第三节 行星齿轮变速机构

第三节 行星齿轮变速机构 1、行星齿轮机构机构传动的基本原理 自动变速器的变速机构建立在齿轮传动原理基础上，它包括齿轮和轴以及为 变速器提供各种传动比的变速执行元件多片离合器，制动箍带和伺服油缸、单向 离合器等部件。行星齿轮机构在绝大多数的自动变速器中被广泛使用，但日本本 田公司的变速机构采用平行轴斜齿轮布置。 变速机构可以提供不同的传动比，在整个驱动范围内，为汽车的动力性和经 济性的提高创造了条件。齿轮传动的变速器的传动比都是有级的，传动比可以由 驾驶员手动选择或由液压控制系统通过变速执行元件的作用和释放自动选择。 简单（单排）的行星齿轮机构是变速机构的基础，通常自动变速器的变速机 构都由两排或三排以上行星齿轮机构组成。简单行星齿轮机构包括一个太阳轮、 若干个行星齿轮和一个齿轮圈，其中行星齿轮由行星架的固定轴支承，允许行星 轮在支承轴上转动。行星齿轮和相邻的太阳轮、齿圈总是处于常啮合状态，通常 都采用斜齿轮以提高工作的平稳性（如图9．l所示）。 图9．2表示了简单行星齿轮机构，位于行星齿轮机构中心的是太阳轮，太 阳轮和行星轮常啮合，两个外齿轮啮合旋转方向相反。正如太阳位于太阳系的中 心一样，太阳轮也因其位置而得名。行星轮除了可以绕行星架支承轴旋转外，在 有些工况下，还会在行星架的带动下，围绕太阳轮的中心轴线旋转，这就像地球 的自转和绕着太阳的公转一样，当出现这种情况时，就称为行星齿轮机构作用的 传动方式。在整个行星齿轮机构中，如行星轮的自转存在，而行星架则固定不动， 这种方式类似平行轴式的传动称为定轴传动。齿圈是内齿轮，它和行星轮常啮合， 是内齿和外齿轮啮合，两者间旋转方向相同。行星齿轮的个数取决于变速器的设 计负荷，通常有三个或四个，个数愈多承担负荷愈大。 简单的行星齿轮机构通常称为三构件机构，三个构件分别指太阳轮、行星架 和齿圈。这三构件如果要确定相互间的运动关系，一般情况下首先需要固定其中 的一个构件，然后确定谁是主动件，并确定主动件的转速和旋转方向，结果被动 件的转速、旋转方向就确定了。下面分别讨论三种情况。 ?见图9．3（a），齿圈固定，太阳轮为主动件且顺时针转动，而行星架则为被动件。太阳轮顺时针转动，则行星轮应为逆时针转动，但由于齿圈固定，因 此行星轮要逆时针转动只有行星架同时实现顺时针转动方可实现，结果行星轮不 仅存在逆时针自转，并且在行星架的带动下，绕太阳轮中心轴线顺时针公转。在 这种状态下，就出现了行星齿轮机构作用的传动方式，而且被动件行星架的旋转 方向与主动件同方向。在这里，太阳轮是主动件而且是小齿轮，被动件行星架没 有具体齿数的传动关系，因此定义行星架的当量齿数等于太阳轮和齿圈齿数之 和。这样，太阳轮带动行星架转动仍属于小齿轮带动最大的齿轮，是一种减速运 动且有最大的传动比。 ?见图9．3（b），太阳轮固定，行星架为主动件且顺时针转动，齿圈为被动件。当行星架顺时转动时，势必造成行星轮的顺时针转动，结果行星轮带动齿 圈顺时针转动。在这里，主动件行星架的旋转方向和被动件齿圈相同。由于行星 架是一个当量齿数最大齿轮，因此被动的齿圈以增速的方式输出，两者间传动比 小于1。 ?见图9．3（C），行星架固定，太阳轮为主动件且顺时针转动，而齿圈则 作为被动件。由于行星架被固定，则机构就属于定轴传动，太阳轮顺时针转动， 行星轮则逆时针转动，而行星轮又带齿圈同方向转动，结果齿圈的旋转方向和太 阳轮相反。在定轴传动中，行星轮起了过渡轮的作用，改变了被动件齿圈的旋向。 下面讨论齿圈的输出是增速或减速的问。从结构图上已经可以看到，太阳 轮的齿数小于齿圈的齿数，属于小齿轮带动大齿轮的传动关系，因此齿圈显然是 减速状态，即两者间的传的比大于l。注意，由于行星轮是过渡轮，传动比的大 小与行星轮的齿数多少无关。 2、行星齿轮机构基本特征 通过以上三种传动关系的，可以把简单行星齿轮机构的运动特征归纳成 下列几点： ?两个外齿轮相互啮合时，其转动方向相反。 ?一个外齿轮与一个内齿轮相啮合时，其转动方向相同。 ?小齿轮驱动大齿轮时，输出扭矩增大而输出转速降低。 ?大齿轮驱动小齿轮时，输出扭矩减小而输出转速提高。 ?若行星架作为被动件，则它的旋转方向和主动件同向。 ?若行星架作为主动件，则被动件的旋转方向和它同向。 ?在简单行星齿轮机构中，太阳轮齿数最少，行星架的当量齿数最多．而齿 圈齿数则介于中间。（注：行星架的当量齿数=太阳轮齿数+齿圈齿数。） ?若行星齿轮机构中的任意两个元件同速同方向旋转，则第三元件的转速和 方向必然与前两者相同，即机构锁止，成为直接档。（这是一个十分重要的特征， 尽管上述的例子没有涉及。） 表9．1列出简单行星齿轮机构的三元件经组合后六种不同的运动状况。若 假设太阳轮20齿，齿圈40齿，则行星架当量齿数为60齿。 以上叙述的简单行星齿轮机构运动关系是属于经常遇到的，在确定三者关系 时，首先把其中一件固定，然后确定另外两者的主、被动关系。实际上简单行星 齿轮机构还有一个很重要的特征，允许同时两件作为主动件输入，而被动件照样 有唯一的输出，这是行星齿轮机构的一个十分重要的特征，而且在自动变速器上 被广泛采用，在下面的章节中会叙述。 通过前面行星齿轮机构的工作原理介绍，可以知道行星齿轮机构若要实现传 动比的变化例或者输出轴旋转方向的变化，通常采用的措施是改变主、被动件的 关系，另一个措施是改变固定的元件，通过不同的组合方式可获得不同的传动比 和旋转方向。