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第三章行星齿轮变速器 齿轮变速器 齿轮传动机构 换档执行机构齿轮传动机构 获得各档动力传递形式 固定轴式 如 本田雅阁 行星齿轮式 如丰田 奥迪等绝大多数 换档执行机构 改变齿轮机构中各元件的状态 获得档位之间的变化 形式 制动器单向离合器 执行机构 1 一 齿轮传动的一般规律1 旋转方向 左图为外啮合齿轮传动其旋转方向相反 2 旋转件的常习 内啮合旋转方向相同 不改变方向只改变传动比 3 三轮之间的旋转方向 不改变传动比 却实现方向相同 假定C轴线不动 4 一 平行轴式齿轮变速机构 5 与手动变速器的差别 结构 自动变速器中的齿轮与轴的连接通过多片式离合器实现 手动变速器中的齿轮与轴是通过花键或齿套连接的 换档方式 手动变速器通过齿轮在轴上的滑动或齿套啮合来实现换档 自动变速器则是通过多片式离合器的接合与分离来实现换档 6 齿轮变速机构原理 前离合器接合 后离合器分离 为低档 前离合器分离 后离合器接合 为超速档 7 二 行星齿轮变速机构 行星齿轮机构的组成 它由太阳轮或称为中心轮 行星齿轮 行星齿轮架 通常简称为行星架 齿圈等组成 行星齿轮为轴转式齿轮系统 与定轴式齿轮系统一样 也可以变速 变矩 按照齿轮的排数不同 行星齿轮机构分为单排行星齿轮机构和多排行星齿轮机构 按照太阳轮和齿圈之间行星齿轮的组数不同 行星齿轮机构可分为单星行星排和双星行星排 8 单排单星行星齿轮机构 9 单排双星行星齿轮机构 10 1 单排单级行星齿轮机构工作原理1 齿圈固定 太阳轮主动 行星架被动 此种组合为降速传动 通常传动比一般为2 5 5 转向相同 11 行星架固定 12 2 齿圈固定 行星架主动 太阳轮被动 此种组合为升速传动 传动比一般为0 2 0 4 转向相同 13 3 太阳轮固定 齿圈主动 行星架被动 此种组合为降速传动 传动比一般为1 25 1 67 转向相同 14 太阳轮固定 15 4 太阳轮固定 行星架主动 齿圈被动 此种组合为升速传动 传动比一般为0 6 0 8 转向相同 16 5 行星架固定 太阳轮主动 齿圈被动 此种组合为降速传动 传动比一般为1 5 4 转向相反 17 18 6 行星架固定 齿圈主动 太阳轮被动 此种组合为升速传动 传动比一般为0 25 0 67 转向相反 19 7 把三元件中任意两元件结合为一体的情况 20 8 三元件中任一元件为主动 其余的两元件自由 从分析中可知 其余两元件无确定的转速输出 第六种组合方式 由于升速较大 主被动件的转向相反 在汽车上通常不用这种组合 其余的七种组合方式比较常用 21 传动比计算 小齿轮做中间齿轮 与传动比无关 当行星架未制动时 行星架 以n3转动 对整体行星排施加一个与行星架 转速大小相等 方向相反的速度 n3 这对构件的相对速度无影响 使行星排变为定轴式转动 22 齿圈 行星轮 太阳轮 行星架 23 传动比的计算 整理后得 单排单级行星齿轮的运动方程 24 单排单级行星齿轮传动比 25 1 齿圈固定不动 a 太阳轮为主动件 行星架为从动件图ab 行星架为生动件太阳轮为从动件如图b 26 2 锁定太阳轮 行星轮自动并顺时针公转 齿圈也顺时针旋转问题 以下两种类型在AT中适宜做哪一个档位 27 3 锁定行星轮架 问题 以下两种类型适合做何种档位 28 4 将任意二元件连接在一起 连接任意二个就会使得行量齿轮不再有自转 此时三元件合为一体 三元件之间的传动均为1 即为直接档传动 29 5 不锁定任何元件 若右图可以随意转动 此时为空档 30 单排双级行星齿轮机构 31 32 理论上讲 可有 种不同的传动 实际上 有些传动方案是不宜采用的 通常单排行星机构 只能采用两个档位 自动变速器通常采用多个单排行星齿轮机构进行串 并联或换联主从动构件的办法来扩大档位数目 两排行星机构通常采用增加一个离合器的方式来换联主动元件 三排行星机构组成的自动变速器 采用其中一排与另两排串联的方法来获得更多的档位 33 三 两种典型的行星齿轮机构 一 辛普森 Simpson 