行星齒輪變速器結(jié)構(gòu)與工作原理.ppt

第三章行星齒輪變速器結(jié)構(gòu)與工作原理 學(xué)習(xí)目標(biāo) 掌握行星齒輪機(jī)構(gòu)變速原理掌握辛普森式自動變速器行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及自動換擋原理掌握拉威娜式自動變速器行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及自動換擋原理掌握自動變速器施力裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理 3 1齒輪傳動的一般規(guī)律 齒輪傳動的特點 優(yōu)點 傳動平穩(wěn) 可靠 效率高 壽命長 結(jié)構(gòu)緊湊 傳動速度和功率范圍廣缺點 制造 加工成本高 3 1 1齒輪傳動的組成組成 主動齒輪與從動齒輪齒輪傳動要求準(zhǔn)確平穩(wěn) 即要求在傳動過程中 瞬時傳動比保持不變 以免產(chǎn)生沖擊振動和噪聲 a 齒輪機(jī)構(gòu)實物b 齒輪機(jī)構(gòu)簡化圖圖3 1齒輪傳動機(jī)構(gòu) 圖3 2漸開線特性 圖3 3漸開線齒輪傳動特性 漸開線的性質(zhì) 1 發(fā)生線沿基圓滾過的線段長度等于基圓上被滾過的相應(yīng)弧長2 漸開線上任意一點法線必然與基圓相切 換言之 基圓的切線必為漸開線上某點的法線 3 漸開線齒廓上某點的法線與該點的速度方向所夾的銳角稱為該點的壓力角 4 漸開線的形狀只取決于基圓大小 5 基圓內(nèi)無漸開線 漸開線齒輪的力學(xué)分析 3 1 2齒輪的速比與傳動比 從公式可以獲知 若想獲得大的傳動比 必須相互嚙合的齒輪所擁有的齒數(shù)相差較大 又由于相互嚙合的齒輪模數(shù)相同 所以 必然兩個齒輪尺寸相關(guān)較大 這必然占據(jù)較大的布置空間 給機(jī)械設(shè)計帶來一定難度 為了解決這一難題 采用行星齒輪機(jī)構(gòu) 唯一的缺點是增加了工裝匹配難度 3 1 3齒輪的傳動規(guī)律漸開線齒輪傳動的可分性 漸開線齒輪的傳動比不受實際中心距的影響 迄今為止可分性是漸開線齒輪所獨有的特性 這對漸開線齒輪的加工 安裝和使用維護(hù)都是十分有利的 3 2行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與傳動原理 3 2 1行星齒輪機(jī)構(gòu)的組成 圖3 5單排行星齒輪機(jī)構(gòu)1 太陽輪 2 行星輪 3 齒圈 4 太陽輪輸入軸 5 行星輪軸 6 行星架 7 行星架輸出軸 行星齒輪機(jī)構(gòu)的分類 按行星架上所安裝的行星齒輪的組數(shù)不同 分為單行星排和雙行星排 按行星齒輪組數(shù)不同 分為單排行星齒輪機(jī)構(gòu)和多排行星齒輪機(jī)構(gòu) 3 2 2單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律無任何元件固定 無固定傳動比固定某一元件 有固定傳動比固定兩元件 三元件一同旋轉(zhuǎn) 3 2 3行星齒輪機(jī)構(gòu)的變速原理 圖3 6單排行星齒輪機(jī)構(gòu)各種傳動方案 在單排行星齒輪機(jī)構(gòu)中 行星輪只起中間輪作用 因此單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動比取決于太陽輪齒數(shù)Z1和內(nèi)齒圈齒數(shù)Z2 與行星齒輪的齒數(shù)無關(guān) 