第3章_行星齿轮变速器结构与工作原理

第三章行星齿轮变速器结构与工作原理学习目标：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。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。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。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。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,行星齿轮机构的一般运动规律可表达为：n1—太阳轮转速；n2—齿圈转速；n3—行星架转速；α—齿圈与太阳轮的齿数比。①太阳轮为主动件，行星架为从动件，齿圈固定。如图所示，特性方程中n2＝0，因此有：n1－(1+α)n3＝0，传动比：ί=n1/n3=1+α传动比ί大于１且为正值，因此同向降速。④太阳轮为主动件，齿圈为从动件，行星架固定如图所示，特性方程中n３＝0，因此有：n１+αn２＝0传动比：ί=n１/n２＝－α因传动比为负值，所以反向传力。②齿圈为主动件，行星架为从动件，太阳轮固定如图所示，特性方程中n１＝0，因此有：αn２－(1+α)n３＝0传动比：ί=n２/n３=(1+α)／α传动比大于1且为正值，因此同向降速。③行星架为主动件，齿圈为从动件，太阳轮固定如图所示，特性方程中n１＝0，因此有：αn２－(1+α)n３＝0传动比：ί=n３/n２＝α／1+α＜1传动比小于1且为正值，因此同向增速。⑤任意两元件互相连接•任意两元件互相连接，也就是说n１=n２或n２=n３，则由运动特性方程可知，第三个基本元件的转速必与前两个基本元件的转速相同，即行星排按直接挡传动，传动比ί=1。•视频1•视频2•视频31）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。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。结论1外啮合齿轮传动方向相反，内啮合相同2太阳轮固定：齿圈顺时针，则行星架顺时针3齿圈固定：太阳轮顺时针，则行星架顺时针4行星架固定:太阳轮顺时针，齿圈逆时针5任何两个元件固定连接，三个元件同速同方向，称为直接挡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。行星齿轮变速器中所有的齿轮都是处于常啮合状态，其挡位变换必须通过以不同的方式对行星齿轮机构的基本元件进行约束（即固定或连接某些基本元件）来实现。能对这些基本元件实施约束的机构，就是行星齿轮变速器的换挡执行机构。行星齿轮变速器的换挡执行机构由离合器、制动器单向离合器三种执行元件组成，起连接、固定和锁止作用。3.3行星齿轮变速器的换挡执行机构的工作原理连接是指将行星齿轮变速器的输入轴与行星排中的某个基本元件连接，以传递动力，或将前一个行星排的某一个基本元件与后一个行星排的某一个基本元件连接，以约束这两个基本元件的运动；固定是指将行星排的某一基本元件与自动变速器的壳体连接，使之被固定住而不能旋转；锁止是指把某个行星排的三个基本元件中的两个连接在一起，从而将该行星排锁止。换挡执行元件按一定的规律对行星齿轮机构的某些基本元件进行连接、固定或锁止，让行星齿轮机构获得不同的传动比，从而实现挡位的变换。作用：连接轴和行星排的某个基本元件，或将行星排的某两个基本元件连接成一体，使之成为一个整体转动。1．离合器结构和工作原理自动变速器中所用的离合器为湿式多片离合器。它通常由离合器鼓、离合器活塞、回位弹簧、弹簧座、一组钢片、一组摩擦片、调整垫片、离合器毂及几个密封圈组成。2、离合器的组成图3-8自动变速器离合器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。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。