自动变速箱齿轮机构.doc

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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，

5、但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

6、数与太阳轮的齿数比 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

7、相同），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

9、以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

10、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 = 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

13、要大于 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

14、性方程式 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 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