行星齒輪換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究與分析

宋小艷

（沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110167）

引言

自動(dòng)變速器的主要結(jié)構(gòu)由行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。由行星齒輪運(yùn)動(dòng)分析可知，使用一組行星齒輪傳遞扭矩可以實(shí)現(xiàn)不需要更換齒輪即可獲得若干個(gè)汽車所需要的前進(jìn)檔或倒擋，而且齒輪結(jié)構(gòu)緊湊。由行星齒輪運(yùn)動(dòng)分析可以得出，想要獲得不同的傳動(dòng)比，需要分別對(duì)行星齒輪機(jī)構(gòu)的一些元件進(jìn)行控制，即控制該元件固定或是轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)汽車變速。用來(lái)控制行星齒輪各元件工作狀態(tài)的裝置稱為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由若干個(gè)液壓離合器、液壓制動(dòng)器和單向離合器構(gòu)成。其中液壓離合器是通過(guò)液體壓力傳遞動(dòng)力的裝置，液壓制動(dòng)器是通過(guò)液體壓力控制元件的制動(dòng)或釋放的裝置。如圖1所示，自動(dòng)變速器變速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，C為液壓離合器，B為液壓制動(dòng)器，F(xiàn)為單向離合器。

1 液壓離合器

液壓離合器是在通用的膜片離合器的基礎(chǔ)上增加了電子控制單元(ECU)和液壓執(zhí)行系統(tǒng)，將踏板操縱離合器油缸活塞改為由開(kāi)關(guān)裝置控制電動(dòng)油泵去操縱離合器油缸活塞。

圖1 變速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1 液壓離合器結(jié)構(gòu)

液壓離合器主要由外轂、內(nèi)轂、液壓活塞、離合器片、壓盤、回位彈簧等組成。離合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是摩擦片和鋼片，摩擦片內(nèi)側(cè)有花鍵，與離合器內(nèi)轂上的鍵槽連接，鋼片外緣有花鍵，與離合器外轂的鍵槽連接，摩擦片和鋼片交錯(cuò)安裝。當(dāng)油壓作用于液壓缸的活塞時(shí)，油壓推動(dòng)活塞，離合器轂內(nèi)的摩擦片和鋼片緊壓在一起，此時(shí)離合器處于接合狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。如果油液被排出，在回位彈簧的作用下，活塞回位，離合器分離，動(dòng)力傳遞中止。

1.2 摩擦片

摩擦片是離合器的主要組成元件，其工作表面材料的物理性質(zhì)和機(jī)械性能直接影響離合器的工作性能。要求材料滿足摩擦系數(shù)大且穩(wěn)定，強(qiáng)度高，耐磨、耐高溫、耐腐蝕和導(dǎo)熱性能好。其摩擦材料有金屬性、半金屬性和經(jīng)硬化處理的合成纖維材料，其中硬化合成纖維材料是最常用的材料，因?yàn)樗休^大的摩擦系數(shù)，可以提供更大的摩擦力。通常摩擦片上會(huì)加工有油槽便于冷卻，從而可以提高它的效率和耐久性[1]。

1.3 壓盤

壓盤是具有一定厚度的金屬盤，用于壓緊離合器片，并且在受力時(shí)不容易變形。壓盤安裝在離合器主從動(dòng)片的一端或兩端，通過(guò)鎖止卡圈把離合器片及壓盤固定在離合器轂內(nèi)，在液壓的作用下，主動(dòng)片、從動(dòng)片之間的摩擦力使它們鎖緊在一起。

離合器的液壓缸通常位于離合器轂內(nèi)部，活塞通過(guò)回位彈簧被擋圈固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩；钊辉谝粋€(gè)方向接受液壓的作用力，活塞在回位彈簧彈力分作用下回位。因此，液壓離合器內(nèi)有回位彈簧、彈簧座、彈簧卡圈等，組裝好后回位彈簧已經(jīng)具有一定的彈力，能夠保證活塞可靠回位。

2 液壓制動(dòng)器

制動(dòng)器的作用是控制行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中某些元件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)不同的傳動(dòng)比。制動(dòng)器由液壓伺服裝置與機(jī)械制動(dòng)兩部分組成。自動(dòng)變速器中使用的制動(dòng)器通常為帶式制動(dòng)器和片式制動(dòng)器兩種類型。

2.1 帶式制動(dòng)器

帶式制動(dòng)器是利用圍繞在制動(dòng)鼓周圍的制動(dòng)帶收縮而產(chǎn)生制動(dòng)效果的一種制動(dòng)器。制動(dòng)帶的內(nèi)表面粘貼摩擦材料。在制動(dòng)時(shí)，允許制動(dòng)帶與制動(dòng)鼓之間有輕微的滑動(dòng)摩擦，防止制動(dòng)帶突然制動(dòng)行星齒輪機(jī)構(gòu)部件，因?yàn)橥蝗恢苿?dòng)，會(huì)對(duì)自動(dòng)變速器造成損害。制動(dòng)帶包繞在制動(dòng)轉(zhuǎn)鼓的外圓表面，一端固定在變速器殼體上，另一端與制動(dòng)主缸中的活塞連接。當(dāng)給制動(dòng)帶施加作用力時(shí)，推動(dòng)活塞壓縮回位彈簧，制動(dòng)帶箍緊制動(dòng)鼓，直到停止。制動(dòng)鼓所需要的制動(dòng)力的大小取決于制動(dòng)帶的尺寸，以及作用在制動(dòng)帶非固定端上作用力的大小。

