項目1辛普森結(jié)構(gòu)與工作原理

課題三項目1辛普森結(jié)構(gòu)與工作原理一、行星齒輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作原理1．行星齒輪機構(gòu)組成 最簡單的行星齒輪機構(gòu)由一個太陽輪，一個內(nèi)齒圈，一個行星架及若干個行星齒輪組成，一般稱為單排行星齒輪機構(gòu)。如圖3-1-1所示：圖3-1-1行星齒輪機構(gòu)1—齒圈；2—行星齒輪；3—行星架；4—太陽輪分類：1、按齒輪排數(shù)：單排行星齒輪機構(gòu)多排行星齒輪機構(gòu)2、按行星齒輪的組數(shù)單星行星排雙星行星排圖3-1-2行星齒輪機構(gòu)簡圖 圖3-1-3雙星行星排1-太陽輪；2-齒圈；3-行星架； 1-太陽輪；2-齒圈；3-行星架；

4-行星齒輪 4-外行星齒輪；5-內(nèi)行星齒輪2．單排行星齒輪機構(gòu)變速原理 設(shè)太陽輪、齒圈和行星架的轉(zhuǎn)速分別為n1、n2和n3，齒圈與太陽輪的齒數(shù)比為α。則根據(jù)能量守恒定律，由作用在該機構(gòu)各元件上的力矩和結(jié)構(gòu)參數(shù)可導(dǎo)出表示單排行星齒輪機構(gòu)一般運動規(guī)律的特性方程式：

n1+αn2-(1+α)n3=0

分別討論各種情況圖3-1-4行星齒輪機構(gòu)變速原理示意圖(l)太陽輪為主動件，行星架為從動件，齒圈固定。如圖3-1-4a所示。 特性方程中n2=0， 故有：n1-（1+α）n3＝0

傳動比：i=n1/n3=1+α

傳動比i大于1且為正值，因此同向降速。

主動太陽輪從動行星架行星小齒輪固定齒圈狀態(tài)1：同向減速，可獲得減速檔(2) 齒圈為主動件，行星架為從動件，太陽輪固定，如圖3-1-4b所示。特性方程中n1=O， 因此有=αn2-(1+α)n3＝O

傳動比i=n2/n3=(1+α)/α

傳動比i大于1且為正值，因此同向降速。固定太陽輪從動行星架行星小齒輪主動齒圈狀態(tài)2：同向減速，可獲得減速檔

(3)行星架為主動件，齒圈為從動件，太陽輪固定，如圖3-1-4c所示。 特性方程中nl=0,

因此有:αn2-(1＋α)n3=0

傳動比:i=n3/n2=α/(1+α)<1

傳動比i小于1且為正值，因此同向增速。固定太陽輪主動行星架行星小齒輪從動齒圈狀態(tài)3：同向增速，可獲得超速檔從動太陽輪主動行星架行星小齒輪固定齒圈狀態(tài)4：同向增速，可獲得超速檔(4)行星架為主動件，太陽輪為從動件，齒圈固定(5)太陽輪為主動件，齒圈為從動件，行星架固定，如圖所示。特性方程中n3=O， 因此有：nl＋αn2=0

傳動比：i=nl/n2=-α

因傳動比i為負值，所以反向傳力。主動太陽輪固定行星架行星小齒輪從動齒圈狀態(tài)5：反向減速，可獲得倒檔從動太陽輪固定行星架行星小齒輪主動齒圈狀態(tài)6：反向增速，汽車上不采用(6)齒圈為主動件，太陽輪為從動件，行星架固定(7)

任意兩元件互相連接，也就說n1等于n2或n2等于n3，則由運動特性方程可知，第三個基本元件的轉(zhuǎn)速必與前兩個基本元件的轉(zhuǎn)速相同，即行星排按直接檔傳動，傳動比1︰1。主動太陽輪從動行星架行星小齒輪主動齒圈狀態(tài)7：同向同速，直接傳動(8)任一個為主動件，無夾持部件，該機構(gòu)有兩個自由度，因此不論以哪兩個基本元件為主動件、從動件，都不能傳遞動力，處于空檔狀態(tài)。太陽輪行星架行星小齒輪主動齒圈狀態(tài)8：空檔

行星齒輪機構(gòu)的工作情況

狀態(tài)檔位固定部件輸入部件輸出部件旋轉(zhuǎn)方向1降速檔齒圈太陽輪行星架相同方向2超速檔齒圈行星架太陽輪相同方向3降速檔太陽輪齒圈行星架相同方向4超速檔太陽輪行星架齒圈相同方向5倒檔位（降速）行星架太陽輪齒圈相反方向6倒檔位（超速）行星架齒圈太陽輪相反方向7直接檔沒有任意兩個第三元件同向同速8空檔位沒有不定不定不轉(zhuǎn)動二、辛普森行星齒輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點

