行星齿轮变速机构辛普森行星齿轮机构的组成和工作原理

05-23
齿轮变速机构有普通齿轮变速齿轮机构和行星齿轮变速机构两种,现在应用最广泛的是行星齿轮变速机构。
行星齿轮变速机构由行星齿轮机构和换挡执行机构组成。

行星齿轮机构
行星齿轮机构是自动变速器的重要组成部分之一,由太阳轮、内齿圈、行星架和行星 齿轮等元件组成。
按行星齿轮机构布置不同有辛普森、拉维那和串联式3种机构,辛普森行星齿轮机构在自动变速器中被广泛使用。 行星齿轮变速机构是实现齿轮变速的机构

格挡传输比的改变是通过不同运动元件组合而实现的。 在运动,动力传递没有中断。

行星齿轮机构有几种组合类型,其中最简单的行星齿轮机构是由一个太阳轮、 一个齿圈、一个行星架和支承在行星架上的多个行星齿轮组成,称为一个行星排, 如图3 . 33所示。

行星齿轮机构中的太阳轮、齿圈及行 星架有一个共同的固定轴线,行星齿轮支 承在固定于行星架的行星齿轮轴上,并同时与太阳轮和齿圈啮合(当行星齿轮机构运转时,空套在行星架上的行星齿轮轴上 的几个行星齿轮一方面可以绕着自身的轴线旋转,另一方面又可以随着行星架一起绕着太阳轮回转,有“自转”和“公 转”两种运动状态。
在行星排中,具有固定轴线的太阳轮、齿圈和行星架称行星排的3个基本元件。

由于单排行星齿轮机构有两个自由度,因此它没有固定的传动比,不能直接用于变速 传动。为了组成具有一定传动比的传动机构,必须将太阳轮、齿圈和行星架这3个基本元件中的一个加以固定或连接,或使其运动受到一定的约束即让该构件以某一固定的方向旋转,或将某两个基本元件互相连接在一起,使行星排变为只有一个自由度的机构,获得确定的传动比。

行星齿轮机构的传动如图3 . 3 4所示。设太阳轮的齿数为Z1,齿圈齿数为Z2,太阳轮、齿圈和行星架的转速分别为n1、n2、n3,并设齿圈与太阳轮的齿数比为a,即

a=Z2/Z1

则行星齿轮机构的一般运动式为

n1 +an2 = (1+a)n3

由上式可以看出,在太阳轮、齿圈和行星架3个基本元件中,可任选两个分别作为主动件和从动件,而使另一个元件固定不动或使其运动受一定约束,则整个轮系即以一定的 传动比传递动力。不同的连接和固定方案可得到不同的传动比,3个基本元件的不同组合 可有6种不同的组合方案,加上直接挡传动和空挡,共有8种组合。

辛普森行星齿轮机构
齿轮变速机构的动力传递以辛普森行星齿轮机构这种典型机构为例进行介绍。

辛普森行星齿轮机构一种十分著名的行星齿轮机构,以设计发明者H. W. Simpson工 程师命名,被广泛应用于世界各国的汽车自动变速器中。

辛普森行星齿轮机构特点
辛普森行星齿轮机构特点由两个行星排组成, 前后两个太阳轮连为一体,前行星架和后齿圈为同一构件,并且和输出轴连接,该机构可 组成三个前进挡和一个倒挡。
辛普森行星齿轮机构设置了5个换挡执行元件:两个离合器、两个制动器、一 个单向离合器,如图3 . 3 5所示。

当高倒挡离合器C1工作时,把来自涡轮输出轴 的动力接通至太阳轮。
当前进挡离合器 C2工作时,把来自涡轮输出轴的动力接通至前排齿圈。
当二挡制动器B1工作时,固定太阳轮。
当一、倒挡制动器B2工作时,固定后行星架。
当单向离合器F1工作时,逆向固定后行星架。