即內(nèi)齒圈與太陽輪的齒數(shù)比為 Z2 Z1因Z2 Z1所以 1 則行星齒輪機(jī)構(gòu)的一般運(yùn)動規(guī)律可表達(dá)為 1 將內(nèi)齒圈固定 以太陽輪為主動件 行星架為從動件 傳動比為1 即可獲得減速傳動 且 2 2 將太陽輪固定 以行星架為主動件 內(nèi)齒圈為從動件 i 1 即可獲得增速傳動 0 5 i 1 3 將行星架固定 以太陽輪為主動件 內(nèi)齒圈為從動件 i 即可獲得減速反向傳動 4 將內(nèi)齒圈固定 以行星架為主動件 太陽輪為從動件 可獲得增速傳動 i 0 5 5 將太陽輪固定 以內(nèi)齒圈為主動件 行星架為從動件 i 1 1 是2 的逆?zhèn)鲃?即可獲得減速傳動 0 5 i 1 6 將行星架固定 以內(nèi)齒圈為主動件 太陽輪為從動件 i 1 是3 的逆?zhèn)鲃?可獲增速反向傳動 表3 1行星齒輪機(jī)構(gòu)傳動方案選配表 3 2 4多排行星齒輪機(jī)構(gòu) 圖3 7多排行星齒輪機(jī)構(gòu)1 前齒圈 2 前行星輪 3 前行星架和后齒圈組件 4 前后太陽輪組件 5 后行星輪 6 后行星架 表3 2雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)傳動方案特性表 3 2 5行星齒輪傳動的優(yōu)缺點 優(yōu)點 體積小 質(zhì)量小 結(jié)構(gòu)緊湊 承載能力大 傳動效率高 傳動比較大 可實現(xiàn)運(yùn)動的合成與分解 運(yùn)動平穩(wěn)缺點 材料價格高 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 制造安裝困難 3 3行星齒輪變速器的換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理 3 3 1離合器1 離合器的作用 變速器動力的輸入或輸出 其功能等于普通機(jī)械變速器的離合器 連接行星齒輪機(jī)構(gòu)中的兩個部件 使行星齒輪機(jī)構(gòu)等速傳動 2 離合器的組成 圖3 8自動變速器離合器 3 離合器的工作過程 各鋼片與摩擦片壓緊接合在一起時 具有共同轉(zhuǎn)速并傳遞相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩 芯體或殼體可以與輸入軸 輸出軸 太陽輪 內(nèi)齒圈 行星架 單向離合器中任意一個部件直接或間接相連 通過殼體或芯體可將輸入 力矩及轉(zhuǎn)速 導(dǎo)入或?qū)⑤敵?變換后的力矩及轉(zhuǎn)速 導(dǎo)出 也可將行星齒輪機(jī)構(gòu)中的任兩個元件連接一起 實現(xiàn)直接傳動 卸去油壓時 活塞在回位彈簧作用下返回原位 鋼片和摩擦片自由分離 但這種分離不徹底 活塞在彈射作用下處于左極限位置 鋼片和摩擦片之間有一定的間隙 此時動力傳遞路線被切斷 壓力油經(jīng)油道進(jìn)入活塞左腔室后 液壓作用力克服彈射張力使活塞右移 將所有的鋼片和摩擦片依次壓緊 離合器接合 傳遞動力 3 3 2制動器自動變速器中制動器 也稱換檔制動器 與汽車普通制動器作用不同 它不是用來阻止動力輸出 而是根據(jù)行星齒輪機(jī)構(gòu)的特性 限制三個基本元件之一不能轉(zhuǎn)動 并與離合器相互配合作用 實現(xiàn)不同的傳動比 3 3 2制動器1 制動器的分類及組成 濕式多片制動器 濕式多片離合器鋼片固定在輸出軸 不同之處是制動器鋼片固定在自動變速器殼體上 僅能軸向移動而不能轉(zhuǎn)動 制動器是從上方進(jìn)油 進(jìn)油孔在變速器殼體上 