2.2 多片式制動(dòng)器

多片式制動(dòng)器的作用也用于固定行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的某一元件。片式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)原理和濕式多片式離合器的基本相同，只是鋼片通過(guò)外花鍵齒安裝在變速器殼體的內(nèi)花鍵槽內(nèi)，摩擦片通過(guò)內(nèi)花鍵齒與行星排某個(gè)元件上的外花鍵槽連接，如齒圈。當(dāng)液壓缸沒(méi)有壓力油時(shí)，鋼片與摩擦片分離，齒圈可自由旋轉(zhuǎn)；當(dāng)壓力油進(jìn)入液壓缸后，使鋼片與磨擦片壓緊，與摩擦片連接的齒圈被固定而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 各檔位工作原理及傳動(dòng)比

行星齒輪換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)在不同的組合下，形成不同的檔位，具體如表1所示。

表1 自動(dòng)變速器換擋執(zhí)行元件動(dòng)作規(guī)律

（1）N位（空檔）

各執(zhí)行元件均不工作，前后行星排所有元件均不受約束，變速機(jī)構(gòu)無(wú)法傳遞動(dòng)力。

（2）D位1擋

前進(jìn)離合器K1處于接合狀態(tài)，小太陽(yáng)輪與輸入軸連成一體成為輸入元件。單向離合器F鎖止行星架，控制其無(wú)法逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)；小太陽(yáng)輪順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，短行星齒輪逆時(shí)針?lè)较蜃赞D(zhuǎn)，長(zhǎng)行星齒輪順時(shí)針?lè)较蜃赞D(zhuǎn)，從而帶動(dòng)齒圈和輸出軸沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)輸出動(dòng)力。此時(shí)長(zhǎng)行星齒輪還帶動(dòng)大太陽(yáng)輪逆時(shí)針?lè)较蚩辙D(zhuǎn)。故動(dòng)力傳遞路線為：輸入軸→前進(jìn)離合器 K1→小太陽(yáng)輪→短行星齒輪→長(zhǎng)行星齒輪→齒圈→輸出軸。

D位1擋傳動(dòng)比的計(jì)算：

由傳動(dòng)路線可知，其右行星排運(yùn)動(dòng)特征方程為：

行星架被制動(dòng)其轉(zhuǎn)速nR3為零，則傳動(dòng)比為：

（3）D位2擋

由換擋元件工作規(guī)律表可知，二檔時(shí)直接當(dāng)離合器 K1將動(dòng)力經(jīng)短太陽(yáng)輪輸入行星輪系：制動(dòng)器 B1將長(zhǎng)太陽(yáng)輪制動(dòng)。其動(dòng)力傳遞路線為：離合器K1→短太陽(yáng)輪→短行星齒輪→長(zhǎng)行星齒輪圍繞固定的長(zhǎng)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)齒圈輸出動(dòng)力。

D位2擋傳動(dòng)比的計(jì)算：

在此檔位短太陽(yáng)輪被離合器K1驅(qū)動(dòng)，長(zhǎng)太陽(yáng)輪被制動(dòng)器B1制動(dòng)。

由換擋執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)規(guī)律表可知，離合器K1、K3結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力直接傳遞給太陽(yáng)輪和行星架，所以行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪和行星齒輪兩個(gè)元件轉(zhuǎn)速相同，所以齒圈以同樣的轉(zhuǎn)速對(duì)外輸出動(dòng)力。

此狀態(tài)為直接傳動(dòng)且旋向相同。

（5）D位4擋

由換擋執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)規(guī)律表可知，離合器K3接合，行星架轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)器B1制動(dòng)大太陽(yáng)輪，長(zhǎng)行星齒輪圍繞該太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)輸出動(dòng)力。

傳動(dòng)比由運(yùn)動(dòng)特征方程計(jì)算可知：

由于傳動(dòng)比i4小于1，故該檔位為超速擋傳動(dòng)。

（6）倒擋

由換擋執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)規(guī)律表可知，掛倒擋時(shí)離合器K2接合，B1制動(dòng)行星架。動(dòng)力傳遞路線為：倒擋離合器K2→長(zhǎng)行星齒輪→齒圈→輸出軸，對(duì)外輸出動(dòng)力。

4 總結(jié)

本文介紹了自動(dòng)變速器換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)，即液壓離合器和液壓制動(dòng)器，通過(guò)這兩個(gè)結(jié)構(gòu)的不同組合，得出各檔位的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及工作原理，從原理上介紹了行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本傳動(dòng)比的確定方法，為日后自動(dòng)變速器的自主設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

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