式齿轮机构 结构特点 前后两个行星排的齿轮参数完全相同 而前后两行星排共用一个太阳轮 前行星排的行星架和后行星排的齿圈相连为输出轴 前行星排的内齿圈和太阳轮通常做为输入轴 可实现三进一倒的档位 34 辛普森结构 35 辛普森结构传动方式 36 双排辛普森行星齿轮机构各元件间的转速关系方程式为 由于共用太阳轮 故 前排太阳轮转速与后排太阳轮转速相同 前行星架转速与后齿圈转速相同 联立方程 可解辛普森结构的总传动比 37 二 拉维奈尔赫 Ravigneanx 行星结构 结构特点 前排为单级行星齿轮 后排为双级行星齿轮 前后共用一个内齿圈 共用一组行星齿轮 后排外与前排 和共用行星架 以内齿圈为输出轴 以前后两太阳轮为输入轴 可组成三或四个前进档 由于结构简单 尺寸小 常用于前驱式车辆 变速驱动桥 38 拉维奈尔赫式结构 39 拉维奈尔赫式结构传动方式 40 双排拉维奈尔赫齿轮机构各元件间的转速关系方程式 共用内齿圈 共用前 后行星架 联解方程组 可得到拉维奈尔赫结构的总传动比 41 四 行星齿轮传动联想记忆 为了方便记忆 我们可以将行星齿轮传动转换成普通圆柱齿轮传动 太阳轮相当于最小的齿轮 齿圈相当于中等齿轮 行星架相当于最大的齿轮 其中行星架的齿数等于太阳轮齿数与齿圈齿数之和 42 1 当齿圈固定时太阳轮主动 行星架被动 最小的齿轮带动最大的齿轮旋转降速 传动比最大 在汽车上用作前进1档 反之 若行星架主动 太阳轮被动 最大的齿轮带动最小的齿轮旋转 升速 传动比最小 在少数汽车上使用 作为前进超速2档 43 2 当太阳轮固定时齿圈主动 行星架被动 较大齿轮带动最大齿轮旋转 降速 传动比较大 在汽车上常用作前进2档 反之 若行星架主动 齿圈被动 最大齿轮带动较大齿轮旋转 升速 传动比略小于1 在汽车上用作前进超速1档 44 3 当行星架固定时太阳轮主动 齿圈被动 最小齿轮带动较大齿轮旋转 降速 反向 在汽车上用作倒档 45 五 换档执行机构工作原理 行星齿轮变速器的换档执行机构主要由离合器 制动器和单向离合器三种执行元件组成 离合器和制动器是以液压方式控制行星齿轮机构元件的旋转 而单向离合器则是以机械方式对行星齿轮机构的元件进行锁止 46 1 离合器作用 连接轴和行星齿轮机构的旋转元件 或将行星排的的某两个元件连在一起 使之成为一个整体 组成 卡环 它安装在输入轴转鼓的卡环槽内 限制活塞的行程输出转鼓 其中心有齿形花键与输出轴相连 边缘有键槽钢片 是光板 外缘有矩形花键与输入轴转鼓内键槽相连摩擦片 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 47 示意图 48 实际离合器 49 50 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 51 离合器工作原理 52 离合器工作原理 53 动力传动路线 54 55 离合器的自由间隙 离合器处于分离状态时 离合器片之间有一定的轴向间隙 以保证钢片和摩擦片之间无轴向压力 一般离合器的自由间隙为0 5 2 0mm 间隙大 离合器片磨损 间隙小 离合器片变形 间隙可用挡圈或压板调整 56 磨损的摩擦片 57 离合器的安全阀 防止泄压后 残留油液在高转速时压向离合器片 使离合器接合 从而导致钢片和摩擦片间出现不正常滑磨 58 单向球阀 离合器安全阀的工作 59 离合器所能传递的动力 或者说转矩的大小与摩擦片的面积 片数及离合器片间的压紧力有关 片间压紧力的大小由作用在离合器活塞上的油压及作用面积决定 一般上压紧力确定 从而离合器传递动力大小取决于摩擦片的面积和片数 60 离合器压紧力控制 两种控制方式 双油路控制 双活塞控制 61 双活塞控制原理 62 2 制动器 分为片式制动器和带式制动器 作用 制动锁定旋转部件 1 片式制动器组成 63 64 片式制动器的结构和功能与湿式多片式离合器基本相同 也是由后离合器鼓 离合器片 离合器盘 活塞及中心支承组成 不同点是 中心支承取代了离合器壳 而中心支承与变速器连为一体 制动器分离 活塞未压紧离合器盘片时 后离合器鼓可自由转动 