在表9.1中清楚反映列种关系。使传动比和旋转方向产生变化的元 件称为变速执行元件，它们分别是多片离合器、制动箍带和伺服油缸、单向离合 器。其中前两种需要液压控制，而单向离合器是机械结构，固定旋转件仅仅只取 决于旋转方向。 1、制动箍带和伺服油缸 行星齿轮机构中的三大构件，都允许自由旋转，但为了要实现某一档位的变 换，需要把其中的一件加以固定，承担该任务的就是制动箍带和伺服油缸，两者 是配套使用的，有时又称两者为制动器。图9．4所示反映了该装置的工作原理。 制动带是一种围绕在制动鼓外面 可收拢的制动组件。每个制动鼓与行 星齿轮机构的某一元件连成整体，锁 止制动鼓就是固定行星齿轮机构的一 个构件。制动带是衬有半金属或有机 摩擦材料的简单挠性金属带。当伺服 油缸给制动带作用力时，制动带箍紧 制动鼓，行星齿轮机构某一构件的旋 转也随之被固定。伺服油缸是制动带 的施力装置，当液压作用在伺服活塞上时使活塞压缩回位弹簧而移动，并通过机 械的联动装置作用在制动带上。为了释放制动带，作用在伺服活塞上的液压油通 过控制阀改变液体的流动方向，和回油相通，伺服活塞在回位弹簧力的作用下回 到初始位置，制动带释放。 制动带的收拢作用力方向，可以成和制动鼓同一旋转方向，也可以设置 成相反。假若作用力方向和制动鼓旋转同一方向，则制动鼓的旋转使制动带锁正 力增大，好比车轮制动器中的“领蹄”，而使伺服油缸作用油压减小。假若作用 力和旋转方向相反，就好比是“从蹄”，锁止力减弱，则伺服油缸的作用力需要 增大。 现代轿车自动变速器采用单层式和双层式两种类型的制动带．见图9．5。 表面展开是一完整带状形金属板材的制动带，称为单层制动带，目前大多采用这 种结构。表面被分割成几个环圈，并且用搭切口使各环圈联动的制动带称为双层 制动带，由于双层制动带更易变形，更易贴近制动鼓形状，使制动鼓锁止过程平 稳柔和，因此在同样作用力下，可提供更大的锁紧力矩。通用公司的4T60E和 4T65E自动变速器就采用双层制动带。 由于制动带和制动 鼓在锁止过程中总存在 滑转，因此相互间的磨 损是难免的。大多数早 期自动变速器的制动带 都需要通过调整螺栓定 期地调整间隙。两者的 间隙要适当，如果间隙 调整过小，即使制动带无作用力时，也会出现严重的拖滞现象，过量滑转会引起 制动带和鼓的表面烧蚀。近期的自动变速器的制动带不需要调整，等到间隙过大 后，更换其中一。二个零件以恢复原有的间隙。 伺服油缸是产生制动带作用力的装置，油缸作用面积愈大，作用油压愈高， 所产生作用力愈大。图9．4反映的是一种广泛采用的伺服油缸，油缸中仅有一 个活塞，而且油压仅 作用在活塞的一侧，称为单向作用伺服油缸。图9．6所示是另一种伺服油缸， 虽然活塞仅有一个，但活塞两侧都可作用油压，而且活塞左侧的作用面积小于右 侧，这是一种差动油缸，又称为双向作用伺服油缸。当左边作用口进入油压时， 此时右边释放口和回油通道相连，左侧油压推动活塞和推杆右移，结果使制动带 收紧。当右边释放口进入油压，而左边作用口的油压仍保持，由于活塞两侧存在 面积差，结果活塞又重新左移，恢复初始位置，使制动带释放。这种伺服油缸的 应用在以后的章节中会介绍。图9．7所示是一种称为复合式活塞的伺服油缸，通常有两个活塞，其活塞的作用面积有三个，都存在面积差值，而且有两个作用 口，一个释放口。首先压力油进入活塞面积最小的作用口，使活塞推杆推出，制 动带收紧。当压力油进入释放口时，第一作用口压力仍保持，由于释放口中的活 塞作用面积大于第一作用口的活塞面积，推杆收回，制动带释放。 当压力油进入第二作用口时，第一作用口和释放口中的压力仍保持，由于第 二作用口中活塞的作用面积，叠加上已作用的第一作用口活塞面积，远大于释放 口的活塞作用面积，因此推杆再次伸出并使制动带收紧。这种复合式活塞的伺服 油缸在日本马自达公司的自动变速器上采用 2、 多片离合器 多片离合器的功能之一是进行动力切换，变速器的输入动力来自变矩器涡轮 轴，为了实现档位状态的变化，必须要把输入动力接通到行星齿轮机构的某一主 动件上，比如把动力接通到太阳轮，但在另一档位又必须把同一输入动力接通至 行星架。架通输入动力和机构中某一构件的桥梁就是多片离合器，通过多片离合 器，既可以把传动路线导通，也可将其断开。 多片离合器的功能之二是固定行星齿轮机构的某一构件。在这种情况又把它 称为制动器。在日本丰田公司制造的自动变速器中，其行星齿轮机构的变速执行 元件中没有制动带，取而代之的是多片离合器。把多片离合器的一端和机构中的 某一构件连接，而另外一端则和变速器壳体连接。 图9．8示意的是多片离合器组件，它包括一些带有摩擦材料的盘片和一些 钢制盘片，摩擦片和钢片交替地安装在离合器鼓内。摩擦片的工作面上有粗糙的 摩擦材料，而钢片表面则光滑，没有摩擦材料。油压通过离合器鼓内的活塞作用， 把摩擦片和钢片紧压在一起，使离合器处于结合状态。如果油压被消除，则回位 弹簧使活塞回位，而使离合器处于分离状态。通常两组片子中摩擦片的内缘有内 花键，而钢片的外缘则有外花键，钢片的外花键和主动的离合器鼓的内花键相配 合，摩擦片的内花键则和从动轴的外花键相配合，当离合器接合时，主动件通过 多片离合器把动力传递给被动件。当油压作用在活塞上时每一组片子的正压力都 是相等的，片子数愈多、油压愈高，离合器可传递负荷的能力也愈大。 