1、行星齿轮变速器结构与工作原理优选行星齿轮变速器结构与工作优选行星齿轮变速器结构与工作原理原理学习目标学习目标掌握行星齿轮机构变速原理掌握行星齿轮机构变速原理掌握辛普森式自动变速器行星齿轮机构的掌握辛普森式自动变速器行星齿轮机构的结构及自动换挡原理结构及自动换挡原理掌握拉威娜式自动变速器行星齿轮机构的掌握拉威娜式自动变速器行星齿轮机构的结构及自动换挡原理结构及自动换挡原理掌握自动变速器施力装置的结构及工作原掌握自动变速器施力装置的结构及工作原理理3.1 齿轮传动的一般规律齿轮传动的一般规律齿轮传动的特点齿轮传动的特点优点传动平稳、可靠、效率高、寿命长、优点传动平稳、可靠、效率高、寿命长、结构紧凑
2、、传动速度和功率范围广结构紧凑、传动速度和功率范围广缺点制造、加工成本高缺点制造、加工成本高齿轮传动的组成齿轮传动的组成组成主动齿轮与从动齿轮组成主动齿轮与从动齿轮 齿轮传动要求准确平稳，即要求在传齿轮传动要求准确平稳，即要求在传动过程中，瞬时传动比保持不变，以免动过程中，瞬时传动比保持不变，以免产生冲击振动和噪声。产生冲击振动和噪声。a)齿轮机构实物 b)齿轮机构简化图图3-1 齿轮传动机构图3-2 渐开线特性图3-3 渐开线齿轮传动特性渐开线的性质渐开线的性质1）发生线沿基圆滚过的线段长度等于基圆）发生线沿基圆滚过的线段长度等于基圆上被滚过的相应弧长上被滚过的相应弧长2）渐开线上任意一点法
3、线必然与基圆相切。）渐开线上任意一点法线必然与基圆相切。换言之，基圆的切线必为渐开线上某点换言之，基圆的切线必为渐开线上某点的法线。的法线。3）渐开线齿廓上某点的法线与该点的速度）渐开线齿廓上某点的法线与该点的速度方向所夹的锐角称为该点的压力角。方向所夹的锐角称为该点的压力角。4）渐开线的形状只取决于基圆大小。）渐开线的形状只取决于基圆大小。5）基圆内无渐开线。）基圆内无渐开线。渐开线齿轮的力学分析渐开线齿轮的力学分析齿轮的速比与传动比齿轮的速比与传动比 从公式可以获知，若想获得大的传动比，必须相互啮合从公式可以获知，若想获得大的传动比，必须相互啮合的齿轮所拥有的齿数相差较大，又由于相互啮合的
4、齿轮模数的齿轮所拥有的齿数相差较大，又由于相互啮合的齿轮模数相同，所以，必然两个齿轮尺寸相关较大，这必然占据较大相同，所以，必然两个齿轮尺寸相关较大，这必然占据较大的布置空间，给机械设计带来一定难度。的布置空间，给机械设计带来一定难度。为了解决这一难题，采用行星齿轮机构，唯一的缺点是为了解决这一难题，采用行星齿轮机构，唯一的缺点是增加了工装匹配难度。增加了工装匹配难度。齿轮的传动规律齿轮的传动规律 渐开线齿轮传动的可分性渐开线齿渐开线齿轮传动的可分性渐开线齿轮的传动比不受实际中心距的影响。轮的传动比不受实际中心距的影响。迄今为止可分性是渐开线齿轮所独迄今为止可分性是渐开线齿轮所独有的特性，这对
5、渐开线齿轮的加工、安有的特性，这对渐开线齿轮的加工、安装和使用维护都是十分有利的。装和使用维护都是十分有利的。3.2 行星齿轮机构的结构与传动原行星齿轮机构的结构与传动原理理行星齿轮机构的组成行星齿轮机构的组成图3-5 单排行星齿轮机构 1-太阳轮；2-行星轮；3-齿圈；4-太阳轮输入轴；5-行星轮轴；6-行星架；7-行星架输出轴行星齿轮机构的分类行星齿轮机构的分类 按行星架上所安装的行星齿轮的组数按行星架上所安装的行星齿轮的组数不同，分为单行星排和双行星排；不同，分为单行星排和双行星排；按行星齿轮组数不同，分为单排行按行星齿轮组数不同，分为单排行星齿轮机构和多排行星齿轮机构。星齿轮机构和多排