活塞压紧离合器盘与片时 后离合器鼓与中心支承拼命 后离合器鼓被制动 多片式制动器原理 液压作用 65 2 带式制动器 1 组成 制动鼓 制动带 油缸 制动鼓 它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 它固定在自动变速器壳体上 其内部有活塞和推杆相连接 66 带式制动器结构 67 2 制动带的夹紧驱动装置 直杆式 杠杆式 钳形杆式 直杆式 由活塞推动直杆 直杆带动顶杆夹紧制动带 68 杠杆式 由活塞推动杠杆 杠杆推动顶杆夹紧制动带 69 钳形杆式 驱动装置由活塞推动顶杆 顶杆又下压摇臂 摇臂带动推杆 推杆带动钳形杆 钳形杆弯曲收紧制动带的两个活动端 夹住鼓 1 活塞2 制动油缸3 顶杆4 摇臂5 弹簧6 调整螺钉和锁定螺母7 支点销8 推杆9 制动带10 钳形杆 70 带式制动器液压伺服机构有两种类型 单向作用伺服机构 由活塞 弹簧 顶杆和一个液压缸组成 只能从一个方向加压推动活塞 泄压时靠弹簧弹力回位 单向作用伺服机构 制动状态 单向作用伺服机构 放松状态 71 双向作用伺服机构 液压可分别施加在活塞两侧 既可以收紧制动带 也可以放松制动带 72 制动带检查 73 3 单向离合器作用 在一定条件下固定行星排的某一基本元件 固定是单方向的 常见形式有两种 滚柱斜槽式和楔块式 74 六 典型行星齿轮变速器工作分析 一 辛普森式行星齿轮变速器1 三档辛普森式行星齿轮变速器的结构和原理 执行机构分为七个换档执行元件 两个离合器 三个制动器与两个单向离合器 75 1 三档辛普森式 前进离合器C1 倒档及高档离合器C2 B1 F1为2档单向离合器制动器组合 2档强制制动器B2 倒档及低档制动器 单向离合器B3 F2 立体图 平面半示图 76 各档位时离合器和制动器的工作情况 77 1 曲轴2 飞轮3 涡轮4 导轮5 泵轮6 制动器B17 离合器C18 离合器C29 前内齿圈10 后排行星齿轮架11 制动器B212 单向离合器13 输出轴停车齿轮14 停车锁P15 传动销16 输出轴17 行星齿轮18 共公太阳轮19 前排行星轮架20 输入轴21 油泵驱动齿 78 1 空档N C1 C2不工作 79 2 停车档 80 3 倒档 R档 执行元件 C2 B3动力 C2 太阳轮 行星轮逆转 B3作用于行星架不动 齿圈逆转 输出可以实现发动机制动传动比 2 前齿圈打滑 F1打滑 前行星架逆转 前行星轮逆转 B3 81 倒档动力传递图 82 R档 83 执行元件 84 4 前进档D1档 执行机构为C1 F2动力经过C1从前排齿圈输入F2逆时针时锁死 从而将后排行星架固定 传动比为 1 1 2 1 85 工作过程 1 起步 车轮 后齿圈前行星高速旋转 而前齿圈是发动机转速 较慢 太阳轮组件高速 正 后行星架 正 后行星架 正 F1失效 动力无法传递 相当于N 档 2 慢速 二路同时工作 另一路 C1 前齿圈 前齿圈 前行星架 输出 3 D1档不能利用发动机制动滑行 动力由车轮 发动机关于发动机制动 利用发动机的低转速对高速滑行的车辆起牵制作用 要有发动机制动 动力必须可从车轮传到发动机上 D1档时 F1只能正向传递 所以无发动机制动 难点 太阳轮正转 后齿圈也正转 无论谁转速高 行星架也正转 顺 F1打滑 86 1档动力传递路线 87 D 1档工作原理 1 在D 1挡时 控制系统使离合器C0 C1接合 单向离合器F2参加工作 88 5 手动1档 L位 执行机构 C1与B3C1作用 动力从前排齿圈输入 前排行星架开始不动 太阳轮逆时针转动 后齿圈不动 则后行星架逆时针转动 B3制动 则动力由后齿圈及前行星架共同输出 传动比为同上 后排行星架无动力输入 不工作问题 虽然不工作但作何种运动 89 手动1档 90 D1档与手动1档 L档 的区别 1 手动1档由B3取代了F2 在变速器在D1档时 汽车底盘的动力无法传递到发动机中 2 传动比相同必须掌握由驱动轮过来的力的传递路线 输出轴 后齿圈 后行星架 B3作用固定 太阳轮逆时针转前排行星架 前齿圈转得更快n1 1 n3 