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自动变速箱里的行星齿轮组结构(一)

2017-09-05 06:10:51 ind4汽车人

目前业内公认的自动变速箱 Automatic Transmission的典型机械结构就是液力变矩器Torque convertor 和行星齿轮组的经典组合。经过多年的技术进步,行星齿轮组的设计演化出来许多经典结构,下面给大家作一个梳理。

行星齿轮,自动变速箱

1、从最简单的单排行齿轮组说起

话说从前有三个好基友 - 太阳轮,行星架和齿圈(通常行星轮的公转由行星架决定,自转也是由其它件的旋转决定的,所以它不单独列为好基友之一)。 大家都知道,好基友在一起永远可以擦出火花来到,他们在一起就组成最简单的单排行星齿轮组。

行星齿轮,自动变速箱

其实他们之间的火花很多,有很多的排列组合。简单的说,单排行星齿轮组就可以实现倒挡、增速、减速和空挡等情况。见下表。

行星齿轮,自动变速箱

从上表可以看出,空挡就是所有东西空转,没有件被固定,动力可以从任何一个件输入,但是无法从任何一个件输出动力,说白了,就是让你有劲无地使。同理,锁住任意两个件,第三件也就绑在一起了。

顺便说一句,从理论出发的话,三基友组合可以实现两增,两减,一直接挡的5速比组合,可惜,仅仅靠三基友速比是无法完美的实现合理的5个速比,另外,固定某个件以及动力输入、输出是需要离合器、制动器等挡位执行器来配合,限于物理局限、尺寸限制,这也是无法实现的。For sure, 我们需要更巧妙的设计,于是……

2、新普森(Simpson)行星齿轮机构

辛普森这个名字是翻开任何一本介绍汽车自动变速箱都无法回避的名字。先八卦一下这个仁兄。首先,这哥们已经于1963年死于癌症了,他的一生大部分时间在福特工作,据说,亨利-福特经常亲自和他一起工作,这哥们绞尽脑汁研究行星齿轮机构,终其一生共获得41个专利,靠专利转让费就挣了几百万美元哦,乖乖,上世纪五六十年代的几百万美金啊。可见他的发明是很猛的,成就是很大的。以至于在2007年,SAE 弄出来一个以他的名字命名的铁姆肯/霍华德-辛普森汽车变速器和传动系统创新奖来表彰在汽车变速箱和动力传动系统的创新。

说回到他的成名作- 辛普森 (Simpson) 行星齿轮机构,他当年设计的时候是这样的,由一个共用的太阳轮连接使用串联两个相同的行星齿轮组组成一个三速自动变速器。共用的太阳轮以及相同的行星齿轮组意味着更少了零部件数量,极大的降低了生产成本以及节省了宝贵的变速箱空间。这种结构于1950年获得专利,在当时就被被俗称为“辛普森行星齿轮机构。” 紧接着,福特在1953年购买了专利授权,却没有很快投入批产。反而,克莱斯勒于1955年也购买了专利授权,很快就批产其三速自动Torque flite。见下图。 紧接着,通用、福特甚至远在欧洲的奔驰都被授权生产这种结构的自动变速箱。应该说辛普森机构统治了70年代以前的自动变速箱结构,并一直可以在现代变速箱看到其变种。

行星齿轮,自动变速箱

由于真正的辛普森发明的结构实在太老了,我们现在能看到常见结构都是改良版的,主要是将辛普森行星齿轮机构中之带式制动器用片式制动器代替,并增加一个单向离合器 ( 自由轮机构 )F ,使得从换档平稳性得以改善。下面介绍一个最简单的三速辛普森行星齿轮机构变速箱。其中,B开头是Brake,也就是制动器,都是和壳体相连的,起到固定某个件的作用,C开头是clutch,就是离合器,起到动力从一个件传递到另一个件的作用。

该机构两组行星排共用1个太阳轮,其输出轴从太阳轮的内孔中自由穿过。因其前行星架已成为输出元件,其动力输入元件只限于齿圈和太阳轮,只能有2个驱动自由度。它共计使用了2个离合器(C1、C2)、2个制动器(B1、B2)、1个单向离合器(F)来实现三个速比。现在眼光看,性价比不高哦。

行星齿轮,自动变速箱

下表1是挡位如何通过离合器以及制动器的共同作用来实现的,值得一提的是D1挡,C2接合,前齿圈是动力输入,其驱动前行星轮顺时针转动,太阳轮只能逆时针转动,它又使后行星轮顺时针转动,因后行星架被单向离合器F锁止,只能顺时针转动,不能逆时针转动,形成支撑,齿圈被后行星齿轮驱动顺时针转动。

行星齿轮,自动变速箱

辛普森结构就到这里了。欲知后事,请看自动变速箱里的行星齿轮组结构之 下)拉威挪式行星齿轮机构(Ravigneaux)和莱氏行星齿轮机构(Le Pelletier)。

 
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