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辛普森式行星齿轮变速机构

辛普森式行星齿轮变速器由辛普森行星齿轮机构及相应的换档执行元件组成。辛普森行星齿轮机构采用双行星排,其机构特点是:前后两个行星排的太阳轮连为一个整体,称为太阳轮组件;前排的行星架和后排的齿圈连接成一体,称为前行星架和后齿圈组件,输出轴通常与该组件相连。包括辛普森式三档行星齿轮变速机构和辛普森式四档行星齿轮变速机构。

辛普森式行星齿轮变速机构概述

辛普森式行星齿轮变速器从70年代开始,为通用、福特、克莱斯勒、丰田、日产等多家公司用于其汽车自动变速器上。
辛普森式行星齿轮变速器由辛普森行星齿轮机构及相应的换档执行元件组成。辛普森行星齿轮机构采用双行星排,其机构特点是:前后两个行星排的太阳轮连为一个整体,称为太阳轮组件;前排的行星架和后排的齿圈连接成一体,称为前行星架和后齿圈组件,输出轴通常与该组件相连(如图)。这样一来,该行星机构只具有四个独立元件:前排齿圈、前后太阳轮组件、后排行星架、前行星架和后齿圈组件。

辛普森式行星齿轮变速机构
1-前齿圈 2-太阳轮组件 3-行星齿轮 4-后行星架
5-前行星架和后齿圈组件
辛普森式行星齿轮机构简图
辛普森式三档行星齿轮变速机构

这是一种十分著名的行星齿轮机构,以设计发明者H.W.Simpson工程师命名的机构,从20世纪4O年代至今广泛采用于世界各国的汽车自动变速器中,它的特点是由两个完全相同的齿轮参数的行星排组成,见图9.14。整个机构具有相同齿圈,六个相同的行星轮和一个供两个行星排合用的加长太阳轮(故又称共同太阳轮行星齿轮机构),它的前行星架和后齿圈为同一构件,并且和输出轴连接。该机构可组成三个前进档和一个倒档。

辛普森式行星齿轮变速机构

1.各执行元件的功能
辛普森行星齿轮机构设置了五个变速执行元件:C1前多片离合器,C2后多片离合器、B1微动带,B2后制动带、F1
单向离合器。五个变速执行元件的作用效果如下(见图9.15)。
①当C1前多片离合器作用时,把来自涡轮输出轴的动力接通至太阳轮。
②当C2后多片离合作用时,把来自涡轮输出轴的动力接通至前排赤圈。
③当B1前制动带作用时,固定太阳轮。
④当B2后制动带作用时,固定后行星架。
⑤当F1单向离合器作用时,固定后行星架。
在辛普森机构中的B1和B2实际上是一种制动器,在某些变速器中该制动器采用制动带,而在有些变速器中则采用多片离合器作为制动器,例如日本丰田的自动变速器。
表9.3反映了辛普森行星齿轮机构变速器变速执行元件的工作规律。

辛普森式行星齿轮变速机构
辛普森式行星齿轮变速机构

2.动力流分析
下面进行辛普森机构各档位的动力流分析。
l)l档
把预选杆置于D位置,C2后多片离合器作用把输入动力传给前齿圈,F1单向离合器作用,使后行星架固定不动。由于后排行星架被FI单向离合器固定,因此后排行星齿轮机构具有确定传动比,且是减速机构,另外后排行星齿轮机构通过后齿圈输出,它的输出转速和转动方向应该和前行星架保持一致,因为前行星架和后齿圈为同一构件。根据这两个条件,就可以确定前行星架和太阳轮之间的转速分配,显然太阳轮的转速比前行星架快得多。
太阳轮逆时针的旋转带动后行星轮顺时针转动,行星轮再带动后齿圈顺时针转动,由于后齿圈顺时针转动时,会给后行星架施加一个逆时针的力矩,通过F1单向离合器将后行星架固定。后排行星齿轮机构的传动比是后齿圈和太阳轮齿数之比,但辛普森机构1档传动比要大得多,计算也更复杂且有确定的传动比
辛普森机构的1档具有汽车滑行

(机动车行驶时,把离合器分开或用空挡使传动装置脱离发动机,靠惯性前进。)

