辛普森行星齿轮变速装置结构与工作原理课件

项目（四）辛普森行星齿轮变速装置结构与工作原理1.辛普森式行星齿轮变速装置（A43D）结构与表示方法A43D自动变速器行星齿轮变速装置总体结构如下图所示。第一排亦称超速行星排。输入轴与超速行星排的行星架相连，超速行星排的齿圈与中间轴相连，中间轴通过离合器C1或C2与二、三行星排相连。二、三行星排共用一个太阳轮（或不共用一个太阳轮），二行星排的齿圈与三行星排的行星架相连并与输出轴相连。项目（四）辛普森行星齿轮变速装置结构与工作原理1.辛普森式行A43D自动变速器行星齿轮变速装置总体结构

A43D自动变速器行星齿轮变速装置总体结构辛普森式行星齿轮变速装置（A43D）结构简图表示方法

图3-40辛普森式三行星排自动变速器行星齿轮变速装置结构简图辛普森式行星齿轮变速装置（A43D）结构简图表示方法

图3-表3-3三行星排辛普森式行星齿轮变速装置换档执行元件工作表档位档位离合器制动器单向离合器C0C1C2B0B1B2B3F0F1

F2P驻车⊙⊙R倒档⊙⊙⊙⊙N空档⊙D1⊙⊙⊙⊙2⊙⊙⊙⊙3⊙⊙⊙⊙O/D⊙⊙⊙⊙2或S1⊙⊙⊙2⊙⊙⊙⊙⊙⊙3⊙⊙⊙⊙⊙L1⊙⊙⊙⊙2⊙⊙⊙⊙⊙⊙表3-3三行星排辛普森式行星齿轮变速装置换档执行元件工作表档（1）R档（倒档）传动分析、转矩传动路线和传动比计算倒档时C0、C2、F0工作，同时制动器B3也工作。

图3-42a倒档时行星齿轮变速装置传动分析简图（C0、C2、F0、B3工作）2.辛普森式行星齿轮变速装置（A43D）传动分析、转矩传动路线和传动比计算（1）R档（倒档）传动分析、转矩传动路线和传动比计算倒档时C图3-42b倒档时行星齿轮变速装置传动结构简图图3-42b倒档时行星齿轮变速装置传动结构简图图3-42c倒档时行星齿轮变速装置传动仿真图图3-42c倒档时行星齿轮变速装置传动仿真图1）R档转矩传动分析从表3-3中可知，R档时C0、C2、F0、B3工作。如图3-42所示，C0与F0工作后，使超速行星排太阳轮与行星架相连，齿圈不连自连，超速行星排变为一个刚体，其传动比为1。又因C2离合器工作，把共用太阳轮与超速行星排的齿圈相连，所以二、三行星排的太阳轮便在超速行星排齿圈带动下顺时针旋转，而此时第二排行星架被B3制动，所以在共用太阳轮主动顺时针旋转时，其轮齿必给第二排行星轮一个作用力，二排行星轮必在行星架上逆时针自转（两齿轮外啮合），二排行星轮逆时针自转时，必给二排齿圈轮齿一个作用力，二排齿圈必逆时针旋转（两齿轮内啮合）而输出倒档。在第三排，共用太阳轮主动顺时针旋转，而行星架被动逆时针旋转（两齿轮外啮合），但因太阳轮转速高于行星架的转速，所以行星轮高转速逆时针旋转，使第三排齿圈也高转速空转，但对第二排输出不干涉。1）R档转矩传动分析从表3-3中可知，R档时C0、C2、F03）R档传动比计算从图3-43的传动过程可知，在R档时动力是直接由第二排传出，用第二行星排运动方程计算传动比即可。第二行星排运动方程为n1+a.n2－(1+a)n3=0上式中，n1、n2、n3分别为第二排太阳轮、齿圈和行星架转速。a=Z2齿圈齿数/Z1太阳轮齿数＞1。将n3=0代入上式中，得:n1+a.n2=0n1=-a·n2n1/n2=-a＞1即主动轴转数大于输出轴转速，是减速传动，式中的“－”号表示主被动旋转方向相反。①用运动方程计算R档传动比2）R档（倒档）转矩传动路线：

