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1、机 械 工 业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS 汽车变速器构造与维修 吴 洁 李 晓 编 主 审 杨立平 高职高专规划教材 汽车类教学改革规划教材 机 械 工 业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS 模块二 典型行星齿轮传动机构 知识目标 1.掌握辛普森式、拉维娜式行星齿轮变速器的结构。 2.理解辛普森式、拉维娜式行星齿轮变速器的工作原理。 3.了解CR-CR行星齿轮变速器的结构特点及工作原理。 技能目标 1.会分析辛普森式、拉维娜式行星齿轮变速器的动力传动并计算传动比。 2.能按照操作手册正确拆装辛普森式、拉维娜式行星齿轮变速器。 机 械 工 业 出 版
2、社 CHINA MACHINE PRESS 由于液力变矩器的变矩系数尚无法满足汽车行驶需要,液力机械式自动变速器通常都采用 齿轮式变速器作为其主要的变速装置,行星齿轮传动是最常采用的结构形式。行星齿轮变 速器由行星齿轮机构和换档执行机构两部分组成。行星齿轮机构的作用是改变传动比和 传动方向,即构成不同的档位。换档执行机构的作用是自动实现档位的变换。 行星齿轮式变速器具有结构简单、体积小,不需要中间轴和中间齿轮;操纵容易,各齿轮处 于常啮合状态,不存在换档啮合冲击;传动比范围大等突出优点,因此行星齿轮式机构在现 代轿车液力自动变速器上得到广泛应用。 机 械 工 业 出 版 社 CHINA MAC
3、HINE PRESS 任务一 认识辛普森式行星齿轮变速器的结构与工作原理 辛普森(Simpson)式行星齿轮变速机构被广泛应用于汽车自动变速器,它是以其设计者霍 华德辛普森(Howard Simpson)的名字命名的。辛普森式行星齿轮机构由两排单行星齿轮 机构复合而成,能够提供三个前进档和一个倒档。其特点是:由一个长太阳轮将前后两个 行星轮机构连成一体,前行星架与后齿圈共同作为输出轴。辛普森式行星齿轮变速器结构 如图2-1所示。其长太阳轮结构确定了前后行星齿轮机构的尺寸及齿轮齿数,其尺寸和齿 轮的齿数决定了该行星机构的实际传动比。 图2-1 辛普森式行星齿轮变速器结构 机 械 工 业 出 版
4、社 CHINA MACHINE PRESS 但是,仅仅依靠图2-1的辛普森式行星齿轮机构还不能实现自动变速器传动比的改变,还要 通过离合器、制动器和单向离合器等换档执行元件,执行一定的动作规律改变发动机动力 的传递路线,最终获得与道路条件匹配的驱动力。所以自动变速器的机械结构是个传动整 体,而且还要由其他的系统进行控制(液压系统、电子控制系统)。其中任一环节出现问题, 都会阻碍可靠的动力传递。了解辛普森式行星齿轮的传动结构和换档原理,可以清楚地了 解行星齿轮组的工作特点和动力传递路线,为理解自动变速器的换档过程提供帮助,为学 习自动变速器换档控制奠定基础,也为探究整体传动中的问题分析提供思路。
5、 机 械 工 业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS 一、辛普森式行星齿轮变速器的结构 辛普森式行星齿轮自动变速器由两排行星齿轮机构 和换档执行机构组成,图2-2a所示为三速自动变速器 结构解剖图。由图2-2a可见,该机构采用两排齿轮齿 数和尺寸相同的行星齿轮P1、P2,分别被称为前、后 行星齿轮,构成改变传动比的基本结构。前离合器 (C1)、后离合器(C2)、单向离合器(OC)、前制动器 (B1)和后制动器(B2)被称为换档执行元件,作用是分 别控制行星齿轮机构的不同元件,按照特定的控制逻 辑将动力输入或将元件制动,以实现传动比的改变。 图2-2 三速辛普森式行星齿轮变速器结
