辛普森行星齿轮系统的工作原理是什么?

辛普森行星齿轮系统的工作原理是什么?

辛普森行星齿轮系统的工作原理：
在包含行星齿轮的齿轮系统中，由于存在行星架，可以有三条转动轴允许动力输入/输出，还可以用离合器或制动器之类的手段，在需要的时候限制其中一条轴的转动，剩下两条轴进行传动，这样一来，互相啮合的齿轮之间的关系就可以有多种组合：
动力从其中一个太阳轮输入，从另外一个太阳轮输出，行星架通过刹车机构刹死；
动力从其中一个太阳轮输入，从行星架输出，另外一个太阳轮刹死；
动力从行星架输入，从其中一个太阳轮输出，另外一个太阳轮刹死；
两股动力分别从两个太阳轮输入，合成后从行星架输出；
两股动力分别从行星架和其中一个太阳轮输入，合成后从另外一个太阳轮输出；
动力从其中一个太阳轮输入，从另外一个太阳轮和行星架分两路输出；
动力从行星架输入，分两路从两个太阳轮输出。

辛普森式行星齿轮机构示意图 　　（ 1 ）辛普森式行星齿轮变速箱 　　辛普森式行星齿轮变速箱是由辛普森式行星齿轮机构和相对的换档操作组件组成的，目前大部分自动变速箱都采用这种行星齿轮变速箱；辛普森式行星齿轮机构是一种十分著名的双排行星齿轮机构，它是由两个内啮合式单排行星齿轮机构组合而成，其结构特点是 (1) 前后两个行星排的太阳轮连接为一个整体，称为前后太阳轮组件 (2) 前一个行星排的行星架和后一个行星排的环齿轮连接为另一个整体，称为前行星架和后环齿轮组件 (3) 输出轴通常与前行星架和后环齿轮组件连接（图 7-4 ）。如此，该机构成为一这 4 个独立组件是 (1) 前环齿轮 (2) 前后太阳轮组件 (3) 后行星架 (4) 前行星架和后环齿轮组件；根据前进档的档数不同，可将辛普森式行星齿轮变速箱分为辛普森式 3 档行星齿轮变速箱和辛普森普森式 4 档行星齿轮变速箱两种。 变速箱图解(4张)　　在辛普森式行星齿轮机构中设置 5 个换档操作组件 (2 个离合器、 2 个制动器和 1 个单向超速离合器 ) ，即可使之成为一个具 3 个前进档和 1 个倒档的行星齿轮变速箱，这 5 个换档操作组件的布置如图 7-5 所示，离合器 C1 用于连接输入轴和前后太阳轮组件，离合器 C2 用于连接输入轴和前环齿轮，制动器 B1 用于固都是用于固定后行星架，制动器 B 定前后太阳轮组件，制动器 B2 和单向超速离合器 F11 和 B2 可以使用带式制动器或片式制动器。 辛普森式 3 档行星齿轮变速箱排档杆位置及操作组件工作表 　　这 5 个换档操作组件在各档位的工作情况见表 7-2 。由表中可知，当行星齿轮变速箱处于停车档和空档之外的任何一个档位时， 5 个换档操作组件中都有两个处于工作状态 ( 接合、制动或锁定状态 ) ，其余 3 个不工作 ( 分离、释放或自由状态 ) ；处于工作状态的两个换档操作组件中至少有一个是离合器 C1 或 C2 ，以便使输入轴与行星排连接，当变速箱处于任一前进档时，离合器 C2 都处于接合状态，此时输入轴与行星齿轮机构的前环齿轮接合，使前环齿轮成为主动件，因此，离合器 C2 也称为前进离合器 (Forward Clutch) 。倒档时，离合器 C1 接合， C2 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 C1 在 3 档 ( 直接档 ) 时也接合，因此，离合器 C1 也称为倒档及高档离合器(High Reverse Clutch) 。制动器 B1 仅在 2 档才工作，称为 2 档制动器或第二制动器 ( 2nd Brake or 2nd Clutch) 。制动器 B2 在 1 档和倒档时都有工作，因此称为低档及倒档制动器或低 / 倒档制动器 (Low Reverse Brake or Low Reverse Clutch) 。