辛普森机构中B1和B2制动器,在某些自动变速器中采用带式制动器,也有采用摩擦片式制动器。

下面进行辛普森机构各挡位的动力传递分析。表3 . 1所示反映了辛普森行星齿轮机构行元件的工作规律。

1.D挡

将自动变速器操纵手柄置于D位位置,齿轮变速机构根据使用需要可以变换3个挡, 即 Dl、D2、D3 挡。

D1挡:
把操纵手柄置于D位位置,前进挡离合器C2和单向离合器F1作用,前进挡 离合器C2把输人动力传给前齿圈,F1单向离合器作用,使后行星架固定不动。其输人动力经前进挡离合器C2传给前齿圈,使其顺时针旋转,前齿圈又带动前行星轮顺时针转动。 
由于前行星轮既可带动前行星架顺时针转动,又可带动太阳轮逆时针转动,因此前齿圈的 转速通过前行星轮被分解成两条传动路线,太阳轮逆时针的旋转带动后行星轮顺时针转 动,后行星轮再带动后齿圈顺时针转动。由于后齿圈顺时针转动时,会给后行星架施加一 个逆时针的力矩,通过F1单向离合器将后行星架逆向固定。后排行星齿轮机构固定,后 太阳轮输人,后齿圈输出。前排行星齿轮机构中,前齿圈输人,前太阳轮逆时针转动,前 行星架输出。通过后齿圈和前行星架经输出轴传出动力。

辛普森机构的D1挡具有汽车滑行功能,当驱动轮的转速超过了发动机的转速之后来自驱动轮的逆向动力通过后齿圈和前行星架输人机构使后行星架顺时针旋转,脱离单向 离合器F1锁止,实现汽车滑行。当驱动轮转速低于发动机时,单向离合器重新锁止,变 速器恢复驱动状态。

D2挡:
随着车速和节气门开度等变化,液压控制系统控制二挡制动器B1与前进挡离 合器C2同时作用,此时涡轮输出轴经前进挡离合器C2和前齿圈连接,同时太阳轮组件被 二挡制动器B1固定。其动力经输人轴传给前齿圈,使之作顺时针旋转。由于太阳轮被固 定,因此前行星轮在前齿圈带动下,既有“自转”,又随行星架“公转”,行星轮和行星架 都是顺时针转动,行星架最后带动输出轴顺时针旋转。D2挡传动比取决于行星架齿数和 前齿圈齿数之比,它是一种传动比大于1的减速运动。D2的传动比仅仅和前排行星齿轮 机构有关。
另外当输出轴转动时,同时会带动后齿圈顺时针转动,而后太阳轮已被固定,此时后 行星轮和后行星架都顺时针空转,单向离合器F1处于释放状态。

辛普森机构在D2工作状态下,来自驱动轮的逆向传人变速器的动力可以直接传至发 动机,实现发动机制动。

D3挡:
当车速和节气门开度等达到一定要求,液压控制系统控制高倒挡离合器C1与 前进挡离合器C2同时作用。高倒挡离合器C1的接合把动力传至太阳轮,前进挡离合器 C2的接合把动力传至前齿圈。根据上述行星齿轮机构特征,任意两元件同速同方向旋转 则机构锁成一整体,即为直接挡。在D3挡状态,前齿圈和太阳轮均有相同旋转方向和速 度。当机构整体顺时针转动时,单向离合器和后行星架处于释放状态。
在D3档状态下,能够实现发动机制动的功能,而不存在汽车滑行的作用。

2.S 或 2挡
把操纵手柄置于S或2挡位置,液压控制系统控制执行元件实现2挡和1挡自动变 换。传动比与在D位的2挡和1挡相同,不同的是在1挡时,发动机具有制动作用,没有滑行功能。

3.L或1挡
把操纵手柄置于L或1挡位置,液压控制系统控制不升挡,固定在1挡上,液压控制 系统控制前进挡离合器C2和一、倒挡制动器B2同时工作。此时后行星架被一、倒挡制动 器B2固定,实现1挡传递。当驱动轮逆向传人的动力通过变速器将发动机转速提高,消 耗动力使驱动轮转速迅速下降,实现发动机制动。

4.R挡
把操纵手柄置于R挡位置,液压控制系统控制高倒挡离合器C1和倒挡制动器B2 同时工作,高倒挡离合器C1的接合把动力传给太阳轮,倒挡制动器B2使后行星架固 定。此时动力经输人轴传给了太阳轮并使其顺时针转动。因后行星架已被固定,后行星 轮成了过渡轮,所以后行星轮是逆时针转动,并使后齿圈也逆时针转动,最终后齿圈带 动输出轴逆时针旋转,这样可实现倒向行驶。R挡传动比等于后齿圈齿数和太阳轮齿数 之比,是传动比大于1的减速运动。从上述可知,倒挡的传动比仅仅和后排行星齿轮机 构相关。
当输出轴逆时针转动时,使前行星架同时也逆时针转动,此时前排太阳轮是顺时针转 动,这两个构件的不同方向的旋转,使前齿圈产生逆时针方向的空转。 

5.空挡

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