圖3-1-5辛普森式（Simpson)齒輪機構(gòu)1-輸入軸；2-前太陽輪；3-前行星齒輪；4-前行星架；5-前齒圈；6-后行星架；7-后齒圈；8-后行星齒輪；9-后太陽輪；10-輸出軸（一）結(jié)構(gòu)特點 辛普森式齒輪機構(gòu)的兩組單排行星齒輪機構(gòu)，分別將其稱為前行星齒輪機構(gòu)和后行星齒輪機構(gòu)。它可以提供空檔、第一降速檔、第二降速檔、直接檔和倒檔。辛普森行星齒輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)采用雙行星排，其結(jié)構(gòu)特點是：雙行星排有四個獨立元件，分別是：前排齒圈、前后太陽輪組件、后排行星架、前行星架后齒圈組件。前后兩個行星排的太陽輪連成一個整體，稱為太陽輪組件；前排的行星架和后排的齒圈連成一體，稱為前行星架后齒圈組件。前行星架和后齒圈組件通常與輸出軸相連。（二）簡圖圖3-1-6辛普森行星齒輪機構(gòu)簡圖1-前排齒圈；2-前行星輪；3-前行星架后齒圈組件；4-前后太陽輪組件；5-后行星輪；6-后行星架。三、辛普森行星齒輪機構(gòu)的工作原理

三檔辛普森式齒輪變速器設(shè)有五個換檔執(zhí)行元件：兩個離合器、兩個制動器、一個單向離合器。圖3-1-7辛普森式3檔行星齒輪變速器1-輸入軸；2-倒檔及高檔離合器鼓；3-前進離合器鼓和倒檔及高檔離合器毅；4-前進離合器毅和前齒圈；5-前行星架；6-前后太陽輪組件；7-后行星架和低檔及倒檔制動器鼓；8-輸出軸；C1-倒檔及高檔離合器；C2-前進離合器；B1-2檔制動器；B2-低檔及倒檔制動器；F1-低檔單向超越離合器

(b)換檔執(zhí)行元件的布置換檔執(zhí)行元件的工作情況(表3-1-1)

操縱手柄位置檔位換檔執(zhí)行元件C1C2B1B2F1D1●●2●●3

●●R倒檔●●S、L或2、11●2●●各檔的傳動路線和傳動比的計算

1．1檔D位1檔時，

C2和F1工作。輸入軸通過C2帶動前齒圈順轉(zhuǎn)，因前行星架和后齒圈與輸出軸相連在汽車起步前轉(zhuǎn)速為0（起步后轉(zhuǎn)速也為一個確定的低值），所以前行星輪在前齒圈的驅(qū)動下一方面朝順時針方向作公轉(zhuǎn)，帶動前行星架朝順時針方向轉(zhuǎn)動，另一方面作順時針方向的自轉(zhuǎn)，并帶動前后太陽輪組件朝逆時針方向轉(zhuǎn)動。在后行星排中，由于和輸出軸連接的后齒圈轉(zhuǎn)速很低，后行星輪在后太陽輪驅(qū)動下朝順時針方向作自轉(zhuǎn)時，對后行星架產(chǎn)生一個逆時針方向的力矩，而單向離合F1對后行星架在逆轉(zhuǎn)時具有鎖止作用，因此后行星架固定不動，使后齒圈在后行星輪的驅(qū)使下朝順時針方向轉(zhuǎn)動圖3-1-81檔時前后行星排的工作原理示意圖(a)前行星排（b）后行星排傳動比的計算：n11+ɑ1n12-（ɑ1+1）n13=0 （前排）n2l+ɑ2n22-（ɑ2+1）n23=0 （后排）式中：n23=0；n11=n22；n13=n22經(jīng)整理得：i=n12/n13=（1＋ɑ1＋ɑ2）/ɑ1思考：為什么操縱手柄位于D位時，1檔無發(fā)動機制動，而L位（或1位）時有發(fā)動機制動？L位（或1位）1檔時，C2、B2工作，動力傳遞及傳動比計算如前，只是在反向傳力時B2使后行星架固定，可以反向傳力，因此可以實現(xiàn)發(fā)動機制動。2．2檔

C2和B1工作。輸入軸經(jīng)C2帶動齒圈順轉(zhuǎn)，因前后太陽輪組件被B1制動而固定不動，所以帶動前行星架順轉(zhuǎn)輸出。此時后排處于自由狀態(tài)，動力只經(jīng)前排輸出（圖3-1-9）。 傳動比的計算：n11+ɑ1n12-(ɑ1+1)n13＝0