由此可知，换档操作组件的不同工作组合决定了行星齿轮变速箱的传动方向和传动比，从而决定了行星齿轮变速箱所处的档位。 　　早期的轿车自动变速箱多采用 3 档行星齿轮变速箱，其最高档 3 档是传动比为 1 的直接档。进入 80 年代后，随着对汽车燃油经济性的要求日趋严格，越来越多的轿车自动变速箱采用了 4 档行星齿轮变速箱。其最高档 4 档是传动比小于 1 的超速档，这种自动变速箱的优点除了能降低汽车燃油消耗外，还可以使引擎经常处于较低转速的运转工作，以减小运转噪音，延长引擎的使用寿命。 　　辛普森式 4 档行星齿轮变速箱是在辛普森式 3 档行星齿轮变速箱的基础上改良，它有两种类型：一种是将辛普森式 3 档行星齿轮变速箱原有的双排行星齿轮机构再增加一个单排行星齿轮机构，用 3 个行星排组成 4 档行星齿轮变速箱；另一种是将辛普森式双排行星齿轮机构进行改变，改变前后行星排各基本组件的组合方式和增加换档操作组件，使之成为带有超速档的 4 档行星齿轮变速箱。 (1)3 行星排辛普森式 4 档行星齿轮变速箱：这种 4 档行星齿轮变速箱是在不改变原辛普森式 3 档行星齿轮变速箱的主要结构和大部份零件的情况下，另外再增加一单排行星齿轮机构和对应的换档操作组件来产生超速档。这个单排行星齿轮机构称为超速行星排 (Overdrive Planet Gearset) ，它安装在行星齿轮变速箱的前端 ( 图 7-6) 。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。根据行星齿轮变速箱的变速原理，当超速制动器 B0 放松、直接离合器 C0 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 B0 制动、直接离合器 C0 放松时，超速行星排处于增速传动状态，其传动比小于 1 。 　　这种型式的 4 档行星齿轮变速箱可以使原辛普森式 3 档行星齿轮变速箱的大部分零件仍可以使用，有利于减少生产投资、降低成本，目前大部分轿车都采用这种型式的 4 档自动变速箱，有些车型的这种自动变速箱将超速行星排设置在原辛普森式 3 档行星齿轮变速箱的后端，但其工作原理是相同的。 　　(2) 双行星排辛普森式 4 档行星齿轮变速箱：这种 4 档行星齿轮变速箱是在原辛普森式 3 档行星齿轮变速箱中的双排行星齿轮机构增加换档操作组件的个数，让前后行星排的各个基本组件之间有更多更复杂的组合，从而使前进档形成包括超速档在内的 4 个前进档。 　　改进后的辛普森式行星齿轮机构除了环齿轮和后行星架仍互相连接为一体之外，前行星排和后行星排的其它基本组件全部各自独立，形成一种具有 5 个独立组件的辛普森式行星齿轮机构；在这 5 个独立组件中，后太阳轮始终和输入轴连接，输出轴则与前环齿轮和后行星架组件连接。 　　在这种辛普森式行星齿轮机构中只要设置 4 个离合器、 2 个制动器及 2 个单向超速离合器，就可以变成具有 4 个前进档和 1 个倒档的 4 档行星齿轮变速箱，并且在 1 档、 2 档、 3 档都有两种工作状态 ( 引擎制动或无引擎制动 ) 。这 8 个换档操作组件的排列方式如图 7-7 所示。其中离合器 C1 用于连接输入轴和前太阳轮；离合器 C2 用于连接输入轴和前行星架；离合器 C3 和单向超速离合器 F1 串联，一同用于连接前行星架和后环齿轮，单向超速离合器在逆时针方向对后环齿轮产生锁定作用；离合器 C4 也用于连接前行星架及后环齿轮，和离合器 C3 、单向超速离合器 F1 并联；制动器 B1 用于固定前太阳轮；制动器 B2 和单向超速离合器 F2 并联，一同固定前行星架，单向超速离合器 F2 在逆时针方向对前行星架产生锁定作用。 　　