行星齿轮变速器结构与工作原理.ppt

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 a 齿轮机构实物b 齿轮机构简化图图3 1齿轮传动机构 图3 2渐开线特性 图3 3渐开线齿轮传动特性 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 渐开线齿轮的力学分析 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 Z2 Z1因Z2 Z1所以 1 则行星齿轮机构的一般运动规律可表达为 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 即可获得减速传动 且 2 2 将太阳轮固定 以行星架为主动件 内齿圈为从动件 i 1 即可获得增速传动 0 5 i 1 3 将行星架固定 以太阳轮为主动件 内齿圈为从动件 i 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 i 0 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 是2 的逆传动 即可获得减速传动 0 5 i 1 6 将行星架固定 以内齿圈为主动件 太阳轮为从动件 i 1 是3 的逆传动 可获增速反向传动 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 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 体积小 质量小 结构紧凑 承载能力大 传动效率高 传动比较大 可实现运动的合成与分解 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 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 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 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 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 3 3 2制动器1 制动器的分类及组成 湿式多片制动器 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 图3 9片式制动器结构及工作原理 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 按变形能力分 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 2 离合器和片式制动器的区别 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 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 离合器是旋转的 制动器是固定的 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 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 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 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 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 工作过程 1 小太阳轮输入 行星架固定 短行星轮反转 长行星轮正转 内齿圈正向减速 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 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 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 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 1 拉威娜式行星齿轮机构的施力装置 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 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 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 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 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 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 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 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 同时带动行星架以相同的转速转动 此时内齿圈和前后排行星排所有元件作为整体 此时传动比为1 为直接档传动 4 D位4档传动路线 图3 19D 4挡传动路线示意C3 超速挡离合器 B1 2挡及4挡制动器 行星架 长太阳轮 内齿圈 输出轴 大太阳轮被B1固定 行星架又带动长行星轮顺时针自转和公转 其公转特性可使内齿圈和输出轴顺时针同步转动 而自转特性可使内齿圈和输出轴相对输入轴顺时针加速传动 它的传动比小于1 为超速档 虽然C1接合 但F2内圈转速高于外圈 所以不影响传动 5 倒档传动路线 图3 20R 倒 挡传动路线示意图C2 直接挡及倒挡离合器 B2 低挡及倒挡制动器 大太阳轮 长行星轮 内齿圈 输出轴 由于行星架被固定 长行星齿轮不能自转 从而带动内齿圈和输出轴朝逆时针方向减速传动 实现倒档 6 L1档传动路线 图3 21L1挡传动路线示意C3 强制低挡离合器 B2 低挡及倒挡制动器 动力传动与D1相同 驱动轮可通过变速器反拖发动机 利用发动机制动 表3 3拉威娜自动变速器施力装置作用表 3 4 2辛普森式行星齿轮传动原理 图3 22辛普森自动变速器结构 1 四速辛普森式汽车自动变速器的施力装置 1 B0 固定超速行星排的太阳轮2 C0 连接超速行星排的齿圈与行星架3 F0 连接超速行星排的齿圈与行星架4 C1 连接前传动轴与后传动轴5 C2 连接前传动轴与太阳轮6 B1 固定太阳轮7 B2 固定F1外圈 与F1配合限制太阳轮逆时针转动8 F1 连接B2与太阳轮 限制太阳轮逆时针转动9 B3 连接壳体与前行星架10 F2 连接壳体与前行星架 2 辛普森式行星齿轮机构的传动路线 D位1档传动路线 动画演示 超速档离合器 前进档离合器 1档单向离合器 C0将超速档的太阳轮和行星架连挡在一起 使超速档行星排以直接档形式输出 前行星架固定不动 各行星轮正向旋转 带动前齿圈和后行星架正向旋转 后行星架的运动是两种运动的合成 F2限制前行星架反向旋转 D位2档传动路线 2档单向离合器 2档制动器 B2固定F1外壳 F1防止太阳轮反向旋转 太阳轮固定不动 后齿圈直接带动后行星轮减速输出 变速器形成2档 超速档制动器 前进档离合器 D位3档传动路线 行星排的三个元件中有两个元件连接在一起 复合行星排就形成了直接档 高速及倒档离合器 前进档离合器 超速档离合器 D位4档传动路线 超速档 动画演示 超速档行星排为超速档 复合行星排是直接档 超速档制动器 高速及倒档离合器 前进档离合器 B0固定住超速档行星排的太阳轮 此时行星架输入 内齿圈输出 形成超速档 强制 手动 2档传动 2位1档传动路线同D位1档 该档位同样没有发动机制动 但随下坡车速增加 变到2位2档 有发动机制动 限制了下坡车速 前进档离合器 超速档制动器 强制 手动 1档传动路线 动画演示 强制1档与强制2档类似 仅仅适合于更陡的长坡或低速大负荷工况 与D位1档的区别是 不需要单向离合器 而是通过强制1档及倒档制动器B3直接锁止前行星架 前进档离合器 超速档制动器 强制1档及倒档制动器 倒档传动路线 动画演示 超速档制动器 高速及倒档离合器 强制1档及倒档制动器 超速档行星排为直接档 复合行星排为倒档 变速器以倒档形式输出 表3 4辛普森自动变速器施力装置作用表 3 行星齿轮两端布置机构的辛普森式四档自动变速器 行星齿轮两端布置是另一种典型辛普森式四档自动变速器 采用这种结构的变速器的具体型号为 丰田公司的A 340系列 A 350系列 A 140系列 A 240系列 U240系列 A 540系列 A 650系列 A 750系列 沃尔沃AW40 克莱斯勒AW 4 42RE 44RE 44RE 44HE 其变速原理与前者基本相同 仅仅是复合行星轮布置问题 两个行星轮排功能互换 各施力装置的名称有所变化 见表3 5 表3 5两种辛普森自动变速器复合行星排施力装置区别表 图3 29两端布置辛普森式4挡自动变速器半剖图 本章作业 3 1 3 4若辛普森式自动变速器太阳轮齿数为12 齿圈齿数为24 试计算该变速器二档速比