行星齿轮变速器.ppt

第三章 行星齿轮变速器,齿轮变速器=齿轮传动机构+换档执行机构齿轮传动机构：获得各档动力传递形式：固定轴式（如：本田雅阁）行星齿轮式（如丰田、奥迪等绝大多数）换档执行机构：改变齿轮机构中各元件的状态，获得档位之间的变化。形式：离合器 制动器 单向离合器,执行机构,一、齿轮传动的一般规律1.旋转方向,左图为外啮合齿轮传动其旋转方向相反,旋转件的常习：内啮合旋转方向相同,不改变方向只改变传动比。,三轮之间的旋转方向,不改变传动比，却实现方向相同,假定C轴线不动,一、平行轴式齿轮变速机构,与手动变速器的差别：结构：自动变速器中的齿轮与轴的连接通过多片式离合器实现；手动变速器中的齿轮与轴是通过花键或齿套连接的。换档方式：手动变速器通过齿轮在轴上的滑动或齿套啮合来实现换档；自动变速器则是通过多片式离合器的接合与分离来实现换档。,齿轮变速机构原理:,前离合器接合，后离合器分离，为低档；前离合器分离，后离合器接合，为超速档。,二、行星齿轮变速机构,行星齿轮机构的组成：它由太阳轮或称为中心轮、行星齿轮、行星齿轮架，通常简称为行星架、齿圈等组成。行星齿轮为轴转式齿轮系统，与定轴式齿轮系统一样，也可以变速、变矩。按照齿轮的排数不同，行星齿轮机构分为单排行星齿轮机构和多排行星齿轮机构。按照太阳轮和齿圈之间行星齿轮的组数不同，行星齿轮机构可分为单星行星排和双星行星排。,单排单星行星齿轮机构,单排双星行星齿轮机构,1、单排单级行星齿轮机构工作原理1）齿圈固定，太阳轮主动，行星架被动,此种组合为降速传动，通常传动比一般为2.55，转向相同。,行星架固定,2）齿圈固定，行星架主动，太阳轮被动,此种组合为升速传动，传动比一般为0.20.4，转向相同。,3）太阳轮固定，齿圈主动，行星架被动,此种组合为降速传动，传动比一般为1.251.67，转向相同。,太阳轮固定,4)太阳轮固定，行星架主动，齿圈被动,此种组合为升速传动，传动比一般为0.60.8，转向相同,5)行星架固定，太阳轮主动，齿圈被动,此种组合为降速传动，传动比一般为1.54，转向相反,6)行星架固定，齿圈主动，太阳轮被动,此种组合为升速传动，传动比一般为0.250.67，转向相反,7)把三元件中任意两元件结合为一体的情况,8)三元件中任一元件为主动，其余的两元件自由：从分析中可知，其余两元件无确定的转速输出。第六种组合方式，由于升速较大，主被动件的转向相反，在汽车上通常不用这种组合。其余的七种组合方式比较常用。,、传动比计算,小齿轮做中间齿轮，与传动比无关。当行星架未制动时，行星架以n3转动。对整体行星排施加一个与行星架转速大小相等、方向相反的速度n3，这对构件的相对速度无影响，使行星排变为定轴式转动。,齿圈,行星轮,太阳轮,行星架,传动比的计算：,整理后得：单排单级行星齿轮的运动方程,单排单级行星齿轮传动比,1）齿圈固定不动,a、太阳轮为主动件，行星架为从动件图ab、行星架为生动件太阳轮为从动件如图b,2）锁定太阳轮,行星轮自动并顺时针公转，齿圈也顺时针旋转问题：以下两种类型在AT中适宜做哪一个档位？,3）锁定行星轮架,问题：以下两种类型适合做何种档位？,4）将任意二元件连接在一起,连接任意二个就会使得行量齿轮不再有自转，此时三元件合为一体，三元件之间的传动均为1，即为直接档传动。,5）不锁定任何元件,若右图可以随意转动，此时为空档,、单排双级行星齿轮机构,理论上讲，可有种不同的传动。实际上，有些传动方案是不宜采用的。通常单排行星机构，只能采用两个档位。自动变速器通常采用多个单排行星齿轮机构进行串、并联或换联主从动构件的办法来扩大档位数目。