汽车自动变速器原理及研发：辛普森行星齿轮机构

辛普森式行星齿轮变速器是由辛普森式行星齿轮机构和相应的换档执行元件组成的，是一种双排行星齿轮机构，根据这两行星排在变速器中的位置，分别称之为前行星排和后行星排，这两组齿轮机构由共用的太阳轮相连接。前后行星排有两种连接方式，一种是前行星排的齿圈和后行星排的行星架相连，称为前齿圈和后行星架组件（图3-7），作为输出构件。另一种是前行星排的行星架和后行星排的齿圈相连，称为前行星架和后齿圈组件（图3-8），作为输出构件。经过上述组合，成为一种具有4个独立元件的行星齿轮机构。一个典型的辛普森式行星齿轮机构可以提供3个前进档和一个倒档。其中三档是传动比为1的直接档，但是这种变速器档位变换区间小，不能满足现代汽车燃油经济性的要求，现在已基本不采用，而是在原辛普森行星齿轮机构的基础上再增加行星排发展出4速甚至更多档位的变速器。

图3-7 前齿圈和后行星架组件及其等效杠杆图

1—后齿圈 2—前行星架 3—前齿圈和后行星架 4—前后太阳轮 5—前行星轮 6—后行星轮

图3-8 前行星架和后齿圈组件及其等效杠杆图

1—前齿圈 2—前后太阳轮 3—前行星架和后齿圈 4—后行星架 5—前行星轮 6—后行星轮

如图3-9所示，以3速变速器为例，在辛普森式行星齿轮机构中设置两个离合器、两个制动器和一个单向离合器，共有5个换档执行元件，即可使之成为一个具有3个前进档和一个倒档的行星齿轮变速器，各换档执行元件的功能见表3-4。来自输入轴的动力由前进离合器C1输入到后齿圈或由高、倒档离合器C2传至前后太阳轮组件，不同工况下，各换档元件起作用，使动力经前齿圈和后行星架输出至输出轴。

表3-4 辛普森式3速行星齿轮变速器换档执行元件功能表

（续）

由表3-5可知：当行星齿轮变速器处于驻车档和空档之外的任何一个档位时，5个换档执行元件中都有两个处于工作状态，即接合、制动或锁止状态，其余3个不工作，即分离、释放或自由状态。处于工作状态的两个换档执行元件中至少有一个是离合器C1或C2，以便使输入轴和行星排连接。当变速器处于任一前进档时，离合器C1都处于接合状态，此时输入轴与行星齿轮机构的后齿圈接合，使后齿圈成为主动件，因此，离合器C1也称前进离合器。倒档时，离合器C2接合，C1分离，此时输入轴与行星齿轮机构的前后太阳轮组件接合，使前后太阳轮组件成为主动件。另外，离合器C2在三档时也接合，因此离合器C2也称高、倒档离合器。制动器B2仅在二档时才工作，称为二档制动器。制动器B3在一档和倒档时都工作，称为低、倒档制动器。由此可知，换档执行元件的不同组合决定了行星齿轮变速器所处的档位。

图3-9 3速辛普森式行星齿轮机构

表3-5 辛普森式3速行星齿轮变速器的工作规律

注：●-接合、制动或锁止

下面分析辛普森式3速行星齿轮变速器各档的动力传递情况。

（1）一档 一档起步时，前进离合器C1和单向离合器F2起作用。来自液力变矩器的发动机动力经输入轴、前进离合器C1传给后齿圈，使后齿圈朝顺时针方向转动。在后行星排中，由于后行星架经输出轴和驱动轮相连，在汽车起步之前其转速为0，汽车起步后以一档行驶时，其转速也很低，因此后行星轮在后齿圈的驱动下一方面朝顺时针方向作公转，带动后行星架朝顺时针方向转动，另一方面作顺时针方向的自转，并带动前后太阳轮组件朝逆时针方向转动。在前行星排中，由于和输出轴连接的前齿圈转速很低，当前行星轮在太阳轮的驱动下朝顺时针方向作自转时，对前行星架产生一个逆时针方向的力矩，而单向离合器F2对前行星架在逆时针方面有锁止作用，此时，相当于前行星架被固定，使前齿圈在后行星轮的驱动下朝顺时针方向转动。因此，在前进一档时，输入轴的转矩既通过前行星排又通过后行星排机构传到功率输出轴。这样行星轮机构所承受的负载分为两部分，防止齿轮受力过大。

其传动路线如图3-10所示。

图3-10 一档动力传递路线图(www.zuozong.com)

