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1、辛普森式行星齿轮变速器从70年代开始，为通用、福特、克莱斯勒、丰田、日产等多家公司用于其汽车自动变速器上。 辛普森式行星齿轮变速器由辛普森行星齿轮机构及相应的换档执行元件组成。辛普森行星齿轮机构采用双行星排，其机构特点是：前后两个行星排的太阳轮连为一个整体，称为太阳轮组件；前排的行星架和后排的齿圈连接成一体，称为前行星架和后齿圈组件，输出轴通常与该组件相连（如图）。这样一来，该行星机构只具有四个独立元件：前排齿圈、前后太阳轮组件、后排行星架、前行星架和后齿圈组件。,知识点五 辛普森式行星齿轮变速机构,1-前齿圈 2-太阳轮组件 3-行星齿轮 4-后行星架 5-前行星架和后齿圈组件 辛普森式行星
2、齿轮机构简图,辛普森式三档行星齿轮变速机构,辛普森式三档行星齿轮变速器中有七个换档执行元件：两个离合器，三个制动器和两个单向离合器，构成具有三个前进档和一个倒档的行星齿轮变速器。行星齿轮变速器的传动原理（如下图）所示。,行星齿轮变速器的布置和传动原理图,1-前行星架 2-前齿圈 3-太阳轮组件 4-后齿圈 5-输出轴 6-后行星架 C1-前进档离合器 C2-倒档及高档离合器 B1-2档制动器 B2-2档强制制动器 B3-抵档及倒档制动器 F1-2档单向离合器 F2-抵档单向离合器,辛普森式三档行星齿轮变速机构,各执行元件的作用是：前进离合器C1，它连接输入轴和前齿圈；倒档及高档离合器C2用于连
3、接输入轴和前后太阳轮组件；2档制动器B1与2档单向离合器F1组合以及2档强制制动器B2均用于固定前后太阳轮组件；倒档及低档制动器B3和单向离合器F2用于固定或锁止后行星架。各档位状态下七个执行元件的工作情况（见下表）。,辛普森式三档行星齿轮变速机构,辛普森式三档行星齿轮变速器档位与操纵元件关系表,（1）三档辛普森式行星齿轮变速器各档的传动路线,前进1档（D位1档） 前进离合器C1结合，输入轴与前齿圈连接；单向离合器F2处于自锁状态，后行星架被固定（如图）。来自发动机的动力通过液力变矩器后，传至输入轴、前进离合器 C1 和前齿圈使前齿圈向顺时针方向转动。此时，由于汽车载荷的作用，与输出轴相连的前
4、排行星架在汽车起步前转速为0。因此，前排行星齿轮在齿圈的驱动下按顺时针方向作公转，并力图带动行星架以同样的方向旋转。,同时，行星齿轮还作顺时针方向的自转，带动前后太阳轮组 件向逆时针方向转动。另一方面，在后行星排中，后行星轮在太阳轮的驱动下作顺时针方向自转时，对后行星架产生逆时针方向的转矩，而单向离合器F2对后行星架逆时针方向的转动有阻止作用，因此后行星架固定不动，迫使后齿圈作顺时针旋转，从而与前排行星架一起，驱动输出轴转动，汽车起步。起步后，前、后行星排各元件的运动方式依然不变。但注意此时的前排行星架是以低速作顺时针转动。,（1）三档辛普森式行星齿轮变速器各档的传动路线,由此可知，在1档时，
5、前、后两行星排都参加动力传递，与发动机输出转速相比，经变速器后转速下降，转矩增加，汽车能以较大的牵引力克服行驶阻力低速前进。根据行星排的运动特性方程，可用解析式解联立方程求出1档的传动比为： 前行星排的运动特性方程 n1 + an2-(1+a)n3 =0 后行星排的运动特性方程 n21+ an22-(1+a)n23=0 式中 a1前行星排齿圈齿数与太阳轮齿数之比； a2后行星排齿圈齿数与太阳轮齿数之比。,（1）三档辛普森式行星齿轮变速器各档的传动路线,当汽车以上述一档行驶时，若驾驶员突然松开节气门踏板，发动机将立即进入怠速工况，而汽车在惯性作用下仍以原来的车速行驶。此时，驱动轮将通过自动变速器