離合器是從中間旋轉(zhuǎn)進(jìn)油 進(jìn)油孔在軸上 與濕式多片離合器的不同點 圖3 9片式制動器結(jié)構(gòu)及工作原理 帶式制動器 圖3 10帶式制動器結(jié)構(gòu) 由制動帶和伺服裝置組成 按變形能力分 制動器伺服裝置 間接作用式 直接作用式 制動帶開口的一端支承于推桿端部 活塞桿通過杠桿控制推桿的動作 由于采用杠桿結(jié)構(gòu)將活塞作用力放大 制動力矩進(jìn)一步增加 制動帶開口處的一端通過搖臂支承于固定在變速器殼體的支承銷上 另一端支承于油缸活塞桿端部 2 離合器和片式制動器的區(qū)別 所連接元件 離合器連接軸 離合器可連接行星排中所有元件 所連接元件數(shù)量 離合器最多可連接兩個行星排元件 一組制動器只能固定一個 離合器是旋轉(zhuǎn)的 制動器是固定的 3 3 3單向離合器內(nèi)座圈與外座圈只能相對一個方向旋轉(zhuǎn) 而反方向則鎖止不能旋轉(zhuǎn) 圖3 11滾柱式單向離合器1 外座圈 2 滾子 3 彈簧 4 內(nèi)座圈 單向離合器的內(nèi)外圈其中一個靜止 另一個反向旋轉(zhuǎn)時 其鎖止功能相當(dāng)于制動器 單向離合器有兩種類型 滾柱式和楔塊式 滾柱式 楔塊式 圖3 12楔塊式單向離合器1 外座圈 2 卡塊 3 彈簧 4 內(nèi)座圈 楔塊式單向離合器的鎖止方向取決于楔塊的安裝方向 離合器 制動器 單向離合器統(tǒng)稱為自動變速器行星齒輪機(jī)構(gòu)換檔執(zhí)行元件或施力元件 單向離合器的工作性能對變速器的換檔品質(zhì)有很大影響 自動變速器通過行星齒輪系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作實現(xiàn)換檔 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈敏性直接影響換檔的平順性 單向離合器具有靈敏度高的優(yōu)點 可瞬間鎖止 或解除鎖止 從而大大提高了換檔時機(jī)的準(zhǔn)確性 另外 單向離合器不需要附加的液壓或機(jī)械操縱裝置 結(jié)構(gòu)簡單 不易發(fā)生故障 3 4典型行星齒輪傳動原理及工作分析 3 4 1拉威娜式行星齒輪傳動原理 圖3 13拉威娜式行星齒輪變速機(jī)構(gòu)1 小 前 太陽輪 2 行星架 3 短行星輪 4 長行星齒輪 5 齒圈 6 大 后 太陽輪 工作過程 1 小太陽輪輸入 行星架固定 短行星輪反轉(zhuǎn) 長行星輪正轉(zhuǎn) 內(nèi)齒圈正向減速 短行星輪反轉(zhuǎn) 長行星輪正轉(zhuǎn) 大太陽輪反向減速 小陽輪正轉(zhuǎn) 2 行星架輸入 小太陽輪固定 行星架繞太陽輪正轉(zhuǎn) 短行星輪正轉(zhuǎn) 長行星輪反轉(zhuǎn) 齒圈正轉(zhuǎn) 3 小太陽輪與行星架固定 一同輸入 兩個元件固定在一起 由于行星輪不能自轉(zhuǎn) 輸入與輸出同步 拉威娜式自動變速器的結(jié)構(gòu)特點 圖3 14拉威娜式自動變速器行星齒輪機(jī)構(gòu) 行星架 小行星輪 大行星輪均可作為輸入 齒圈作為輸出 小太陽輪的軸和行星架軸向右反向從空心的大太陽輪軸穿出 輸入有三種方式 齒圈固定為輸出 1 拉威娜式行星齒輪機(jī)構(gòu)的施力裝置 1 前進(jìn)檔離合器C1 驅(qū)動小太陽輪2 直接檔及倒檔離合器C2 驅(qū)動大太陽輪3 強(qiáng)制低檔離合器C3 驅(qū)動小太陽輪4 超速檔離合器C4 驅(qū)動行星架5 2檔及4檔制動器B1 固定大太陽輪6 低速檔及倒檔制動器B2 固定行星架7 