行星齿轮变速机构的工作原理

时间：2022-11-06 百科知识版权反馈

【摘要】：逐步推及至二排、三排行星齿轮系统的传动特点。由实验可知，影响单排行星齿轮机构传动的元件有三个：即齿圈、行星架、太阳轮。单排行星齿轮机构的传动方式有八种：执行元件:B3工作，如图3-18。B3工作的目的是为了下一个挡位R挡接合平稳。含超速挡的辛普森齿轮机构的结构是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。有两种运动状态：超速状态和无超速状态。起发动机制动作用，D3挡发动机制动。

任务二　辛普森（simpson）行星齿轮变速机构的工作原理

【任务目标】

1.掌握单排行星齿轮机构的工作原理。

2.掌握双排辛普森（simpson）行星齿轮机构的工作原理。

3.掌握带超速挡辛普森（simpson）行星齿轮机构的工作原理。

任务分析

由于行星齿轮与普通齿轮的差异性，在教学过程中，行星齿轮传动是教学的一大难点，教学中必需应用实物与多媒体教学手段相结合，辅之足够的学时，首先掌握单排行星齿轮机构的传动特点。逐步推及至二排、三排行星齿轮系统的传动特点。

【相关理论】

一、单排行星齿轮机构的传动特点

由实验可知，影响单排行星齿轮机构传动的元件有三个：即齿圈、行星架、太阳轮。在传动过程中，由于每个元件都有两个自由度，如果不固定任何一个元件，就没有固定的传动比，就不能实现动力的传动。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。单排行星齿轮机构的传动方式有八种：

（1）不固定任何一个元件，任意一个元件输入动力，都不能实现动力的传递，没有固定的传动比，即空挡。

（2）齿圈固定，太阳轮主动，行星架从动，如图3-9所示。

　　　　　　　　　n₂=0， n₁=(1+α)n₃

　　　　　　　　　　i=(n₁/n₃)= (1+α)

　　　　　　　　　　 =(Z₁+Z₂)/Z₁＞1

为前进降速挡。因太阳轮齿数最少，行星架齿数最多，可以实现最大的传动比。1挡。

图3-9　固定齿圈，太阳轮主动，行星架从动

（3）齿圈固定，行星架主动，太阳轮从动，如图3-10所示。

　　　i=(n₃ /n₁)= 1/(1+α)

　　　 =Z₁/( Z₁ +Z₂)＜1

为前进超速挡。因行星架齿数最多，太阳轮齿数最少，可以实现最小的传动比。超速挡。

图3-10　行星架主动，太阳轮从动

（4）太阳轮固定，齿圈主动，行星架从动，如图3-11所示。

　　　　　　　　　　n₁=0，

　　　　　　　　　αn₂=(1+α)n₃

　　　　　　　i=(n₂/n₃)= (1+α)/α

　　　　　　　　=(Z₁ +Z₂)/Z₂＞1

为前进降速挡。因行星架齿数最多，齿圈次之，传动比大于1。降速挡。

图3-11　齿圈主动，行星架从动

（5）太阳轮固定，行星架主动，齿圈从动，如图3-12所示。

　　　　n₁=0，

　　　αn₂=(1+ α)n₃

　　　　i=(n₃/n₂)

　　　　=α/(1+α)

　　　　= Z₂ /(Z₁ +Z₂)＜ 1

为前进超速挡。

图3-12　固定太阳轮，行星架主动，齿圈从动

（6）行星架固定，太阳轮主动，齿圈从动，如图3-13所示。

　　　　　　　n₃=0

　　　　　n₁ =-αn₂

　　　　i=(n₁/n₂)= -α=- Z₂/Z₁

为倒挡，降速挡。可作为倒挡使用。

图3-13　固定行星架，太阳轮主动，齿圈从动

（7）行星架固定，齿圈主动，太阳轮从动

　　　　　　　　　n₃=0

　　　　　　　n₁ = -αn₂

　　　　　　　　i=(n₂/n₁)