6、输出轴反向带动行星齿轮机构运转，前排行星架在后排齿圈成为主动件，前齿圈则变为从动件。当前排行星架向顺时针方向带动行星轮按相同方向作公转时，因前排齿圈转速较低，前排行星轮是作逆时针自转，从而驱动前后太阳轮组件以较高速度作顺时针转动，带动后排行星轮作顺时针转动，使后行星轮在自转的同时对后排行星架产生顺时针方向的转矩。,辛普森式三档行星齿轮变速机构,由于单向离合器F2对后行星架在顺时针方向的转动无锁止作用，使该行星架在行星轮的带动下向顺时针方向转动。此时，行星齿轮机构的四个独立元件中有两个处于自由状态，机构失去传递动力的作用，来自变速器输出轴的反向力不能经过行星齿轮变速器传给输入轴，即在下坡时无法利
7、用发动机的怠速运动阻力来实现汽车的减速。,辛普森式三档行星齿轮变速机构, 为了利用发动机制动，可将变速器操纵手柄从“D”位移至“1”位，即手动“1”档。自动变速器在手动1档时处于能产生发动机制动作用的状态(如图)。,手动1档(1位或L位),辛普森式三档行星齿轮变速机构,1位(L位)1档的传动原理,具有发动机制动作用的1档是由低档及倒档制动器B3来实现的。当操纵手柄位于“1”位或“L”位，而行星齿轮变速器处于1档时，前进离合器C1和制动器B3同时工作。当动力从发动机传往驱动轮时，行星齿轮机构各元件的工作状态及传动比与前进1档时相同。当松开节气门，发动机处于怠速而汽车在惯性的作用下作滑行时，汽车驱
8、动轮通过变速器输出轴驱动行星齿轮机构，因后行星架始终被B3固定，则与前进1档时不同，此时可反向驱动行星齿轮变速器输入轴以原来的转速旋转，导致与变速器输入轴连接的变矩器涡轮的转速高于与发动机曲轴连接的变矩器泵轮的转速，成为汽车驱动轮通过变矩器逆向驱动发动机曲轴的工况。因此，发动机怠速运行阻力限制驱动轮的转速，汽车减速，实现了利用发动机制动。,辛普森式三档行星齿轮变速机构,前进离合器C1结合，2档制动器B1和单向离合器F1也参加工作。 输入轴经离合器C1和前齿圈连接，发动机动力经液力变矩器和行星齿轮变速器输入轴传给前排齿圈，前排行星齿轮在齿圈的驱动下按顺时针方向作公转，并力图带动行星架以同样的方向
9、旋转(如图)。同时，行星齿轮还作顺时针方向的自转，欲带动前后太阳轮组件向逆时针方向转动，但被制动器B1和单向离合器F1固定。因此只能驱动前行星架及输出轴向顺时针方向转动。此时后行星排处于自由状态。发动机的动力全部经前行星排传至输出轴。,辛普森式三档行星齿轮变速机构,D位2档的传动原理,同理，可推出2档的传动比为与前进1档时一样，单向离合器F1只能锁住前后太阳轮组件不作逆时针方向转动。当松开发动机油门时，汽车即作滑行行驶，如正处于下坡，则无法利用发动机的低转速进行减速制动。 手动2档(2位2档) 为了利用发动机制动，可将变速器操纵手柄从“D”位移至“2”位。自动变速器在手动2位的2档时处于能产生
10、发动机制动作用的状态(如图)。,辛普森式三档行星齿轮变速机构,2位2档的传动原理,发动机的制动作用是由2档强制制动器B2来实现的。当操纵手柄位于“2”位，而行星齿轮变速器处于2档时，前进离合器C1和制动器B2同时工作。动力从发动机传往驱动轮时，行星齿轮机构各元件的工作状态及传动比与前进1档时相同。而当节气门松开，发动机处于怠速而汽车进行滑行时，汽车驱动轮通过变速器输出轴驱动行星齿轮机构，因前后太阳轮组件始终被B2固定，行星齿轮变速器输入轴被反向驱动，以原来的转速旋转，变矩器涡轮转速高于泵轮的转速，成为汽车驱动轮通过变矩器逆向驱动发动机曲轴的工况，因此可利用发动机制动。,辛普森式三档行星齿轮变速
11、机构,前进3档(D位3档) 前进档离合器C1和倒档及高档离合器C2同时结合，前排齿圈与太阳轮组件转速相同，前行星排被连接成一个整体同速旋转，从行星架输出动力至输出轴。后行星架虽然与输出轴同速，但只是作空转。此时，行星齿轮变速器的传动比i=1，即为直接档(如图)。,辛普森式三档行星齿轮变速机构,D位3档的传动原理,辛普森式三档行星齿轮变速机构,因前行星排及后排的齿圈、太阳轮被连接成一体，3档 状态下的行星齿轮变速器具有逆向传递动力的能力，在汽车 滑行时可实现发动机制动。,倒档(R位) 倒档及高档离合器C2结合，低档及倒档制动器B3同时工作。发动机动力经输入轴传至前后太阳轮组件，使其作顺时针转动。
