第三章行星齒輪變速器結(jié)構(gòu)與工作原理

1、第三章行星齒輪變速器結(jié)構(gòu)與工作原理學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握行星齒輪機(jī)構(gòu)變速原理掌握辛普森式自動(dòng)變速器行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及自動(dòng)換擋原理掌握拉威娜式自動(dòng)變速器行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及自動(dòng)換擋原理掌握自動(dòng)變速器施力裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理3.1 齒輪傳動(dòng)的一般規(guī)律齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)平穩(wěn)、可靠、效率高、壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)速度和功率范圍廣缺點(diǎn)：制造、加工成本高3.1.1 齒輪傳動(dòng)的組成組成：主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪 齒輪傳動(dòng)要求準(zhǔn)確平穩(wěn)，即要求在傳動(dòng)過程中，瞬時(shí)傳動(dòng)比保持不變，以免產(chǎn)生沖擊振動(dòng)和噪聲。 a) 齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)物 b) 齒輪機(jī)構(gòu)簡化圖圖3-1 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3-2 漸開線特性圖3-3 漸開線齒輪傳動(dòng)特性漸開

2、線的性質(zhì)：1）發(fā)生線沿基圓滾過的線段長度等于基圓上被滾過的相應(yīng)弧長2）漸開線上任意一點(diǎn)法線必然與基圓相切。換言之，基圓的切線必為漸開線上某點(diǎn)的法線。3）漸開線齒廓上某點(diǎn)的法線與該點(diǎn)的速度方向所夾的銳角稱為該點(diǎn)的壓力角。4）漸開線的形狀只取決于基圓大小。5）基圓內(nèi)無漸開線。漸開線齒輪的力學(xué)分析：3.1.2 齒輪的速比與傳動(dòng)比 從公式可以獲知，若想獲得大的傳動(dòng)比，必須相互嚙合的齒輪所擁有的齒數(shù)相差較大，又由于相互嚙合的齒輪模數(shù)相同，所以，必然兩個(gè)齒輪尺寸相關(guān)較大，這必然占據(jù)較大的布置空間，給機(jī)械設(shè)計(jì)帶來一定難度。 為了解決這一難題，采用行星齒輪機(jī)構(gòu)，唯一的缺點(diǎn)是增加了工裝匹配難度。3.1.3 齒輪

3、的傳動(dòng)規(guī)律 漸開線齒輪傳動(dòng)的可分性：漸開線齒輪的傳動(dòng)比不受實(shí)際中心距的影響。 迄今為止可分性是漸開線齒輪所獨(dú)有的特性，這對(duì)漸開線齒輪的加工、安裝和使用維護(hù)都是十分有利的。3.2 行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)原理3.2.1 行星齒輪機(jī)構(gòu)的組成圖3-5 單排行星齒輪機(jī)構(gòu) 1-太陽輪；2-行星輪；3-齒圈；4-太陽輪輸入軸；5-行星輪軸；6-行星架；7-行星架輸出軸行星齒輪機(jī)構(gòu)的分類： 按行星架上所安裝的行星齒輪的組數(shù)不同，分為單行星排和雙行星排； 按行星齒輪組數(shù)不同，分為單排行星齒輪機(jī)構(gòu)和多排行星齒輪機(jī)構(gòu)。3.2.2 單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律無任何元件固定，無固定傳動(dòng)比固定某一元件，有固定傳動(dòng)比固定

4、兩元件，三元件一同旋轉(zhuǎn)3.2.3 行星齒輪機(jī)構(gòu)的變速原理圖3-6 單排行星齒輪機(jī)構(gòu)各種傳動(dòng)方案 在單排行星齒輪機(jī)構(gòu)中，行星輪只起中間輪作用，因此單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比取決于太陽輪齒數(shù)Z1和內(nèi)齒圈齒數(shù)Z2，與行星齒輪的齒數(shù)無關(guān)。即內(nèi)齒圈與太陽輪的齒數(shù)比為： =Z2/Z1因 Z2Z1所以 1,則行星齒輪機(jī)構(gòu)的一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律可表達(dá)為：1）將內(nèi)齒圈固定，以太陽輪為主動(dòng)件，行星架為從動(dòng)件，傳動(dòng)比為1+。即可獲得減速傳動(dòng)，且2.2)將太陽輪固定，以行星架為主動(dòng)件，內(nèi)齒圈為從動(dòng)件，i=/(1+).即可獲得增速傳動(dòng)，0.5i1。3)將行星架固定，以太陽輪為主動(dòng)件，內(nèi)齒圈為從動(dòng)件， i=-，即可獲得減速反向傳動(dòng)