两排行星机构通常采用增加一个离合器的方式来换联主动元件。三排行星机构组成的自动变速器，采用其中一排与另两排串联的方法来获得更多的档位。,三、两种典型的行星齿轮机构（一）辛普森（Simpson)式齿轮机构,、结构特点：前后两个行星排的齿轮参数完全相同，而前后两行星排共用一个太阳轮；前行星排的行星架和后行星排的齿圈相连为输出轴；前行星排的内齿圈和太阳轮通常做为输入轴。可实现三进一倒的档位。,辛普森结构,辛普森结构传动方式,、双排辛普森行星齿轮机构各元件间的转速关系方程式为：,由于共用太阳轮，故：前排太阳轮转速与后排太阳轮转速相同；前行星架转速与后齿圈转速相同；联立方程，可解辛普森结构的总传动比。,（二）拉维奈尔赫(Ravigneanx)行星结构,结构特点：前排为单级行星齿轮，后排为双级行星齿轮，前后共用一个内齿圈；共用一组行星齿轮（后排外与前排）和共用行星架；以内齿圈为输出轴，以前后两太阳轮为输入轴；可组成三或四个前进档；由于结构简单、尺寸小，常用于前驱式车辆（变速驱动桥）,拉维奈尔赫式结构,拉维奈尔赫式结构传动方式,双排拉维奈尔赫齿轮机构各元件间的转速关系方程式：,共用内齿圈，,共用前、后行星架，,联解方程组，可得到拉维奈尔赫结构的总传动比。,四、行星齿轮传动联想记忆,为了方便记忆，我们可以将行星齿轮传动转换成普通圆柱齿轮传动。太阳轮相当于最小的齿轮，齿圈相当于中等齿轮，行星架相当于最大的齿轮。其中行星架的齿数等于太阳轮齿数与齿圈齿数之和。,1当齿圈固定时太阳轮主动，行星架被动，最小的齿轮带动最大的齿轮旋转降速，传动比最大，在汽车上用作前进1档；反之，若行星架主动，太阳轮被动，最大的齿轮带动最小的齿轮旋转，升速，传动比最小，在少数汽车上使用，作为前进超速2档。,2当太阳轮固定时齿圈主动，行星架被动，较大齿轮带动最大齿轮旋转，降速，传动比较大，在汽车上常用作前进2档；反之，若行星架主动，齿圈被动，最大齿轮带动较大齿轮旋转，升速，传动比略小于1，在汽车上用作前进超速1档,3当行星架固定时太阳轮主动，齿圈被动，最小齿轮带动较大齿轮旋转，降速，反向，在汽车上用作倒档。,五、换档执行机构工作原理,行星齿轮变速器的换档执行机构主要由离合器、制动器和单向离合器三种执行元件组成。离合器和制动器是以液压方式控制行星齿轮机构元件的旋转，而单向离合器则是以机械方式对行星齿轮机构的元件进行锁止。,1、离合器作用：连接轴和行星齿轮机构的旋转元件，或将行星排的的某两个元件连在一起，使之成为一个整体。组成：卡环：它安装在输入轴转鼓的卡环槽内，限制活塞的行程输出转鼓：其中心有齿形花键与输出轴相连，边缘有键槽钢片：是光板，外缘有矩形花键与输入轴转鼓内键槽相连摩擦片：内圆有花键，与行星齿轮某一元件相连接，其表面有铜基粉末冶金层或合成纤维层，以增大摩擦力。钢片与摩擦片相间排列，可轴向移动。弹簧座卡环：安装在输入轴卡环槽内。许多个回位弹簧沿圆周方向均匀分布。,示意图,实际离合器,工作原理：当离合器结合时，控制油压通过输入轴中心孔进入活塞，克服回位弹簧力将钢片和摩擦片压紧，产生摩擦力。这时动力从输入轴经过离合器传到输出轴，当需要离合器分离时，控制油压通过原来的管路排出，由于回位弹簧的作用，活塞回到初始的位置，摩擦片和钢片分离，动力不能传递。,离合器工作原理,离合器工作原理,动力传动路线,离合器的自由间隙：离合器处于分离状态时，离合器片之间有一定的轴向间隙，以保证钢片和摩擦片之间无轴向压力。,一般离合器的自由间隙为0.52.0mm。间隙大：离合器片磨损；间隙小：离合器片变形。