6、构 a)结构解剖图 b)结构简图 c)运用简化功能符号和元件的轴测简图构成的示意图 C1前/倒档离合器 C2前进档离合器 B1二档制动器 B2低、倒档制动器 OC单向离合器 P1、P2前、后行星齿轮组 机 械 工 业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS 图2-2b所示为辛普森式行星齿轮自动变速器结构简图,可将复杂的机械结构用简化的功能 符号表示,表达不同元件的结构关系。图2-2c是运用简化功能符号和元件的轴测简图构成 的示意图,可用来表现元件间的传动与驱动关系。 一般不同的汽车制造厂的自动变速器,结构与动作规律也不同。尽管自动变速器机械元件 的基本功用相同,但在行星齿轮的主动件
7、、从动件和固定件的设计,换档执行元件的设计 有许多差别。要全面了解自动变速器,还要借助自动变速器换档执行元件动作规律表(见 表2-1),才能了解哪个离合器或制动器工作时自动变速器进入哪个传动比,了解传动路线。 自动变速器换档执行元件动作规律表现的是动力传递路线的变化和该档位下必须由哪几 个执行元件来实现动力传递或元件制动。该表是了解自动换档、进行传动路线分析和传 动故障分析的重要依据。 机 械 工 业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS 选选档与档位C1C2B1B2OC P R1 N D 1 2 3 2 L(1) 表2-1 3档辛普森式行星变速器换档执行元件动作规律 注:表示换
8、档执行元件工作。 机 械 工 业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS 二、实用辛普森式行星齿轮变速机构传动分析 (1)N或P位时(空档) 辛普森式行星齿轮组的各执行元件均不工作,前后行星排所有元件 均不受约束,变速机构无法传递动力,变速器输出轴不能输出动力。 (2)D位1档 直接档离合器C2处于接合状态,使输入轴与左排齿圈连接成一体而成为输入 元件。单向离合器OC产生制动作用,使右排行星架固定不动。输入动力可以经两条途径 到达输出轴,传动路线与齿轮旋向如图2-3所示。一条途径是经左齿圈-左行星轮-左行星架 -输出轴;另一途径是经左齿圈-左行星轮-长太阳轮-右行星轮-右齿圈-输出
9、轴。 图2-3 D位1档传动路线 机 械 工 业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS 因直接档离合器C2与单向离合器OC分别作用于左右两个行星机构,不易直接看出它们之间 的联系。利用行星齿轮运动规律特性方程,通过联立求解,可获得该状态下的传动比与旋 向。 设左排的行星机构为L,右排的行星机构为R,可建立各自的运动规律特性方程: nL1+nL2-(1+)nL3=0(2-1) nR1+nR2-(1+)nR3=0(2-2) 由给定条件已知:由左齿圈输入,输入转速为nL2。 因为nR3=0(已知) 由式(2-2)得 nR1+nR2=0 (2-3) 则nR1=-nR2 因为(由结构条件可
10、知)nL1=nR1且nL3=nR2 机 械 工 业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS 图2-4 D位2档传动路线 机 械 工 业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS (4)D位3档(直接档) 直接档离合器C2和前/倒档离合器C1均处于接合状态,动力同时由直 接档离合器C2和前/倒档离合器C1输入左齿圈和太阳轮。根据行星齿轮机构的运动规律“ 三元件中的任意两个元件转速相同将形成直接档传动”可知,左排齿圈和太阳轮与输入轴 连成一体后,左排行星架将与齿圈、太阳轮一同转动而形成直接档传动,其传动路线与齿 轮旋向如图2-5所示。 图2-5 D位3档传动路线 机 械 工
11、业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS 图2-6 R位(倒档)传动路线 机 械 工 业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS (6)汽车的滑行与发动机制动 自动变速器的低速档位有两个传动状态:滑行与发动机制 动。滑行指汽车达到一定的运行速度,积聚了一定势能后,可借助惯性向前滑行一段距 离。这时,发动机的低速运转不应成为汽车滑行的阻力。在搭载手动变速器的汽车上用空 档阻断车轮与发动机的联系,实现惯性滑行。在良好路况和高速行驶时,合理利用滑行可 以提高汽车燃油及使用的经济性。 发动机制动是指汽车在保持传动系统可靠连接状态行驶中,当发动机低速运转时,汽车在 惯性力作用下