5、。4）將內(nèi)齒圈固定，以行星架為主動(dòng)件，太陽輪為從動(dòng)件，可獲得增速傳動(dòng)，i0.5。5）將太陽輪固定，以內(nèi)齒圈為主動(dòng)件，行星架為從動(dòng)件， i=1+（1/)，是2）的逆?zhèn)鲃?dòng)，即可獲得減速傳動(dòng)， 0.5i1 (較大)2件1前齒圈件6后行星架件4約等13件1前齒圈件3后齒圈件61 (較小)4件1前齒圈件6無傳動(dòng)5件4共用太陽輪件3后齒圈件6-1 6件4共用太陽輪件6無傳動(dòng)7件1及件4前齒圈/太陽輪件3前行星架及后齒圈18件1及件4前齒圈/太陽輪件6后行星架1表3-2 雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案特性表3.2.5 行星齒輪傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大。傳動(dòng)效率高傳動(dòng)比較大，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)

6、動(dòng)的合成與分解運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)缺點(diǎn)：材料價(jià)格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造安裝困難3.3 行星齒輪變速器的換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理3.3.1 離合器1、離合器的作用變速器動(dòng)力的輸入或輸出，其功能等于普通機(jī)械變速器的離合器。連接行星齒輪機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)部件，使行星齒輪機(jī)構(gòu)等速傳動(dòng)。2、離合器的組成圖3-8 自動(dòng)變速器離合器3、離合器的工作過程各鋼片與摩擦片壓緊接合在一起時(shí)，具有共同轉(zhuǎn)速并傳遞相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。芯體或殼體可以與輸入軸、輸出軸、太陽輪、內(nèi)齒圈、行星架、單向離合器中任意一個(gè)部件直接或間接相連。通過殼體或芯體可將輸入（力矩及轉(zhuǎn)速）導(dǎo)入或?qū)⑤敵觯ㄗ儞Q后的力矩及轉(zhuǎn)速）導(dǎo)出，也可將行星齒輪機(jī)構(gòu)中的任兩個(gè)元件連接一起，實(shí)現(xiàn)直接

7、傳動(dòng)。 卸去油壓時(shí)，活塞在回位彈簧作用下返回原位，鋼片和摩擦片自由分離。但這種分離不徹底。 活塞在彈射作用下處于左極限位置，鋼片和摩擦片之間有一定的間隙，此時(shí)動(dòng)力傳遞路線被切斷 壓力油經(jīng)油道進(jìn)入活塞左腔室后，液壓作用力克服彈射張力使活塞右移，將所有的鋼片和摩擦片依次壓緊，離合器接合，傳遞動(dòng)力。3.3.2 制動(dòng)器 自動(dòng)變速器中制動(dòng)器，也稱換檔制動(dòng)器，與汽車普通制動(dòng)器作用不同，它不是用來阻止動(dòng)力輸出，而是根據(jù)行星齒輪機(jī)構(gòu)的特性，限制三個(gè)基本元件之一不能轉(zhuǎn)動(dòng)，并與離合器相互配合作用，實(shí)現(xiàn)不同的傳動(dòng)比。3.3.2 制動(dòng)器1、制動(dòng)器的分類及組成濕式多片制動(dòng)器濕式多片離合器鋼片固定在輸出軸，不同之處是制動(dòng)

8、器鋼片固定在自動(dòng)變速器殼體上，僅能軸向移動(dòng)而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。制動(dòng)器是從上方進(jìn)油，進(jìn)油孔在變速器殼體上；離合器是從中間旋轉(zhuǎn)進(jìn)油，進(jìn)油孔在軸上。與濕式多片離合器的不同點(diǎn)：圖3-9 片式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及工作原理帶式制動(dòng)器圖3-10 帶式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)由制動(dòng)帶和伺服裝置組成。制動(dòng)帶剛性制動(dòng)帶撓性制動(dòng)帶按變形能力分：按結(jié)構(gòu)分：制動(dòng)帶單邊式制動(dòng)帶雙邊式撓性制動(dòng)帶制動(dòng)器伺服裝置間接作用式直接作用式制動(dòng)帶開口的一端支承于推桿端部，活塞桿通過杠桿控制推桿的動(dòng)作。由于采用杠桿結(jié)構(gòu)將活塞作用力放大，制動(dòng)力矩進(jìn)一步增加。制動(dòng)帶開口處的一端通過搖臂支承于固定在變速器殼體的支承銷上，另一端支承于油缸活塞桿端部。2、離合器和片式制動(dòng)器的