6、行星齿轮机构。单排行星齿轮机构的运动规律单排行星齿轮机构的运动规律无任何元件固定，无固定传动比无任何元件固定，无固定传动比固定某一元件，有固定传动比固定某一元件，有固定传动比固定两元件，三元件一同旋转固定两元件，三元件一同旋转材料价格高、结构复杂、制造安装困难组成主动齿轮与从动齿轮拉威娜式行星齿轮传动原理4）超速档离合器C4驱动行星架由制动带和伺服装置组成。楔块式单向离合器的锁止方向取决于楔块的安装方向各钢片与摩擦片压紧接合在一起时，具有共同转速并传递相应的转矩。图3-22 辛普森自动变速器结构止），从而大大提高了换档时机的准确性。小太阳轮短行星齿轮长行星齿轮（仅有自转）内齿圈输出轴，此变速结
7、果为同向减速传动。渐开线齿轮传动的可分性渐开线齿轮的传动比不受实际中心距的影响。通过强制1档及倒档制动器B3直接锁止前行星架。位弹簧作用下返回原位，钢压力油经油道进入活从公式可以获知，若想获得大的传动比，必须相互啮合的齿轮所拥有的齿数相差较大，又由于相互啮合的齿轮模数相同，所以，必然两个齿轮尺寸相关较大，这必然占据较大的布置空间，给机械设计带来一定难度。2)将太阳轮固定，以行星架为主动件，内齿圈为从动件，i=/(1+).图3-3 渐开线齿轮传动特性从公式可以获知，若想获得大的传动比，必须相互啮合的齿轮所拥有的齿数相差较大，又由于相互啮合的齿轮模数相同，所以，必然两个齿轮尺寸相关较大，这必然占据
8、较大的布置空间，给机械设计带来一定难度。5）将太阳轮固定，以内齿圈为主动件，行星架为从动件，i=1+（1/)，是2）的逆传动，即可获得减速传动，0.行星架长行星齿轮（随行星架公转）内齿圈输出轴，此变速结果为同向增速传动。行星齿轮机构的变速原理行星齿轮机构的变速原理图3-6 单排行星齿轮机构各种传动方案 在单排行星齿轮机构中，行星轮只起中间轮作用，在单排行星齿轮机构中，行星轮只起中间轮作用，因此单排行星齿轮机构的传动比取决于太阳轮齿数因此单排行星齿轮机构的传动比取决于太阳轮齿数Z1和和内齿圈齿数内齿圈齿数Z2，与行星齿轮的齿数无关。，与行星齿轮的齿数无关。即内齿圈与太阳轮的齿数比为：即内齿圈与太
9、阳轮的齿数比为：=Z2/Z1因因 Z2Z1所以所以 1,则行星齿轮机构的一般运动规律可则行星齿轮机构的一般运动规律可表达为：表达为：1）将内齿圈固定，以太阳轮为主动件，行星架为从动件，）将内齿圈固定，以太阳轮为主动件，行星架为从动件，传动比为传动比为1+。即可获得减速传动，且。即可获得减速传动，且2.2)将太阳轮固定，以行星架为主动件，内齿圈为从动件，将太阳轮固定，以行星架为主动件，内齿圈为从动件，i=/(1+).即可获得增速传动，即可获得增速传动，0.5i1。3)将行星架固定，以太阳轮为主动件，内齿圈为从动件，将行星架固定，以太阳轮为主动件，内齿圈为从动件，i=，即可获得减速反向传动。，即可
10、获得减速反向传动。4）将内齿圈固定，以行星架为主动件，太阳轮为从动件，）将内齿圈固定，以行星架为主动件，太阳轮为从动件，可获得增速传动，可获得增速传动，i0.5。5）将太阳轮固定，以内齿圈为主动件，行星架）将太阳轮固定，以内齿圈为主动件，行星架为从动件，为从动件，i=1+（1/)，是，是2）的逆传动，即）的逆传动，即可获得减速传动，可获得减速传动，0.5i1(较大)2件1前齿圈件6后行星架件4约等13件1前齿圈件3后齿圈件61(较小)4件1前齿圈件6无传动5件4共用太阳轮件3后齿圈件6Z16）将行星架固定，以内齿圈为主动件，太阳轮为从动件，i=1/。、短行星轮反转长行星轮正转内齿圈正向减速通过
