行星齿轮辅助变速器结构原理

周达福

(黑龙江省收费公路管理局牡丹江管理处磨刀石收费所)

1 行星齿轮机构及其特点

最简单的行星齿轮机构由3个主要件组成,它们分别是中心轮、齿圈和行星架组件。顾名思义,中心轮的位置在行星齿轮机构的中央,机构的最外部分是其内缘上切有轮齿的内齿齿圈,至于行星架组件,则位于中心轮和齿圈之间。

行星架组件主要由几个可以在行星架销轴上转动的行星轮组成。一般情况下,行星轮置于一笼架之中,简单的行星齿轮机构仅有两个行星轮,但在自动变速器中真正使用的,则有三或四个行星轮。行星轮始终与中心轮和齿圈处于啮合状态,即便是换挡时,齿轮也不会像普通的手动变速器那样脱离啮合。在行星齿轮机构中,不仅齿轮始终保持啮合,而且三者还绕同一轴线旋转,这就意味着通过行星齿轮机构所发生的所有动力传递,都是沿着同一轴线进行的。

无论何时,只要行星齿轮机构中有一个齿轮被驱动,就会影响到其他所有的齿轮。在动力传递的过程中,一旦夹持固定住第二个部件而驱动第一个部件,则必将带动第三个部件。而且,在行星齿轮机心轮构中,每一个部件都可起以上三种作用中的任一种,即既可作为输入件,又可作为输出件,还可作为固定件。而输入、输出与固定件之间的不同组合搭配,将使机构的传动比发生一系列变化,同时,也会改变输出运动的方向。

汽车自动变速器之所以采用行星齿轮机构来作为其辅助变速器,是因为该机构具有以下一些特点。

(1)对机构中的不同部件予以固定,可获得不同的传动比和转动方向;

(2)机构中各部件都是同轴的,即各部件围绕同一公共轴线旋转,从而可以取消一般手动变速器中的中间轴和中间齿轮等;

(3)机构中各齿轮始终处于啮合状态,因而不会出现因换挡不到位等而引起的脱挡现象;

(4)机构中因承载齿数较多,因而齿面载荷低,工作可靠性高,使用寿命长;

(5)较一般齿轮机构更为小巧、紧凑。

2 简单行星齿轮系统

在简单行星齿轮机构的基础上,加入动力输入轴和输出轴,以及所需的制动器和离合器等,就构成了简单行星齿轮系统。下面,就来讨论一下在这样一个系统,或者说是一个简单的行星齿轮变速器中进行换挡的可能性。

假定用一根输入轴将发动机曲轴与行星齿轮机构的中心轮相连,而行星架则与输出轴相连,输出轴再经传动系统带动汽车的驱动轮,除此之外,绕齿圈的外缘装上一可收缩的制动带,作为夹持固定齿圈的制动器。

由于无任何部件被夹持固定,所以无动力传递发生,系统处于空挡工况。分析可知,当输入轴被发动机带动旋转时,中心轮也旋转,并经啮合的轮齿带动行星架上的行星轮,这时的行星架由于与汽车的传统系统相连,所以较之齿圈有更大的转动阻力矩,因而行星轮只好带动转动阻力矩较小的齿圈,沿与中心轮转向相反的方向做无任何实质意义的空转。

若收缩包绕齿圈的制动带,夹持住齿圈以防其发生转动,则形成了输入件是中心轮,齿圈被夹持固定,而余下的行星架必然是输出件的局面。这时,系统必产生减速传动,且输出件与输入件的转动方向一致,但输出的转速下降,扭矩增加。

至此,该系统或简单行星齿轮变速器,已经具有了空挡和低挡。在系统中加装一个多片离合器,便可以将输入轴与齿圈连接在一起,使中心轮与齿圈之间无相对运动发生。这样一来,若夹持固定齿圈的制动带松开,而多片离合器接合,那么,齿圈将与输入轴连在一起,由于实际上齿圈已通过多片离合器和输入轴与中心轮连在一起,同方向同转速的转动,而这种情形势必造成直接传动,所以,与输出轴相连的行星架不可避免地与输入轴同方向同转速,且等扭矩传递动力。

如上所述,借助于由一简单行星齿轮机构、一个多片离合器和一个制动器所组成的系统,便可设计出一不必改变齿轮之间的相互位置,就可得到空挡、低挡和直接挡变换的自动变速器。这种简单的行星齿轮系统的确在某些早期的汽车自动变速器中被采用过,例如,最早的液力自动变速器,即使用了数套独立的行星齿轮机构来产生四个前进挡和一个倒挡。而直到现在,仍有一些新自动变速器使用简单行星齿轮系统的例子,譬如,日本丰田汽车公司在其 A40D型自动变速器中,即单独使用一套行星齿轮机构来产生超速传动的四挡,但绝大多数的现代汽车自动变速器,使用的是复合行星齿轮机构。

3 复合行星齿轮机构

复合行星齿轮机构通常由数排(一般为两排)制造在一起的行星齿轮机构组成,目的是提供各种不同的组合情况,以实现各种传动。在现代汽车自动变速器中,常用的有辛普森(Simpson)复合行星齿轮机构和拉维尼克斯(Ravigneaux)复合行星齿轮机构。这两种机构是在几十种可能的方案中,通过综合法所选出的最著名的3挡独特结构。

辛普森机构由齿轮参数完全相同的两个简单行星排组成,其中,前、后两排共用一个中心轮,同时,前行星排的行星架与后行星排的齿圈共件。为清晰起见,用图 1给出了辛普森复合行星齿轮机构的简图。总起来说,辛普森机构以其简单、传动效率高以及运转平稳、噪声低等优点而著称,尤其因为其制造成本低而获得了广泛的应用。

拉维尼克斯机构则由两个中心轮、两套行星轮(其中的一套行星轮要较另一套为长)和一个齿圈组成,而且前、后行星排的行星架共件,前、后行星排的齿轮参数不完全相同。该机构最大的优点在于其易于控制。

图 1 辛普森机构简图

对广为人知的辛普森机构来说,其在汽车自动变速器中的初次使用是在 1956年美国克莱斯勒汽车公司推出的帝国(1mperial)轿车上,自那时起,该公司的自动变速器产品就一直排他性地专门使用这种复合行星齿轮机构。日本丰田汽车公司生产的汽车自动变速器中,采用的也是辛普森机构。虽然福特汽车公司在克莱斯勒汽车公司之前就已购买了使用辛普森机构的专利许可,但迟至1964年,该公司才开始在其产品中加以使用。如今,美国的通用和福特这两家大公司在其众多自动变速器产品中,既有使用辛普森机构的,也有使用拉维尼克斯机构的。