12、因后排行星架被固定(如图)，后排行星轮被太阳轮组件驱动作逆时针方向旋转，带动后排齿圈也作逆时针方向转动，从而使得输出轴的转向与输入轴相反，实现了倒档。此时，因前排齿圈可自由旋转，前行星排处于自由状态，不参加工作。 由单行星排运动特性方程，得倒档传动比i=-a2,辛普森式三档行星齿轮变速机构,R位(倒档)的传动原理,空档(N位) 空档时，离合器、制动器都不工作，液力变矩器的动力不能传至行星齿轮变速器，变速器为空档 停车档(P位) 当换档手柄置于P位时，行星齿轮机构内部各执行元件都不工作，变速器相当于空档。但手柄的联杆机构推动停车闭锁凸轮3(如图)，使停车闭锁爪1上的齿嵌入输出轴2的外齿中；因停车
13、闭锁爪固定在变速器外壳上，所以输出轴也被固定而不能转动，从而锁住了驱动轮。即变速器为停车档，汽车不能移动。但汽车若还在行驶，则不能使用停车档，否则会损坏闭锁爪。,辛普森式三档行星齿轮变速机构,停车档锁止机构 1-停车闭锁抓发 2-输出轴 3-闭锁凸轮,换档时机操纵是很复杂的。实际上，有些执行元件的设立并非是换档功能的要求，而是换档质量的要求。 例如，行星齿轮变速器由2档换至3档时，一方面2档制动器B1要放松，另一方面倒档及高档离合器C2要接合。这两个换档执行元件的工作交替应及时准确，过快或过慢都会影响换档质量和变速器的使用寿命。如果2档制动器B1释放后倒档及高档离合器C2来不及接合，行星齿轮变
14、速器就会出现打滑，使发动机空转，并产生换档冲击现象；如2档制动器B1还未完全松开，而倒档及高档离合器C2已经接合，则行星齿轮变速器各元件之间就会产生运动干涉，迫使执行元件打滑，从而加剧了摩擦片或制动带的磨损。,辛普森式三档行星齿轮变速机构,单向离合器F1就是为了防止出现这种情况，以改善2档换至3档的平顺性。当行星齿轮变速器处于2档时，前进离合器C1和2档制动器B1也在工作，汽车加速时，前后太阳轮组件的受力方向为逆时针方向，但其旋转趋势被制动器B1和单向离合器F1锁止。当行星齿轮变速器由2档换入档时，即使倒档及高档离合器C2和2档制动器B1释放之前就已接合，但由于离合器C2接合之后，前后太阳轮组
15、件的受力方向改变为顺时针方向，而单向离合器F1对太阳轮组件顺时针方向的运动没有锁止作用，太阳轮组件有可在顺时针方向旋转，换档得以平顺进行。,辛普森式三档行星齿轮变速机构,（2）四档辛普森式行星齿轮变速器的结构和原理 从80年代起，越来越多的轿车自动变速器采用四档行星齿轮变速器，以提高燃油经济性。这种变速器的最高档4档是传动比小于1的超速档。 辛普森式四档行星齿轮变速器是在其三档行星齿轮变速器基础上发展而成的。常见的类型是在原三档行星齿轮变速器已有的双排行星机构基础上，再增加一个单排行星齿轮机构，组成具有超速档的四档行星齿轮变速器。所增加的行星排也被称为超速行星排。（如图）即为辛普森式三行星排四
16、档行星齿轮变速器传动简图。其档位与执行元件关系（见下表）。,四档辛普森式行星齿轮变速器传动简图 1-输入轴 2-超速行星排 3-中间轴 4-前行星排 5-后行星排 6-输出轴 C0 -直接离合器 C1- 前进离合器 C2 倒档及高档离合器 B0 超速制动 B1 2档单向离合器 B2 2档强制制动器 B3 抵档及倒档制动器 F0- 直接单向离合器 F1 2档单向离合器 F2- 抵档单向离合器,辛普森式四档行星齿轮变速器档位与操纵元件关系表,由图可见，超速行星排位于原三速行星排前端。其行星架是主动件，与变矩器输出轴连接，齿圈为从动件，与后面的双排行星齿轮机构连接。超速行星排的工作由直接离合器(或称非超速档离合器)C0和超速制动器B0来控制。当超速制动器B0松开，直接离合器C0接合时，超速行星排的太阳轮和行星架被连接在一起，该行星排处于直接传动状态，传动比为1。当超速制动器B0制动，直接离合器C0松开时，该行星排太阳轮被制动，从而处于增速传动状态，传动比小于1。 ,辛普森式四档行星齿轮变速机构,当该