11、强制1档及倒档制动器B3直接锁止前行星架。一组制动器只能固定一个图3-12 楔块式单向离合器按行星架上所安装的行星齿轮的组数不同，分为单行星排和双行星排；掌握辛普森式自动变速器行星齿轮机构的结构及自动换挡原理 离合器、制动器、单向离合器统称为自动变速器行星离合器、制动器、单向离合器统称为自动变速器行星齿轮机构换档执行元件或施力元件。齿轮机构换档执行元件或施力元件。单向离合器的工作性能对变速器的换档品质有很大单向离合器的工作性能对变速器的换档品质有很大影响。自动变速器通过行星齿轮系统执行机构的工作实影响。自动变速器通过行星齿轮系统执行机构的工作实现换档，执行机构的灵敏性直接影响换档的平顺性。单现
12、换档，执行机构的灵敏性直接影响换档的平顺性。单向离合器具有灵敏度高的优点，可瞬间锁止（或解除锁向离合器具有灵敏度高的优点，可瞬间锁止（或解除锁止），从而大大提高了换档时机的准确性。另外，单向止），从而大大提高了换档时机的准确性。另外，单向离合器不需要附加的液压或机械操纵装置，结构简单，离合器不需要附加的液压或机械操纵装置，结构简单，不易发生故障。不易发生故障。3.4 典型行星齿轮传动原理及工作典型行星齿轮传动原理及工作分析分析拉威娜式行星齿轮传动原理拉威娜式行星齿轮传动原理图3-13 拉威娜式行星齿轮变速机构1-小（前）太阳轮；2-行星架；3-短行星轮；4-长行星齿轮；5-齿圈；6-大（后）太
13、阳轮工作过程工作过程1）小太阳轮输入，行星架固定）小太阳轮输入，行星架固定、短行星轮反转、短行星轮反转长行星轮正转长行星轮正转内内齿圈正向减速齿圈正向减速、短行星轮反转、短行星轮反转长行星轮正转长行星轮正转大大太阳轮反向减速太阳轮反向减速小阳轮正转小阳轮正转2）行星架输入，小太阳轮固定）行星架输入，小太阳轮固定行星架绕太阳轮正转行星架绕太阳轮正转短行星轮正转短行星轮正转长长行星轮反转行星轮反转齿圈正转齿圈正转3）小太阳轮与行星架固定，一同输入。）小太阳轮与行星架固定，一同输入。两个元件固定在一起，由于行星轮不能自转，输两个元件固定在一起，由于行星轮不能自转，输入与输出同步入与输出同步拉威娜式自
14、动变速器的结构特点拉威娜式自动变速器的结构特点图3-14 拉威娜式自动变速器行星齿轮机构行星架、小行星轮、行星架、小行星轮、大行星轮均可作为输大行星轮均可作为输入；齿圈作为输出入；齿圈作为输出小太阳轮的轴和小太阳轮的轴和行星架轴向右反行星架轴向右反向从空心的大太向从空心的大太阳轮轴穿出，输阳轮轴穿出，输入有三种方式，入有三种方式，齿圈固定为输出。齿圈固定为输出。1、拉威娜式行星齿轮机构的施力装置、拉威娜式行星齿轮机构的施力装置1）前进档离合器）前进档离合器C1驱动小太阳轮驱动小太阳轮2）直接档及倒档离合器）直接档及倒档离合器C2驱动大太阳轮驱动大太阳轮3）强制低档离合器）强制低档离合器C3驱动
15、小太阳轮驱动小太阳轮4）超速档离合器）超速档离合器C4驱动行星架驱动行星架5）2档及档及4档制动器档制动器B1固定大太阳轮固定大太阳轮6）低速档及倒档制动器）低速档及倒档制动器B2固定行星架固定行星架7）低档单向离合器）低档单向离合器F1单方向固定行星架单方向固定行星架8）前进挡单向离合器）前进挡单向离合器F2连接输入轴与小太连接输入轴与小太阳轮阳轮2、拉威娜式自动变速器齿轮机构动力传递、拉威娜式自动变速器齿轮机构动力传递路线路线1）行星架制动，小太阳轮输入）行星架制动，小太阳轮输入传动路线传动路线小太阳轮小太阳轮短行星齿轮短行星齿轮长行星齿轮（仅有长行星齿轮（仅有自转）自转）内齿圈内齿圈输出