超速行星排行星架→超速行星排行星轮→超速行星排齿圈→中间轴→C2→共用太阳轮→前行星排行星轮→前行星排齿圈（后行星架）→输出轴。3）R档传动比计算从图3-43的传动过程可知，在R档时动力是②用矢量图计算倒档传动比和传动方向

第1排矢量图第2排矢量图第3排矢量图图3—43倒档时行星齿轮机构运动矢量图②用矢量图计算倒档传动比和传动方向第1排矢量图2）用矢量图法计算R档传动比和传动方向①R档时第一行星排运动矢量图如图3-43中第1排矢量图所示。1n3=1n2=1n1②R档时第二行星排运动矢量图如图3-43中第2排矢量图所示。因离合器C2工作，把共用太阳轮与第一行星排的齿圈连成一体，因此1n2=2n1。此时第二行星排行星架被制动器B3制动，2n3=0。过S2向右水平画出2n1（2n1=1n2）。连接2n1端点与C2点线段的延长线与过R2水平线相交所确定的矢量线2n2即为倒档输出的转速和方向。③根据相似三角形，2n1/-2n2=α2。2n1/2n2=-α2。即R档传动比i=2n1/2n2=-α2输入与输出减速反向。第二行星排的传动比即为此变速器的R档传动比。④此时第三行星排行星架与第二行星排齿圈相连，即2n2=3n3；第三行星排与第二行星排共用一个太阳轮，即3n1=2n1=1n2。过S3向右水平画出矢量3n1（3n1=2n1=1n2）。过C3点向左水平画出矢量3n3（3n3=2n2），连接矢量3n1与3n3端点，其延长线与过R3的水平线相交所确定的矢量3n2即为第三行星排齿圈的转速和转动方向。矢量3n2与矢量2n2、3n3没有干涉。2）用矢量图法计算R档传动比和传动方向①R档时第一行星排运动（2）D1档传动分析、转矩传动路线和传动比计算

图3-44aD位D1档齿轮变速装置转矩传动示意图（C0、C1、F0、F2工作）

（2）D1档传动分析、转矩传动路线和传动比计算图3-44a图3-44bD1档行星齿轮变速装置转矩传动结构简图

图3-44bD1档行星齿轮变速装置转矩传动结构简图图3-44cD1档行星齿轮变速装置转矩传动仿真图

图3-44cD1档行星齿轮变速装置转矩传动仿真图从表3-3可知，D1档时C0、C1、F0、F2工作。其具体传动情况如图3-44所示。当C0与F0工作后，可把超速行星排内的行星架与太阳轮连成一体，整个行星排成一刚体（原理如前所述），D1档时，使超速行星排内的齿圈以1∶1的传动比把涡轮的转矩传递给离合器C1的鼓与毂。从图3-44又知，当离合器C1工作后，又把超速行星排齿圈与第三排齿圈连成一体，于是第三排齿圈便随之顺转。当第三排齿圈顺转后，齿圈必给第三排行星轮一个作用力，行星轮顺时针旋转（两齿轮内啮合），因D1档开始时第三排行星架与输出轴相连，使行星架制动，所以第三排行星轮齿又给共用太阳轮轮齿一个作用力，使太阳轮逆时针旋转的力传递给第二排行星轮轮齿一个作用力，使第二排行星轮必顺时针旋转（两齿轮外啮合），第二排行星轮顺时针旋转必受第二排齿圈（输出轴）一个反作用力，故第二排行星轮在作用力与反作用力的作用下，要带着行星架逆时针旋转。由于行星架逆时针旋转被单向离合器F2锁止，使第二排行星架制动。这样，第二排行星轮便在第二排太阳轮的驱动下，在行星架上顺时针自转，行星轮便给第二排齿圈一个推力，因前齿圈与后行星架一体，于是前圈后架和输出轴一齐顺时针旋转而输出D1档。1）D1档转矩传动分析从表3-3可知，D1档时C0、C1、F0、F2工作。2）D1档起步转矩传动路线：

超速行星排行星架→超速行星排行星轮→超速行星排齿圈→中间轴→C1→第三行星排齿圈→第三行星排行星轮→共用太阳轮→第二行星排行星轮→前圈后架→输出轴3）用运动方程计算D1档传动比

