行星齒輪換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究與分析

宋小艷

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110167）

引言

自動變速器的主要結(jié)構(gòu)由行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)和換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。由行星齒輪運(yùn)動分析可知，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)動分析可以得出，想要獲得不同的傳動比，需要分別對行星齒輪機(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，從而實(shí)現(xiàn)汽車變速。用來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)由若干個液壓離合器、液壓制動器和單向離合器構(gòu)成。其中液壓離合器是通過液體壓力傳遞動力的裝置，液壓制動器是通過液體壓力控制元件的制動或釋放的裝置。如圖1所示，自動變速器變速機(jī)構(gòu)簡圖，C為液壓離合器，B為液壓制動器，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關(guān)裝置控制電動油泵去操縱離合器油缸活塞。

圖1 變速機(jī)構(gòu)簡圖

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，摩擦片和鋼片交錯安裝。當(dāng)油壓作用于液壓缸的活塞時，油壓推動活塞，離合器轂內(nèi)的摩擦片和鋼片緊壓在一起，此時離合器處于接合狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)動力的傳遞。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，并且在受力時不容易變形。壓盤安裝在離合器主從動片的一端或兩端，通過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，主動片、從動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，活塞通過回位彈簧被擋圈固定在適當(dāng)?shù)奈恢??；钊辉谝粋€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 液壓制動器

制動器的作用是控制行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)中某些元件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)不同的傳動比。制動器由液壓伺服裝置與機(jī)械制動兩部分組成。自動變速器中使用的制動器通常為帶式制動器和片式制動器兩種類型。

2.1 帶式制動器

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

2.2 多片式制動器

多片式制動器的作用也用于固定行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)的某一元件。片式制動器的結(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)，摩擦片通過內(nèi)花鍵齒與行星排某個元件上的外花鍵槽連接，如齒圈。當(dāng)液壓缸沒有壓力油時，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。

3 各檔位工作原理及傳動比

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 自動變速器換擋執(zhí)行元件動作規(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)無法傳遞動力。

（2）D位1擋

前進(jìn)離合器K1處于接合狀態(tài)，小太陽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，控制其無法逆時針方向轉(zhuǎn)動；小太陽輪順時針方向轉(zhuǎn)動，短行星齒輪逆時針方向自轉(zhuǎn)，長行星齒輪順時針方向自轉(zhuǎn)，從而帶動齒圈和輸出軸沿順時針方向轉(zhuǎn)動輸出動力。此時長行星齒輪還帶動大太陽輪逆時針方向空轉(zhuǎn)。故動力傳遞路線為：輸入軸→前進(jìn)離合器 K1→小太陽輪→短行星齒輪→長行星齒輪→齒圈→輸出軸。

D位1擋傳動比的計(jì)算：

由傳動路線可知，其右行星排運(yùn)動特征方程為：

行星架被制動其轉(zhuǎn)速nR3為零，則傳動比為：

（3）D位2擋

由換擋元件工作規(guī)律表可知，二檔時直接當(dāng)離合器 K1將動力經(jīng)短太陽輪輸入行星輪系：制動器 B1將長太陽輪制動。其動力傳遞路線為：離合器K1→短太陽輪→短行星齒輪→長行星齒輪圍繞固定的長太陽輪轉(zhuǎn)動并驅(qū)動齒圈輸出動力。

D位2擋傳動比的計(jì)算：

在此檔位短太陽輪被離合器K1驅(qū)動，長太陽輪被制動器B1制動。

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

此狀態(tài)為直接傳動且旋向相同。

（5）D位4擋

由換擋執(zhí)行元件運(yùn)動規(guī)律表可知，離合器K3接合，行星架轉(zhuǎn)動，制動器B1制動大太陽輪，長行星齒輪圍繞該太陽輪轉(zhuǎn)動，同時驅(qū)動齒圈轉(zhuǎn)動輸出動力。

傳動比由運(yùn)動特征方程計(jì)算可知：

由于傳動比i4小于1，故該檔位為超速擋傳動。

（6）倒擋

由換擋執(zhí)行元件運(yùn)動規(guī)律表可知，掛倒擋時離合器K2接合，B1制動行星架。動力傳遞路線為：倒擋離合器K2→長行星齒輪→齒圈→輸出軸，對外輸出動力。

4 總結(jié)

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

參考文獻(xiàn)

[1] 張雨佳,貴新成,牛四波,牛善田.基于內(nèi)嚙合行星齒輪的變速器傳動方案設(shè)計(jì)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2017年10月.

[2] 孫金風(fēng),何紅秀,陳勝,黃良玉,王啟東.行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)仿真研究[J].機(jī)械,2017年4月.

[3] 趙妞,錢愛文,黃昭明.某轎車自動變速器行星輪系結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017年1月.