自动变速箱齿轮机构

第七章自动变速箱齿轮机构齿轮变速箱可分为行星齿轮变速箱与平行轴式齿轮变速箱，由于行星齿轮变速箱较之平行轴式齿轮变速箱，具有结构紧凑、传动效率高、齿间负荷小、结构刚性好、输入输出轴同轴线以及便于实现动力与自动换档等优点；在材料和机械性能相同的条件下有可能获得比非行星传动要小得多的外形尺寸和重量，所以在自动变速箱中得到了广泛应用。一、行星齿轮机构结构与工作原理图7-1行星齿轮机构行星齿轮机构有很多类型，其中最简单的行星齿轮机构是由1个图7-1行星齿轮机构太阳轮(SunGear)、1个环齿轮(RingGear)、1个行星架(PlanetCarrier)和支撑在行星架上的几个行星小齿轮(PlanetPinionGear)组成的，称为1个行星排(Gearset)（如图7－1所示）。太阳轮、环齿轮及行星架有一个共同的固定轴线，行星小齿轮支撑在固定于行星架的行星小齿轮轴上，并同时与太阳轮和环齿轮啮合，当行星齿轮机构运转时，空套在行星架上的行星小齿轮轴上的几个行星小齿轮一方面可以绕着自己的轴线旋转，另一方面又可以随着行星架一起绕着太阳轮回转，就像天上的行星的运动一样，兼有自转和公转两种运动状态（行星小齿轮的名称即由此而来），在行星排中，具有固定轴线的太阳轮、环齿轮、行星小齿轮和行星架称为行星排的4个基本组件。图7-2行星齿轮机构啮合方式行星齿轮机构可以按不同的方式进行分类：(1)按照齿轮的啮合方式分类：行星齿轮机构可以分为内啮合式和外啮合式两种（如图7－2所示）；外啮合式行星齿轮机构体积大，传动效率低，故在汽车上己被淘汰；内啮合式行星齿轮机构结构紧凑，传动效率高，因而在自动变速箱中基本上都采用这种结构。(2)按照齿轮的排数分类：行星齿轮机构可以分为单排和多排两种；多排行星齿轮机构是由几个单排行星齿轮机构组成的，在汽车自动变速箱中通常采用由2个或3个单排行星齿轮机构组成的多排行星齿轮机构。(3)按照太阳轮和环齿轮之间的行星小齿轮组数分类：行星齿轮机构可以分为单行星齿图7-3双行星齿轮机构轮式和双行星齿轮式两种；双行星齿轮机构在太阳轮和环齿轮之间有两组互相啮合的行星小齿轮（如图7－3所示），其中外面一组行星小齿轮和环齿轮啮合，里面一组行星小齿轮和太阳轮啮合，它与单行星小齿轮机构在其它条件相同的情况下相比，环齿轮可以得到反向传动。用行星齿轮机构作为变速机构，由于有多个行星小齿轮同时传递动力，而且常采用内啮合式，充分利用了环齿轮内部的空间；故与普通齿轮变速机构相比，在传递相同动力的条件下，可以大大减小变速机构的尺寸和重量，并可实现同向、同轴减速传动；另外，由于采用常啮合传动，动力不会间断、加速性好、工作也更可靠。行星齿轮变速箱通常由2－3个行星齿轮机构组成，但其工作原理和基本结构，可由最简单的单排行星齿轮机构来说明；单排行星齿轮机构由4个基本组件组成，即太阳轮、环齿轮、行星小齿轮和行星架，太阳轮位于中心（故亦称中心轮），环齿轮位于最外侧，行星小齿轮在太阳轮与环齿轮之间，分别与它们啮合；实际之行星齿轮机构通常有3～6个行星小齿轮，行星小齿轮之轴，安装在行星架上。当工作时，行星小齿轮既绕行星轴自转，又绕太阳轮公转；当行星小齿轮绕太阳轮公转时，其行星轮轴和行星架也随之转动，太阳轮、环齿轮和行星架三者绕同一轴线旋转。Ns+α×Nr＝(α+1)×Nc式（7－1）式中：Ns：太阳轮转速Nr：环齿轮转速Nc：行星架转速α：环齿轮齿数与太阳轮的齿数比公式（7－1）为单排行星齿轮机构一般运动规律的特性方程式，由此式中可以看出，太阳轮、环齿轮和行星架这三个组件中，可任选两个分别作为主动件和从动件，而使另一组件固定不动，或使其运动受一定的约束（即该组件的转速为某一定值），则整个轮系即以一定的传动比传递动力。由于单排行星齿轮机构有两个自由度，因此它没有固定的传动比，不能直接用于变速传动；为了组成具有一定传动比的传动机构，必须将太阳轮、环齿轮和行星架这3个基本组件中的1个加以固定（即使其转速为0，也称为制动），或使其运动受到一定约束（即让该构件以某一固定的转速旋转），或将某两个基本组件互相连接在一起（即两者转速相同），使行星排变为只有1个自由度的机构，获得固定的传动比。