16、轴，此变速结果为输出轴，此变速结果为同向减速传动。同向减速传动。2）大太阳轮制动，小太阳轮输入）大太阳轮制动，小太阳轮输入传动路线传动路线小太阳轮小太阳轮短行星齿轮短行星齿轮长行星齿轮（随长行星齿轮（随行星架公转）行星架公转）内齿圈内齿圈输出轴，此变输出轴，此变速结果为同向减速传动。速结果为同向减速传动。3）大太阳轮制动，行星架输入）大太阳轮制动，行星架输入传动路线传动路线行星架行星架长行星齿轮（随行星架公转）长行星齿轮（随行星架公转）内齿圈内齿圈输出轴，此变速结果为同向增输出轴，此变速结果为同向增速传动。速传动。4）行星架制动，大太阳轮输入）行星架制动，大太阳轮输入传动路线传动路线大太阳轮大
17、太阳轮长行星齿轮（仅有自转）长行星齿轮（仅有自转）内内齿圈齿圈输出轴，此变速结果为反向减速输出轴，此变速结果为反向减速传动。传动。1）D位一档传动路线位一档传动路线图3-16 D位1挡传动路线示意图C1-前进挡离合器；F1-低挡单向离合器；F2-前进挡向离合器小太阳轮小太阳轮短行星短行星齿轮齿轮长行星齿轮长行星齿轮内齿圈内齿圈输出轴输出轴长行星齿轮在带动内长行星齿轮在带动内齿圈顺时针转动的同齿圈顺时针转动的同时，对行星架产生逆时，对行星架产生逆时针力矩，时针力矩，F1在逆时在逆时针方向合行星架固定。针方向合行星架固定。此时，发动机的动力此时，发动机的动力经输入轴，小太阳轮、经输入轴，小太阳轮、
18、短行星齿轮、长行星短行星齿轮、长行星齿轮传给内齿圈和输齿轮传给内齿圈和输出轴。出轴。2）D位位2档传动路线档传动路线图3-17 D位2挡传动路线示意图C1-前进挡离合器；F2-前进挡向离合器；B1-2挡及4挡制动器小太阳轮小太阳轮短行短行星齿轮星齿轮长行星长行星齿轮齿轮内齿圈内齿圈输出轴输出轴大太阳轮被制动器大太阳轮被制动器B1B1固定，长行星轮在顺固定，长行星轮在顺时针转动，同时还将时针转动，同时还将朝顺时针方向公转，朝顺时针方向公转，带动内具圈和输出轴带动内具圈和输出轴以时针转动。发动机以时针转动。发动机动力由小太阳轮经短动力由小太阳轮经短行星齿轮、长行星齿行星齿轮、长行星齿轮传递至内齿圈
19、和输轮传递至内齿圈和输出轴，将动力输出。出轴，将动力输出。3）D位位3档传动路线档传动路线图3-18 D位3挡传动路线示意图C1-前进挡离合器；C2-直接挡及倒挡离合器；F2-前进挡向离合器C1、C2同时接合，同时接合，F2锁止，使输入轴同锁止，使输入轴同时和小、大太阳轮相时和小、大太阳轮相连接。大、小太阳轮连接。大、小太阳轮同时随输入轴转动，同时随输入轴转动，短行星轮和长行星轮短行星轮和长行星轮不能作自转，只能同不能作自转，只能同小、大太阳轮一起公小、大太阳轮一起公转，同时带动行星架转，同时带动行星架以相同的转速转动，以相同的转速转动，此时内齿圈和前后排此时内齿圈和前后排行星排所有元件作为行
20、星排所有元件作为整体，此时传动比为整体，此时传动比为1，为直接档传动。，为直接档传动。4）D位位4档传动路线档传动路线图3-19 D-4挡传动路线示意 C3-超速挡离合器；B1-2挡及4挡制动器行星架长太阳轮内齿圈输出轴大太阳轮被大太阳轮被B1B1固定，行固定，行星架又带动长行星轮顺星架又带动长行星轮顺时针自转和公转，其公时针自转和公转，其公转特性可使内齿圈和输转特性可使内齿圈和输出轴顺时针同步转动，出轴顺时针同步转动，而自转特性可使内齿圈而自转特性可使内齿圈和输出轴相对输入轴顺和输出轴相对输入轴顺时针加速传动，它的传时针加速传动，它的传动比小于动比小于1 1，为超速档。，为超速档。虽然虽然C
