行星齿轮变速机构的结构

任务一　辛普森（simpson）行星齿轮变速机构的结构

【任务目标】

1．掌握单排行星齿轮机构的结构、优点、传动比的计算方法，与普通齿轮机构相比有何不同？

2．掌握双排辛普森（simpson）行星齿轮机构的结构、连接方式、传动比计算方法以及换挡执行元件的作用和结构。

3．掌握带超速挡辛普森（simpson）行星齿轮机构的结构、连接方式。

【任务分析】

自动变速器中，一套完整的行星齿轮机构有四个基本元件组成，即外边的内齿圈、中间的太阳轮，介于二者中间的行星轮和行星架。在教学过程中，行星齿轮传动机构是教学的一大难点，应用实物，充分利用多媒体教学手段，让学生对比普通齿轮机构和行星齿轮机构从结构、工作过程、传动比计算方法等几方面的不同。本任务主要让学生对单排、双排、三排行星齿轮机构的结构、连接特点有一个初步认识。

【相关理论】

发动机输出的动力通过液力变矩器变扭后，一方面带动自动变速器的油泵工作，另一方面把动力传给齿轮变速机构，液压控制系统的执行元件控制齿轮变速机构进行换挡。齿轮变速机构按结构不同分为行星齿轮变速机构和平行轴式变速机构两种。现代汽车的变速机构普遍采用行星齿轮变速机构。

图 3-1　单排行星齿轮机构的结构

1 内齿圈；2 行星齿轮；3 行星架；4 太阳轮。

一、单排行星齿轮机构

1．单排行星齿轮机构的结构。

图3-1是单排行星齿轮机构的示意图，单排行星齿机构由内齿圈1、行星齿轮2、行星架3、太阳轮4四个元件组成。在上述四个元件中，由于行星轮总是作为惰轮传动，其齿数多少不影响行星齿轮机构的传动比。根据实验得知，行星齿轮的传动比是由行星架、齿圈、太阳轮的齿数决定的。由于行星架并非齿轮，没有齿数，固采用当量齿数，即“行星架的齿数=太阳轮齿数+齿圈齿数”。由上式可知，在单排行星齿轮机构中，行星架的齿数最多，齿圈次之，太阳轮的齿数最少。掌握三个元件齿数多少的意义在于：小齿轮带大齿轮传动，减速增扭；反之，大齿轮带小齿轮传动，增速减扭。在传动过程中，如果不固定任意一个元件或两个元件，动力就不能输出，也就不能实现一定的传动比，因此，为了获得固定的传动比，需将太阳轮、齿圈或行星架三者之一制动（转速为0）或约束（以某一固定的转速旋转），以获得我们所需的传动比；如果将三者中的任何两个连接为一体，则整个行星齿轮机构以同一速度旋转。

2．行星齿轮传动的优点。

与普通齿轮传动相比，行星齿轮传动的主要优点表现在：

（1）体积小、质量小，结构紧凑，承载能力大。 一般行星齿轮传动的外廓尺寸和质量约为普通齿轮传动的1/2～1/5 (即在承受相同的载荷条件下)。

（2）传动效率高。在传动类型选择恰当、结构布置合理的情况下，其效率值可达0.97～0.99。

（3）传动比较大，可以实现运动的合成与分解。只要适当选择行星齿轮传动的类型及配齿方案，便可以用少数几个齿轮而获得很大的传动比。

（4）运动平稳、抗冲击和振动的能力较强。

（5）斜齿行星齿轮运行平稳、输入转速高，各齿轮受力均匀磨损小、免保养设计、使用寿命长。

3．单排行星齿轮机构的传动比。

单排行星齿轮机构运动特性方程为：

n₁+αn₂=(1+α)n₃

式中：n₁ 太阳轮转速；n₂ 齿圈转速；n₃ 行星架转速；α =Z₂/Z₁；Z₂ 齿圈齿数；Z₁ 太阳轮齿数。

【知识拓展】

单排单级行星齿轮机构的传动比

最简单的行星齿轮机构由一个太阳轮、一个内齿圈和一个行星架组成，我们称之为一个单排单级行星排。由于单排行星齿轮机构具有两个自由度，为了获得固定的传动比，需将太阳轮、齿圈或行星架三者之一制动（转速为0）或约束（以某一固定的转速旋转），以获得我们所需的传动比；如果将三者中的任何两个连接为一体，则整个行星齿轮机构以同一速度旋转。