间隙可用挡圈或压板调整。,磨损的摩擦片,离合器的安全阀：防止泄压后，残留油液在高转速时压向离合器片，使离合器接合，从而导致钢片和摩擦片间出现不正常滑磨。,单向球阀,离合器安全阀的工作,离合器所能传递的动力，或者说转矩的大小与摩擦片的面积、片数及离合器片间的压紧力有关。片间压紧力的大小由作用在离合器活塞上的油压及作用面积决定。一般上压紧力确定，从而离合器传递动力大小取决于摩擦片的面积和片数。,离合器压紧力控制,两种控制方式：双油路控制；双活塞控制,双活塞控制原理,2、制动器：分为片式制动器和带式制动器,作用：制动锁定旋转部件。1)片式制动器组成：,片式制动器的结构和功能与湿式多片式离合器基本相同，也是由后离合器鼓、离合器片、离合器盘、活塞及中心支承组成。不同点是：中心支承取代了离合器壳，而中心支承与变速器连为一体。制动器分离，活塞未压紧离合器盘片时，后离合器鼓可自由转动，活塞压紧离合器盘与片时，后离合器鼓与中心支承拼命，后离合器鼓被制动。,多片式制动器原理,液压作用,2)带式制动器,（1）组成：制动鼓、制动带、油缸。,制动鼓：它与行星齿轮的某一元件相连接。制动带：围在转鼓的外圆上，它的外表面是钢带，内表面有摩擦材料，制动带的一端用锁销固定在自动变速器壳体上，另一端与液压油缸的推杆相接触。油缸：它固定在自动变速器壳体上，其内部有活塞和推杆相连接。,带式制动器结构,（2）制动带的夹紧驱动装置（直杆式、杠杆式、钳形杆式）：直杆式：由活塞推动直杆，直杆带动顶杆夹紧制动带。,杠杆式：由活塞推动杠杆，杠杆推动顶杆夹紧制动带。,钳形杆式：驱动装置由活塞推动顶杆，顶杆又下压摇臂，摇臂带动推杆，推杆带动钳形杆，钳形杆弯曲收紧制动带的两个活动端，夹住鼓。,1、活塞 2、制动油缸3、顶杆 4、摇臂5、弹簧 6、调整螺钉和锁定螺母 7、支点销8、推杆9、制动带10、钳形杆,带式制动器液压伺服机构有两种类型：单向作用伺服机构：由活塞、弹簧、顶杆和一个液压缸组成。只能从一个方向加压推动活塞，泄压时靠弹簧弹力回位。,单向作用伺服机构（制动状态）,单向作用伺服机构（放松状态）,双向作用伺服机构：液压可分别施加在活塞两侧，既可以收紧制动带，也可以放松制动带。,制动带检查,3、单向离合器作用：在一定条件下固定行星排的某一基本元件。固定是单方向的。常见形式有两种：滚柱斜槽式和楔块式,六、典型行星齿轮变速器工作分析,(一）辛普森式行星齿轮变速器1、三档辛普森式行星齿轮变速器的结构和原理,执行机构分为七个换档执行元件:两个离合器，三个制动器与两个单向离合器,1.三档辛普森式,前进离合器C1；倒档及高档离合器C2；B1/F1为2档单向离合器制动器组合，2档强制制动器B2；倒档及低档制动器/单向离合器B3/F2,立体图,平面半示图,各档位时离合器和制动器的工作情况,1.曲轴 2.飞轮 3.涡轮 4.导轮 5.泵轮 6.制动器B1 7.离合器C1 8.离合器C2 9.前内齿圈10.后排行星齿轮架 11.制动器B2 12.单向离合器 13.输出轴停车齿轮 14.停车锁P 15.传动销 16.输出轴 17.行星齿轮 18.共公太阳轮 19.前排行星轮架 20.输入轴 21.油泵驱动齿,（1）空档N,C1/C2不工作,（2）停车档,3.倒档（R档）,执行元件：C2/B3动力：C2太阳轮行星轮逆转（B3作用于行星架不动）齿圈逆转 输出可以实现发动机制动传动比：2,前齿圈打滑；F1打滑；前行星架逆转；前行星轮逆转；,B3,倒档动力传递图,R档,执行元件,4.