1、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 (Sun Gear) 、 1 个环齿轮 (Ring Gear) 、 1 个行星架 (Planet Carrier)
2、和支撑在行星架上的几个行星小齿轮 (Planet Pinion Gear) 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
3、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
4、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
5、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 + Nr ( +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 ：环齿轮齿数
6、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
7、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 + Nr = (1+ ) Nc ；可以看出，在太阳轮、环齿轮和行星架这
8、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 + Nr = (1+ ) Nc 即可获得 Ns = (1+ ) Nc 因此传动比 i = Ns/Nc = 1 + = 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
9、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 + Nr = (1+ ) Nc 即可获得 Nr = (1+ ) Nc 因此传动比 i = Nr/Nc = (1 + )/ =(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
10、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 + Nr = (1+ ) Nc 即可获得 Ns + Nr = 0 因此传动比 i = Ns/Nr = = 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 =
11、 0 ，将此值代入运动特性方程式（ 7 1 ） Ns + Nr = (1+ ) Nc 即可获得 Nr = (1+ ) Nc 因此传动比 i = Nc/Nr = /(1+ )= 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 + Nr = (1+ ) Nc 即可获得 Ns = (1+ ) Nc 因此传动比 i = Nc/Ns = 1/(1+ )= Zs/ (
12、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 + Nr = (1+ ) Nc 即可获得 Ns + Nr = 0 因此传动比 i = Nr/Ns = 1/ = 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
13、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
14、方程式 Ns + Nr = (1+ ) 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 + = 1 + Zr/Zs 减速增扭传动 2 太阳轮 环齿轮 行星架
15、Nr/Nc = (1 +)/=(Zs + Zr)/ Zr = 1 + Zs/Zr 减速增扭传动 3 行星架 太阳轮 环齿轮 Ns/Nr = -= - Zr/Zs 减速增扭倒档传动 4 太阳轮 行星架 环齿轮 Nc/Nr = /(1+)= Zr/ (Zs+Zr) 加速减扭传动 5 环齿轮 行星架 太阳轮 I = Nc/Ns = 1/(1+)= Zs/(Zs + Zr) 加速减扭传动 6 行星架 环齿轮 太阳轮 Nr/Ns = -1/= - 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
16、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