其传动比为

当汽车在一档行驶时，若驾驶人突然松开加速踏板，发动机转速立即降至怠速。此时汽车在惯性的作用下，仍以原来的车速前进，而与驱动轮连接的自动变速器输出轴的转速并未立即下降，反向带动行星齿轮变速器运转。行星齿轮机构的后行星架和前齿圈组件成为主动件，后齿圈则成为从动件。当后行星架朝顺时针方向转动，后齿圈朝顺时针转动的速度较低，后行星轮在向顺时针方向公转的同时也朝逆时针方向作自转，从而带动前后太阳轮组件以较高转速向顺时针方向转动，导致前太阳轮和前齿圈同时以较高的转速朝顺时针方向带动前行星轮转动，使前行星轮在自转的同时对前行星架产生一个顺时针方向的力矩。由于单向离合器F2只能防止前行星架的逆转，因此，前行星架顺时针自由转动。在这种情况下，辛普森式行星齿轮机构的4个独立元件中有两个处于自由状态，使行星齿轮机构失去传递动力的作用，与驱动轮连接的输出轴的反向驱动力无法经过行星齿轮变速器传给变速器输入轴，此时汽车相当于作空档滑行，这种情况在一般使用条件下有利于提高汽车的乘坐舒适性和燃油经济性，但在汽车下陡坡时却无法利用发动机的怠速运转阻力来实现发动机制动，让汽车减速。为了使装用自动变速器的汽车也能实现发动机制动，必须让它在前进一档有两种不同的选择状态，即有发动机制动和无发动机制动两种，这两种状态的选择通常是改变自动变速器变速杆的位置来实现。当变速杆位于D位时，自动变速器的一档处于不能产生发动机制动作用的状态；当变速杆位于L位或1位时，自动变速器的一档处于能产生发动机制动作用的状态。

（2）有发动机制动作用的一档 具有发动机制动作用的一档是通过低、倒档制动器B2来实现的。当变速杆位于L位或1位时，若行星齿轮变速器处于一档，前进离合器C1和低、倒档制动器B3同时起作用，此时行星齿轮变速器的工作状态和D位一档相同，但由于低、倒档制动器B3处于制动状态，无论是踩下加速踏板加速，还是松开加速踏板滑行，前行星架都是固定不动的，因此行星齿轮变速器的传动比也都是固定不变的。当汽车滑行，发动机处于怠速工况而车速仍较高时，驱动轮在汽车惯性的作用下通过变速器输出轴带动行星齿轮变速器运转，驱动行星齿轮变速器输入轴以原来的转速旋转，导致与行星齿轮变速器输入轴连接的变矩器蜗轮转速高于与发动机曲轴连接的变矩器泵轮的转速，来自汽车驱动车轮的反向驱动力通过变矩器作用于发动机曲轴。同样，发动机怠速运转的牵制阻力通过变速器和行星齿轮变速器作用于驱动轮，使驱动轮转速下降，汽车随之减速，实现了发动机制动。

（3）二档 二档时二档制动器B2起作用，前进离合器C1同时继续起作用，行星齿轮变速器处于二档。此时输入轴仍经前进离合器C1和后齿圈连接，同时前后太阳轮组件被二档制动器B2制动。发动机动力经液力变矩器和行星齿轮变速器输入轴传给后齿圈，使之顺时针方向转动，由于后太阳轮转速为0，因此后行星轮在后齿圈的驱动下一方面朝顺时针方向自转，另一方面朝顺时针方向公转，同时带动后行星架及输出轴顺转。此时前行星排处于自由状态，前行星轮在前齿圈的驱动下朝顺时针方向一边自转一边公转，带动前行星架朝顺时针方向空转。因此二档时发动机的动力是全部经后行星排传至输出轴的。

二档时前、后行星排工作原理示意图如图3-11所示，二档的传递路线：输入轴→前进离合器C1→后齿圈→后行星轮→后行星架（B2使太阳轮固定不动）→输出轴。

二档速比为

图3-11 二档动力传递路线图

在上述二档状态下，汽车滑行时驱动轮的反向驱动力可经过行星齿轮变速器传至发动机，即具有发动机制动作用。

（4）三档 当从二档换到三档时，高、倒档离合器C2接合，前进离合器C1同时继续接合，把输入轴与后齿圈和前后太阳轮组件连接为一个整体，行星齿轮变速器升入三档，由于此时后行星排中有两个基本元件相互连接，从而使后行星排固定地连成一体而旋转，输入轴的动力通过后行星排直接传给输出轴，其传动比i₃=1，即为直接档传动。此时前行星轮在前齿圈的驱动下带动前行星架朝顺时针方向空转。

三档的传递路线（图3-12）：输入轴→前进离合器C1和高、倒档离合器C2→前后行星排锁在一起→输出轴。

在三档状态下，汽车滑行时，行星齿轮变速器具有反向传递动力的能力，能实现发动机制动。

（5）倒档 当位于倒档时，高、倒档离合器C2起作用，使输入轴和前后太阳轮组件连接，同时制动器B3产生制动，将前行星架固定，此时发动机动力经输入轴传给前后太阳轮组件，使前后太阳轮顺时针方向转动。由于前行星架固定不动，因此在前行星排中，前行星轮在前后太阳轮组件的驱动下朝逆时针方向自转，并带动前齿圈朝逆时针方向转动，输出轴即朝逆时针方向转动，从而改变了动力的传动方向，实现了倒档。此时，后行星排中由于后齿圈可以自由转动，因此后行星排处于自由状态，后齿圈在后行星轮的带动下朝逆时针方向自由转动。

其传动路线（图3-13）：输入轴→离合器C2→前后太阳轮组件→前行星轮（制动器B3制动，前行星架固定）→前齿圈→输出轴。

倒档时传动比为-α₁。

图3-12 三档动力传递路线图

图3-13 倒档动力传递路线图