根据D1档转矩传动分析，动力是从第三排行星排传至第二排行星排，经第二排行星排将转矩输出，因此其传动比应从第二、三行星排的运动方程的联立中求得，即：3n1+α3.3n2－(1+α3).3n3=0(1)2n1+α2.2n2－(1+α2).2n3=0(2)即传动比i=3n2/2n2=（1+2α3）/α3＞1由此可知，D1档输入与输出同向减速增矩。2）D1档起步转矩传动路线：3）用运动方程计算D1档传动比②用矢量图法计算D1档传动比和传动方向图3-46为D1档时3排行星齿轮机构运动矢量图。根据相似三角形，传动比i=3n2/2n2=（1+2α3）/α3＞1，由此可知，D1档输入与输出同向减速增矩。

第1排矢量图第2排矢量图第3排矢量图图3-46D1档时行星齿轮机构运动矢量图②用矢量图法计算D1档传动比和传动方向第1排矢量图（3）D1档汽车滑行时传动原理（知识拓展内容）图3-45aD1档汽车滑行转矩传动示意图（C0、C1、F0工作F2解锁）（3）D1档汽车滑行时传动原理（知识拓展内容）图3-45a图3-45bD1档滑行时行星齿轮变速装置转矩传动结构简图图3-45bD1档滑行时行星齿轮变速装置转矩传动结构简图图3-45cD1档滑行时行星齿轮变速装置转矩传动仿真图图3-45cD1档滑行时行星齿轮变速装置转矩传动仿真图当抬起加速踏板，汽车在D1档滑行时，由于单向离合器F2的解锁，使双行星排各组件均无制动，使输出轴与涡轮脱离连接，涡轮对汽车滑行无制动作用，即发动机对汽车滑行无制动作用。当抬起加速踏板，汽车在D1档滑行时，由于单向离（4）L1档传动分析、转矩传动路线和传动比计算图3-46aL1档汽车加速、滑行行星齿轮变速装置转矩传动原理示意图(C0、C1、F0、B3工作)（1）L1档汽车加速与滑行转矩传动分析（4）L1档传动分析、转矩传动路线和传动比计算图3-46a图3-46bL1档汽车加速、滑行行星齿轮变速装置转矩传动结构简图图3-46bL1档汽车加速、滑行行星齿轮变速装置转矩传动结

图3-46cL1档汽车加速、滑行行星齿轮机构转矩传动仿真图因L1档时无论是汽车加速还是滑行，前排行星架始终处于制动状态，因此，输出轴始终与发动机相连，至使L1档汽车滑行时，发动机对汽车滑行产生制动作用。L1档适用于适用于繁华街道、冰雪路面及下陡坡时使用。

图3-46cL1档汽车加速、滑行行星齿轮机构转矩传动仿真（2）L1档汽车加速、滑行转矩传动路线：超速行星排行星架→超速行星排行星轮→超速行星排齿圈→中间轴→C1→后行星排齿圈→后行星排行星轮→共用太阳轮→前行星排行星轮→前圈后架→输出轴可见L1档与D1档汽车加速转矩传动路线相同。其传动比必然相同。（2）L1档汽车加速、滑行转矩传动路线：超速行星排行4、D2档传动原理、转矩传动路线和传动比计算D2档时除C0、C1、F0，仍工作外，制动器B2也投入工作。

图3-47aD2档转矩传动原理示意图（C0、C1、F0、F1、B2工作）

4、D2档传动原理、转矩传动路线和传动比计算D2档时除C0、图3-47bD2档行星齿轮变速装置转矩传动结构简图图3-47bD2档行星齿轮变速装置转矩传动结构简图图3-47cD2档行星齿轮变速装置传动仿真图图3-47cD2档行星齿轮变速装置传动仿真图

从表3-3可知，D2档时除C0、C1、F0，仍工作外，制动器B2也投入工作。如图3-47所示，C0与F0工作后，便将超速行星排的太阳轮与行星架连成一体，使整个超速行星排连成一个刚体（原理如前所述）。这样，超速行星排的齿圈便将涡轮的转速以1∶1的速比传给离合器C1的鼓与毂。