17、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（ Simpson gearset ）齿轮机构和拉维奈尔赫（ Ravigneaux gearset ）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 Power Flite 液压自动变速箱。 （二）、辛普森 (Simpson)
18、 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 Howard Simpson ，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
19、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（ Ravigneaux ）行星齿轮机构 拉维奈尔赫行星齿轮机构，与辛普森齿轮机构齐名， 70 年代初期美国褔特汽车公司生产的 Select-Shift 自动变速箱一直采用该齿轮机构，直到 1980 年才被带超速档的四前进档自动变速箱 Auto-overdrive 所取代。 （五）、改良型拉维奈尔赫行星齿轮机构 此类主要是将拉维奈尔赫行星齿轮机构基础上增加换档自由轮机构 F1 ，使得从低档换到二档时，换档平
20、稳性得以改善。 （六）、四前进档行星齿轮机构 此类除了增加前进档位外，有些还具有功率分流、高速档锁止、增设超速档等特点。 不同车型自动变速箱在结构上往往有很大的差异，主要区别是在： (1) 前进档的档数不同 (2) 离合器、制动器及单向超速离合器的数目和布置方式不同 (3) 所采用的行星齿轮机构类型不同。早期轿车自动变速箱常采用 2 个前进档或 3 个前进档，新型轿车自动变速箱大部分采用 4 个前进档；前进档的数目越多，行星齿轮变速箱中的离合器、制动器及单向超速离合器的数目就越多；离合器、制动器、单向超速离合器的布置方式主要取决于行星齿轮变速箱前进档的档数及所采用的行星齿轮机构的类型，对于行星
21、齿轮机构类型相同的行星齿轮变速箱来说，其离合器、制动器及单向超速离合器的布置方式及工作过程基本上是相同的，因此，了解各种不同类型行星齿轮机构所组成的行星齿轮变速箱的结构和工作原理，是掌握各种不同车型自动变速箱结构和工作原理的关键，目前自动变速箱所采用的行星齿轮机构的类型主要有两类，即辛普森式行星齿轮机构和拉维奈尔赫式行星齿轮机构。 图 7-4 辛普森式行星齿轮机构示意图 （ 1 ）辛普森式行星齿轮变速箱 辛普森式行星齿轮变速箱是由辛普森式行星齿轮机构和相对的换档操作组件组成的，目前大部分自动变速箱都采用这种行星齿轮变速箱；辛普森式行星齿轮机构是一种十分著名的双排行星齿轮机构，它是由两个内啮合式
22、单排行星齿轮机构组合而成，其结构特点是 (1) 前后两个行星排的太阳轮连接为一个整体，称为前后太阳轮组件 (2) 前一个行星排的行星架和后一个行星排的环齿轮连接为另一个整体，称为前行星架和后环齿轮组件 (3) 输出轴通常与前行星架和后环齿轮组件连接（图 7-4 ）。如此，该机构成为一这 4 个独立组件是 (1) 前环齿轮 (2) 前后太阳轮组件 (3) 后行星架 (4) 前行星架和后环齿轮组件；根据前进档的档数不同，可将辛普森式行星齿轮变速箱分为辛普森式 3 档行星齿轮变速箱和辛普森普森式 4 档行星齿轮变速箱两种。 图 7-5 辛普森式 3 档行星齿轮变速箱 在辛普森式行星齿轮机构中设置 5
23、 个换档操作组件 (2 个离合器、 2 个制动器和 1 个单向超速离合器 ) ，即可使之成为一个具 3 个前进档和 1 个倒档的行星齿轮变速箱，这 5 个换档操作组件的布置如图 7-5 所示，离合器 C1 用于连接输入轴和前后太阳轮组件，离合器 C2 用于连接输入轴和前环齿轮，制动器 B1 用于固都是用于固定后行星架，制动器 B 定前后太阳轮组件，制动器 B2 和单向超速离合器 F11 和 B2 可以使用带式制动器或片式制动器。 表 7-2 辛普森式 3 档行星齿轮变速箱排档杆位置及操作组件工作表 排档杆位置 档位 操作组件 C1 C2 C3 B1 B2 F1 1 档 2 档 D 3 档 R
