第3章-行星齿轮变速器结构与工作原理

沈阳理工大学应用技术学院第三章行星齿轮变速器结构与工作原理宁夏工商职业技术学院学习目标：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理宁夏工商职业技术学院3.1齿轮传动的一般规律齿轮传动的特点：优点：传动平稳、可靠、效率高、寿命长、结构紧凑、传动速度和功率范围广缺点：制造、加工成本高宁夏工商职业技术学院3.1.1齿轮传动的组成组成：主动齿轮与从动齿轮齿轮传动要求准确平稳，即要求在传动过程中，瞬时传动比保持不变，以免产生冲击振动和噪声。宁夏工商职业技术学院a)齿轮机构实物b)齿轮机构简化图图3-1齿轮传动机构宁夏工商职业技术学院图3-2渐开线特性图3-3渐开线齿轮传动特性宁夏工商职业技术学院渐开线的性质：1）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2）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的法线。3）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。4）渐开线的形状只取决于基圆大小。5）基圆内无渐开线。宁夏工商职业技术学院渐开线齿轮的力学分析：宁夏工商职业技术学院宁夏工商职业技术学院3.1.2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。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。宁夏工商职业技术学院3.1.3齿轮的传动规律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。迄今为止可分性是渐开线齿轮所独有的特性，这对渐开线齿轮的加工、安装和使用维护都是十分有利的。宁夏工商职业技术学院3.2行星齿轮机构的结构与传动原理3.2.1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-行星架输出轴宁夏工商职业技术学院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，分为单排行星齿轮机构和多排行星齿轮机构。宁夏工商职业技术学院3.2.2单排行星齿轮机构的运动规律无任何元件固定，无固定传动比固定某一元件，有固定传动比固定两元件，三元件一同旋转宁夏工商职业技术学院3.2.3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宁夏工商职业技术学院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Z1和内齿圈齿数Z2，与行星齿轮的齿数无关。即内齿圈与太阳轮的齿数比为：α=Z2/Z1因Z2Z1所以α1,则行星齿轮机构的一般运动规律可表达为：宁夏工商职业技术学院1）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1+α。即可获得减速传动，且α2.2)将太阳轮固定，以行星架为主动件，内齿圈为从动件，i=α/(1+α).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，i=-α，即可获得减速反向传动。4）将内齿圈固定，以行星架为主动件，太阳轮为从动件，可获得增速传动，i0.5。宁夏工商职业技术学院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/α)，是2）的逆传动，即可获得减速传动，0.5i1。6）将行星架固定，以内齿圈为主动件，太阳轮为从动件，i=﹣1/α。是3）的逆传动，可获增速反向传动。宁夏工商职业技术学院序号传动特性方案固定主动从动应用1大减速比(a)齿圈太阳轮行星架各种减速机，汽车变速器等。2大增速比(d)齿圈行星架太阳轮应用相对较小。3小减速比(e)太阳轮齿圈行星架汽车自动变速器减速挡。4小增速比(b)太阳轮行星架齿圈汽车自动变速器超速挡。5减速反向(c)行星架太阳轮齿圈汽车自动变速器倒挡。6增速反向(f)行星架齿圈太阳轮应用相对较小。表3-1行星齿轮机构传动方案选配表宁夏工商职业技术学院3.2.4多排行星齿轮机构图3-7多排行星齿轮机构1-前齿圈；2-前行星轮；3-前行星架和后齿圈组件；4-前后太阳轮组件；5-后行星轮；6-后行星架宁夏工商职业技术学院序号输入端输入元件输出端输出元件固定元件传动比i1件1前齿圈件3前行星架及后齿圈件41(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6-16件4共用太阳轮件6无传动7件1及件4前齿圈/太阳轮件3前行星架及后齿圈18件1及件4前齿圈/太阳轮件6后行星架1表3-2双排行星齿轮机构传动方案特性表宁夏工商职业技术学院3.2.5行星齿轮传动的优缺点：优点：⑴体积小、质量小、结构紧凑、承载能力大。⑵传动效率高⑶传动比较大，可实现运动的合成与分解⑷运动平稳缺点：材料价格高、结构复杂、制造安装困难宁夏工商职业技术学院3.3行星齿轮变速器的换挡执行机构的工作原理3.3.1离合器1、离合器的作用⑴变速器动力的输入或输出，其功能等于普通机械变速器的离合器。⑵连接行星齿轮机构中的两个部件，使行星齿轮机构等速传动。宁夏工商职业技术学院2、离合器的组成图3-8自动变速器离合器宁夏工商职业技术学院3、离合器的工作过程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。芯体或壳体可以与输入轴、输出轴、太阳轮、内齿圈、行星架、单向离合器中任意一个部件直接或间接相连。通过壳体或芯体可将输入（力矩及转速）导入或将输出（变换后的力矩及转速）导出，也可将行星齿轮机构中的任两个元件连接一起，实现直接传动。宁夏工商职业技术学院卸去油压时，活塞在回位弹簧作用下返回原位，钢片和摩擦片自由分离。但这种分离不彻底。