式中：n11=0

經(jīng)整理得：i=n12/n13=（ɑ1+1）/ɑ1在上述2檔狀態(tài)下，汽車滑行時驅(qū)動輪的反向力可經(jīng)行星齒輪變速器傳至發(fā)動機，即具有發(fā)動機制動作用。圖3-1-92檔時前后行星排的工作原理示意圖3．3檔

C2和C1工作。輸入軸通過C1、C2將前齒圈和前后太陽輪組件連接為一個整體。由于這時前行星排中有兩個基本元件互相連接，從而使前行星排固定地連成一體而同向旋轉(zhuǎn)，輸入軸的動力通過前行星排直接傳給輸出軸，其傳動比i3等于1(圖3-1-10)，即為直接檔。在3檔狀態(tài)下的行星齒輪變速器具有反向傳遞動力的能力，當汽車滑行時能實現(xiàn)發(fā)動機制動。圖3-1-103檔時前后行星排的工作原理示意圖4．倒檔

C1和B2工作。輸入軸經(jīng)C1帶動前后太陽輪組件順轉(zhuǎn)，在后排中因B2將后行星架制動，后行星架的轉(zhuǎn)速為0，從而帶動齒圈逆轉(zhuǎn)輸出。此時動力經(jīng)后排輸出，前行星排處在自由狀態(tài)（圖3-1-11）。傳動比的計算：

n2l＋ɑ2n22-(ɑ1+1)n23=0

式中：n23=0 i=n21/n22=-ɑ2

經(jīng)整理得：倒檔狀態(tài)，汽車有發(fā)動機制動作用圖3-1-11倒檔時前后行星排的工作原理示意圖5．空檔 離合器、制動器都不工作，液力變矩器的動力不能傳至行星齒輪變速器，變速器為空檔。（二）四檔辛普森行星齒輪變速器1、結(jié)構(gòu)四檔辛普森行星齒輪變速器由四檔辛普森行星齒輪結(jié)構(gòu)和換檔執(zhí)行元件兩大部分組成。四檔辛普森行星齒輪結(jié)構(gòu)由三排行星齒輪結(jié)構(gòu)組成，前面一排為超速行星排，中間一排為前行星排，后面一排為后行星排，之所以這樣命名是由于四檔辛普森行星齒輪結(jié)構(gòu)是在三檔辛普森行星齒輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因而沿用了三檔辛普森行星齒輪結(jié)構(gòu)的命名。輸入軸與超速行星排的行星架相連，超速行星排的齒圈與中間軸相連，中間軸通過前進檔離合器或直接檔、倒檔離合器與前后行星排相連。前后行星排的結(jié)構(gòu)特點是共用一個太陽輪，前行星排的行星架與后行星排的齒圈相連并與輸出軸相連。換檔執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括三個離合器、四個制動器和三個單向離合器共十個元件。圖3-1-12四檔辛普森行星齒輪變速器的結(jié)構(gòu)簡圖

圖3-1-13換檔執(zhí)行結(jié)構(gòu)2、各檔位動力傳輸流程

(1)空檔：B0、F0、C1、C2、B1、B2、B3、F1、F2不工作，動力無法傳遞。（5與6不通，5與9不通）(2)D－1檔：C0、F0、C1、F2工作

力過程：5－C1－6－8－11－12

9－13－7－10

F2防止前行星架14逆轉(zhuǎn)

反拖時：輸出軸轉(zhuǎn)速＞后內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速傳力過程：輸出軸順轉(zhuǎn)－后行星架順轉(zhuǎn)－行星齒輪逆轉(zhuǎn)－太陽輪順轉(zhuǎn)－前齒圈順轉(zhuǎn)－帶動前行星架順轉(zhuǎn)（此時F2不起作用，前行星齒輪不轉(zhuǎn)）－反拖力無法傳倒輸入軸。D-1檔無發(fā)動機制動傳力過程：5－C1－6－8－11－9－12－10后齒圈順轉(zhuǎn)帶動后行星齒輪順轉(zhuǎn)，試圖使太陽輪逆轉(zhuǎn)，由于太陽輪被B2、F1單向鎖止，故后行星齒輪繞太陽輪旋轉(zhuǎn)，并帶動后行星架順轉(zhuǎn)。此時前排行星齒輪機構(gòu)處于空載運行。(3)D－2檔：C0、F0、C1、B2、F1工作