　　　　　　　　　= -1/α

　　　　　　　　　= - Z₁/Z₂

为倒挡，升速挡。不可作为倒挡使用。如图3-14所示。

图3-14　固定行星架，齿圈主动，太阳轮从动

（8）行星架、齿圈、太阳轮三个元件中任意固定两个作为输入或输出元件，得到直接挡。

二、双排行星齿轮机构——三挡辛普森（simpson）行星齿轮机构的传动特点

双排辛普森行星齿轮机构可以实现三个前进挡、一个倒挡。以丰田车为例，其挡位布置为：

1．D位1挡（D1挡）。

（1）执行元件：C₁、F₂，如图3-15所示。

图3-15　三挡辛普森（Simpson）行星齿轮机构D1挡和21挡动力传递路线

（2）动力传递路线：

输入轴——C₁——中间轴——后齿圈——后行星轮——太阳轮——前行星轮——前齿圈——输出轴。

（3）传动比=1+（Z₁+Z₃前）/Z₃后，若Z₃前= Z₃后，则传动比＞2。

（4）发动机制动效果；无。

2．2位1挡（21挡）。

执行元件、动力传递路线、传动比、发动机制动效果与D₁挡相同，如图3-15。

3．L1挡。

（1）执行元件：C₁、B₃，如图3-15所示。

（2）动力传递路线：

输入轴——C₁——中间轴——后齿圈——后行星轮——太阳轮——前行星轮——前齿圈——输出轴。

（3）传动比=1+（Z₁+Z₃前）/Z₃后，若Z₃前= Z₃后，则传动比＞2。

（4）发动机制动效果：有。

4．D2挡。

（1）执行元件：C₁、B₂、F₁，如图3-16所示。

图3-16　三挡辛普森（Simpson）行星齿轮机构D2挡动力传递路线

（2）动力传递路线：输入轴——C₁——中间轴——后齿圈——后行星轮——后行星架——输出轴。

（3）传动比=1+Z1后/Z3后＞1。

（4）发动机制动效果：无。

5．2位2挡（22挡）。

（1）执行元件：C1、B1，如图3-16所示。

（2）动力传递路线：输入轴——C1——中间轴——后齿圈——后行星轮——后行星架——输出轴。

（3）传动比=1+（Z₁+Z₃前）/Z₃后＞1

（4）发动机制动效果：有

6．D3挡。

（1）执行元件：C₁、C₂，如图3-17所示。

（2）动力传递路线：

输入轴C₁、C₂中间轴、后齿圈、太阳轮后行星输出轴。

（3）传动比=1。

（4）发动机制动效果：有。

图3-17　三挡辛普森（Simpson）行星齿轮机构D3挡动力传递路线

7．R挡

（1）执行元件：C₂、B₃。

（2）动力传递路线：输入轴——C₂——太阳轮——前行星轮——前齿圈——输出轴。

（3）传动比=前齿圈齿数/太阳轮齿数＞1

（4）发动机制动效果：有。

8．N挡无任何执行元件工作。

9．P挡：锁止挡。

执行元件:B₃工作，如图3-18。由于C₁ 或C₂没有接合，变速器处于空挡状态，动力无法传递。B₃工作的目的是为了下一个挡位R挡接合平稳。P挡采用机械式锁止机构，当变速杆处于P挡位置时，停车联锁凸轮使停车爪上的凸起与联锁结构结合，以防止车辆移动，如图3-18所示。

图3-18　锁止挡示意图

三挡辛普森（simpson）行星齿轮机构各挡执行元件的工作情况表

注：“〇”表示工作状态。

三、带超速挡辛普森（simpson）行星齿轮机构的传动特点

含超速挡的辛普森齿轮机构的结构是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。超速行星排的输入元件是行星架，输出元件是齿圈。超速行星排的换挡执行元件有C₀、F₀和B₀。有两种运动状态：超速状态和无超速状态。（一）超速状态（OD挡）

3-19　带超速挡普森(simpson)行星齿轮机构的超速挡

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 B₃制动器。

（1）执行元件：C₁、C₂、B₀、B₂工作，如图3-19所示。

（2）动力传递路线：1——15——32——5——C₁——C₂——10。

（3）传动比=超速齿圈/超速行星架齿数＜1。

（4）发动机制动效果:在超速挡运行时，放松加速踏板，车身能量被传至超速内齿圈，并通过超速行星架传到超速输入轴，产生发动机制动效果。（二）无超速状态

3-20　带超速挡辛普森（simpson）行星齿轮机构的空挡

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 B₃制动器。

不在超速挡时，C₀工作将超速行星齿轮机构连为一体，对原有的动力不造成任何影响。各挡位工作状态如下：

1．空挡（如图3-20所示）。

B₀、F₀、C₁、C₂、B₁、B₂、B₃、F₁、F₂不工作，动力无法传递。（5与6不通，5与9不通）。

2．D₁挡（如图3-21所示）。

（1）执行元件：C₀、F₀、C₁、F₂工作。

（2）传力过程：5——C1——6——8——11——9——13——7——10。

（3）传动比=1+（Z₁+Z₃前）/Z₃后，若Z₃前= Z₃后，则传动比＞2。

（4）发动机制动。反拖时：输出轴转速＞后内齿圈转速，传力过程：输出轴顺转— —后行星架顺转——行星齿轮逆转——太阳轮顺转——前齿圈顺转——带动前行星架顺转（此时F₂ 不起作用，前行星齿轮不转）——反拖力无法传至输入轴。D1 挡无发动机制动。F₂ 防止前行星架14 逆转