21、1C1接合，但接合，但F2F2内圈内圈转速高于外圈，所以不转速高于外圈，所以不影响传动。影响传动。5）倒档传动路线）倒档传动路线图3-20 R（倒）挡传动路线示意图C2-直接挡及倒挡离合器；B2-低挡及倒挡制动器大太阳轮长行星轮内齿圈输出轴由于行星架被固定，由于行星架被固定，长行星齿轮不能自长行星齿轮不能自转，从而带动内齿转，从而带动内齿圈和输出轴朝逆时圈和输出轴朝逆时针方向减速传动，针方向减速传动，实现倒档。实现倒档。6）L1档传动路线档传动路线图3-21 L1挡传动路线示意C3-强制低挡离合器；B2-低挡及倒挡制动器动力传动与D1相同，驱动轮可通过变速器反拖发动机，利用发动机制动挡位离合器
22、制动器单向离合器C1 C2C3C4B1B2F1F21挡2挡3挡4档R挡L挡表表3-3 拉威娜自动变速器施力装置作用表拉威娜自动变速器施力装置作用表辛普森式行星齿轮传动原理辛普森式行星齿轮传动原理图3-22 辛普森自动变速器结构1、四速辛普森式汽车自动变速器的施力装置、四速辛普森式汽车自动变速器的施力装置1）B0固定超速行星排的太阳轮固定超速行星排的太阳轮2）C0连接超速行星排的齿圈与行星架连接超速行星排的齿圈与行星架3）F0连接超速行星排的齿圈与行星架连接超速行星排的齿圈与行星架4）C1连接前传动轴与后传动轴连接前传动轴与后传动轴5）C2连接前传动轴与太阳轮连接前传动轴与太阳轮6）B1固定太阳
23、轮固定太阳轮7）B2固定固定F1外圈，与外圈，与F1配合限制太阳轮逆时针转动配合限制太阳轮逆时针转动8）F1连接连接B2与太阳轮，限制太阳轮逆时针转动与太阳轮，限制太阳轮逆时针转动9）B3连接壳体与前行星架连接壳体与前行星架10）F2连接壳体与前行星架连接壳体与前行星架2、辛普森式行星齿轮机构的传动路线、辛普森式行星齿轮机构的传动路线D位位1档传动路线档传动路线动画演示超速档离合器超速档离合器前进档离合器前进档离合器1档单向离合器档单向离合器 C0将超速档的太将超速档的太阳轮和行星架连挡在一阳轮和行星架连挡在一起，使超速档行星排以起，使超速档行星排以直接档形式输出。直接档形式输出。前行星架固定
24、不动，各行星轮正向旋转。前行星架固定不动，各行星轮正向旋转。带动前齿圈和后行星架正向旋转。后行星带动前齿圈和后行星架正向旋转。后行星架的运动是两种运动的合成架的运动是两种运动的合成 F2限制前行星架限制前行星架反向旋转反向旋转D位位2档传动路线档传动路线2档单向离合器2档制动器 B2 B2固定固定F1F1外壳，外壳，F1F1防止防止 太阳轮反向旋转，太阳轮固太阳轮反向旋转，太阳轮固定不动，后齿圈直接带动后行星轮减速输出，变速器形成定不动，后齿圈直接带动后行星轮减速输出，变速器形成2 2档。档。超速档制超速档制动器动器前进档离前进档离合器合器D位位3档传动路线档传动路线 行星排的三个元件中有两个