多片离合器还包括一个或多个回位弹簧、回位弹簧座、油封、一个或多个压 盘和挡圈。对多片离合器分离状态时的摩擦片和钢片的间隙，各种不同的自 动变速器的不尽相同，通常在1.8-2.2mm之间，由于在接合过程中存在片间 滑磨，间隙变大也在情理之中，当间隙超过设定的极限间隙后，换档过程的时间 将会延长，严重时将会引起发动机“飞车”或“掉速”现象，产生换档冲击。过 量的片间滑转，会引起钢片表面的高温烧蚀现象，烧蚀后的钢片会引起变形和表 面硬度退化，既加速磨损又影响力矩的传递能力。钢片烧蚀一般是由于负载过大， 活塞作用油压不足以把钢片和摩擦片压紧（锁止）而引起的。 当多片离合器分离时，停止向活塞供给油压，并将其排泄。活塞在回位弹簧 的作用下返回初始位置，使主、从动片让出间隙，从而使其分离。当处于分离状 态时，为了解除活塞上的残留油压，在离合器上设置一个离心式单向阀，通过离 心力把单向问打开，使部分残留油压迅速地从这里泄出，防止片间的拖滞现象发 生。当活塞作用油压时，单向问自行关闭，建立压力使多片离合器接合（如图9．9 所示） 离合器的活塞回位弹簧通常有三种：中央一个大螺旋弹簧；周边布置几个小 螺旋弹簧；一个蝶形弹簧。其中周置数个小螺旋弹簧的结构为最多。设置回位弹 簧的目的是让活塞回位，但并非弹簧力愈大愈好，因为在活塞作用油压时，其中 一部分作用力要抵消在弹簧预紧力上，弹簧回位力愈大，活塞作用油压要抵消的 力也愈大，其结果使离合器片间的正压力减弱，影响力矩传递能力。这就是为什 么经常在一些弹簧座上缺少几个弹簧的原因。出厂时活塞回位弹簧力已进行测 试，使弹簧力既可保证活塞彻底回位，同时又避免弹簧回位力过大。 3、单向和超越式离合器 自动变速器中单向离合器是一种固定装置，它的功能和制动带相似。制动带 能够在两个方向都能锁止制动鼓旋转，而单向离合器只能在广个方向锁止，而在 另一方向则能自由转动。单向离合器的内外圈中有一件是直接和壳体固定的，而 另外一件则和行星齿轮机构的某一构件连接。在自动变速器中常用的单向离合器 有两种不同的型式：滚柱式和凸块式，见图9．10。 滚柱式单向离合器利用弹簧把滚柱固定在离合器内外座圈之间适当位置。外 座圈的内表面有若干个凸轮状缺口，滚柱在弹簧力作用下，使其介于内座圈和缺 口表面之间，当某一座圈固定，而另一座圈以一定方向转动时，滚柱楔紧在缺口 滚道的狭窄端，则旋转座圈也锁止。当该座圈朝相反方向旋转时，滚柱朝缺口滚 道较宽端运动，滚柱和缺口滚道无楔紧趋势，该座圈能自由转动。凸块式单向离 合器包括内外座圈和介于座圈间的8字形的金属凸块。当其中一个座圈固定，而另一座圈往某一方向旋转时，其结果使8字形凸块竖起，楔紧内外座圈表面，则旋转座圈锁止。当该座圈以相反方向旋转，使凸块倒下，没有楔紧内外座表面的 趋势，那么该座圈可以自由转动。 超越式离合器尽管结构型式和单向离合器完全相同，但它的作用方式有较大 区别，超越式离合器的内外圈分别和运动的部件相连，它的所谓“锁止”或“超 越”不仅取决于内外圈的旋转方向，而且取决于内外圈的相对速度。超越式离合 器一般安装位置是介于输入动力和行星齿轮机构某j构件之间，其功能类似于多片离合器，但多片离合器的接合与释放借助于活塞上的作用油压，而超越式离合 器是纯机械控制，图9.11所示是超越式离合器在内外座圈不同速度下离合器的 锁止和超越状态。当内座圈转速大于外座圈时，则离合器超越，即内外座圈各自 按原有转速旋转，相互间无干扰。当内座圈转速小于外座圈时，则离合器锁止。 注意上述判定条件都是图示的结构所决定的。假若8字凸块倒向另外一方向（即把离合器水平旋转180”），上述的结果正好都相反。 上面介绍了简单的行星齿轮机构，实际上自动变速器中的行星齿轮机构是由 两排或三排以上的简单的行星齿轮机构组成的，可组成具有适当传动比的变速 器，通常具有三个前进档或四个前进档及一个倒档。尽管目前自动变速器品种、 规格很多，但是其中的复合式的行星齿轮机构 基本都采用一些典型化的机构，归纳起来下列 三种复合式的行星齿轮机构的使用比较普遍： ?拉维奈行星齿轮机构； ?辛普森行星齿轮机构； ?串联式行星齿轮机构。 下面分别介绍这三种复合式的行星齿轮 机构。 1、 拉维奈行星齿轮机构 1）结构 图9．12显示拉维奈行星齿轮机构的结构 图，它由双排的行星齿轮机构组成．具有大、小两个太阳轮、三个长行星轮和三 个短行星轮并共用同一行星架，仅有一个齿圈并和输出轴连接。拉维奈行星齿轮 机构可以组成三个前进档及一个倒档。它的前排是一个简单行星齿轮机构，而后 排则是一个双行星轮的齿轮机构。 2）各执行元件的功能 图9．13显示拉维东行星齿轮机构和变速执行元件之间的关系。该机构的变 速执行元件有五件，前多片离合器C1，后多片离合器C2，前制动带B1，后制动 带B2，单向离合器F1。当多片离合器、制动带和单向离合器起作用时具有以下 效果。 ?前多片离合器C1作用：把来自输入轴（涡轮轴）的输入动力接到后排主 太阳轮。 ?后多片离合器C2作用：把来自涡轮轴的输入动力接到前排第2太阳轮。 ?前制动带B1作用：固定第2太阳轮不动，结果第2行星轮围绕第2太阳轮外缘转动，行星齿轮机构作用。 ?后制动带B2作用：固定行星架不动，结果行星轮仅作为过渡轮，它绕自 己轴线转动。 ?单向离合器F1作用：固定行星架不动，使单向离合器在逆时针转动时有 自行锁止的功能。