行星齒輪輔助變速器結(jié)構(gòu)原理

周達(dá)福

(黑龍江省收費(fèi)公路管理局牡丹江管理處磨刀石收費(fèi)所)

1 行星齒輪機(jī)構(gòu)及其特點(diǎn)

最簡單的行星齒輪機(jī)構(gòu)由3個(gè)主要件組成,它們分別是中心輪、齒圈和行星架組件。顧名思義,中心輪的位置在行星齒輪機(jī)構(gòu)的中央,機(jī)構(gòu)的最外部分是其內(nèi)緣上切有輪齒的內(nèi)齒齒圈,至于行星架組件,則位于中心輪和齒圈之間。

行星架組件主要由幾個(gè)可以在行星架銷軸上轉(zhuǎn)動(dòng)的行星輪組成。一般情況下,行星輪置于一籠架之中,簡單的行星齒輪機(jī)構(gòu)僅有兩個(gè)行星輪,但在自動(dòng)變速器中真正使用的,則有三或四個(gè)行星輪。行星輪始終與中心輪和齒圈處于嚙合狀態(tài),即便是換擋時(shí),齒輪也不會(huì)像普通的手動(dòng)變速器那樣脫離嚙合。在行星齒輪機(jī)構(gòu)中,不僅齒輪始終保持嚙合,而且三者還繞同一軸線旋轉(zhuǎn),這就意味著通過行星齒輪機(jī)構(gòu)所發(fā)生的所有動(dòng)力傳遞,都是沿著同一軸線進(jìn)行的。

無論何時(shí),只要行星齒輪機(jī)構(gòu)中有一個(gè)齒輪被驅(qū)動(dòng),就會(huì)影響到其他所有的齒輪。在動(dòng)力傳遞的過程中,一旦夾持固定住第二個(gè)部件而驅(qū)動(dòng)第一個(gè)部件,則必將帶動(dòng)第三個(gè)部件。而且,在行星齒輪機(jī)心輪構(gòu)中,每一個(gè)部件都可起以上三種作用中的任一種,即既可作為輸入件,又可作為輸出件,還可作為固定件。而輸入、輸出與固定件之間的不同組合搭配,將使機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比發(fā)生一系列變化,同時(shí),也會(huì)改變輸出運(yùn)動(dòng)的方向。

汽車自動(dòng)變速器之所以采用行星齒輪機(jī)構(gòu)來作為其輔助變速器,是因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)具有以下一些特點(diǎn)。

(1)對機(jī)構(gòu)中的不同部件予以固定,可獲得不同的傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)動(dòng)方向;

(2)機(jī)構(gòu)中各部件都是同軸的,即各部件圍繞同一公共軸線旋轉(zhuǎn),從而可以取消一般手動(dòng)變速器中的中間軸和中間齒輪等;

(3)機(jī)構(gòu)中各齒輪始終處于嚙合狀態(tài),因而不會(huì)出現(xiàn)因換擋不到位等而引起的脫擋現(xiàn)象;

(4)機(jī)構(gòu)中因承載齒數(shù)較多,因而齒面載荷低,工作可靠性高,使用壽命長;

(5)較一般齒輪機(jī)構(gòu)更為小巧、緊湊。

2 簡單行星齒輪系統(tǒng)

在簡單行星齒輪機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,加入動(dòng)力輸入軸和輸出軸,以及所需的制動(dòng)器和離合器等,就構(gòu)成了簡單行星齒輪系統(tǒng)。下面,就來討論一下在這樣一個(gè)系統(tǒng),或者說是一個(gè)簡單的行星齒輪變速器中進(jìn)行換擋的可能性。

假定用一根輸入軸將發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與行星齒輪機(jī)構(gòu)的中心輪相連,而行星架則與輸出軸相連,輸出軸再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)輪,除此之外,繞齒圈的外緣裝上一可收縮的制動(dòng)帶,作為夾持固定齒圈的制動(dòng)器。

由于無任何部件被夾持固定,所以無動(dòng)力傳遞發(fā)生,系統(tǒng)處于空擋工況。分析可知,當(dāng)輸入軸被發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí),中心輪也旋轉(zhuǎn),并經(jīng)嚙合的輪齒帶動(dòng)行星架上的行星輪,這時(shí)的行星架由于與汽車的傳統(tǒng)系統(tǒng)相連,所以較之齒圈有更大的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩,因而行星輪只好帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩較小的齒圈,沿與中心輪轉(zhuǎn)向相反的方向做無任何實(shí)質(zhì)意義的空轉(zhuǎn)。

若收縮包繞齒圈的制動(dòng)帶,夾持住齒圈以防其發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),則形成了輸入件是中心輪,齒圈被夾持固定,而余下的行星架必然是輸出件的局面。這時(shí),系統(tǒng)必產(chǎn)生減速傳動(dòng),且輸出件與輸入件的轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致,但輸出的轉(zhuǎn)速下降,扭矩增加。