n1 n2 1 n3 0 91 6 D2档 1 执行元件 C1 B1 F12 动力 C1 前齿圈 前行星架 输出要点 当发动机转速增加 相对于D1档而言 前行星架转速滞后 太阳轮有逆转的趋势 F1工作同时B1工作 即前行星架增速输出 3 传动比为 1 1 14 前行星轮 后齿圈 后行星轮 F2打滑 太阳轮固定 齿圈输入 行星架输出 太阳轮固定 F1逆时针锁死 92 D2档工作演示 93 D2档工作元件 94 7 手动2档 2位2档 执行元件C1B2要点 用B2代替了F1与B1 传动路线与传动比与D2档是一样的 区别在于可以利用发动机进行制动 制动路线为 前行星架相对于前齿圈高速正转 太阳轮顺时针转 而F1打滑 动力无法输入到发动机中 故而D2档不能利用发动机进行制动 若用B2则可制动太阳轮 动力将由前齿圈输入到发动机中 动力 C1 前齿圈 前行星架 输出分析发动机制动时 只要分析在对应D档位起作用的齿轮就行了 95 手动2档 2位2档 工作演示 注意 2位1档同D1档相同 96 8 前进档3档 D位3档 1执行元件C1 C22 动力 由C1与C2共同分别输入到齿圈与太阳轮 同速同向 行星架也同速同向输出3 传动比 14 可以实现发动机制动 5 前后行星轮无自转 只与行星架一起公转 后行星架同速同向转动 F1 F2顺时针下打滑 97 D位3档工作演示 98 执行机构F1在换档质量上的体现 2档换3档 则要将C1B1F1转变为C1C2 即要将B1的制动解除 而将C2起作用 实质上运用了在D2档中F1锁止太阳轮的逆向运动 提速后C2作用利用了F1的顺时针打滑 而不干涉C2提前作用 或B1滞后 带来的负面作用 确保换档的平顺性 99 作业 一班1 24号 D1及表2 2第2个图P28 一班24号以后 D2及表2 2第3个图P29 二班1 24号 D3及表2 2第2个图P29 二班25号以后 D2及表2 2第3个图P29画平面图 执行元件 传递路线 传动比 要用公式计算出来 100 2 四档辛普森式行星齿轮变速器的结构和原理 常见类型是在原有双排行星齿轮机构上 再增加一个单排行星齿轮机构 组成具有超速档的四档行星齿轮变速器 101 102 103 104 四档辛森式行星齿轮变速器的结构 平面图 105 D4档的超速传动原理 106 2位2档 C0C1B1B2F0F1 107 L位1档 108 3 两排行星轮实现四个档位的辛普森结构 理论 前后排太阳齿轮各自独立 但可以通过离合器连接在一起 前排内齿圈与后排行星齿轮架连成一体 这样两排行星齿轮组中的六个元件就变成为五个元件 109 a1 a2 1 1 a1 110 111 1 变矩器2 油泵3 制动器B14 离合器C15 离合器C26 前排行星轮7 前排内齿圈8 后排齿圈9 离合器C410 后排行星架11 离合器C312 制动器B213 单向离合器F114 停车锁15 停车制动齿轮16 输出轴17 单向离合器F118 后排行星轮19 后排太阳轮20 前排行星架21 前太阳轮22 输入轴 112 宝马系列辛普森改进型 执行器 D1 D3D2 D4 113 丰田系列 执行器 D1 D3D2 D4 114 奔驰系列 执行器 D1 D3D2 D4 115 二 拉维奈尔赫式行星齿轮变速器拉维奈尔赫式行星齿轮机构与辛普森式行星齿轮机构齐名 从七十年代起 被奥迪 福特 马自达公司使用于自动变速器中 特别是前轮驱动车辆 结构特点 两行星排具有公共行星架和齿圈 前太阳轮 长行星轮 行星架及齿圈组成一个单行星轮行星排 后太阳轮 短行星轮 长行星轮 行星架及齿圈组成双行星式行星排1 实际三档拉维奈尔赫行星齿轮变速器结构简图 116 二 拉维奈尔赫式行星齿轮变速器拉维奈尔赫式行星齿轮机构与辛普森式行星齿轮机构齐名 从七十年代起 被奥迪 福特 马自达公司使用于自动变速器中 特别是前轮驱动车辆 结构特点 两行星排具有公共行星架和齿圈 前太阳轮 长行星轮 行星架及齿圈组成一个单行星轮行星排 后太阳轮 短行星轮 长行星轮 行星架及齿圈组成双行星式行星排1 实际三档拉维奈尔赫行星齿轮变速器结构简图 117