它具有后制动带作用时的同样功能，但只是在逆时针方向时。 3）动力流分析 为了进一步理解拉维奈行星齿轮机构各档传动比是如何实现的，驱动力和动 力流是如何通过各种齿轮部件的，下面进行各档位的动力流分析。表9．2列出变速执行元件状态和档位间的关系，拉维奈行星齿轮机构变速器执行元件工作规 律。 1）l档 操作预选杆手柄位于D位置，C1多片离合器作用，主太阳轮3是驱动件。 F1单向离合器作用并将行星架固定。机构动力流：主太阳轮传到主行星轮，再 传到第2行星轮，然后到齿圈，最后传给输出轴。 在这里，两个长短行星轮仅起过渡轮的作用，为了改变输入动力的旋转方向， 对机构的速比没有影响。因为多了一个过渡的行星轮，则发动机和输出轴同一旋 转方向。l档速比仅取决于齿圈和主太阳轮齿数之比。 当主太阳轮顺时针方向转动时，第2行星轮最终带动齿圈也朝顺时针方向转 动，此时，齿圈给行星架的反作用的力矩，使行星架产生逆时针转动的趋势，由 于F1单向离合器逆时针转动锁止，则使行星架固定。 当汽车处于滑行状态时，由驱动轮逆向输入的动力带动齿圈顺时针高速旋 转，通过第2行星轮对行星架产生顺时针转动的作用力矩，与此同时主太阳轮仍 有来自发动机的怠速动力带动使其顺时针低速旋转，但最终使行星架脱离单向离 合器的锁止，顺时针自由空转。这就是1档的汽车滑行。当驱动轮的转速低于某 一值时，行星架又重新被FI单向离合器锁止，汽车滑行状态结束，又重新恢复 驱动状态。 为了在1档传动比状态下能够实现发动机制动，可将预选杆置于低档（L或 1）位置，此时若处在1档，则C1多片离合器和B2后制动带同时作用，并将行星架固定。这种情况下的动力流和预选杆置于D位是完全相同的，但汽车在下坡时，驱动轮可以通过行星齿轮机构反向带动发动机，利用发动机怠速运转阻力实 现发动机制动。 2）2档 C1多片离合器和B1前制动带同时作用，主太阳轮仍然是驱动件，第2太阳 轮被后制动带固定。动力流从主太阳轮传到主行星轮，然后传到第2行星轮，由 于第2太阳轮被固定，第2行星轮只能在行星架的顺时针转动的基础上实现顺时 针自转，最后带动齿圈旋转，齿圈带动输出轴转动，其转动方向和发动机方向一 致。输出轴是减速运动。 这时2档的输出轴转速比1档转速高，这是因为齿圈的转动同时由第2行星轮自转和行星架公转共同带动。2档传动比的计算比1档复杂，它涉及前后两排 行星机构的齿轮齿数，2档的传动比仍大于1。输出轴依旧是减速运动。 这种拉维奈行星齿轮机构，处在2档传动比状态时，驱动轮逆向传入的动力， 始终和发动机相连，因此只能实现发动机制动，而不存在汽车滑行，不管预选杆 置于D或2位置。 3）3档 C1多片离合器和C2多片离合器同时作用，主太阳轮和第2太阳轮同时作为驱动件带动第2行星轮转动。此时第2行星轮不可能产生两种不同方向的旋转， 整个机构锁止，相互间合成一整体，因此就出现了直接档，传动比1：1。前面曾提到，行星齿轮机构任意两元件同速同方向，则就产生直接档。在这里就是主 太阳轮和第2太阳轮同速同方向，产生直接档的效果。 4）倒档 C2多片离合器和B2后制动带同时作用，第2太阳轮作为驱动件，行星架被 后制动带固定。动力流从涡轮输出轴经C2多片离合器传给第2太阳轮作顺时针转动，并带动第2行星轮逆时针转动，由于行星架固定不动，第2行星轮只能自转并带动齿圈逆时针转动。输出轴的转动方向与发动机相反，提供倒档。倒档传 动比是齿圈和第2太阳轮齿数之比，传动比大于l。输出轴是一种减速运动。 上面介绍的拉维奈行星齿轮机构是一种原型，它仅有三个前进档，而且只有 1档存在汽车滑行。目前的自动变速器以四个前进档居多，在拉维奈机构的原型 上通过再增加一排行星齿轮机构或增加变速执行元件，实现四个前进档，并且使 2档也存在汽车滑行和发动机制动两种状态。 目前采用拉维奈行星齿轮机构的有韩国 Hyundai（现代）A4AF、A4BF（同 Chrysle克莱斯勒KM175、KM176）、日本马自达 FA4A－EL和 GF4A－EL、德国大众096和097型等自动变速器。 9．3．2辛普森三档行星齿轮机构 这是一种十分著 名的行星齿轮机构，以 设计发明者 H．W．Simpson工程师命名的机构，从20世纪4O年代至今广泛采用于世界各国 的汽车自动变速器中，它的特点是由两个完全相同的齿轮参数的行星排组成，见 图9．14。整个机构具有相同齿圈，六个相同的行星轮和一个供两个行星排合用 的加长太阳轮（故又称共同太阳轮行星齿轮机构），它的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档和一个倒档。 1．各执行元件的功能 辛普森行星齿轮机构设置了五个变速执行元件：C1前多片离合器,C2后多片离合器、B1微动带,B2后制动带、F1 单向离合器。五个变速执行元件的作用效 果如下（见图9．15）。 ?当C1前多片离合器作用时，把来自涡轮输出轴的动力接通至太阳轮。 ?当C2后多片离合作用时，把来自涡轮输出轴的动力接通至前排齿圈。 ?当B1前制动带作用时，固定太阳轮。 ?当B2后制动带作用时，固定后行星架。 ?当F1单向离合器作用时，固定后行星架。 在辛普森机构中的B1和B2实际上是一种制动器，在某些变速器中该制动器 采用制动带，而在有些变速器中则采用多片离合器作为制动器，例如日本丰田的 自动变速器。 