行星齒輪輔助變速器結構原理

周達福

(黑龍江省收費公路管理局牡丹江管理處磨刀石收費所)

1 行星齒輪機構及其特點

最簡單的行星齒輪機構由3個主要件組成,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構的中央,機構的最外部分是其內緣上切有輪齒的內齒齒圈,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可以在行星架銷軸上轉動的行星輪組成。一般情況下,行星輪置于一籠架之中,簡單的行星齒輪機構僅有兩個行星輪,但在自動變速器中真正使用的,則有三或四個行星輪。行星輪始終與中心輪和齒圈處于嚙合狀態,即便是換擋時,齒輪也不會像普通的手動變速器那樣脫離嚙合。在行星齒輪機構中,不僅齒輪始終保持嚙合,而且三者還繞同一軸線旋轉,這就意味著通過行星齒輪機構所發生的所有動力傳遞,都是沿著同一軸線進行的。

無論何時,只要行星齒輪機構中有一個齒輪被驅動,就會影響到其他所有的齒輪。在動力傳遞的過程中,一旦夾持固定住第二個部件而驅動第一個部件,則必將帶動第三個部件。而且,在行星齒輪機心輪構中,每一個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,將使機構的傳動比發生一系列變化,同時,也會改變輸出運動的方向。

汽車自動變速器之所以采用行星齒輪機構來作為其輔助變速器,是因為該機構具有以下一些特點。

(1)對機構中的不同部件予以固定,可獲得不同的傳動比和轉動方向;

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

(3)機構中各齒輪始終處于嚙合狀態,因而不會出現因換擋不到位等而引起的脫擋現象;

(4)機構中因承載齒數較多,因而齒面載荷低,工作可靠性高,使用壽命長;

(5)較一般齒輪機構更為小巧、緊湊。

2 簡單行星齒輪系統

在簡單行星齒輪機構的基礎上,加入動力輸入軸和輸出軸,以及所需的制動器和離合器等,就構成了簡單行星齒輪系統。下面,就來討論一下在這樣一個系統,或者說是一個簡單的行星齒輪變速器中進行換擋的可能性。

假定用一根輸入軸將發動機曲軸與行星齒輪機構的中心輪相連,而行星架則與輸出軸相連,輸出軸再經傳動系統帶動汽車的驅動輪,除此之外,繞齒圈的外緣裝上一可收縮的制動帶,作為夾持固定齒圈的制動器。

由于無任何部件被夾持固定,所以無動力傳遞發生,系統處于空擋工況。分析可知,當輸入軸被發動機帶動旋轉時,中心輪也旋轉,并經嚙合的輪齒帶動行星架上的行星輪,這時的行星架由于與汽車的傳統系統相連,所以較之齒圈有更大的轉動阻力矩,因而行星輪只好帶動轉動阻力矩較小的齒圈,沿與中心輪轉向相反的方向做無任何實質意義的空轉。

若收縮包繞齒圈的制動帶,夾持住齒圈以防其發生轉動,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,系統必產生減速傳動,且輸出件與輸入件的轉動方向一致,但輸出的轉速下降,扭矩增加。

至此,該系統或簡單行星齒輪變速器,已經具有了空擋和低擋。在系統中加裝一個多片離合器,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動發生。這樣一來,若夾持固定齒圈的制動帶松開,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,同方向同轉速的轉動,而這種情形勢必造成直接傳動,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速,且等扭矩傳遞動力。

如上所述,借助于由一簡單行星齒輪機構、一個多片離合器和一個制動器所組成的系統,便可設計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變速器。這種簡單的行星齒輪系統的確在某些早期的汽車自動變速器中被采用過,例如,最早的液力自動變速器,即使用了數套獨立的行星齒輪機構來產生四個前進擋和一個倒擋。而直到現在,仍有一些新自動變速器使用簡單行星齒輪系統的例子,譬如,日本豐田汽車公司在其 A40D型自動變速器中,即單獨使用一套行星齒輪機構來產生超速傳動的四擋,但絕大多數的現代汽車自動變速器,使用的是復合行星齒輪機構。

3 復合行星齒輪機構

復合行星齒輪機構通常由數排(一般為兩排)制造在一起的行星齒輪機構組成,目的是提供各種不同的組合情況,以實現各種傳動。在現代汽車自動變速器中,常用的有辛普森(Simpson)復合行星齒輪機構和拉維尼克斯(Ravigneaux)復合行星齒輪機構。這兩種機構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擋獨特結構。

辛普森機構由齒輪參數完全相同的兩個簡單行星排組成,其中,前、后兩排共用一個中心輪,同時,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給出了辛普森復合行星齒輪機構的簡圖。總起來說,辛普森機構以其簡單、傳動效率高以及運轉平穩、噪聲低等優點而著稱,尤其因為其制造成本低而獲得了廣泛的應用。

拉維尼克斯機構則由兩個中心輪、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不完全相同。該機構最大的優點在于其易于控制。

圖 1 辛普森機構簡圖

對廣為人知的辛普森機構來說,其在汽車自動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,自那時起,該公司的自動變速器產品就一直排他性地專門使用這種復合行星齒輪機構。日本豐田汽車公司生產的汽車自動變速器中,采用的也是辛普森機構。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構的專利許可,但遲至1964年,該公司才開始在其產品中加以使用。如今,美國的通用和福特這兩家大公司在其眾多自動變速器產品中,既有使用辛普森機構的,也有使用拉維尼克斯機構的。