至此,該系統(tǒng)或簡單行星齒輪變速器,已經(jīng)具有了空擋和低擋。在系統(tǒng)中加裝一個(gè)多片離合器,便可以將輸入軸與齒圈連接在一起,使中心輪與齒圈之間無相對運(yùn)動(dòng)發(fā)生。這樣一來,若夾持固定齒圈的制動(dòng)帶松開,而多片離合器接合,那么,齒圈將與輸入軸連在一起,由于實(shí)際上齒圈已通過多片離合器和輸入軸與中心輪連在一起,同方向同轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動(dòng),而這種情形勢必造成直接傳動(dòng),所以,與輸出軸相連的行星架不可避免地與輸入軸同方向同轉(zhuǎn)速,且等扭矩傳遞動(dòng)力。

如上所述,借助于由一簡單行星齒輪機(jī)構(gòu)、一個(gè)多片離合器和一個(gè)制動(dòng)器所組成的系統(tǒng),便可設(shè)計(jì)出一不必改變齒輪之間的相互位置,就可得到空擋、低擋和直接擋變換的自動(dòng)變速器。這種簡單的行星齒輪系統(tǒng)的確在某些早期的汽車自動(dòng)變速器中被采用過,例如,最早的液力自動(dòng)變速器,即使用了數(shù)套獨(dú)立的行星齒輪機(jī)構(gòu)來產(chǎn)生四個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)倒擋。而直到現(xiàn)在,仍有一些新自動(dòng)變速器使用簡單行星齒輪系統(tǒng)的例子,譬如,日本豐田汽車公司在其 A40D型自動(dòng)變速器中,即單獨(dú)使用一套行星齒輪機(jī)構(gòu)來產(chǎn)生超速傳動(dòng)的四擋,但絕大多數(shù)的現(xiàn)代汽車自動(dòng)變速器,使用的是復(fù)合行星齒輪機(jī)構(gòu)。

3 復(fù)合行星齒輪機(jī)構(gòu)

復(fù)合行星齒輪機(jī)構(gòu)通常由數(shù)排(一般為兩排)制造在一起的行星齒輪機(jī)構(gòu)組成,目的是提供各種不同的組合情況,以實(shí)現(xiàn)各種傳動(dòng)。在現(xiàn)代汽車自動(dòng)變速器中,常用的有辛普森(Simpson)復(fù)合行星齒輪機(jī)構(gòu)和拉維尼克斯(Ravigneaux)復(fù)合行星齒輪機(jī)構(gòu)。這兩種機(jī)構(gòu)是在幾十種可能的方案中,通過綜合法所選出的最著名的3擋獨(dú)特結(jié)構(gòu)。

辛普森機(jī)構(gòu)由齒輪參數(shù)完全相同的兩個(gè)簡單行星排組成,其中,前、后兩排共用一個(gè)中心輪,同時(shí),前行星排的行星架與后行星排的齒圈共件。為清晰起見,用圖 1給出了辛普森復(fù)合行星齒輪機(jī)構(gòu)的簡圖?？偲饋碚f,辛普森機(jī)構(gòu)以其簡單、傳動(dòng)效率高以及運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)而著稱,尤其因?yàn)槠渲圃斐杀镜投@得了廣泛的應(yīng)用。

拉維尼克斯機(jī)構(gòu)則由兩個(gè)中心輪、兩套行星輪(其中的一套行星輪要較另一套為長)和一個(gè)齒圈組成,而且前、后行星排的行星架共件,前、后行星排的齒輪參數(shù)不完全相同。該機(jī)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)在于其易于控制。

圖 1 辛普森機(jī)構(gòu)簡圖

對廣為人知的辛普森機(jī)構(gòu)來說,其在汽車自動(dòng)變速器中的初次使用是在 1956年美國克萊斯勒汽車公司推出的帝國(1mperial)轎車上,自那時(shí)起,該公司的自動(dòng)變速器產(chǎn)品就一直排他性地專門使用這種復(fù)合行星齒輪機(jī)構(gòu)。日本豐田汽車公司生產(chǎn)的汽車自動(dòng)變速器中,采用的也是辛普森機(jī)構(gòu)。雖然福特汽車公司在克萊斯勒汽車公司之前就已購買了使用辛普森機(jī)構(gòu)的專利許可,但遲至1964年,該公司才開始在其產(chǎn)品中加以使用。如今,美國的通用和福特這兩家大公司在其眾多自動(dòng)變速器產(chǎn)品中,既有使用辛普森機(jī)構(gòu)的,也有使用拉維尼克斯機(jī)構(gòu)的。