表9.3反映了辛普森行星齿轮机构变速器变速执行元件的工作规律。 2．动力流分析 下面进行辛普森机构各档位 的动力流分析。 l）l档 把预选杆置于D位置，C2后多 片离合器作用把输入动力传给前齿圈，F1单向离合器作用，使后行星架固定不 动。辛普森1档的动力流分析比较困难，因为在该档位前后行星排可通过两个构 件相互间连接。其输入动力经C2后多片离合器传给前齿圈，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 （输出轴的转动），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，其中前星行架和太阳轮的转动方向比较明确，但前行 星架和太阳轮转速如何分配呢？由于后排行星架被FI单向离合器固定，因此后排行星齿轮机构具有确定传动比，且是减速机构，另外后排行星齿轮机构通过后 齿圈输出，它的输出转速和转动方向应该和前行星架保持一致，因为前行星架和 后齿圈为同一构件。根据这两个条件，就可以确定前行星架和太阳轮之间的转速 分配，显然太阳轮的转速比前行星架快得多。 太阳轮逆时针的旋转带动后行星轮顺时针转动，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固定。后排行星齿轮机构的传动比是后齿圈和太阳轮 齿数之比，但辛普森机构1档传动比要大得多，计算也更复杂且有确定的传动比。 辛普森机构的1档具有汽车滑行功能，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入机构，使后行星架顺时 针旋转，脱离F1单向离合器锁止，实现了汽车滑行。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。 若要在1档实现发动机制动，则需要把预选杆置于L或1位置，此时后行星架被B2后制动带固定，驱动轮逆向传入的动力通过变速器将发动机转速提高， 从而消耗动力使驱动轮转速迅速下降，实现发动机制动。 2）2档 C2后多片离合器和B1前制动带同时作用。此时涡轮输出轴经C2后多片离 合器和前齿圈连接，同时太阳轮组件被B1前制动带固定。 其动力经输入轴传给前齿圈，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。2档传动比取决于行星架当量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。2档的传动比仅仅和 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，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F1 单向离合器处于释放状态。 在上述的辛普森机构的2档工作状态下（预选杆置于D位），来自驱动轮的逆向传入变速器的动力，可以直接传至发动机，实现发动机制动。 3）3档 C1前多片离合器和C2后多片离合器同时作用。C1前多片离合器的接合把动力传至太阳轮，C2后多片离合器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即为直接档，则机构锁成一整体。在3档状态，前齿圈和太阳轮均有相同旋转方向和速度。从另外角度分析，当来自 C2后多片离合器的动力传至前齿圈，再由前齿圈带动太阳轮逆时针转动，而来 自C1前多片离合器的动力直接传给太阳轮，使之顺时针转动，因此同一个太阳 轮不可能出现两个转动方向，只能相互间锁止成一整体。当机构整体顺时针转动 时，F1单向离合器和后行星架处于释放状态。3档是直接档，它的传动比是1：1。 在3档状态下，只存在发动机制动的功能，而不存在汽车滑行的作用。 4）倒档 C1前多片离合器和B2后制动带同时作用。C1前多片离合器的接合把动力传 给太阳轮，B2后制动带的作用使后行星架固定。此时动力经输入轴传给了太阳 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，因此后行星 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。 倒档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，倒档的传动比仅仅和后排行星齿轮机构相关。 另外，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。 9．3．3 辛普森式四档行星齿轮机构 早期的轿车自动变速器大多采用三档行星齿轮变速器，其最高档3档是传动 比为1的直接档。20世纪80年代后，随着发达国家对汽车燃油经济性的要求日 趋严格，越来越多的轿车自动变速器采用了四档行星齿轮变速器。其最高档4 档是传动比小于1 的超速档。这种自 动变速器的优点是 除了能降低汽车燃 油消耗外，还可以 使发动机经常处于 较低转速的运转工 况，以减小运转噪 声，延长发动机的 使用寿命。 辛普森式四档行星齿轮变速器是在辛普森式三档变速器的基础上发展起来 的，它有两个类型：一种是在辛普森式三档变速器原有的双排行星齿轮机构的基 础上再增加一个单排行星齿轮机构，用三个行星排组成四个前进档的行星齿轮变 速器；另一种是对辛普森式双排行星齿轮机构进行改进，通过改变前后行星排各 基本元件的组合方式和增加换档执行元件，使之成为带有超速档的四档行星齿轮 变速器。