因C1离合器工作，便将超速行星排的齿圈转矩传递给第三行星排齿圈，使第三行星排齿圈主动顺时针旋转，其齿圈轮齿必给第三行星排行星轮轮齿一个推力，使第三行星排行星轮顺时针旋转（两齿轮内合），第三行星排行星轮齿顺时针旋转时又必给太阳轮齿一个作用力，使太阳轮必逆时针旋转（两齿轮外啮合），但太阳轮逆时针旋转必使F1锁止，此时B2已工作，共用太阳轮便被制动。由于太阳轮被制动，即第三行星排齿圈主动顺时针旋转，行星轮顺时针旋转（两齿轮内啮合），因太阳轮制动，所以行星轮顺时针旋转时必受太阳轮齿一个反作用力，使第三行星排行星轮在作用力与反作力合力的作用下带着前圈后架顺时针旋转而输出D2档。（1）D2档转矩传动分析从表3-3可知，D2档时除C0、C1、F0，仍工作外（3）D2档传动比计算1）用行星排的运动方程计算D2档传动比

从D2档汽车加速时传动原理可知，此时第二行星排空转，转矩是从第三行星排输出的。可用第三行星排行星齿轮机构运动方程计算出D2档传动比。此时，第三行星排齿圈输入，太阳轮制动，行星架输出。超速行星排行星架→超速行星排行星轮→超速行星排齿圈→中间轴→C1→后行星排齿圈→后行星排行星轮→后行星架（前行星排齿圈）→输出轴。（2）D2档汽车加速转矩传动路线：（3）D2档传动比计算1）用行星排的运动方程计算D2档传动比第三排行星齿轮机构运动方程中：3n1+α3.3n2－(1+α3).3n3=0（1）上式中，3n1、3n2、3n3分别为第三行星排太阳轮转速、齿圈转速和行星架转速。α3为第三排的齿圈齿数与太阳轮齿数之比。即α3=Z齿圈/Z太阳轮＞1（α一般为2点几），α3=α3（第二、三排行星齿轮共用一个太阳轮）。D2档时，B2工作，太阳轮制动，3n1=0。将3n1=0代入式（1）得:α3.3n2－(1+α3).3n3=0α3.3n2

=(1+α3).3n3

3n2/3n3=(1+α3)/α3＞1即传动比i=3n2/3n3=(1+α3)/α3＞1即D2档时输入与输出同向减速增矩。第三排行星齿轮机构运动方程中：3n1+α3.3n2－(1+2）用矢量图法计算D2档传动比和传动方向第1排矢量图第2排矢量图第3排矢量图图3-48D2档时行星齿轮机构运动矢量图根据相似三角形原理在第3排矢量图中

3n2/3n3=（1+α3）/α3＞1从第3排矢量图中可以看出在D2档时传动比i=

3n2/3n3＞1为同向减速传动。2）用矢量图法计算D2档传动比和传动方向第1排矢量图（4）D2档汽车滑行时转矩传动分析（知识拓展内容）图3-49aD2档滑行时转矩传动示意图（C0、C1工作）（4）D2档汽车滑行时转矩传动分析（知识拓展内容）图3-49图3-49bD2档滑行时行星齿轮变速装置传动结构简图图3-49bD2档滑行时行星齿轮变速装置传动结构简图图3-49cD2档滑行时行星齿轮机构传动仿真图单向离合器F1可确保汽车在D2档时，汽车可自由滑行，发动机对滑行无制动作用。除此之外，F1还可确保D2与D3档切换时无冲击，详见D3档传动原理。图3-49cD2档滑行时行星齿轮机构传动仿真图单向离合5、D3档转矩传动分析、转矩传动路线和传动比计算D3档时，除单向离合器F0及离合器C0、C1工作外，离合器C2也投入工作。

图3-50aD3档转矩传动示意图（F0、C0、C1、C2工作）5、D3档转矩传动分析、转矩传动路线和传动比计算（1）D3档转矩传动分析

D3档汽车加速传动情况如图3-50所示。根据表3-3可知，D3档时，除单向离合器F0及离合器C0、C1工作外，离合器C2也投入工作。从图3-43可知，D3档时，C0与F0工作时，把超速行星排的太阳轮与行星架连成一体，整个超速行星排成一个刚体（原理如前所述），一同随涡轮顺时针旋转。