功能,当驱动轮的转速超过了发动机的转速之后,来自驱动轮的逆向动力通过后齿圈和前行星架输入机构,使后行星架顺时针旋转,脱离F1单向离合器锁止,实现了汽车滑行。当驱动轮转速低于发动机时,单向离合器重新锁止,变速器恢复驱动状态。
若要在1档实现发动机制动,则需要把预选杆置于L或1位置,此时后行星架被B2后制动带固定,驱动轮逆向传入的动力通过变速器将发动机转速提高,从而消耗动力使驱动轮转速迅速下降,实现发动机制动。
2)2档
C2后多片离合器和B1前制动带同时作用。此时涡轮输出轴经C2后多片离合器和前齿圈连接,同时太阳轮组件被B2后制动带固定。
其动力经输入轴传给前齿圈,使之作顺时针旋转,由于太阳轮被固定,因此前行星轮在前齿圈带动下,既有自转,又随行星架公转,行星轮和行星架都是顺时针转动,行星架最后带动输出轴顺时针旋转。2档传动比取决于行星架当量齿数和前齿圈齿数之比,它是一种传动比大于1的减速运动。2档的传动比仅仅和前排行星齿轮机构有关。
另外当输出轴转动时,同时会带动后齿圈顺时针转动,后太阳轮已被固定,此时后行星轮和后行星架都顺时针空转F1 单向离合器处于释放状态。
在上述的辛普森机构的2档工作状态下(预选杆置于D位),来自驱动轮的逆向传入变速器的动力,可以直接传至发动机,实现发动机制动。
3)3档
C1前多片离合器和C2后多片离合器同时作用。C1前多片离合器的接合把动力传至太阳轮,C2后多片离合器的接合把动力传至前齿圈。根据上述行星齿轮机构特征:任意两元件同速同方向旋转即为直接档,则机构锁成一整体。在3档状态,前齿圈和太阳轮均有相同旋转方向和速度。从另外角度分析,当来自C2后多片离合器的动力传至前齿圈,再由前齿圈带动太阳轮逆时针转动,而来自C1前多片离合器的动力直接传给太阳轮,使之顺时针转动,因此同一个太阳轮不可能出现两个转动方向,只能相互间锁止成一整体。当机构整体顺时针转动时,n单向离合器和后行星架处于释放状态。3档是直接档,它的传动比是1:1。
在3档状态下,只存在发动机制动的功能,而不存在汽车滑行的作用。
4)倒档
C1前多片离合器和B2后制动带同时作用。C1前多片离合器的接合把动力传给太阳轮,B2后制动带的作用使后行星架固定。此时动力经输R入轴传给了太阳轮并使其顺时针转动,因后行星架已被固定,后行星轮成了过渡轮,因此后行星轮是逆时针转动,井使后齿圈也逆时针转动,最终后齿圈带动输出轴逆时针旋转。倒档传动比等于后齿圈齿数和太阳轮齿数之比,是传动比大于1的减速运动。从上述可知,倒档的传动比仅仅和后排行星齿轮机构相关。

辛普森式四档行星齿轮变速机构

辛普森式四档行星齿轮变速器是在辛普森式三档变速器的基础上发展起来的,它有两类型:一种是在辛普森式三档变速器原有的双排行星齿轮机构的基础上再增加一个单排行星齿轮机构,用三个行星排组成四个前进档的行垦齿轮变速器;另一种是对辛普森式双排行星齿轮机构进行改进,通过改变前后行星排各基本元件的组合

辛普森式行星齿轮变速机构

方式和增加换档执行元件,使之成为带有超速档的四档行星齿轮变速器。下面介绍其中的一种,三个行星排辛普森式四档行星齿轮变速器的结构与工作原理。
这种四档变速器是在不改变原辛普森式三档行星齿轮变速器的主要结构和大部分零部件的情况下,另外再增加一个单排行星齿轮机构和相应的换档执行元件来产生超速档。这个单排行星齿轮机构称为超速行星排

(超速行星排 (Overdrive Planet Gearset)
,安装在行星齿轮变速箱的前端 ,其行星架是主动件,与变速箱输入轴连接;环齿轮则作为被动件,与后面的双排行星齿轮机构接,超速行星排的工作由直接离合器
C0(Direct Clutch) 和超速制动器 B0(Overdrive Brake) 来控制,直接离合器 C0
用于将超速行星排的太阳轮和行星架连接,超速制动器 B0
用于固定超速行星排的太阳轮。)

,它装在行星齿轮变速器的前端,如图9.16所示。其行星架是主动件,与变速器输入轴连接;齿圈则作为被动件,与后面的双排辛普森行星齿轮机构连接。超速行星排的工作由直接多片离合器CO和超速制动器BO来控制,直接多片离合器CO用于将超速行星排的太阳轮和行星架连接,超速排的制动器BO用于固定超速行星排的太阳轮。根据行星齿轮变速器的变速原理,当制动器BO放松、直接多片离合器CO接合时,超速行星排处于直接传动状态,其传动比为1。当超速制动器BO制动、直接离合器CO放松时,超速行星排处于增速传动状态,其传动比小于1。
当行星齿轮变速器处于1档、2档、3档或倒档时,超速行星排中的超速制动器BO放松,直接多片离合器CO接合,使超速行星排处于传动比为1的直接传动状态,而后半部分的双排行星齿轮机构各换档执行元件的工作和原辛普森式三档行星齿轮变速器在1档、2档、3档及倒档的工作完全相同。来自变矩器的发动机动力经超速行星排直接传给后半部的双排行星齿轮机构,此时行星齿轮变速器的传动比完全由后半部的双排行星齿轮机构及相应的换档执行元件来控制。当行星齿轮变速器处于超速档时,后半部的双排行星齿轮机构保持在3档的工作状态,其传动比为二;而在超速行星排中,由于超速制动器BO产生制动,直接多片离合器CO放松,使超速行星排处于增速传动状态,其传动比小于1(该传动比即为该行星齿轮变速器在超速档时的传动比)。

辛普森式行星齿轮变速机构
辛普森式行星齿轮变速机构

由三个行星排组成的辛普森式四档行星齿轮变速器各换档执行元件在不同档位的工作情况见表9.4。这种型式的四档行星齿轮变速器可以使原辛普森式三档行星齿轮变速器的大部分零部件都得到利用有利于减少生产投资,降低成本。
目前大部分汽车都采用这种型式的四档自动变速器,特别是日本丰田公司的四档自动变速器。有些车型的这种自动变速器将超速行星排设置在原辛普森式三档行星齿轮变速器的后端,其工作原理是相同的。

在图9.16所示的辛普森四档变速器机构中,对原辛普森三档的机构已作了改进,新增了一个制动器B1和一个单向离合器F2。

对原辛普森三档的机构进行改进出于以下两点考虑:

①从2档换至3档存在运动干涉;
②要求辛普森机构2档存在两种状态,即汽车滑行和发动机制动。
辛普森行星齿轮机构在自动变速器中被广泛使用,日本丰田的自动变速器几乎都采用这种结构,如
Toyota A14OE、A240E、A24lE、A340和 A350等型号的自动变速器。

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