下面介绍其中的一种，三个行星排辛普森式四档行星齿轮变速器的结构 与工作原理。 这种四档变速器是在不改变原辛普森式三档行星齿轮变速器的主要结构和 大部分零部件的情况下，另外再增加一个单排行星齿轮机构和相应的换档执行元 件来产生超速档。这个单排行星齿轮机构称为超速行星排，它装在行星齿轮变速 器的前端，如图9．16所示。其行星架是主动件，与变速器输入轴连接；齿圈则 作为被动件，与后面的双排辛普森行星齿轮机构连接。超速行星排的工作由直接 多片离合器CO和超速制动器BO来控制，直接多片离合器CO用于将超速行星排的太阳轮和行星架连接，超速排的制动器BO用于固定超速行星排的太阳轮。根据行星齿轮变速器的变速原理，当制动器BO放松、直接多片离合器CO接合时， 超速行星排处于直接传动状态，其传动比为1。当超速制动器BO制动、直接离 合器CO放松时，超速行星排处于增速传动状态，其传动比小于1。 当行星齿轮变速器处于1档、2档、3档或倒档时，超速行星排中的超速制 动器BO放松，直接多片离合器CO接合，使超速行星排处于传动比为1的直接传动状态，而后半部分的双排行星齿轮机构各换档执行元件的工作和原辛普森式三 档行星齿轮变速器在1档、2档、3档及倒档的工作完全相同。来自变矩器的发 动机动力经超速行星排直接传给后半部的双排行星齿轮机构，此时行星齿轮变速 器的传动比完全由后半部的双排行星齿轮机构及相应的换档执行元件来控制。当 行星齿轮变速器处于超速档时，后半部的双排行星齿轮机构保持在3档的工作状态，其传动比为1；而在超速行星排中，由于超速制动器BO产生制动，直接多片离合器CO放松，使超速行星排处于增速传动状态，其传动比小于1（该传动比即为该行星齿轮变速器在超速档时的传动比）。 由于直接多片离会器CO在自动变速器处于超速档之外的任一档位（包括停 车档、空档和倒档）都处于接合状态，因此当发动机刚起动而油泵尚未建立起正 常的油压时，直接离合器CO就已处于半接合状态，这样容易使其摩擦片因打滑 而加剧磨损。为了防止出现这种情况，在与直接离会器CO并列的位置上布置了一个直接单向超越离合器FO，使超速行星排的行星架能在逆时针方向上对太阳 轮产生锁止作用。在发动机刚起动并带动自动变速器输入轴转动时，它就让超速 行星排的太阳轮和行星架锁止为一个整体，防止直接离合器CO的摩擦片在半接合状态下打滑。直接单向超越离合器FO的另一个作用是改善由3档升至超速档的换档平顺性。在3档升至超速档换档过程中，为了防止超速制动器BO和直接离合器CO同时接合，造成超速行星排各基本元件之间的运动干涉，必须在直接 多片离合器CO完全释放后再让超速制动器BO接合。这样，有可能因直接多片离 合器CO释放后，超速制动器BO来不及接合，使行星齿轮变速器出现打滑现象（即 动力中断）。直接单向超越离合器FO可以在直接离合器CO已释放，而超速制动器BO尚未完全接合时，代替直接离合器CO的工作，将超速行星排太阳轮和行星 架锁止在一起，防止超速行星排出现打滑现象（即动力中断），并在超速制动器 BO接合后又能及时脱离锁止，让超速行星排顺利进入超速档工作状态。由三个 行星排组成的辛普森式四档行星齿轮变速器各换档执行元件在不同档位的工作 情况见表9．4。这种型式的四档行星齿轮变速器可以使原辛普森式三档行星齿 轮变速器的大部分零部件都得到利用有利于减少生产投资，降低成本。 目前大部分轿车都采用这种型式的四档自动变速器，特别是日本丰田公司的 四档自动变速器。有些车型的这种自动变速器将超速行星排设置在原辛普森式三 档行星齿轮变速器的后端，其工作原理是相同的。 在图9.16所示的辛普森四档变速器机构中，对原辛普森三档的机构已作了 改进，新增了一个制动器B1和一个单向离合器F2。对原辛普森三档的机构进行 改进出于以下两点考虑： ?从2档换至3档存在运动干涉； ?要求辛普森机构2档存在两种状态，即汽车滑行和发动机制动。 原辛普森式三档行星齿轮变速器（参见图9．15）由二档换至3档时，一方面2档制动器B1要释放，另一方面执行元件的工作交替应及时准确，太快或太 慢都会影响换档质量和变速器的使用寿命。例如，若二档制动器B1释放后，倒档及高档离合器C1来不及接合，会使行星齿轮变速器出现打滑现象，使发动机 出现空转，并出现换档冲击；若二档制动器B1未完全释放，倒档及高档离合器 C1便过早接合，则行星齿轮机构各独立元件之间会产生运动干涉。迫使换档执 行元件打滑，加剧摩擦片或制动箍带的磨损。 为了防止出现上述情况，改善2-3档的换档平顺性，可在前后太阳轮组件和 2档制动器B1之间串联一个单向超越离合器F2，称为2档单向超越离合器，如 图9．17所示。其内圈和前后太阳轮组件连接，外圈和2档制动器B1连接，在逆时针方向对前后太阳轮组件具有锁止作用。当行星齿轮变速器处于2档时，前进离合器C2和2档制动器B1仍同时工作。汽车加速时，前后太阳轮组件的受力 方向为逆时针方向，由于2档单向超越离合器F2的外圈被2档制动器B1固定，因此前后太阳轮朝逆时针方向的旋转趋势被2档制动器B1及2档单向超越离合器F1锁止，2档得以实现。