低檔單向離合器F1 單方向固定行星架8 前進(jìn)擋單向離合器F2 連接輸入軸與小太陽輪 2 拉威娜式自動變速器齒輪機(jī)構(gòu)動力傳遞路線1 行星架制動 小太陽輪輸入傳動路線 小太陽輪 短行星齒輪 長行星齒輪 僅有自轉(zhuǎn) 內(nèi)齒圈 輸出軸 此變速結(jié)果為同向減速傳動 2 大太陽輪制動 小太陽輪輸入傳動路線 小太陽輪 短行星齒輪 長行星齒輪 隨行星架公轉(zhuǎn) 內(nèi)齒圈 輸出軸 此變速結(jié)果為同向減速傳動 3 大太陽輪制動 行星架輸入傳動路線 行星架 長行星齒輪 隨行星架公轉(zhuǎn) 內(nèi)齒圈 輸出軸 此變速結(jié)果為同向增速傳動 4 行星架制動 大太陽輪輸入傳動路線 大太陽輪 長行星齒輪 僅有自轉(zhuǎn) 內(nèi)齒圈 輸出軸 此變速結(jié)果為反向減速傳動 1 D位一檔傳動路線 圖3 16D位1擋傳動路線示意圖C1 前進(jìn)擋離合器 F1 低擋單向離合器 F2 前進(jìn)擋向離合器 小太陽輪 短行星齒輪 長行星齒輪 內(nèi)齒圈 輸出軸 長行星齒輪在帶動內(nèi)齒圈順時針轉(zhuǎn)動的同時 對行星架產(chǎn)生逆時針力矩 F1在逆時針方向合行星架固定 此時 發(fā)動機(jī)的動力經(jīng)輸入軸 小太陽輪 短行星齒輪 長行星齒輪傳給內(nèi)齒圈和輸出軸 2 D位2檔傳動路線 圖3 17D位2擋傳動路線示意圖C1 前進(jìn)擋離合器 F2 前進(jìn)擋向離合器 B1 2擋及4擋制動器 小太陽輪 短行星齒輪 長行星齒輪 內(nèi)齒圈 輸出軸 大太陽輪被制動器B1固定 長行星輪在順時針轉(zhuǎn)動 同時還將朝順時針方向公轉(zhuǎn) 帶動內(nèi)具圈和輸出軸以時針轉(zhuǎn)動 發(fā)動機(jī)動力由小太陽輪經(jīng)短行星齒輪 長行星齒輪傳遞至內(nèi)齒圈和輸出軸 將動力輸出 3 D位3檔傳動路線 圖3 18D位3擋傳動路線示意圖C1 前進(jìn)擋離合器 C2 直接擋及倒擋離合器 F2 前進(jìn)擋向離合器 C1 C2同時接合 F2鎖止 使輸入軸同時和小 大太陽輪相連接 大 小太陽輪同時隨輸入軸轉(zhuǎn)動 短行星輪和長行星輪不能作自轉(zhuǎn) 只能同小 大太陽輪一起公轉(zhuǎn) 同時帶動行星架以相同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動 此時內(nèi)齒圈和前后排行星排所有元件作為整體 此時傳動比為1 為直接檔傳動 4 D位4檔傳動路線 圖3 19D 4擋傳動路線示意C3 超速擋離合器 B1 2擋及4擋制動器 行星架 長太陽輪 內(nèi)齒圈 輸出軸 大太陽輪被B1固定 行星架又帶動長行星輪順時針自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn) 其公轉(zhuǎn)特性可使內(nèi)齒圈和輸出軸順時針同步轉(zhuǎn)動 而自轉(zhuǎn)特性可使內(nèi)齒圈和輸出軸相對輸入軸順時針加速傳動 它的傳動比小于1 為超速檔 雖然C1接合 但F2內(nèi)圈轉(zhuǎn)速高于外圈 所以不影響傳動 5 倒檔傳動路線 圖3 20R 倒 擋傳動路線示意圖C2 直接擋及倒擋離合器 B2 低擋及倒擋制動器 大太陽輪 長行星輪 內(nèi)齒圈 輸出軸 由于行星架被固定 長行星齒輪不能自轉(zhuǎn) 從而帶動內(nèi)齒圈和輸出軸朝逆時針方向減速傳動 實現(xiàn)倒檔 6 L1檔傳動路線 圖3 21L1擋傳動路線示意C3 強(qiáng)制低擋離合器 B2 低擋及倒擋制動器 動力傳動與D1相同 