行星排在运转时，由于行星小齿轮存在着自转和公转两种运动状态，因此其传动比的计算方法和普通的定轴式齿轮传动机构不同；为了计算各种行星齿轮机构的传动比，下面先分析最简单的单排行星齿轮机构传动比的计算方法，其它各种型式的行星齿轮机构的传动比可以用同样的方法导出，由于在单排行星齿轮机构中，行星小齿轮只有中间轮（惰轮）的作用，因此单排行星齿轮机构的传动比取决于太阳轮齿数Zs和环齿轮齿数Zr，与行星小齿轮的齿数无关。根据单排行星齿轮机构的运动特性方程式：Ns+αNr=(1+α)Nc；可以看出，在太阳轮、环齿轮和行星架这3个基本组件中，可以任选其中两个基本组件分别作为主动件和从动件，只要第三个基本组件有固定的转速（0或某一数值），即可计算出该机构的传动比，下面分别讨论各种可能的情况：（一）、减速传动(1)将环齿轮固定，以太阳轮为主动件，行星架为从动件当环齿轮固定时，Nr=0，将此值代入运动特性方程式(7－1)Ns+αNr=(1+α)Nc即可获得Ns=(1+α)Nc因此传动比i=Ns/Nc=1+α=1+Zr/Zs(传动比i=输入轴转速/输出轴转速)由于环齿轮的齿数Zr大于太阳轮的齿数Zs，因而这一传动比的数值要大于2，所以此时之传动为减速增扭传动。(2)将太阳轮固定，以环齿轮为主动件，行星架为从动件当太阳轮固定时，Ns=0，将此值代入运动特性方程式（7－1）Ns+αNr=(1+α)Nc即可获得αNr=(1+α)Nc因此传动比i=Nr/Nc=(1+α)/α=(Zs+Zr)/Zr=1+Zs/Zr由于太阳轮的齿数Zs小于环齿轮的齿数Zr，因而这一传动比i小于2、大于1，即1＜i＜2，所以此时之传动为减速增扭传动。(3)将行星架固定，以太阳轮为主动件，环齿轮为从动件若将行星架固定，则行星小齿轮的轴线亦被固定，行星小齿轮只能自转，不能公转，亦即Nc=0，行星排成为一个定轴式齿轮传动机构，将Nc=0代入运动特性方程式（7－1）Ns+αNr=(1+α)Nc即可获得Ns+αNr=0因此传动比i=Ns/Nr=－α=－Zr/Zs由于环齿轮的齿数Zr大于太阳轮的齿数Zs，因而这一传动比的数值要小于-1。此时，因为式中的负号，表示环齿轮与太阳轮的转向相反，相当于倒档。但因式中－Zr/Zs之绝对值大于1，故仍为一种减速增扭传动，所以此时之传动为减速增扭倒档传动。(二)、加速传动(1)将太阳轮固定，以行星架为主动件，环齿轮为从动件当太阳轮固定时，Ns=0，将此值代入运动特性方程式（7－1）Ns+αNr=(1+α)Nc即可获得αNr=(1+α)Nc因此传动比i=Nc/Nr=α/(1+α)=Zr/(Zs+Zr)由于太阳轮的齿数Zs小于环齿轮的齿数Zr，所以这一传动比i小于1，因此输出轴转速比输入轴转速还高是加速减扭传动。(2)将环齿轮固定，以行星架为主动件，太阳轮为从动件当环齿轮固定时，Nr=0，将此值代入运动特性方程式（7－1）Ns+αNr=(1+α)Nc即可获得Ns=(1+α)Nc因此传动比i=Nc/Ns=1/(1+α)=Zs/(Zs+Zr)由于太阳轮的齿数Zs小于环齿轮的齿数Zr，所以这一传动比i远小于1，因此输出轴转速比输入轴转速还高是加速减扭传动，相当于超速档。(3)将行星架固定，以环齿轮为主动件，太阳轮为从动件]若将行星架固定，则行星小齿轮的轴线亦被固定，行星小齿轮只能自转，不能公转，亦即Nc=0，行星排成为一个定轴式齿轮传动机构，将Nc=0代入运动特性方程式（7－1）Ns+αNr=(1+α)Nc即可获得Ns+αNr=0因此传动比i=Nr/Ns=－1/α=－Zs/Zr由于环齿轮的齿数Zr大于太阳轮的齿数Zs，因而这一传动比的数值要大于－1。此时，因为式中的负号，表示环齿轮与太阳轮的转向相反，相当于倒档，但因式中－Zr/Zs之绝对值小于1，故仍为一种加速减扭传动，所以此时之传动为加速减扭倒档传动。