当行星齿轮变速器由2档换至3档时，即使倒档及直接档离合器C1在2档制动器B1释放之前就已接合，但由于倒档及直接档离合 器C1接合之后，前后太阳轮组件的受力方向改变为顺时针方向，而在顺时针方 向上 2档单向离合器F2对前后太阳轮组件没有锁止作用，前后太阳轮组件仍可 以向顺时针方向旋转，因此使换档得以顺利进行。 增加了2档单向离合器之后，若汽车在行星齿轮变速器处于2档时松开油门踏板减速或下坡，则在汽车惯性的作用下，驱动轮将通过变速器输出轴逆向带动 行星齿轮机构的前行星架和后齿圈组件以较高的转速旋转。由于此时发动机处于 怠速运转状态，和输入轴连接的前齿圈转速较低，前行星轮在前行星架的带动下 朝顺时针方向作公转的同时，对前太阳轮组件产生一个顺时针方向的力矩，而太 阳轮在顺时针方向旋转时，2档单向离合器F2对前后太阳轮组件没有锁止作用， 因此即使2档制动器B1仍处于制动状态，前后太阳轮组件还是可以朝顺时针方 向自由旋转。这样，在辛普森式行星齿轮机构的四个独立元件中有两个处于自由 状态，从而使该行星齿轮机构失去传递动力的能力，驱动轮和发动机脱离连接关 系，不能产生发动机制动作用。为了在需要时让2档也能产生发动机制动作用， 必须在前后太阳轮组件和变速器壳体之间另外再设置一个制动器B3。制动器B3在2档是否工作，是由预选杆手柄的位置决定的，当手柄位于前进档位置（D）6寸，制动器B3不工作；当操纵手柄位于前进低档位（2或S）而行星齿轮变速器处于 2档时，制动器 B3工作。这样不论汽车加速或减速，前后太阳轮组件都被 该制动器固定，此时的2档在汽车松开油门踏板、减速或下坡时能产生发动机制 动作用。目前大多数轿车自动变速器已采用这种结构。 辛普森行星齿轮机构在自动变速器中被广泛使用，日本丰田的自动变速器几 乎都采用这种结构，如 Toyota A14OE、A240E、A24lE、A340和 A350等型号的自动变速器。 9．3．4串联式行星齿轮机构 1．结构 串联式行星齿轮机构，通过两组行星齿轮机构串联在一起，形成复合式行星 齿轮机构。其特征是：前排行星机构的行星架与后排行星机构的齿圈为同一构件； 而前排行星机构的齿圈则与后排行星机构的行星架为同一构件。 下面以GM公司生产的4T60的四前进档的前驱动式自动变速器为例进行介 绍，如图9．18所示。该变速器共有三排行星齿轮机构，其中，最右端的这一排 行星机构用作主减速器。主减速器的输入元件为太阳轮，输出元件为行星架，齿 圈为固定元件。另外两排即为串联式行星齿轮机构。通常前排行星齿轮机构称为 输入行星齿轮机构（简称“输入行星排”）；而后行星齿轮机构称为反应行星齿轮 机构（简称“反应行星排”）。在该自动变速器中共设置了八个变速执行元件（四 个多片离合器、两个制动带和两个超越式离合器）。4T60变速器的行星齿轮机构 输入轴与发动机曲轴为平行并列式布置结构，因此其动力通过链轮传递到变速器 的输入轴。 ?当输入多片离合器接合时，把来自输入动力和输入卡块式超越离合器外圈 接通。 ?当2档多片离合器接合时，把来自输入动力和前行星架、后齿圈接通。 ?当3档多片离合器接合时，把来自输入动力和3档滚柱式超越离合器外圈接通。 ?当4档多片离合器接合时，把前输入太阳轮固定，同时固定输入卡块式超 越离合器内圈和3档滚柱式超越离合器内圈。 ?当1／2档制动带作用时，固定后排太阳轮。 ?当倒档制动带作用时，固定前行星架和后齿圈。 ?当输入卡块式超越离合器锁止时，把输入动力接通至前输入太阳轮。 ?当3档滚柱式超越离合器锁止时，把输入动力接通至前输入太阳轮。注意： 输入超越离合器和3档超越离合器锁止方向相反。 3．动力流分析 下面对4T60自动变速器串联式行星齿轮机构的动力传递路线进行分析（见 表9．5）。 1）空档（N）和停车档（P） 操纵预选杆手柄置于空档（N）或停车档（P）位置。此时，输入多片离合器作用，输入卡块式超越离合器处于锁止状态。因此前排行星机构中的太阳轮随输 入轴一起旋转。但是由于行星齿轮机构中的其他元件均处于非约束状态，因此行 星机构中的输出轴上没有任何动力输出。 2）l档 操纵预选杆手柄置于OD档位置，而变速器则处于1档。此时除了输入多片离合器作用，输入卡块式超越离合器处于锁止状态以外，1/2档制动箍带起作用。动力由输入太阳轮顺时针驱动。输入行星架和反应齿圈旋转。然后又通过反应齿 圈带动反应行星架，使其顺时针绕反应太阳轮旋转。由于反应太阳轮在1/2档制 动箍带的作用下固定不动，因此动力就由反应行星架顺时针输出到主减速器，其 变速比为2.92：1。 串联式行星齿轮机构的1档动力流分析比较复杂，因为在1档工作期间，前后行星齿轮排同时参与工作，而且连接前后行星齿轮排的元件有两个，既可以从 输入行星架与反应齿圈相连，又可以从前齿圈与反应行星架连接。实际上，当输 入太阳轮顺时针旋转时，输入行星架和前齿圈都顺时针旋转，但两条路线的传递 必须满足在反应行星架上是同一速度和旋转方向。 3）2档 操纵预选杆手柄置于OD档位置而变速器处于2档。此时，输入多片离合器、1/2档制动箍带和2档多片离合器处于作用状态，而输入卡块式超越式离合器处 于超越状态。2档多片离合器顺时针带动反应齿圈旋转，而反应齿圈又驱动反应 行星架绕静止不动的反应太阳轮顺时针旋转，从而获得动力输出。其变速比为 1.57：1。 输入多片离合器作用，对2档变速比没有贡献，它之所以作用主要是为从2 档降至］档早做准备。