•钢片和摩擦片交错排列，两者统称为离合器片。•钢片的外花键齿安装在离合器鼓的内花键齿圈上，可沿齿圈键槽作轴向移动；••摩擦片由其内花键齿与离合器毂的外花键齿连接，也可沿键槽作轴向移动。摩擦片的两面均为摩擦片系数较大的铜基粉末冶金层或合成纤维层。•离合器鼓或离合器毂分别以一定的方式和变速器输入轴或行星排的某个基本元件相连接，一般离合器鼓为主动件，离合器毂为从动件。当来自控制阀的液压油进入离合器液压缸时，油压推动活塞克服弹簧的作用力将钢片和摩擦片相互压紧在一起，利用两者间的摩擦力使离合器鼓和离合器连接为一个整体，使输入轴和行星排的某基本元件连接在一起，此时离合器处于接合状态。当液压控制系统将作用在离合器液压缸内的液压油的压力解除后，活塞被回位弹簧压回液压缸的底部，并将液压缸内的压力油从进油孔排出。此时，钢片与摩擦片相互分开，两者间无压紧力，离合器处于分离状态。离合器活塞和离合器片或离合器片和卡环之间有一定的轴向间隙，以保证钢片和摩擦片之间无任何轴向压力，这一间隙称为离合器自由间隙。其大小可以用挡圈的厚度来调整。一般离合器自由间隙为0.5～2.0mm。离合器处于分离状态时，其液压缸内仍残留有少量液压油。由于离合器鼓是随变速器输入轴或行星排某一基本元件一同旋转的，残留的液压油在离心力的作用下会被甩向液压缸外缘，并在该处产生一定的油压。若离合器鼓的转速较高，这一压力有可能会推动离合大活塞压向离合器片，离合器处于半接合状态，导致钢片和摩擦片因互相接触摩擦而产生不应有的磨损，影响离合器的使用寿命。离合器所能传递的动力的大小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，但增大油压会引起离合器接合时产生冲击。故当压紧力一定时，离合器所能传递的动力大小就取决于摩擦片的面积和片数。一般离合器中摩擦片片数为2～6片，钢片片数等于或多于摩擦片的片数。制动器的作用是将行星排中的某一元件加以固定，使之不能转动。目前常见的是带式制动器和片式制动器。2．制动器的结构和工作原理⑴湿式多片制动器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。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。•（1）片式制动器•片式制动器由制动器鼓、制动器活塞、回位弹簧、钢片、摩擦片及制动器毂等组成，如图2-18所示。它的工作原理和湿式多片离合器基本相同，但片式制动鼓（相当于离合器鼓）是固在自动变速器壳体上的，当制动器工作时，与制动器毂相连的行星排某一元件被固定住而不能转动。带式制动器又称制动带，它由制动鼓、制动带、液压缸及活塞等组成，如图2-19所示。制动鼓与行星排的某一基本元件连接，并随之一起转动。（2）带式制动器•制动带的一端支承在变速器壳体上的支架或制动带调整螺钉上，另一端与液压缸活塞上的推杆连接。液压缸被活塞分隔为施压腔和释放腔两个部分,分别通过各自的控制油道与控制阀相通。制动带的工作受作用在活塞上的液压油压力控制。当液压缸的施压腔和释放腔内均无液压油时，带式制动器不工作,制动带与制动鼓之间有一定的间隙，制动鼓可随与它相连的行星排基本元件一同旋转。当液压油进入施压腔时，作用在活塞上的液压油压力推动活塞，使之克服回位弹簧的作用力移动。活塞上的推杆随之向外伸出，将制动带压紧在制动鼓上，于是制动鼓被固定住而不能旋转。此时,制动器处于制动状态。在制动器处于制动状态，若有液压油进入液压缸的释放腔时，因释放腔一侧的活塞面积大于施压腔一侧的活塞面积，•故作用在活塞上两侧的力不相等，释放腔一侧大于施压腔一侧。活塞在两侧的压力差及回位弹簧作用力的共同作用下向后移，推杆回缩，制动带被放松，制动鼓可以转动，从而使制动器由制动状态变成释放状态。这样可以使控制系统得到简化。若将带式制动器用行星齿轮机构高速挡操纵，则因制动时制动鼓以高速旋转，制动带将会受到来自制动鼓的反作用力。活塞和推杆为刚性连接，该反作用力将使活塞产生振动。影响