9、區(qū)別所連接元件：離合器連接軸；離合器可連接行星排中所有元件所連接元件數(shù)量：離合器最多可連接兩個(gè)行星排元件；一組制動(dòng)器只能固定一個(gè)離合器是旋轉(zhuǎn)的；制動(dòng)器是固定的3.3.3 單向離合器 內(nèi)座圈與外座圈只能相對(duì)一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，而反方向則鎖止不能旋轉(zhuǎn)。圖3-11滾柱式單向離合器1-外座圈；2-滾子；3-彈簧；4-內(nèi)座圈單向離合器的內(nèi)外圈其中一個(gè)靜止，另一個(gè)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，其鎖止功能相當(dāng)于制動(dòng)器。單向離合器有兩種類型：滾柱式和楔塊式滾柱式楔塊式圖3-12 楔塊式單向離合器1-外座圈；2-卡塊；3-彈簧；4-內(nèi)座圈 楔塊式單向離合器的鎖止方向取決于楔塊的安裝方向 離合器、制動(dòng)器、單向離合器統(tǒng)稱為自動(dòng)變速器行星齒

10、輪機(jī)構(gòu)換檔執(zhí)行元件或施力元件。 單向離合器的工作性能對(duì)變速器的換檔品質(zhì)有很大影響。自動(dòng)變速器通過行星齒輪系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作實(shí)現(xiàn)換檔，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈敏性直接影響換檔的平順性。單向離合器具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，可瞬間鎖止（或解除鎖止），從而大大提高了換檔時(shí)機(jī)的準(zhǔn)確性。另外，單向離合器不需要附加的液壓或機(jī)械操縱裝置，結(jié)構(gòu)簡單，不易發(fā)生故障。3.4 典型行星齒輪傳動(dòng)原理及工作分析3.4.1 拉威娜式行星齒輪傳動(dòng)原理圖3-13 拉威娜式行星齒輪變速機(jī)構(gòu)1-?。ㄇ埃┨栞啠?-行星架；3-短行星輪；4-長行星齒輪；5-齒圈；6-大（后）太陽輪工作過程：1）小太陽輪輸入，行星架固定、短行星輪反轉(zhuǎn)長行星輪正轉(zhuǎn)內(nèi)齒圈

11、正向減速、短行星輪反轉(zhuǎn)長行星輪正轉(zhuǎn)大太陽輪反向減速小陽輪正轉(zhuǎn)2）行星架輸入，小太陽輪固定行星架繞太陽輪正轉(zhuǎn)短行星輪正轉(zhuǎn)長行星輪反轉(zhuǎn)齒圈正轉(zhuǎn)3）小太陽輪與行星架固定，一同輸入。 兩個(gè)元件固定在一起，由于行星輪不能自轉(zhuǎn)，輸入與輸出同步拉威娜式自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖3-14 拉威娜式自動(dòng)變速器行星齒輪機(jī)構(gòu)行星架、小行星輪、大行星輪均可作為輸入；齒圈作為輸出小太陽輪的軸和行星架軸向右反向從空心的大太陽輪軸穿出，輸入有三種方式，齒圈固定為輸出。1、拉威娜式行星齒輪機(jī)構(gòu)的施力裝置1）前進(jìn)檔離合器C1：驅(qū)動(dòng)小太陽輪2）直接檔及倒檔離合器C2：驅(qū)動(dòng)大太陽輪3）強(qiáng)制低檔離合器C3：驅(qū)動(dòng)小太陽輪4）超速檔離合器C