（二）拉维奈尔赫式行星齿轮变速箱 　　拉维奈尔赫式行星齿轮变速箱采用的是与辛普森式行星齿轮机构一样著名的拉维奈尔赫式行星齿轮机构，这是一种复合式行星齿轮机构，它由一个单行星轮式行星排和一个双行星轮式行星排组合而成：后太阳轮和长行星小齿轮、行星架、环齿轮共同组成一个单行星轮 　　拉维奈尔赫式行星齿轮机构 　　式行星排；前太阳轮、短行星小齿轮、长行星小齿轮、行星架和环齿轮共同组成一个双行星轮式行星排 ( 图 7-8) 。 2 个行星排共享一个环齿轮和一个行星架，因此它只有 4 个独立组件，即前太阳轮、后太阳轮、行星架、环齿轮。这种行星齿轮机构其有结构简单、尺寸小、传动比变化范围大、灵活多变化等特点，可以组成有 3 个前进档或 4 个前进档的行星齿轮变速箱。自 70 年代开始应用于许多轿车，特别是前轮驱动式轿车的自动变速箱，如奥迪、大庆、褔特、马自达等车型的自动变速箱。 　　拉维奈尔赫式3 档行星齿轮变速箱 　　在拉维奈尔赫式行星齿轮机构中设置 5 个换档操作组件 (2 个离合器、 2 个制动器和 1 个单向超速离合器 ) ，即可使之成为一个具有 3 个前进档和 1 个倒档的 3 档行星齿轮变速箱。 　　图 7-9 为拉维奈尔赫式 3 档行星齿轮变速箱的结构，图中，前太阳轮、长行星小齿轮、行星架和环齿轮组成一个单行星轮式行星排，也称为前行星排；后太阳轮、短行星小齿轮、长行星小齿轮、行星架和环齿轮组成一个双行星轮式行星排，也称为后行星排。在 5 个换档操作组件中，离合器 C1 用于连接输入轴和后太阳轮，它在所有前进档中都处于接合状态，故称为前进离合器；离合器 C2 用于连接输入轴和前太阳轮，它在倒档和 3 档 ( 直接档 ) 时接合，故称为倒档及高档离合器；制动器 B1 用于固定前太阳轮，它在 2 档时工作，故称为 2 档制动器；制动器 B2 用于固定行星架，它在倒档或自动变速箱排档杆位于前进低档时工作，故称为低档及倒档制动器。 单向超速离合器 　　F1 在逆时针方向对行星架有锁定作用，它只在 1 档时工作，故称为 1 档单向超速离合器。 　　在拉维奈尔赫式 3 档行星齿轮变速箱的输入轴和行星架之间增加一个离合器，就可以使之成为具有超速档的 4 档行星齿轮变速箱，图 7-10 为拉维奈尔赫式 4 档行星齿轮变速箱结构。与拉维奈尔赫式 3 档行星齿轮变速箱相比，它仅仅在输入轴和行星架之间增加了一个高档离合器 C4 。这种行星齿轮变速箱的工作特点是： 　　拉维奈尔赫式 4 档行星齿轮变速箱 　　1 ，在 1 档、 2 档及倒档的工作情况和拉维奈尔赫式 3 档行星齿轮变速箱完全相同。 　　2 ，在 3 档工作时，高档离合器 C4 和前进离合器 C1 同时工作，使后行星排有 2 个基本组件互相连接，形成直接档。 　　3 ， 4 档时，高档离合器 C4 和 2 档及 4 档制动器 B1 同时工作，使输入轴与行星架连接，同时前太阳轮被固定。引擎动力经高档离合器 C4 传至行星架，行星架带动长行星小齿轮朝顺时针方向一边自转一边公转，并带动环齿轮和输出轴朝顺时针方向转动，此为超速档。 变速箱实物图(3张) 编辑本段功能 　　(1)改变传动比，满足不同行驶条件对牵引力的需要，使发动机尽量工作在有利的工况下，满足可能的行驶速度要求。 在较大范围内改变汽车行驶速度的大小和汽车驱动轮上扭矩的大小。由于汽车行驶条件不同，要求汽车行驶速度和驱动扭矩能在很大范围内变化。例如，在高速路上车速应能达到100km/h，而在市区内，车速常在50km/h左右。空车在平直的公路上行驶时，行驶阻力很小，则 　　当满载上坡时，行驶阻力便很大。