反拖時：輸出軸轉(zhuǎn)速＞后內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速傳力過程：輸出軸順轉(zhuǎn)－后行星架順轉(zhuǎn)－行星齒輪逆轉(zhuǎn)－太陽輪順轉(zhuǎn)（此時F1不起作用）－前齒圈順轉(zhuǎn)－帶動前行星架順轉(zhuǎn)（F2不起作用，前行星齒輪不轉(zhuǎn)）－反拖力無法傳倒輸入軸。D-2檔無發(fā)動機制動(4)D－3檔（直接檔）：C0、F0、C1、C2、B2工作傳力過程：5－C1－6－8－

C2－9－－11－12－108與9同向同樣速度旋轉(zhuǎn)，后排行星齒輪機構(gòu)成為一個整體。反拖時：輸出軸轉(zhuǎn)速＞后內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速=太陽輪轉(zhuǎn)速傳力過程：輸出軸順轉(zhuǎn)－后行星架順轉(zhuǎn)－后內(nèi)齒圈順轉(zhuǎn)－太陽輪順轉(zhuǎn)－反拖力傳倒輸入軸。起發(fā)動機制動作用D-3檔發(fā)動機制動(4).D位4檔：C1、C2、B0、B2工作 傳力過程：1－15－3－2－5－C1－C2－10B0制動，超速太陽輪4被固定，架16主動，圈2從動，為超速檔。（5）2位1檔與D位的1檔相同。（6)2－2檔：C0、F0、C1、B1、B2、F1工作傳力過程：5－C1－6－8－11－9－12－10后齒圈順轉(zhuǎn)帶動后行星齒輪順轉(zhuǎn)，由于太陽輪被B1鎖止，故后行星齒輪繞太陽輪旋轉(zhuǎn)，并帶動后行星架順轉(zhuǎn)。此時前排行星齒輪機構(gòu)處于空載運行。

反拖時：輸出軸轉(zhuǎn)速＞后內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速傳力過程：輸出軸順轉(zhuǎn)－后行星架順轉(zhuǎn)、前齒圈順轉(zhuǎn)－前行星齒輪順轉(zhuǎn)－前行星架順轉(zhuǎn)－太陽輪固定（B1作用）－后行星齒輪順轉(zhuǎn)－后齒圈順轉(zhuǎn)－反拖力傳倒輸入軸。2-2檔發(fā)動機制動（7）L－1檔：C0、F0、C1、B3、F2工作

傳力過程：5－C1－6－8－11－129－13－710B3制動，前行星架14固定反拖時：輸出軸轉(zhuǎn)速＞后內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速傳力過程：輸出軸順轉(zhuǎn)－后行星架順轉(zhuǎn)、前齒圈順轉(zhuǎn)－前行星架固定（B3作用）－前行星齒輪順轉(zhuǎn)－太陽輪逆轉(zhuǎn)－后行星齒輪順轉(zhuǎn)－后齒圈順轉(zhuǎn)－反拖力傳倒輸入軸。L-1檔發(fā)動機制動第三節(jié)（8）P位

這時，有離合器C0和制動器B3工作，但離合器C1和C2都不工作，因此動力無法傳遞到后排行星齒輪機構(gòu)，處于空檔位置。此時制動器B3工作的原因是為了避免變速桿從P位移動到R位時，兩個液壓元件離合器C1和制動器B3同時工作不同步而引起的換檔沖擊。 為保證可靠停車，變速桿處于P位時，機械鎖止機構(gòu)將輸出軸上的外齒鎖住，如圖3-1-21所示。因而自動變速器的輸出軸和汽車的驅(qū)動輪都無法轉(zhuǎn)動，處于駐車制動工況，又稱停車檔。（9）R位

R位也稱倒檔，C0、C2、B3和F0等執(zhí)行機構(gòu)元件參與工作.傳力過程：5－C2－9－13－7－1011－12B3制動使行星架14固定，此時后排行星齒輪機構(gòu)處于空載狀態(tài)反拖傳力過程：輸出軸逆轉(zhuǎn)－前行星架固定（B3作用）－前行星齒輪逆轉(zhuǎn)－太陽輪順轉(zhuǎn)－反拖力傳到輸入軸。倒檔發(fā)動機制動（三）改進型四檔辛普森行星齒輪變速器傳動原理辛普森改進型行星齒輪機構(gòu)如圖3-1-23所示。采用雙排行星齒輪，其中的前齒圈仍然與后行星架連接并作為動力的輸出元件，因此仍然將其稱為辛普森行星齒輪機構(gòu)。但由于雙排行星齒輪不再共用太陽輪，因此將其稱為辛普森改講型輸入軸2-前太陽輪3-前齒圈4-前行星架5-前行星輪6-前進離合器C37-前進單向離合器F18-前進檔強制離合器C49-低、倒檔制動器B210-低檔單向離合器F211-后