25、元件连接在一起，复合行星排行星排的三个元件中有两个元件连接在一起，复合行星排就形成了直接档就形成了直接档高速及倒高速及倒档离合器档离合器前进档离前进档离合器合器超速档离超速档离合器合器 D位位4档传动路线（超速档）档传动路线（超速档）动画演示超速档行星排为超速档，复合行星排是直接档超速档行星排为超速档，复合行星排是直接档超速档制超速档制动器动器高速及倒高速及倒档离合器档离合器前进档离前进档离合器合器B0B0固定住固定住超速档行超速档行星排的太星排的太阳轮，此阳轮，此时行星架时行星架输入，内输入，内齿圈输出，齿圈输出，形成超速形成超速档。档。强制（手动）强制（手动）2档传动档传动 2 2位位1
26、1档传动路线同档传动路线同D D位位1 1档，该档位同样没有发动机制动，档，该档位同样没有发动机制动，但随下坡车速增加，变到但随下坡车速增加，变到2 2位位2 2档，有发动机制动，限制了下坡档，有发动机制动，限制了下坡车速。车速。前进档离前进档离合器合器超速档制超速档制动器动器强制（手动）强制（手动）1档传动路线档传动路线动画演示 强制强制1 1档与强制档与强制2 2档类似，仅仅适合于更陡的长坡或档类似，仅仅适合于更陡的长坡或低速大负荷工况。与低速大负荷工况。与D D位位1 1档的区别是，不需要单向离合器，而是档的区别是，不需要单向离合器，而是通过强制通过强制1 1档及倒档制动器档及倒档制动器
27、B3B3直接锁止前行星架。直接锁止前行星架。前进档离前进档离合器合器超速档制超速档制动器动器强制强制1档及倒档及倒档制动器档制动器倒档传动路线倒档传动路线动画演示超速档制超速档制动器动器高速及倒高速及倒档离合器档离合器强制强制1档及倒档及倒档制动器档制动器 超速档行星排为直接档，复合行星排为倒档，变超速档行星排为直接档，复合行星排为倒档，变速器以倒档形式输出。速器以倒档形式输出。施力装置 挡位离合器制动器单向离合器C0C1C2B0B12B2B3F0F1F2D前进挡1挡接合接合辅助锁止2挡接合接合锁止辅助锁止直接挡接合接合接合辅助超速挡接合接合锁止强制(手动)2挡接合接合锁止辅助强制(手动)1挡
28、接合接合锁止辅助R(倒)挡接合接合锁止辅助表表3-4 辛普森自动变速器施力装置作用表辛普森自动变速器施力装置作用表3 3、行星齿轮两端布置机构的辛普森式四档、行星齿轮两端布置机构的辛普森式四档自动变速器自动变速器 行星齿轮两端布置是另一种典型辛普森式四档自行星齿轮两端布置是另一种典型辛普森式四档自动变速器，采用这种结构的变速器的具体型号为丰田动变速器，采用这种结构的变速器的具体型号为丰田公司的公司的A340系列、系列、A350系列、系列、A140系列、系列、A240系列系列、U240系列、系列、A540系列、系列、A650系列、系列、A750系列、沃系列、沃尔沃尔沃AW40、克莱斯勒、克莱斯勒
29、AW4、42RE、44RE、44RE、44HE。其变速原理与前者基本相同，仅仅是复合行星轮布置问题，其变速原理与前者基本相同，仅仅是复合行星轮布置问题，两个行星轮排功能互换，各施力装置的名称有所变化，见表两个行星轮排功能互换，各施力装置的名称有所变化，见表3-5。序号施力装置名称后端布置代号两端布置代号后端布置施力对象两端布置施力对象1前进挡离合器C1C2连接中间轴和后轴连接中间轴和太阳轮2高速挡及倒挡离合器C2C1连接中间轴和太阳轮连接中间轴和后轴3强制2挡制动器B1B3固定太阳轮固定太阳轮42挡制动器B2B1固定2挡单向离合器固定2挡单向离合器5强制1挡及倒挡制动器B3B2固定前行星架固定后行星架62挡单向离合器F1F2限制太阳轮反转限制太阳轮反转71挡单向离合器F2F1限制前行星架反转限制后行星架反转表表3-5 两种辛普森自动变速器复合行星排施力装置区别表两种辛普森自动变速器复合行星排施力装置区别表