24、倒档 1 档 S 、 L 或 2 、 1 2 档 注：表示接合、制动或锁定 这 5 个换档操作组件在各档位的工作情况见表 7-2 。由表中可知，当行星齿轮变速箱处于停车档和空档之外的任何一个档位时， 5 个换档操作组件中都有两个处于工作状态 ( 接合、制动或锁定状态 ) ，其余 3 个不工作 ( 分离、释放或自由状态 ) ；处于工作状态的两个换档操作组件中至少有一个是离合器 C1 或 C2 ，以便使输入轴与行星排连接，当变速箱处于任一前进档时，离合器 C2 都处于接合状态，此时输入轴与行星齿轮机构的前环齿轮接合，使前环齿轮成为主动件，因此，离合器 C2 也称为前进离合器 (Forward Cl
25、utch) 。倒档时，离合器 C1 接合， C2 分离，此时输入轴与行星齿轮机构的前后太阳轮组件接合，使前后太阳轮组件成为主动件，另外，离合器 C1 在 3 档 ( 直接档 ) 时也接合，因此，离合器 C1 也称为倒档及高档离合器 (High Reverse Clutch) 。制动器 B1 仅在 2 档才工作，称为 2 档制动器或第二制动器 ( 2nd Brake or 2nd Clutch) 。制动器 B2 在 1 档和倒档时都有工作，因此称为低档及倒档制动器或低 / 倒档制动器 (Low Reverse Brake or Low Reverse Clutch) 。由此可知，换档操作组件的不
26、同工作组合决定了行星齿轮变速箱的传动方向和传动比，从而决定了行星齿轮变速箱所处的档位。 早期的轿车自动变速箱多采用 3 档行星齿轮变速箱，其最高档 3 档是传动比为 1 的直接档。进入 80 年代后，随着对汽车燃油经济性的要求日趋严格，越来越多的轿车自动变速箱采用了 4 档行星齿轮变速箱。其最高档 4 档是传动比小于 1 的超速档，这种自动变速箱的优点除了能降低汽车燃油消耗外，还可以使引擎经常处于较低转速的运转工作，以减小运转噪音，延长引擎的使用寿命。 辛普森式 4 档行星齿轮变速箱是在辛普森式 3 档行星齿轮变速箱的基础上改良，它有两种类型：一种是将辛普森式 3 档行星齿轮变速箱原有的双排行
27、星齿轮机构再增加一个单排行星齿轮机构，用 3 个行星排组成 4 档行星齿轮变速箱；另一种是将辛普森式双排行星齿轮机构进行改变，改变前后行星排各基本组件的组合方式和增加换档操作组件，使之成为带有超速档的 4 档行星齿轮变速箱。 图 7-6 3 行星排辛普森式 4 档行星齿轮变速箱 (1)3 行星排辛普森式 4 档行星齿轮变速箱：这种 4 档行星齿轮变速箱是在不改变原辛普森式 3 档行星齿轮变速箱的主要结构和大部份零件的情况下，另外再增加一单排行星齿轮机构和对应的换档操作组件来产生超速档。这个单排行星齿轮机构称为超速行星排 (Overdrive Planet Gearset) ，它安装在行星齿轮变
28、速箱的前端 ( 图 7-6) 。其行星架是主动件，与变速箱输入轴连接；环齿轮则作为被动件，与后面的双排行星齿轮机构接，超速行星排的工作由直接离合器 C0(Direct Clutch) 和超速制动器 B0(Overdrive Brake) 来控制，直接离合器 C0 用于将超速行星排的太阳轮和行星架连接，超速制动器 B0 用于固定超速行星排的太阳轮。根据行星齿轮变速箱的变速原理，当超速制动器 B0 放松、直接离合器 C0 接合时，超速行星排处于直接传动状态，其传动比为 1 ；当超速制动器 B0 制动、直接离合器 C0 放松时，超速行星排处于增速传动状态，其传动比小于 1 。 这种型式的 4 档行星
29、齿轮变速箱可以使原辛普森式 3 档行星齿轮变速箱的大部分零件仍可以使用，有利于减少生产投资、降低成本，目前大部分轿车都采用这种型式的 4 档自动变速箱，有些车型的这种自动变速箱将超速行星排设置在原辛普森式 3 档行星齿轮变速箱的后端，但其工作原理是相同的。 (2) 双行星排辛普森式 4 档行星齿轮变速箱：这种 4 档行星齿轮变速箱是在原辛普森式 3 档行星齿轮变速箱中的双排行星齿轮机构增加换档操作组件的个数，让前后行星排的各个基本组件之间有更多更复杂的组合，从而使前进档形成包括超速档在内的 4 个前进档。 改进后的辛普森式行星齿轮机构除了环齿轮和后行星架仍互相连接为一体之外，前行星排和后行星排的其它基本组件全部各自独立，形成一种具有 5 个独立组件的辛普森式行星齿轮机构；在这 5 个独立组件中，后太阳轮始终和输入轴连接，输出轴则与前环齿轮和后行星架组件连接。在这种辛普森式行星齿轮机构中只要设置 4 个离合器、 2 个制动器及 2 个单向超速离合器，就可以变成具有 4 个前进档和 1 个倒档的 4 档行星齿轮变速箱，并且在 1 档、 2 档、 3 档都有两种工作状态 ( 引擎制动或无引擎制动 ) 。这 8 个换档操作组件的排列方式如图 7-7 所示。其中离合器 C1 用于连接输入轴和前太阳轮；离合器 C2 用于连接输入轴和前行星架；