前进档D1档,执行机构为C1/F2动力经过C1从前排齿圈输入F2逆时针时锁死，从而将后排行星架固定。,传动比为(1 1 2)/1,工作过程,1）起步：车轮后齿圈前行星高速旋转，而前齿圈是发动机转速，较慢太阳轮组件高速（正）后行星架（正）后行星架（正）F1失效动力无法传递（相当于N)档）；2）慢速（二路同时工作）另一路：C1前齿圈前齿圈前行星架输出。,3）D1档不能利用发动机制动滑行：动力由车轮发动机关于发动机制动：利用发动机的低转速对高速滑行的车辆起牵制作用，要有发动机制动，动力必须可从车轮传到发动机上，D1档时，F1只能正向传递，所以无发动机制动。难点：太阳轮正转，后齿圈也正转，无论谁转速高，行星架也正转（顺），F1打滑。,1档动力传递路线：,D-1档工作原理（1）在D-1挡时，控制系统使离合器C0、C1接合，单向离合器F2参加工作。,5.手动1档（L位）,执行机构:C1与B3C1作用,动力从前排齿圈输入，前排行星架开始不动，太阳轮逆时针转动，后齿圈不动，则后行星架逆时针转动，B3制动，则动力由后齿圈及前行星架共同输出。传动比为同上,后排行星架无动力输入，不工作问题：虽然不工作但作何种运动？,手动1档,D1档与手动1档（L档）的区别,1、手动1档由B3取代了F2。在变速器在D1档时，汽车底盘的动力无法传递到发动机中。2、传动比相同必须掌握由驱动轮过来的力的传递路线。,输出轴 后齿圈 后行星架，B3作用固定 太阳轮逆时针转 前排行星架,前齿圈转得更快n1+(+1)n3,n1+n2-(+1)n3=0,6.D2档,1.执行元件：C1/B1/F12.动力：C1 前齿圈前行星架 输出要点：当发动机转速增加，相对于D1档而言，前行星架转速滞后，太阳轮有逆转的趋势，F1工作同时B1工作，即前行星架增速输出。,3.传动比为：（1 1）/14.前行星轮，后齿圈；后行星轮；F2打滑；太阳轮固定,齿圈输入，行星架输出，太阳轮固定,F1逆时针锁死,D2档工作演示,D2档工作元件,7.手动2档（2位2档）,执行元件C1B2要点：用B2代替了F1与B1，传动路线与传动比与D2档是一样的，区别在于可以利用发动机进行制动。制动路线为：前行星架相对于前齿圈高速正转，太阳轮顺时针转，而F1打滑，动力无法输入到发动机中，故而D2档不能利用发动机进行制动。若用B2则可制动太阳轮，动力将由前齿圈输入到发动机中。,动力：C1 前齿圈前行星架 输出分析发动机制动时，只要分析在对应D档位起作用的齿轮就行了,手动2档（2位2档）工作演示,注意：2位1档同D1档相同！,8.前进档3档（D位3档）,1执行元件C1/C22.动力：由C1与C2共同分别输入到齿圈与太阳轮（同速同向）行星架也同速同向输出3.传动比：14.可以实现发动机制动,5.前后行星轮无自转，只与行星架一起公转；后行星架同速同向转动，F1/F2顺时针下打滑；,D位3档工作演示,执行机构F1在换档质量上的体现,2档换3档，则要将C1B1F1转变为C1C2,即要将B1的制动解除，而将C2起作用。实质上运用了在D2档中F1锁止太阳轮的逆向运动，提速后C2作用利用了F1的顺时针打滑，而不干涉C2提前作用（或B1滞后)带来的负面作用。确保换档的平顺性,作业,(一班124号）D1及表2-2第2个图P28(一班24号以后）D2及表2-2第3个图P29(二班124号）D3 及表2-2第2个图P29(二班25号以后）D2及表2-2第3个图P29画平面图，执行元件，传递路线，传动比（要用公式计算出来）,2、四档辛普森式行星齿轮变速器的结构和原理,常见类型是在原有双排行星齿轮机构上，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。