行星齿轮机构在汽车自动变速器中的应用.doc

行星齿轮机构在汽车自动变速器中的应用张宏宇（鞍山技师学院 机械工程系机械维修教研室，辽宁 鞍山 114020）摘 要：通过对行星齿轮机构组成与原理的分析、内部主要控制装置的说明、3 速行星齿轮机构工作过程的展现，在一定程度上为汽车维修技术理论教学与实习指导过程提供了专业参考。关键词：汽车;自动变速器；行星齿轮机构；组成；控制装置中图分类号：U463.212+.2文献标识码：B文章编号：1672-545X（2011）04-0158-04汽车自动变速器，是现代中高档轿车、工程机械、高通过性的越野汽车等车辆传动系的重要组成 部件。其实现了在不同车速工况下，将发动机的转矩与转速平稳、柔顺地传递给后继传动零件，便于实现 增、减档的自动化与半自动化，因而在现代汽车工业中得到了广泛的应用。行星齿轮机构，是汽车自动变速器中的重要装 置。其具有结构紧凑、传递功率大、传动比个数多、装配精度高及维修难度大等特点。1.2变速排档原理（1）N 空档。单个行星齿轮组，可以通过控制单个元件，得到一个特定的输出和空档（如图 2）。太阳齿轮与动力输入轴相连接，作为主动件，行星齿轮架 与动力输出轴相连接，作为从动件，内齿圈不固定。当太阳齿轮动力输入轴顺时针转动时，行星齿轮围绕它们行星架上的轴逆时针空转，并使内齿圈沿着 其支承轴座逆时针转动。行星齿轮空转时，没有转速传到行星齿轮架动力输出轴上，从而可以得到自动变速器的 N 空档状态。1单个行星齿轮机构汽车自动变速器中的 3 个前进档、倒车档与空档的组成，是由前、后两组行星齿轮机构所决定的。它们从前至后沿着纵向水平排列，前行星齿轮与前 内齿圈和前、后太阳齿轮相啮合，而后行星齿轮与后内齿圈和前、后太阳齿轮相啮合。1.1机构的组成单个行星齿轮机构如图 1 所示，主要由内齿圈、太阳齿轮、行星齿轮所组成。在行星齿轮轴上有行星 齿轮架，将行星齿轮连为一体。如果将组件中的任何一个固定住，而通过其他元件实现动力输入和输出，就能达到加速、减速或者改变旋转方向的目的。图 3D1 档示意图图 2 N 空档示意图（2） D1 档（如图 3）。制动器在变速器壳体上的固定端被设置在内齿圈周围，对它进行制动而使内 齿圈静止。如果太阳齿轮作为主动件顺时针转动，行 星齿轮就不再空转，它们必须在静止的齿圈内逆时针运转。行星齿轮架作为从动件，则被行星齿轮带动下沿着顺时针方向转动。但是，其转速变低而扭矩增大。（3）D2 档（如图 4）。如果固定太阳齿轮，内齿圈 作为主动件，行星齿轮架作为从动件。当内齿圈沿顺时针方向转动的时候，行星齿轮围绕太阳齿轮顺时 针既公转又自转，就带动行星齿轮架也沿顺时针方向转动，而且行星齿轮架的转速比内齿圈的转速要低，实现减速传动。制动器内齿圈支承轴座行星齿轮 架动力输 出轴行星齿轮太阳齿轮动力输入轴太阳齿轮行星齿轮架内齿圈图 1 单个行星齿轮机构结构图收稿日期:2011-01-12作者简介：张宏宇（1976 ），男，辽宁鞍山人，讲师，工学学士，主要讲授汽车维修及机械基础等专业理论课与实习指导课装备制造技术2011 年第 4 期功率传送至主传动机构。其能够根据行车条件提供数种传动比，以便汽车行驶时获得适当的扭矩和车 速。而控制行星齿轮工作的主要装置，是由液体液压 来操纵的制动器和离合器。2.1 制动器的功用与结构制动器能固定住行星齿轮机构的一个部件，使 其不能运动，从而获得必要的传动比。制动器的结构 主要有两种形式，一类是带式制动器，另一类为湿式 多片制动器。（1）带式制动器（如图 7）。这种制动器靠制动带 缠绕在制动鼓上，而制动鼓与行星齿轮组中某个部 件连为整体。当受到液压操纵的时候，活塞和推杆就 会使制动带箍进在制动鼓上，使制动鼓不能转动，从 而使行星齿轮组的这一部件不能运动。图 4 D2 档示意图图 5 D3 档示意图 图 6 R 倒档示意图（4）传动比为 1:1 的 D3 直接档或加速档（如图5）。可以通过将行星齿轮机构中两个元件锁为一体 来实现，为此，使用多片式离合器。离合器盖和外部 离合器片与内齿圈相接触，处于离合器盖中内部的 离合器片与行星齿轮架相结合。当液压油作用在离 合器活塞上时，这些离合器片被固定在一起，这就将 行星齿轮架与内齿圈锁止在一起了。