活塞在弹射作用下处于左极限位置，钢片和摩擦片之间有一定的间隙，此时动力传递路线被切断宁夏工商职业技术学院压力油经油道进入活塞左腔室后，液压作用力克服弹射张力使活塞右移，将所有的钢片和摩擦片依次压紧，离合器接合，传递动力。宁夏工商职业技术学院3.3.2制动器自动变速器中制动器，也称换档制动器，与汽车普通制动器作用不同，它不是用来阻止动力输出，而是根据行星齿轮机构的特性，限制三个基本元件之一不能转动，并与离合器相互配合作用，实现不同的传动比。宁夏工商职业技术学院3.3.2制动器1、制动器的分类及组成⑴湿式多片制动器宁夏工商职业技术学院湿式多片离合器钢片固定在输出轴，不同之处是制动器钢片固定在自动变速器壳体上，仅能轴向移动而不能转动。制动器是从上方进油，进油孔在变速器壳体上；离合器是从中间旋转进油，进油孔在轴上。与湿式多片离合器的不同点：宁夏工商职业技术学院图3-9片式制动器结构及工作原理宁夏工商职业技术学院⑵带式制动器图3-10带式制动器结构由制动带和伺服装置组成。宁夏工商职业技术学院制动带刚性制动带挠性制动带按变形能力分：按结构分：制动带单边式制动带双边式挠性制动带宁夏工商职业技术学院制动器伺服装置间接作用式直接作用式制动带开口的一端支承于推杆端部，活塞杆通过杠杆控制推杆的动作。由于采用杠杆结构将活塞作用力放大，制动力矩进一步增加。制动带开口处的一端通过摇臂支承于固定在变速器壳体的支承销上，另一端支承于油缸活塞杆端部。宁夏工商职业技术学院2、离合器和片式制动器的区别⑴所连接元件：离合器连接轴；离合器可连接行星排中所有元件⑵所连接元件数量：离合器最多可连接两个行星排元件；一组制动器只能固定一个⑶离合器是旋转的；制动器是固定的宁夏工商职业技术学院3.3.3单向离合器内座圈与外座圈只能相对一个方向旋转，而反方向则锁止不能旋转。图3-11滚柱式单向离合器1-外座圈；2-滚子；3-弹簧；4-内座圈宁夏工商职业技术学院单向离合器的内外圈其中一个静止，另一个反向旋转时，其锁止功能相当于制动器。单向离合器有两种类型：滚柱式和楔块式滚柱式楔块式宁夏工商职业技术学院图3-12楔块式单向离合器1-外座圈；2-卡块；3-弹簧；4-内座圈楔块式单向离合器的锁止方向取决于楔块的安装方向宁夏工商职业技术学院离合器、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。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现换档，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，不易发生故障。宁夏工商职业技术学院3.4典型行星齿轮传动原理及工作分析3.4.1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）太阳轮宁夏工商职业技术学院工作过程：1）小太阳轮输入，行星架固定Ⅰ、短行星轮反转→长行星轮正转→内齿圈正向减速Ⅱ、短行星轮反转→长行星轮正转→大太阳轮反向减速小阳轮正转宁夏工商职业技术学院2）行星架输入，小太阳轮固定行星架绕太阳轮正转→短行星轮正转→长行星轮反转→齿圈正转宁夏工商职业技术学院3）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，输入与输出同步宁夏工商职业技术学院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、大行星轮均可作为输入；齿圈作为输出小太阳轮的轴和行星架轴向右反向从空心的大太阳轮轴穿出，输入有三种方式，齿圈固定为输出。宁夏工商职业技术学院1、拉威娜式行星齿轮机构的施力装置宁夏工商职业技术学院1）前进档离合器C1：驱动小太阳轮2）直接档及倒档离合器C2：驱动大太阳轮3）强制低档离合器C3：驱动小太阳轮4）超速档离合器C4：驱动行星架5）2档及4档制动器B1：固定大太阳轮6）低速档及倒档制动器B2：固定行星架7）低档单向离合器F1：单方向固定行星架8）前进挡单向离合器F2：连接输入轴与小太阳轮宁夏工商职业技术学院2、拉威娜式自动变速器齿轮机构动力传递路线1）行星架制动，小太阳轮输入传动路线：小太阳轮→短行星齿轮→长行星齿轮（仅有自转）→内齿圈→输出轴，此变速结果为同向减速传动。宁夏工商职业技术学院2）大太阳轮制动，小太阳轮输入传动路线：小太阳轮→短行星齿轮→长行星齿轮（随行星架公转）→内齿圈→输出轴，此变速结果为同向减速传动。宁夏工商职业技术学院3）大太阳轮制动，行星架输入传动路线：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。宁夏工商职业技术学院4）行星架制动，大太阳轮输入传动路线：大太阳轮→长行星齿轮（仅有自转）→内齿圈→输出轴，此变速结果为反向减速传动。宁夏工商职业技术学院1）D位一档传动路线图3-16D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→短行星齿轮→长行星齿轮→内齿圈→输出轴长行星齿轮在带动内齿圈顺时针转动的同时，对行星架产生逆时针力矩，F1在逆时针方向合行星架固定。此时，发动机的动力经输入轴，小太阳轮、短行星齿轮、长行星齿轮传给内齿圈和输出轴。宁夏工商职业技术学院2）D位2档传动路线图3-17D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→短行星齿轮→长行星齿轮→内齿圈→输出轴大太阳轮被制动器B1固定，长行星轮在顺时针转动，同时还将朝顺时针方向公转，带动内具圈和输出轴以时针转动。发动机动力由小太阳轮经短行星齿轮、长行星齿轮传递至内齿圈和输出轴，将动力输出。宁夏工商职业技术学院3）D位3档传动路线图3-18D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，F2锁止，使输入轴同时和小、大太阳轮相连接。大、小太阳轮同时随输入轴转动，短行星轮和长行星轮不能作自转，只能同小、大太阳轮一起公转