为什么在2档时，同样是输入多片离合器作用，输入卡块 式超越式离合器就变成了超越（而处于1档时，输入卡块式超越式离合器处于锁 止状态广在2档时，由于前行星架的顺时针驱动，使前输入太阳轮连同输入卡块 式超越式离合器的内圈产生顺时针的高速旋转，而该离合器的外圈，所获得的是 来自变矩器输出轴的顺时针低速，由于该离合器内外圈均顺时针旋转，而且内圈 转速大于外圈，所以该离合器超越（前面已介绍了这种超越式离合器，见图 9．11）。 4）直接档（3档） 当预选杆手柄置于OD档，而变速器则处于3档。此时，2档多片离合器和3 档多片离合器作用，3档滚柱式超越高合器处于锁止状态，而其他执行元件处于 非工作状态。动力分两路输入串联式行星齿轮机构：一路由输入轴经2档多片离 合器顺时针驱动输入行星架旋转，并有使输入太阳轮转得比输入行星架更快的趋 势；而另～路则通过3档多片离合器经锁止的3档滚柱式超越离合器驱动输入太阳轮旋转，这样，在该行星齿轮机构中，输入行星架和输入太阳轮获得同速同方 向的旋转，则整个机构锁成一整体，产生了直接档输出。其变速比为1：1。 3档滚柱式超越离合器为什么能锁止？由于输入行星架的顺时针驱动，使输 入太阳轮连同3档滚柱式超越离合器的内圈都产生顺时针高速旋转，而该离合器 的外圈则是来自变矩器输出轴顺时针的低速旋转，内外圈转速同方向，且外圈转 速小于内圈，则离合器锁止（注意：3档滚柱超越离合器和其相邻的输入卡块式 超越离合器锁止方向相反）。由于该离合器锁止，因此输入太阳轮就获得了和输 入行星架同样的速度和旋转方向。 5）超速档（4档） 当操纵手柄置于OD档，而变速器处于4档。此时，4档多片离合器、2档多片离合器和3B多片离合器作用，而3档滚柱式超越离合器处于超越状态。由于 4档多片离合器的作用，使得输入太阳轮静止不动。动力经2档多片离合器传至输入行星架并顺时针带动输入齿圈旋转。并且输入齿圈与反应行星架是做成一体 的，因此动力即被顺时针输出到主减速器。其变速比为0.70：1。 3档多片离合器的作用，对超速档无贡献，它主要为从4档降为3档早做准备。当4档多片离合器作用时，输入太阳轮被固定的同时，3档滚柱式超越离合器的内圈也同时被固定与此同时，3档多片离合器的作用，使3档滚柱式超越离合器的外圈顺时针旋转，由于外圈转速大于内圈，该离合器超越。 6）倒档 当操纵预选杆手柄置于倒车档次（R）位置时，倒档制动箍带和输入多片离 合器作用，输入卡块式超越离合器处于锁止状态。由于倒档制动箍带的作用而使 输入行星架静止不动，行星轮变为情轮。动力经输入多片离合器和输入卡块式超 越离合器顺时针传至输入太阳轮，使输入齿圈逆时针旋转，带动反应行星架实现 倒车。其变速比为2.38：1。 在以上介绍各前进档的动力流时，都是把预选杆置于OD档位置作为条件。在这个条件下，对每一档位可能出现的状态（汽车滑行或发动机制动），没有进 一步说明。实际上对于4T60这种液控的自动变速器，当处于OD档时，而且驱动轮转速高于发动机转速时，该变速器的1档存在汽车滑行，而2档、3档和4档仅存在发动机制动。l档存在汽车滑行状态是由于输入卡块式超越离合器在这种 工况下，出现了内圈转速高于外圈，因此该离合器超越。 9．3．5串联式行星齿轮机构的改进 4T60E和4T65E自动变速器都是电控自动变速器，它们都采用相同的改进之 后的串联式的行星齿轮机构，如图9.19所示。其换档规律见表9.6。在该机构中新增了两件变速执行元件，即手动1/2档制动带和1/2档单向离合器。其中 1/2档单向离合器的外圈固定是通过前进档制动带作用的。这样，处在1档和2档时，当反应太阳轮有逆时针转动趋势时，可以通过1/2档单向离合器将其锁止 （此时，前进档制动带必须作用），但也可用手动1/2档制动带固定反应太阳轮。 新增了两件变速元件之后，当预选杆置于OD档位置，l档。2档和3档都存在汽车滑行状态，但4档仍为发动机制动。3档存在汽车滑行状态是由于在驱动轮对 应转速大于发动机转速的工况下，输入太阳轮改变了旋转方向，成了逆时针旋转， 3档滚柱式超越离合器无法锁止，另外反应式太阳轮在此工况下，允许它顺时针 空转（1/2档单向离合器无法将其锁止）。在四构件系统中，若存在两个自由度， 则动力无法输出。若要在1档实现发动机制动，可以把预选杆置于1档（手动低档）位置，此时1档传动比所作用的变速元件，除保持OD档原作用的元件外， 还新增了三件（3档多片离合器、3档滚柱式超越离合器和手动1／2档制动带）。若要在2档实现发动机制动，可以把预选杆置于2档（手动2档）位置，此时2档传动比所作用的变速元件，除保持OD档原元件外还新增了一件（手动1／2档制动带）。若要在3档实现发动机制动，可以把预选杆置于3档（手动3档）位置，此时3档传动比所作用的变速元件，除保持OD档原作用元件外，还新增 了两件（输入多片离合器和输入卡块式超越离合器），新增两个变速执行元件是 为了固定输入太阳轮，使四构件机构能从输入行星架输出，实现发动机制动。 改进后的串联机构主要应用在美国通用汽车公司的4T60E和4T65E的自动变速器上，另外福特汽车公司的AXOD自动变速器也采用同样的结构。 行星齿轮机构是自动变速器中最重要的机械部件，其中变速执行元件多片离 合器、制动带库向离合器、超越离合器是较易发生故障的部件，这些部件的损坏， 将会引起变速器某些档位不工作或者有负荷时档位打滑。行星齿轮机构的动力流 分析较为复杂，但它又是故障分析和诊断的基础。