目前，在有关自动变速器的资料中，有关传动比的计算方法有以下三种：

式中：n₁ 太阳轮转速；n_H 行星架转速；n₃ 内齿圈转速；Z₁ 太阳轮齿数；Z₃ 内齿圈齿数。

式中：n₁ 太阳轮转速；n₂ 内齿圈转速；n₃ 行星架转速；α 内齿圈齿数/太阳轮齿数=Z₂/Z₁。

式中：Z₁ 太阳轮齿数；Z₂ 行星架假想齿数（或当量齿数）；Z₃ 内齿圈齿数。

即行星架的假想齿数是太阳轮齿数和内齿圈齿数之和，这一结论只适用于单排行星齿轮机构，在双排行星齿轮系就不适用了。

二、双排辛普森（simpson）行星齿轮机构

1．双排辛普森（simpson）行星齿轮机构的结构。

辛普森行星齿轮系统举世闻名，主要应用于轿车自动变速器齿轮机构，以其设计者霍华德·辛普森的名字而命名。它是三速行星齿轮系统，能提供三个前进挡和一个倒挡。其结构归纳为：

（1）有两排行星齿轮。

（2）四个独立的元件：公用太阳轮、前齿圈与后行星架连接、前行星架和后齿圈。

（3）七个执行元件：离合器C₁、C₂；制动器B₁、B₂、B₃；单向离合器F₁、F₂、F₃。

（4）四根轴：输入轴、中间轴、输出轴。

2．辛普森行星齿轮机构连接特点。

（1）前、后排行星齿轮共用一个太阳轮。

（2）后齿圈与中间轴连接作为输入元件。

（3）后行星架与前齿圈做成一体作为输出元件。

（4）前行星架单独。如图3-2所示。

图3-2　双排三挡辛普森（simpson）行星齿轮机构结构及连接

3．二排行星齿轮机构的传动比的计算公式。

如果Z₁后=Z₁前=Z₁，则

式中：Z₁后 后排太阳轮的齿数；Z₁前 前排太阳轮的齿数；Z₃前 前排齿圈的齿数；Z₃后 后排齿圈的齿数。

三、带超速挡辛普森（simpson）齿轮机构

1．带超速挡辛普森（simpson）齿轮机构的结构

带超速挡的辛普森齿轮机构的结构如图3-3所示。在三挡辛普森齿轮机构的基础上又增加了一个行星排，称为超速行星排。超速行星排可以加在前面（如图3-3），也可以加在后面，共计有三排行星齿轮，可以实现四个前进挡，一个倒挡。带超速挡辛普森（simpson）齿轮机构的结构的结构归纳为：三排行星齿轮；十个执行元件；五根轴。超速行星排由超速太阳轮、超速内齿圈、超速行星齿轮、超速行星架、超速输入轴、换挡执行元件C₀、F₀和B₀组成。

图3-3　带超速挡辛普森（simpson）行星齿轮机构的结构

1 输入轴；2 超速齿圈；3 超速行星齿轮；4 超速太阳轮；5 输入轴；6 中间轴；7 前齿圈；8 后齿圈；9 前后太阳轮；10 输出轴；11 后行星齿轮；12 后行星架；13 前行星齿轮；14 前行星架；15 超速行星架；F₀ F₁ F₂ 单向离合器；C₀ C₁ C₂ 离合器；B₀ B₁ B₂ 制动器。

2．超速行星排齿轮机构的连接特点

超速行星排的连接特点：超速输入轴与超速行星架连接（或做成一体）作为动力输入元件；超速离合器、单向离合器连接太阳轮与行星架；超速齿圈与输入轴连接作为输出元件。

四、辛普森（simpson）齿轮机构中换挡执行元件的结构

1．离合器。

（1）离合器的作用是将两个可以运动的部件连接起来，使其一起同步转动。离合器的组成如图3-4所示，主要包括：

图3-4　离合器的结构示意图

1离合器鼓；2、3密封圈；4离合器活塞；5回位弹簧；6弹簧座；7、11卡环；8钢片；9摩擦片；10挡圈；12止推轴承；13离合器毂

其中，卡环11安装在输入轴转鼓的卡环槽内，限制活塞的行程。输出转鼓1中心有齿形花键与输出轴相连，边缘有键槽。钢片8是光板，外缘有矩形花键与输入轴转鼓内键槽相连。摩擦片9内圆有花键，与行星齿轮某一元件相连接，其表面有铜基粉末冶金层或合成纤维层，以增大摩擦力。钢片与摩擦片相间排列，可轴向移动。弹簧座卡7环安装在输入轴卡环槽内。许多个回位弹簧沿圆周方向均匀分布。

（2）离合器的工作原理：当离合器结合时，控制油压通过输入轴中心孔进入活塞，克服回位弹簧力将钢片和摩擦片压紧，产生摩擦力。这时动力从输入轴经过离合器传到输出轴。当需要离合器分离时，控制油压通过原来的管路排出，由于回位弹簧的作用，活塞回到初始的位置，摩擦片和钢片分离，动力不能传递。