如果使行星齿 轮架作为主动件，而内齿圈作为从动件，行星齿轮可 以在太阳齿轮与内齿圈之间游动公转，整个齿轮机构 作为一个整体运转。当行星齿轮架顺时针方向转动的 时候，就带动内齿圈与太阳齿轮也沿顺时针方向转 动。从而实现加速传动，以得到一个直接档或加速档。（5）R 倒档（如图 6）。内齿圈与动力输出轴相连 接，而行星齿轮架通过一个制动带被固定。如果固定 行星齿轮架，太阳齿轮作为主动件，内齿圈作为从动 件，当太阳齿轮沿顺时针方向转动的时候，行星齿轮 围绕它们行星架上的轴逆时针自转，并带动内齿圈 沿着逆时针方向转动，从而达到改变动力输出方向 的目的，获得了 R 倒档状态。这时内齿圈的转速，低 于太阳齿轮的转速，因此同时内齿圈也得到减速。1.3 转速与转向规则行星齿轮机构的转速和旋转方向，可以总结如 表 1 所列。通过制动器固定其中一个元件，而使另外 两个元件作为动力输入或输出，就能达到减速和加 速，以及改变旋转方向而输出的目的。表 1 行星齿轮机构的转速和旋转方向表制动带推杆活塞体制动鼓壳体固定端卸压出油门加压进油口回位弹簧图 7 带式制动器结构图带式制动器的制动带，缠绕于制动鼓的外圆上，制动带的一端用锁销固定在变速器壳体上，而另一 端与液压操纵的制动分泵活塞机构相接触。制动分 泵活塞压缩内弹簧，而使活塞连杆运动。为了使制动 带与制动鼓之间的间隙能够调节，有两种长度的活 塞连杆提供选择。当液压施加在活塞时，活塞向左边 运动，压缩外弹簧，从而推动活塞连杆一起移动，使 得制动带就箍紧在制动鼓上，使其无法转动。当活塞 加压的液体油流出的时候，活塞和活塞连杆由于外 弹簧的弹力而被推回去，这样制动鼓和制动带就松 开了。（2）湿式多片制动器（如图 8）。这种制动器的制 动片，固定在变速器的壳体上，而制动盘则与各个行 星齿轮组中的某个部件一起转动。当受到液压的作 动时，制动盘和制动片紧密地挤压在一起产生摩擦 力，从而使行星齿轮组中的一个部件不能运动。湿式多片制动器制动时，如图所示活塞缸受到 液压油作用，活塞在缸中运动使得制动片和制动盘 相互挤压而产生摩擦力，结果就使得行星齿轮的齿 轮架，锁定在变速器的壳体上。而当加压的液体被排2行星齿轮机构的主要控制装置行星齿轮机构安装于汽车自动变速器壳体内，其功能是改变输出轴的转速及转动方向，并将输出159固 定主动件从动件转速转向内齿圈太阳齿轮行星齿轮架减速与主动件同向行星齿轮架太阳齿轮加速太阳齿轮内齿圈行星齿轮架减速与主动件同向行星齿轮架内齿圈加速行星齿轮架太阳齿轮内齿圈减速与主动件反向内齿圈太阳齿轮加速Equipment Manufactring Technology No.4，2011出活塞缸时，由于回位弹簧的作用，活塞返回至原来的位置，使制动器松开。变速箱壳体片挤压在一起产生摩擦力，从而使两个行星齿轮的部件连在一起，按照同样的方向与相同的速度转动。离合器的工作过程中，当加压的液压油输入时， 作用至活塞缸中，就推动了活塞止逆球，使其关闭单向阀，从而在加压油的作用下活塞在缸内运动，使得 内摩擦片和离合器盘外摩擦片紧密地接触在一起产 生摩擦力。因而使得驱动中间轴的动力，通过摩擦力而传送至行星齿轮组的内齿圈。当卸掉油压时，缸内油压下降，止逆球由于离心 力的作用而离开底座，缸内油压又可以通过单向阀卸掉。在回位膜片弹簧的作用下，活塞返回到原位使 得离合器分开。制动片活塞制动盘行星齿轮架活塞缸制动湿式多片制动器结构图图 82.2 离合器的功用与结构离合器和制动器的主要区别在于，制动器是固 定行星齿轮的一个机构，使其不能转动。而离合器是 连接行星齿轮的两个部件，使其共同转动。离合器的结构同样有两种形式，一种是单向超越离合器，另一 种为湿式多片离合器。（1）单向超越离合器（如图 9）。这种单向超越离合器，由外齿圈、内座圈以及中间的楔块等组成，其 只能沿一个方向传送扭矩。单向超越离合器通过制动器运作，用于防止前、后太阳齿轮逆时针方向转 动，和防止后排行星齿轮架逆时针方向转动。单向超 越离合器的内座圈固定在变速器的壳体上，而外齿圈则与后行星齿轮架相啮合。当后行星齿轮架逆时针方向转动的时候，就可以 自由转动。