12、4：驅(qū)動(dòng)行星架5）2檔及4檔制動(dòng)器B1：固定大太陽輪6）低速檔及倒檔制動(dòng)器B2：固定行星架7）低檔單向離合器F1：單方向固定行星架8）前進(jìn)擋單向離合器F2：連接輸入軸與小太陽輪2、拉威娜式自動(dòng)變速器齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳遞路線1）行星架制動(dòng)，小太陽輪輸入傳動(dòng)路線：小太陽輪短行星齒輪長行星齒輪（僅有自轉(zhuǎn)）內(nèi)齒圈輸出軸，此變速結(jié)果為同向減速傳動(dòng)。2）大太陽輪制動(dòng)，小太陽輪輸入傳動(dòng)路線：小太陽輪短行星齒輪長行星齒輪（隨行星架公轉(zhuǎn)）內(nèi)齒圈輸出軸，此變速結(jié)果為同向減速傳動(dòng)。3）大太陽輪制動(dòng)，行星架輸入傳動(dòng)路線：行星架長行星齒輪（隨行星架公轉(zhuǎn)）內(nèi)齒圈輸出軸，此變速結(jié)果為同向增速傳動(dòng)。4）行星架制動(dòng)，大太陽輪輸入傳

13、動(dòng)路線：大太陽輪長行星齒輪（僅有自轉(zhuǎn)）內(nèi)齒圈輸出軸，此變速結(jié)果為反向減速傳動(dòng)。1）D位一檔傳動(dòng)路線圖3-16 D位1擋傳動(dòng)路線示意圖C1-前進(jìn)擋離合器；F1-低擋單向離合器； F2-前進(jìn)擋向離合器小太陽輪短行星齒輪長行星齒輪內(nèi)齒圈輸出軸長行星齒輪在帶動(dòng)內(nèi)齒圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，對(duì)行星架產(chǎn)生逆時(shí)針力矩，F(xiàn)1在逆時(shí)針方向合行星架固定。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)輸入軸，小太陽輪、短行星齒輪、長行星齒輪傳給內(nèi)齒圈和輸出軸。2）D位2檔傳動(dòng)路線圖3-17 D位2擋傳動(dòng)路線示意圖C1-前進(jìn)擋離合器；F2-前進(jìn)擋向離合器；B1-2擋及4擋制動(dòng)器小太陽輪短行星齒輪長行星齒輪內(nèi)齒圈輸出軸大太陽輪被制動(dòng)器B1固定，長行星

14、輪在順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還將朝順時(shí)針方向公轉(zhuǎn)，帶動(dòng)內(nèi)具圈和輸出軸以時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力由小太陽輪經(jīng)短行星齒輪、長行星齒輪傳遞至內(nèi)齒圈和輸出軸，將動(dòng)力輸出。3）D位3檔傳動(dòng)路線圖3-18 D位3擋傳動(dòng)路線示意圖C1-前進(jìn)擋離合器；C2-直接擋及倒擋離合器； F2-前進(jìn)擋向離合器C1、C2同時(shí)接合，F(xiàn)2鎖止，使輸入軸同時(shí)和小、大太陽輪相連接。大、小太陽輪同時(shí)隨輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，短行星輪和長行星輪不能作自轉(zhuǎn)，只能同小、大太陽輪一起公轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)行星架以相同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)內(nèi)齒圈和前后排行星排所有元件作為整體，此時(shí)傳動(dòng)比為1，為直接檔傳動(dòng)。4）D位4檔傳動(dòng)路線圖3-19 D-4擋傳動(dòng)路線示意 C3-超速擋離合器

15、；B1-2擋及4擋制動(dòng)器行星架長太陽輪內(nèi)齒圈輸出軸大太陽輪被B1固定，行星架又帶動(dòng)長行星輪順時(shí)針自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，其公轉(zhuǎn)特性可使內(nèi)齒圈和輸出軸順時(shí)針同步轉(zhuǎn)動(dòng)，而自轉(zhuǎn)特性可使內(nèi)齒圈和輸出軸相對(duì)輸入軸順時(shí)針加速傳動(dòng)，它的傳動(dòng)比小于1，為超速檔。雖然C1接合，但F2內(nèi)圈轉(zhuǎn)速高于外圈，所以不影響傳動(dòng)。5）倒檔傳動(dòng)路線圖3-20 R（倒）擋傳動(dòng)路線示意圖C2-直接擋及倒擋離合器；B2-低擋及倒擋制動(dòng)器大太陽輪長行星輪內(nèi)齒圈輸出軸由于行星架被固定，長行星齒輪不能自轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)內(nèi)齒圈和輸出軸朝逆時(shí)針方向減速傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)倒檔。6）L1檔傳動(dòng)路線圖3-21 L1擋傳動(dòng)路線示意C3-強(qiáng)制低擋離合器； B2-低擋及倒擋制動(dòng)