,四档辛森式行星齿轮变速器的结构（平面图）,D4档的超速传动原理,2位2档,C0C1B1B2F0F1,L位1档,3、两排行星轮实现四个档位的辛普森结构(理论）前后排太阳齿轮各自独立（但可以通过离合器连接在一起），前排内齿圈与后排行星齿轮架连成一体，这样两排行星齿轮组中的六个元件就变成为五个元件。,(a1+a2+1)/(1+a1),1.变矩器 2.油泵 3.制动器B1 4.离合器C1 5.离合器C2 6.前排行星轮 7.前排内齿圈 8.后排齿圈9.离合器C4 10.后排行星架 11.离合器C3 12.制动器B2 13.单向离合器F1 14.停车锁 15.停车制动齿轮 16.输出轴 17.单向离合器F1 18.后排行星轮 19.后排太阳轮 20.前排行星架 21.前太阳轮 22.输入轴,宝马系列辛普森改进型,执行器：D1:D3 D2:D4,丰田系列,执行器：D1:D3 D2:D4,奔驰系列,执行器：D1:D3 D2:D4,（二）拉维奈尔赫式行星齿轮变速器 拉维奈尔赫式行星齿轮机构与辛普森式行星齿轮机构齐名，从七十年代起，被奥迪、福特、马自达公司使用于自动变速器中，特别是前轮驱动车辆。结构特点：两行星排具有公共行星架和齿圈，前太阳轮、长行星轮、行星架及齿圈组成一个单行星轮行星排；,后太阳轮、短行星轮、长行星轮、行星架及齿圈组成双行星式行星排1、实际三档拉维奈尔赫行星齿轮变速器结构简图,（二）拉维奈尔赫式行星齿轮变速器 拉维奈尔赫式行星齿轮机构与辛普森式行星齿轮机构齐名，从七十年代起，被奥迪、福特、马自达公司使用于自动变速器中，特别是前轮驱动车辆。结构特点：两行星排具有公共行星架和齿圈，前太阳轮、长行星轮、行星架及齿圈组成一个单行星轮行星排；,后太阳轮、短行星轮、长行星轮、行星架及齿圈组成双行星式行星排1、实际三档拉维奈尔赫行星齿轮变速器结构简图,1.输入轴 2.离合器C2 3.制动器B1 4.单向离合器F1 5.制动器B2 6.长行星轮7.短行星轮 8.公共行星齿轮架 9.输出轴 10.公共内齿圈 11.后排太阳齿轮 12.前排太阳齿轮 13.单向离合器F2 14.离合器C3 14.离合器C1,（1）空档 所有的离合器、制动器均不工作,（2）D1档,D1档时的动力传递路线,该档位动力只能单向传递,（3）1档,1档时动力传递路线,该档位动力可双向传递,（4）D2档,D2档时动力传递路线,该档位动力只能单向传递,（5）手动2档（2位2档）,前排行星排相当于太阳轮锁定，行星架主动顺时针运转，则齿圈顺时针旋转。,手动2档时动力传递路线,该档位动力可双向传递,（6）3档,长短行星轮没有自转只能公转,3档时动力传递路线,该档位动力只能单向传递,（7）R档,R档时动力传递路线,该档位动力可双向传递,2、实际四档拉维奈尔赫行星齿轮变速器 在三档的基础上，在行星齿轮架和输入轴间增加了离合器C4构成。,从档位执行表可看出，在D1、D2档及1、2档、倒档元件工作同三档执行表。D3及O/D档、3档不同。,（1）D3档,D3档时动力传递路线,该档位动力只能单向传递，传动比为1,（2）3档,3档时动力传递路线,该档位动力可双向传递,（3）O/D档,O/D档时动力传递路线,注：该档位时离合器C1也接合，但不传递动力，因为单向离合器F2不工作（后排太阳齿轮转速高于输入轴）,O/D档时动力传递路线,注：该档位时离合器C1也接合，但不传递动力，因为单向离合器F2不工作（后排太阳齿轮转速高于输入轴）,