而汽车发动机的特性是转速变化范围较小，而转矩变化范围更不能满足实际路况需要。 　　(2)实现倒车行驶，用来满足汽车倒退行驶的需要。实现倒车行驶汽车，发动机曲轴一般都是只能向一个方向转动的，而汽车有时需要能倒退行驶，因此，往往利用变速箱中设置的倒档来实现汽车倒车行驶。 　　(3)中断动力传递，在发动机起动，怠速运转，汽车换档或需要停车进行动力输出时，中断向驱动轮的动力传递。 　　(4)实现空档，当离合器接合时，变速箱可以不输出动力。例如，可以保证驾驶员在发动机不熄火时松开离合器踏板离开驾驶员座位。 编辑本段原理 　　机械式变速箱主要应用了齿轮传动的降速原理。简单的说，变速箱内有多组传动比不同的齿轮副，而汽车行驶时的换档行为，也就是通过操纵机构使变速箱内不同的齿轮副工作。如在低速时，让传动比大的齿轮副工作，而在高速时，让传动比小的齿轮副工作。 编辑本段分类

被我们所熟知的齿轮绝大部分都是转动轴线固定的齿轮。例如机械式钟表，上面所有的齿轮尽管都在做转动，但是它们的转动中心（与圆心位置重合）往往通过轴承安装在机壳上，因此，它们的转动轴都是相对机壳固定的，因而也被称为"定轴齿轮"。 有定必有动，对应地，有一类不那么为人熟知的称为"行星齿轮"的齿轮，它们的转动轴线是不固定的，而是安装在一个可以转动的支架（蓝色）上（图中黑色部分是壳体，黄色表示轴承）。行星齿轮（绿色）除了能象定轴齿轮那样围绕着自己的转动轴（B-B）转动之外，它们的转动轴还随着蓝色的支架（称为行星架）绕其它齿轮的轴线（A-A）转动。绕自己轴线的转动称为"自转"，绕其它齿轮轴线的转动称为"公转"，就象太阳系中的行星那样，因此得名。 也如太阳系一样，成为行星齿轮公转中心的那些轴线固定的齿轮被称为"太阳轮"，如图中红色的齿轮。 在一个行星齿轮上、或者在两个互相固连的行星齿轮上通常有两个啮合点，分别与两个太阳轮发生关系。如右图中，灰色的内齿轮轴线与红色的外齿轮轴线重合，也是太阳轮。 [编辑本段]原理 轴线固定的齿轮传动原理很简单，在一对互相啮合的齿轮中，有一个齿轮作为主动轮，动力从它那里传入，另一个齿轮作为从动轮，动力从它往外输出。也有的齿轮仅作为中转站，一边与主动轮啮合，另一边与从动轮啮合，动力从它那里通过。 在包含行星齿轮的齿轮系统中，情形就不同了。由于存在行星架，也就是说，可以有三条转动轴允许动力输入/输出，还可以用离合器或制动器之类的手段，在需要的时候限制其中一条轴的转动，剩下两条轴进行传动，这样一来，互相啮合的齿轮之间的关系就可以有多种组合： 动力从其中一个太阳轮输入，从另外一个太阳轮输出，行星架通过刹车机构刹死； 动力从其中一个太阳轮输入，从行星架输出，另外一个太阳轮刹死； 动力从行星架输入，从其中一个太阳轮输出，另外一个太阳轮刹死； 两股动力分别从两个太阳轮输入，合成后从行星架输出； 两股动力分别从行星架和其中一个太阳轮输入，合成后从另外一个太阳轮输出； 动力从其中一个太阳轮输入，从另外一个太阳轮和行星架分两路输出； 动力从行星架输入，分两路从两个太阳轮输出。 我们知道，汽车发动机只有一个，而车轮有四个。发动机的转速扭矩等特性与路面行驶需求大相径庭。要把发动机的功率适当地分配到驱动轮，可以利用行星齿轮的上述特性。如自动变速器，也是利用行星齿轮的这些特性，通过离合器和制动器改变各个构件的相对运动关系而获得不同的传动比。 特点和类型 行星齿轮传动的主要特点是体积小，承载能力大，工作平稳；但大功率高速行星齿轮传动结构较复杂，要求制造精度高。行星齿轮传动中有些类型效率高，但传动比不大。另一些类型则传动比可以很大，但效率较低，用它们作减速器时，其效率随传动比的增大而减小；作增速器时则有可能产生自锁。