驅(qū)動輪可通過變速器反拖發(fā)動機(jī) 利用發(fā)動機(jī)制動 表3 3拉威娜自動變速器施力裝置作用表 3 4 2辛普森式行星齒輪傳動原理 圖3 22辛普森自動變速器結(jié)構(gòu) 1 四速辛普森式汽車自動變速器的施力裝置 1 B0 固定超速行星排的太陽輪2 C0 連接超速行星排的齒圈與行星架3 F0 連接超速行星排的齒圈與行星架4 C1 連接前傳動軸與后傳動軸5 C2 連接前傳動軸與太陽輪6 B1 固定太陽輪7 B2 固定F1外圈 與F1配合限制太陽輪逆時針轉(zhuǎn)動8 F1 連接B2與太陽輪 限制太陽輪逆時針轉(zhuǎn)動9 B3 連接殼體與前行星架10 F2 連接殼體與前行星架 2 辛普森式行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動路線 D位1檔傳動路線 動畫演示 超速檔離合器 前進(jìn)檔離合器 1檔單向離合器 C0將超速檔的太陽輪和行星架連擋在一起 使超速檔行星排以直接檔形式輸出 前行星架固定不動 各行星輪正向旋轉(zhuǎn) 帶動前齒圈和后行星架正向旋轉(zhuǎn) 后行星架的運(yùn)動是兩種運(yùn)動的合成 F2限制前行星架反向旋轉(zhuǎn) D位2檔傳動路線 2檔單向離合器 2檔制動器 B2固定F1外殼 F1防止太陽輪反向旋轉(zhuǎn) 太陽輪固定不動 后齒圈直接帶動后行星輪減速輸出 變速器形成2檔 超速檔制動器 前進(jìn)檔離合器 D位3檔傳動路線 行星排的三個元件中有兩個元件連接在一起 復(fù)合行星排就形成了直接檔 高速及倒檔離合器 前進(jìn)檔離合器 超速檔離合器 D位4檔傳動路線 超速檔 動畫演示 超速檔行星排為超速檔 復(fù)合行星排是直接檔 超速檔制動器 高速及倒檔離合器 前進(jìn)檔離合器 B0固定住超速檔行星排的太陽輪 此時行星架輸入 內(nèi)齒圈輸出 形成超速檔 強(qiáng)制 手動 2檔傳動 2位1檔傳動路線同D位1檔 該檔位同樣沒有發(fā)動機(jī)制動 但隨下坡車速增加 變到2位2檔 有發(fā)動機(jī)制動 限制了下坡車速 前進(jìn)檔離合器 超速檔制動器 強(qiáng)制 手動 1檔傳動路線 動畫演示 強(qiáng)制1檔與強(qiáng)制2檔類似 僅僅適合于更陡的長坡或低速大負(fù)荷工況 與D位1檔的區(qū)別是 不需要單向離合器 而是通過強(qiáng)制1檔及倒檔制動器B3直接鎖止前行星架 前進(jìn)檔離合器 超速檔制動器 強(qiáng)制1檔及倒檔制動器 倒檔傳動路線 動畫演示 超速檔制動器 高速及倒檔離合器 強(qiáng)制1檔及倒檔制動器 超速檔行星排為直接檔 復(fù)合行星排為倒檔 變速器以倒檔形式輸出 表3 4辛普森自動變速器施力裝置作用表 3 行星齒輪兩端布置機(jī)構(gòu)的辛普森式四檔自動變速器 行星齒輪兩端布置是另一種典型辛普森式四檔自動變速器 采用這種結(jié)構(gòu)的變速器的具體型號為 豐田公司的A 340系列 A 350系列 A 140系列 A 240系列 U240系列 A 540系列 A 650系列 A 750系列 沃爾沃AW40 克萊斯勒AW 4 42RE 44RE 44RE 44HE 其變速原理與前者基本相同 僅僅是復(fù)合行星輪布置問題 兩個行星輪排功能互換 各施力裝置的名稱有所變化 見表3 5 表3 5兩種辛普森自動變速器復(fù)合行星排施力裝置區(qū)別表 圖3 29兩端布置辛普森式4擋自動變速器半剖圖 本章作業(yè) 3 1 3 4若辛普森式自動變速器太陽輪齒數(shù)為12 齒圈齒數(shù)為24 試計算該變速器二檔速比