12、欲保持发动机的较高运行转速,从而形成对发动机的逆向拖转的现象。低速 运转的发动机做功会阻碍汽车的惯性运行,而降低汽车行驶速度。这种利用发动机低速运 转以降低汽车行驶速度的现象称为发动机制动。发动机制动会迅速消耗汽车已经获得的 高速动能。汽车经常用发动机制动辅助汽车行车制动,特别是在下坡路行驶时,利用低速 档发动机产生的制动力矩减少制动器的负担,防止频繁制动出现制动器过热引起的制动材 料的热衰退现象。发动机制动在汽车低速档突然减小节气门行驶时会造成剧烈的减速现 象,影响汽车平顺性和经济性。 机 械 工 业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS 为此,自动变速器设计了满足两种运行条件
13、的选择档位。在汽车以前进为主的D档位, 所有的档都具备滑行功能。主要是依靠单向离合器的单方向驱动功能,形成来自发动 机向输出轴方向的驱动。当发动机作减速运转时,汽车高速惯性滑行形成输出轴对发 动机驱动,使单向离合器失去对右行星架的锁止作用,从而失去对行星轮系的控制,使 汽车进入滑行状态。 机 械 工 业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS 以低速1档为例,当汽车选择低速1档时,该档位前进驱动的功能与前面的分析相同,其区别 在于这个低速档增加了发动机制动功能,以实现对汽车的辅助制动。 低速1档时,参与动作的元件有直接档离合器C2、低/倒档制动器B2和单向离合器OC,如图 2-7所
14、示。低/倒档制动器B2将右行星架完全制动,使右行星齿轮具有正反向传动能力,可 以反向传递转速而利用发动机制动。 假设发动机转速为零,因右行星架被制动器B2锁止不能运动,汽车惯性力驱动行星齿轮组 以图示方向旋转,则此时的发动机对传动结构形成阻力,可有效抑制机构旋转。 图2-7 带发动机制动时1档传动路线 机 械 工 业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS (7)P位(驻车档) 大多数自动变速器都是通过锁止输出轴实现驻车(停车)。驻车锁止机构 的结构如图2-8所示,由锁止棘轮1、锁止棘爪3、锥销4和输出轴2组成。锁止棘爪一端与 固定在变速器壳体上的支承销相连。锁止棘轮与输出轴为一体
15、。锥销通过拉杆与变速杆 连接。 当变速杆处于P位以外的任一位置时,连杆机构与弹簧将拉动锥销,棘爪在回位弹簧作用下 脱离锁止棘轮,使变速器输出轴可以旋转,如图2-8a所示。 当变速杆拨到P位时,连杆机构与弹簧推动锥销将锁止棘爪推向输出锁止棘轮,锁止棘爪的 凸齿嵌入棘轮的齿槽中,使输出轴与变速器壳体连成一体而无法转动,如图2-8b 所示。 图2-8 P位(驻车)锁止机构的结构 a)变速杆处于P位以外的其他位置 b)变速杆处于P位 机 械 工 业 出 版 社 CHINA MACHINE PRESS 现代汽车大多数都采用带有超速档(即4档)的行 星齿轮自动变速器,以提高汽车的动力性和燃油 经济性。使用辛普森式行星齿轮机构的变速器 要实现四档,需要在辛普森式行星齿轮机构的基 础上再增设一个单行星齿轮机构。图2-9所示是 一种带超速档的辛普森式行星齿轮传动结构。 该自动变速器由三排行星齿轮组成的两个行星 齿轮组构成。其中,左面的行星齿轮排P0和换 档执行元件构成变速器的超速档;右面的行星齿 轮排P1、P2和换档执行元件为典型辛普森式行 星齿轮结构,构成自动变速器的1、2、3档。该 自动变速器总的传动比为两个行星齿轮组的传 动比的乘积,即i=i0i1。该自动变速器换档执行元 件动作规律见表2-2。 图2-9 带超速档的辛普森式行星齿轮传动结构 C0超速离合器 C1前/倒档离合器 C2直接档