3． D2挡。

（1）执行元件：C₀、F₀、C₁、B₂、F₁工作，如图3-22所示。

（2）动力传递路线5——C₁——6——8——11——9——12——10。

（3）传动比=1+Z₁后/Z₃后＞1。

（4）发动机制动。

图3-21　带超速挡辛普森(simpson)行星齿轮机构的D1挡

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 B₃ 制动器。

反拖时：输出轴转速＞后内齿圈转速，传力过程：输出轴顺转——后行星架顺转——行星齿轮逆转——太阳轮顺转（此时F₁不起作用）——前齿圈顺转——带动前行星架顺转（F₂不起作用，前行星齿轮不转）——反拖力无法传至输入轴。D2挡无发动机制动。

4．D3挡（直接挡）。

图3-23　带超速挡辛普森(simpson)行星齿轮机构的D3挡

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 B3制动器。

（1）执行元件：C₀、F₀、C₁、C₂、B₂工作，如图3-23所示。

（2）动力传递路线：5——C₁——6——8——C₂——9——11——12——10。

（3）发动机制动。反拖时：输出轴转速＞后内齿圈转速=太阳轮转速，传力过程：输出轴顺转——后行星架顺转——后内齿圈顺转——太阳轮顺转——反拖力传至输入轴。起发动机制动作用，D3挡发动机制动。

（4）传动比=1。

5．21挡。

C₀、F₀、C₁、F₂工作，工作原理与D1挡相同，无发动机制动。

6．22挡。

（1）执行元件：C₀、F₀、C₁、B₁、B₂、F₁工作，如图3-24所示。

（2）动力传递路线：5——C₁——6——8——11——9——12——10。

（3）发动机制动。

反拖时：输出轴转速＞后内齿圈转速，传力过程：输出轴顺转——后行星架顺转、前齿圈顺转——前行星齿轮顺转——前行星架顺转——太阳轮固定（B₁作用）后行星齿轮顺转——后齿圈顺转——反拖力传至输入轴。22挡有发动机制动。

（4）传动比=1+（Z₁+Z₃前）/Z₃后＞1。

图3-24　带超速挡辛普森(simpson)行星齿轮机构的22挡

7．L1挡。

（1）执行元件：C₀、F₀、C₁、B₃、F₂工作，如图3-25所示。

（2）动力传递过程：5——C₁——6——8——11——12——9——13——7——10。

（3）发动机制动效果。

图3-25　带超速挡辛普森(simpson)行星齿轮机构的L1挡

反拖时：输出轴转速＞后内齿圈转速，传力过程：输出轴顺转——后行星架顺转、前齿圈顺转——前行星架固定（B₃作用）——前行星齿轮顺转——太阳轮逆转——后行星齿轮顺转——后齿圈顺转——反拖力传至输入轴。L1挡有发动机制动。

（4）传动比与D1挡相同。

8．倒挡。

（1）执行元件：C₀、F₀、C₂、B₃工作，如图3-26所示。

图3-26　带超速挡辛普森（simpson）行星齿轮机构的倒挡

（2）动力传递路线：5——C₂——9——13——7——10——11——12。

（3）发动机制动效果。

反拖时：输出轴转速＞后内齿圈转速，传力过程：输出轴顺转——后行星架顺转、前齿圈顺转——前行星架固定（B₃作用）——前行星齿轮顺转——太阳轮逆转——后行星齿轮顺转——后齿圈顺转——反拖力传至输入轴，L1挡有发动机制动。

（4）传动比与上述三挡辛普森行星齿轮机构的R挡相同。

9．停车挡，与上述锁止挡相同。

带超速挡辛普森（simpson）行星齿轮机构各挡执行元件如下表：

各挡工作元件

注：“〇”表示工作状态

【工作页】

1．按示范填写作业

（1）固定齿圈，太阳轮主动，行星架输出，是________________。

（2）固定齿圈，行星架主动，太阳轮输出，是________________。

（3）固定太阳轮，齿圈主动，行星架输出，是________________。

（4）固定行星架，太阳轮主动，齿圈输出，是________________。

（5）固定行星架，齿圈主动，太阳轮输出，是________________。

（6）齿圈、行星架、太阳轮三个都不受约束，是______________。

2．行星齿轮的检修

（1）齿轮工作面的检查内容有两个方面：___________________。

（2）行星齿轮架的检修内容有三个方面：___________________。

(a) 检查行星轮与行星架间隙

(b) 检查齿圈衬套直径

（3）齿圈检修内容：_____________________________________。

（4）太阳轮的检修内容：__________________________________。

二、带超速挡（四个前进挡）的辛普森行星齿轮机构的认识

1．看图一，回答：

图一

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 B₃制动器。

（1）执行元件是：________________________________________。

（2）画出倒挡（R）挡的动力传递路线_______________________。

（3）传动比的计算公式是：_______________________________。

2．看图二，回答：