离合器单向阀：一般离合器内只有一条油道，设在离合器的中心部位，进油和泄油均通过该油道完成。离合器接合后，液压油受到旋转离心力的作用被甩到活塞液压腔的外壁上。在离合器泄油时该部分油液由于离心力的作用不易排出，造成离合器不能完全分离。为了防止这种情况发生，离合器活塞内装入了单向阀。当离合器充油时，在高油压的作用下，单向阀被压紧在阀座上，泄油口关闭，离合器正常充油并工作；当泄油时，随着油缸内油压降低，单向阀在离心力作用下离开阀座将泄油口大开，液压油可以迅速地从阀座孔处排出，使离合器迅速分离彻底。其原理如图3-5所示。

图3-5　离合器工作过程示意图

2．制动器

制动器的作用是将一个旋转元件与壳体连接，使其被固定住以获得所需的传动比和旋转方向。自动变速器内的制动器分为两种：

（1）带式制动器（如图3-6）。

图3-6　带式制动器示意图

1变速器壳体；2制动带；3制动鼓；活塞；5液压缸施压腔；6液压缸端盖；7液压缸释放腔；8推杆；9调整螺钉；10回位弹簧。

带式制动器组成：

制动鼓——与行星齿轮的某一元件相连接。

制动带——围在转鼓的外圆上，它的外表面是钢带，内表面有摩擦材料，制动带的一端用锁销固定在自动变速器壳体上，另一端与液压油缸的推杆相接触。

油缸——固定在自动变速器壳体上，其内部有活塞和推杆相连接。

带式制动器的工作原理：当液压缸无油压时[如图3-6 (a)]，制动带与鼓之间要有一定的间隙，制动鼓可随与它相连的行星排元件一同转动。

当液压缸通油压时[如图3-6 (b) ]，作用在活塞上油压力推动活塞，使之克服回位弹簧的弹力而移动，活塞上的推杆随之向外伸出，将制动带压紧在制动鼓上，于是制动鼓被固定而不能转动，此时，制动器处于制动状态。

（2）摩擦片式制动器。

摩擦片式制动器与离合器从外表看上去相似，不同之处在于：离合器用于连接两个元件；而制动器是把某一元件固定在壳体上。摩擦片式制动器（如图3-7）的结构有如下部分组成：

固定架——有许多槽，它通过螺钉与变速器壳体相连接，固定架上有控制油道孔。

钢片——外缘上有花键，与固定架上的槽或与变速器壳体上的花键槽相连接，是不动件。

摩擦片——内圆上有花键，与行星齿轮的某元件相连接。

图3-7　摩擦片式制动器示意图

活塞——安装在活塞缸内，回位弹簧作用在活塞上。

摩擦片式制动器工作原理：当需要制动行星架时，控制油压进入活塞油缸，推动活塞压缩回位弹簧，将摩擦片、钢片压紧，由于钢片与自动变速器壳体相连接，所以行星架制动不转。

制动器不起作用时，控制油液排出油缸，由于回位弹簧的作用，活塞回到原来位置。

有的制动器直接把元件固定在壳体上，如图3-8。

图3-8　摩擦片式制动器示意图

1 制动器毂；2 卡环；3 挡圈；4 钢片和摩擦片；5 弹簧座；6 回位弹簧；7 制动器活塞；8、9 密封圈；10 碟形环；11 变速器壳体。

【工作页】

一、单排行星齿轮机构的结构认识

1．写出序号1—4的零件名称。

2．思考、填写作业。

（1）在单排行星齿轮传动机构中，影响传动比大小的元件有哪三个？＿＿＿＿＿ 、＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿。

（2）太阳轮、行星架、内齿圈三个元件按齿数从多到少排列顺序为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

（3）齿圈、行星架、太阳轮三个都不受约束，将＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

（4）如图（a），固定齿圈，太阳轮主动，行星架输出，是＿＿＿＿＿＿＿。

（5）如图（b），固定太阳轮，行星架主动，齿圈输出，是＿＿＿＿＿＿＿。

（6）如图（d），固定行星架，太阳轮主动，齿圈输出，是＿＿＿＿＿＿＿。

（7）如图齿圈、行星架、太阳轮三个元件中固定任意两个，是＿＿＿＿＿＿＿。

二、带超速挡（四个前进挡）的辛普森行星齿轮机构的认识

1．超速行星齿轮组的有两种排列方式：图一为：＿＿＿＿＿＿＿。

2．图二为：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

3．说出超速排零件名称：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

4．带超速挡（四个前进挡）的辛普森行星齿轮机构能实现几个前进挡；几个倒挡？

＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

5．带超速挡（四个前进挡）的辛普森行星齿轮机构有几排行星齿？几个执行元件？

＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

6．后二排（原三速辛普森行星齿轮机构）的连接关系是：

图一

(1)＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

(2)＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

(3)＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

(4)＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

图二

通过对任务一的学习，你能给自己和老师一个评价吗？

1．老师的讲解生动、形象，态度和蔼可亲吗？　　　　　　（　　　　　　　　　　）

2．工作页是独立完成的吗？给自己一个客观的评价。　　　（　　　　　　　　　　）

［成绩等级］___________________