16、器動(dòng)力傳動(dòng)與D1相同，驅(qū)動(dòng)輪可通過變速器反拖發(fā)動(dòng)機(jī)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)擋位離合器制動(dòng)器單向離合器C1 C2C3C4B1B2F1F21擋2擋3擋4檔R擋L擋表3-3 拉威娜自動(dòng)變速器施力裝置作用表3.4.2 辛普森式行星齒輪傳動(dòng)原理圖3-22 辛普森自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)1、四速辛普森式汽車自動(dòng)變速器的施力裝置1）B0：固定超速行星排的太陽輪2）C0：連接超速行星排的齒圈與行星架3）F0：連接超速行星排的齒圈與行星架4）C1：連接前傳動(dòng)軸與后傳動(dòng)軸5）C2：連接前傳動(dòng)軸與太陽輪6）B1：固定太陽輪7）B2：固定F1外圈，與F1配合限制太陽輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)8）F1：連接B2與太陽輪，限制太陽輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)9）B3：

17、連接殼體與前行星架10）F2：連接殼體與前行星架2、辛普森式行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)路線D位1檔傳動(dòng)路線動(dòng)畫演示超速檔離合器前進(jìn)檔離合器1檔單向離合器 C0將超速檔的太陽輪和行星架連擋在一起，使超速檔行星排以直接檔形式輸出。前行星架固定不動(dòng)，各行星輪正向旋轉(zhuǎn)。帶動(dòng)前齒圈和后行星架正向旋轉(zhuǎn)。后行星架的運(yùn)動(dòng)是兩種運(yùn)動(dòng)的合成 F2限制前行星架反向旋轉(zhuǎn)D位2檔傳動(dòng)路線2檔單向離合器2檔制動(dòng)器 B2固定F1外殼，F(xiàn)1防止 太陽輪反向旋轉(zhuǎn)，太陽輪固定不動(dòng)，后齒圈直接帶動(dòng)后行星輪減速輸出，變速器形成2檔。超速檔制動(dòng)器前進(jìn)檔離合器D位3檔傳動(dòng)路線 行星排的三個(gè)元件中有兩個(gè)元件連接在一起，復(fù)合行星排就形成了直接檔高速

18、及倒檔離合器前進(jìn)檔離合器超速檔離合器 D位4檔傳動(dòng)路線（超速檔）動(dòng)畫演示超速檔行星排為超速檔，復(fù)合行星排是直接檔超速檔制動(dòng)器高速及倒檔離合器前進(jìn)檔離合器B0固定住超速檔行星排的太陽輪，此時(shí)行星架輸入，內(nèi)齒圈輸出，形成超速檔。強(qiáng)制（手動(dòng)）2檔傳動(dòng) 2位1檔傳動(dòng)路線同D位1檔，該檔位同樣沒有發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，但隨下坡車速增加，變到2位2檔，有發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，限制了下坡車速。前進(jìn)檔離合器超速檔制動(dòng)器強(qiáng)制（手動(dòng)）1檔傳動(dòng)路線動(dòng)畫演示 強(qiáng)制1檔與強(qiáng)制2檔類似，僅僅適合于更陡的長坡或低速大負(fù)荷工況。與D位1檔的區(qū)別是，不需要單向離合器，而是通過強(qiáng)制1檔及倒檔制動(dòng)器B3直接鎖止前行星架。前進(jìn)檔離合器超速檔制動(dòng)器強(qiáng)制1檔及倒檔制動(dòng)器倒檔傳動(dòng)路線動(dòng)畫演示超速檔制動(dòng)器高速及倒檔離合器強(qiáng)制1檔及倒檔制動(dòng)器 超速檔行星排為直接檔，復(fù)合行星排為倒檔，變速器以倒檔形式輸出。 施力裝置 擋位離合器制動(dòng)器單向離合器C0C1C2B0B12B2B3F0F1F2D前進(jìn)擋1擋接合接合輔助鎖止2擋接合接合鎖止輔助鎖止直接擋接合接合接合輔助超速擋接合接合鎖止強(qiáng)制(手動(dòng))2擋接合接