星变速系统方案综合方法和理论，寻求高效、快捷的方案设计，成为自动变速器行星变速系统方案设计理论和技术突破的关键。