(三)、自由转动若行星架、环齿轮、太阳轮3个基本组件都没有被固定，亦即无任一组件被动又无任二组件连成一体，各个基本组件都可以自由转动，则此时该机构具有两个自由度，因此不论以那两个基本组件为主动件、从动件，行星齿轮机构都不能传递动力，即此时该机构失去传动作用而处于空档状态。(四)、直接传动若将行星架、环齿轮、太阳轮3个基本组件中，任意两个基本组件互相连接起来，也就是说使Ns=Nr代入运动特性方程式Ns+αNr=(1+α)Nc即可获得Ns=Nr=Nc，则可知，第三个基本组件转速必与前两个基本组件的转速相同，即3个基本组件将以同样的转速一同旋转，亦即行星齿轮机构中所有组件都没有相对运动，此时不论以那两个基本组件为主动件、从动件，其传动比i都等于1，形成直接传动，这种情况相当于直接档。将上述各种传动比可能的情况整理如表7-1：表7-1单排行星齿轮机构传动比各种可能的情况固定组件主动组件被动组件传动比i传动方式1环齿轮太阳轮行星架Ns/Nc=1+α=1+Zr/Zs减速增扭传动2太阳轮环齿轮行星架Nr/Nc=(1+α)/α=(Zs+Zr)/Zr=1+Zs/Zr减速增扭传动3行星架太阳轮环齿轮Ns/Nr=-α=-Zr/Zs减速增扭倒档传动4太阳轮行星架环齿轮Nc/Nr=α/(1+α)=Zr/(Zs+Zr)加速减扭传动5环齿轮行星架太阳轮I=Nc/Ns=1/(1+α)=Zs/(Zs+Zr)加速减扭传动6行星架环齿轮太阳轮Nr/Ns=-1/α=-Zs/Zr加速减扭倒档传动7基本组件都没有被固定，亦即无任一组件被动又无任二组件连成一体各个基本组件都可以自由转动自由转动，处于空档状态8任意两个基本组件互相连接1直接传动仅靠单排行星齿轮机构无法满足汽车在不同运行工作情况下对传动比的要求，因此汽车自动变速箱的行星齿轮机构通常都是由2－3个单排行星齿轮机构组成的，这种行星齿轮机构同样也具有两个以上的自由度，为了使它具有固定的传动比，同样也要对它的某些基本组件的运动进行约束（即固定或互相连接），使它变为只有1个自由度的机构，当被约束的基本组件或约束的方式不同时，该机构的传动比也会随之不同，从而组成不同的档位，通常可以有3－4个不同传动比的前进档和1个倒档，当所有的基本的组件都没有被固定时，即可得到空档；上述单排行星齿轮机构的变速原理和传动比的计算方法同样适用于这种多排行星齿轮机构，只要该机构经约束后的自由度为1，其传动比都可以在藉由解各个单排行星齿轮机构的运动特性方程式组成的联立方程组而得到。二、行星齿轮式自动变速箱在自动变速箱上使用的行星齿轮机构，应用较多的有辛普森（Simpsongearset）齿轮机构和拉维奈尔赫（Ravigneauxgearset）齿轮机构，此外，还有各公司自主开发的独特组合齿轮机构。这些行星齿轮机构大致上可以分为六类：（一）、基础行星齿轮机构基础行星齿轮机构是轿车用自动变速中最简单的一种，此种行星齿轮机构源于美国克赖斯勒公司的PowerFlite液压自动变速箱。（二）、辛普森(Simpson)齿轮机构辛普森齿轮机构，是美国褔特汽车公司的一位工程师HowardSimpson，在他毕生从事汽车设计研究工作期间，由于设计发明了一种性能优越的特殊行星变速机构而闻名于世，该行星变速机构的主要构件有太阳轮、行星轮和环齿轮。将两行星排巧妙连接，则档位数变得更多（可以三进一退），而且具有结构简单紧密、传动效率高、工艺性好、制造费用低、换档平稳、操纵性能好等一系列优点；它适用于各种自动变速箱和动力换档变速箱，当时汽车界即将其定名为“辛普森齿轮机构＂。辛普森齿轮机构的问世，立即被美国褔特、通用、克赖斯勒等三家最大的汽车公司所采用，从70年代初期开始，即一直大量生产。（三）、改良型辛普森行星齿轮机构此类主要是将辛普森行星齿轮机构中之带式制动器用片式制动器代替，并增加一个单向超速离合器(自由轮机构)F1，使得从二档换到三档时，换档平稳性得以改善。（四）、拉维奈尔赫（