又因离合器C1工作，第三行星排齿圈也随涡轮同转速顺时针转。离合器C2又把第三行星排太阳轮与超速行星排齿圈连成一体，使第三行星排行星轮及架不连自连，整个第三行星排成一刚体一同顺时针旋转。因第二行星排齿圈与第三行星排行星架连成一体，第二、三行星排共用一个太阳轮，所以第二行星排齿圈与太阳轮连成一体，则行星架及行星轮便不连自连。使第二、三行星排成一刚体，组件间无任何相对运动，随超速行星排齿圈一同顺时针旋转，成直接档。（1）D3档转矩传动分析图3-50bD3档行星齿轮变速装置传动结构简图图3-50bD3档行星齿轮变速装置传动结构简图图3-50cD3档行星齿轮变速装置传动仿真图图3-50cD3档行星齿轮变速装置传动仿真图（2）D3档转矩传动路线：

超速行星排行星架→超速行星排行星轮→超速行星排齿圈→中间轴→C1→第三行星排齿圈→第三排行星架→输出轴。（2）D3档转矩传动路线：（3）D3档传动比计算1）用运动方程计算D3档传动比从D3档汽车加速时传动原理可知D3档时，第一、二、三行星排均为刚体由第一排行星架输入，第二排齿圈与第三排行星架输出。此时，在三个行星排行星齿轮机构运动方程中：

1n1+α11n2－(1+α1).1n3=0(1)

2n1+α22n2－(1+α2).2n3=0(2)

3n1+α33n2－(1+α3).3n3=0(3)因为1n1=1n2=1n3=2n1=2n2=2n3=3n1=3n2=3n3所以D3档传动比i=1n3/3n3=1即输入轴与输出轴传动比为1（D3档是直接挡）。（3）D3档传动比计算1）用运动方程计算D3档传动比2）用矢量图计算D3档传动比和传动方向第1排矢量图

第2排矢量图

第3排矢量图

图3-51D3档时行星齿轮机构运动矢量图在第3排矢量图中

3n2/3n3=1即D3档时传动比3n2/3n3=1

为同向同速传动。2）用矢量图计算D3档传动比和传动方向第1排矢量图第2排（4）D3档汽车滑行时传动原理（知识拓展内容）在抬起加速踏板、汽车滑行时，由于C0及C1、C2仍工作，所以仍然把超速行星排和双行星排前齿圈连成一个刚体，因此，当汽车以惯性在抬加速踏板瞬间滑行时，双行星排后排行星架以原转速顺时针转，因后行星架带动已成刚体3个行星排一同顺时针旋转，使发动机对滑行产生制动作用。（4）D3档汽车滑行时传动原理（知识拓展内容）5、D4档（超速挡）传动原理、转矩传动路线和传动比计算D4档时，C1、C2、F0仍工作外，离合器C0换成B0将超速行星排内的太阳轮制动，制动器B2工作，但F1解锁，B2不起作用。

图3-52aD4档转矩传动分析示意图（C1、C2、F0、B0工作）5、D4档（超速挡）传动原理、转矩传动路线和传动比计算从表3-3可知D4档时，C1、C2、F0仍工作外，离合器C0换成B0将超速行星排内的太阳轮制动，制动器B2工作，但F1解锁，B2不起作用。

D4档汽车加速时的传动如图3-52所示。汽车由D3档升入D4档车速时，离合器C0切换成制动器B0工作，但此时离合器C1与离合器C2仍然工作。仍如D3档把第二、三行星排连成一体并与超速行星排内的齿圈连成一体，成直接传动，按传动比1：1顺时旋转。

在超速行星排内，此时B0已将太阳轮制动，这样，当行星架在涡轮拖动下主动顺转时，其行星轮齿必受制动的太阳轮齿一个的作用力，于是行星轮即随行星架以涡轮速度绕太阳轮公转外，还顺时针自转，行星轮公转加顺时针自转，其轮齿必给齿圈轮齿一个作用力，超速行星排齿圈便顺时针超速旋转输出。（1）D4档（超速档）转矩传动分析从表3-3可知D4档时，C1、C2、F0仍工作外，离图3-52bD4档行星齿轮变速装置传动结构简图图3-52bD4档行星齿轮变速装置传动结构简图图3-52cD4档行星齿轮变速装置传动仿真图图3-52cD4档行星齿轮变速装置传动仿真图（2）D4档（超速档）传动路线：超速行星排行星架→超速行星排行星轮→超速行星排齿圈→中间轴→C1→第三行星排齿圈→第二行星架→输出轴。（2）D4档（超速档）传动路线：超速行星排行星架→超速（3）D4档传动比计算超速行星排中齿轮机构运动方程为：

n1+a.n2－(1+a).n