而当后行星齿轮架逆顺时针转动时，由于单向超越离合器的作用，而使之锁住，使其不能顺时 针方向转动。如果没有单向超越离合器，则中间轴的功率始终和发动机传过来的动力相结合。在离合器或制动器 分离、制动的瞬间，就会产生换档的振动。有了单向超越离合器之后，从中间轴所传出来的功率就不能 反传至发动机，从而保证了自动变速器的换档平顺。外摩擦力离合器壳内摩擦力内齿圈动力输出活塞行星齿轮架驱动中间轴加压油口单向阀止逆球太阳齿轮行星齿轮膜片弹簧图 10 湿式多片离合器结构图3三速行星齿轮机构图 11 为三速行星齿轮机构结构图。中间轴为动力输出轴件，前、后排行星齿轮机构的太阳齿轮作为 一个整体而转动。前排行星齿轮的齿轮架和后排行 星齿轮的齿圈，分别通过花键和中间轴连接在一起。其中前进档湿式多片离合器 C1 用于连接输入 轴和前齿圈。直接档湿式多片离合器 C2 用于连接输入轴和前、后太阳齿轮。第二档带式制动器 B1 用于锁定前、后太阳齿 轮，使之既不能顺时针也不能逆时针方向转动。第三档湿式多片制动器 B2 和超越单向离合器 F1 共同作用锁定前、后太阳齿轮，使之不能逆时针方 向转动。第一档及倒档湿式多片制动器 B3 锁定后行星 齿轮架，使之既不能顺时针也不能逆时针转动。超越单向离合器 F2 锁定后行星齿轮架，使之不 能逆时针方向转动。在 P 驻车档的时候，没有离合器或制动器运作。在 R 倒车档的时候，湿式多片离合器 C2 和湿式 多片制动器 B3 作动。制动楔块内座圈减震片外齿圈图 9 单向超越离合器结构图（2）湿式多片离合器（如图 10）。此类离合器中的内摩擦片与行星齿轮组中的内齿圈联动，而离合器 盘外摩擦片则与行星齿轮组的驱动中间轴联动。当受到液压作动时，内摩擦片和离合盘外摩擦160装备制造技术2011 年第 4 期在 N 空档的时候，也没有离合器或制动器动作。在 D 前进档范围或者是 L 低速档范围的第一档时候， 湿式多片离合器 C1 和单向超越离合器 F2 作 动 。在 D 前进档范围内的第二档时候，湿式多片离合器 C1 和湿式多片制动器 B2 及单向超越离合器F1 作动。在 D 前进档范围内的第三档时候，湿式多片离 合器 C1、C2 和湿式多片制动器 B2 作动。在 L 低速挡范围里面的第二档时，湿式多片离 合器 C1、带式制动器 B1、湿式多片制动器 B2 和单向超越离合器 F1 作动。在 L 低速挡范围中，自动变速器不能增至第三档，只能在第一、二档行驶，这时湿式多片离合器 C1、湿式多片制动器 B3 和单向超越离合器 F2 动作。4结束语总之，汽车自动变速器是集成机械、液压、电子三位技术于一体的系统复杂装置，而行星齿轮机构 正是这部装置中的“骨架”。在历经近 40 年的发展与 应用中，典型的机构设置与控制作动，依然发挥着其 特有的优势。随着新车型对其传动系有了更高的性 能要求，行星齿轮机构必将在汽车自动变速器中，有着更为广阔的应用范围。后行星齿圈C2中间轴主动齿轮F2B2C1B1B3参考文献：1 杜瑞丰，李忠凯. 汽车底盘构造与维修M. 北京：高等教育 出版社，2002.2 刘世文. 日本车系维修资料大全M. 辽宁：辽宁人民出版社，1996.3 R 格斯汉德勒，博纳 马克思. 汽车技术专长M. 德国斯图 加特：福尔默出版有限公司，2001.F1前后太阳齿轮前行星齿轮架中间轴输入轴后行星齿轮架图 11 三速行星齿轮机构结构图The Planetary Gear Automatic Transmission in the Automotive ApplicationsZHANG Hong-yu（Technicians are working at the Institute of Mechanical Engineering, Anshan Liaoning 114020，China）Abstract：This article, through the planetary gear mechanism and principle component analysis, internal description ofthe main control unit, 3-speed planetary gear mecha