行星齿轮换挡执行机构的研究与分析

宋小艳

（沈阳城市建设学院，辽宁 沈阳 110167）

引言

自动变速器的主要结构由行星齿轮传动机构和换挡执行机构组成。由行星齿轮运动分析可知，使用一组行星齿轮传递扭矩可以实现不需要更换齿轮即可获得若干个汽车所需要的前进档或倒挡，而且齿轮结构紧凑。由行星齿轮运动分析可以得出，想要获得不同的传动比，需要分别对行星齿轮机构的一些元件进行控制，即控制该元件固定或是转动，从而实现汽车变速。用来控制行星齿轮各元件工作状态的装置称为换挡执行机构，该机构由若干个液压离合器、液压制动器和单向离合器构成。其中液压离合器是通过液体压力传递动力的装置，液压制动器是通过液体压力控制元件的制动或释放的装置。如图1所示，自动变速器变速机构简图，C为液压离合器，B为液压制动器，F为单向离合器。

1 液压离合器

液压离合器是在通用的膜片离合器的基础上增加了电子控制单元(ECU)和液压执行系统，将踏板操纵离合器油缸活塞改为由开关装置控制电动油泵去操纵离合器油缸活塞。

图1 变速机构简图

1.1 液压离合器结构

液压离合器主要由外毂、内毂、液压活塞、离合器片、压盘、回位弹簧等组成。离合器内部结构主要是摩擦片和钢片，摩擦片内侧有花键，与离合器内毂上的键槽连接，钢片外缘有花键，与离合器外毂的键槽连接，摩擦片和钢片交错安装。当油压作用于液压缸的活塞时，油压推动活塞，离合器毂内的摩擦片和钢片紧压在一起，此时离合器处于接合状态，可实现动力的传递。如果油液被排出，在回位弹簧的作用下，活塞回位，离合器分离，动力传递中止。

1.2 摩擦片

摩擦片是离合器的主要组成元件，其工作表面材料的物理性质和机械性能直接影响离合器的工作性能。要求材料满足摩擦系数大且稳定，强度高，耐磨、耐高温、耐腐蚀和导热性能好。其摩擦材料有金属性、半金属性和经硬化处理的合成纤维材料，其中硬化合成纤维材料是最常用的材料，因为它有较大的摩擦系数，可以提供更大的摩擦力。通常摩擦片上会加工有油槽便于冷却，从而可以提高它的效率和耐久性[1]。

1.3 压盘

压盘是具有一定厚度的金属盘，用于压紧离合器片，并且在受力时不容易变形。压盘安装在离合器主从动片的一端或两端，通过锁止卡圈把离合器片及压盘固定在离合器毂内，在液压的作用下，主动片、从动片之间的摩擦力使它们锁紧在一起。

离合器的液压缸通常位于离合器毂内部，活塞通过回位弹簧被挡圈固定在适当的位置。活塞只在一个方向接受液压的作用力，活塞在回位弹簧弹力分作用下回位。因此，液压离合器内有回位弹簧、弹簧座、弹簧卡圈等，组装好后回位弹簧已经具有一定的弹力，能够保证活塞可靠回位。

2 液压制动器

制动器的作用是控制行星齿轮传动机构中某些元件的旋转运动，从而实现不同的传动比。制动器由液压伺服装置与机械制动两部分组成。自动变速器中使用的制动器通常为带式制动器和片式制动器两种类型。

2.1 带式制动器

带式制动器是利用围绕在制动鼓周围的制动带收缩而产生制动效果的一种制动器。制动带的内表面粘贴摩擦材料。在制动时，允许制动带与制动鼓之间有轻微的滑动摩擦，防止制动带突然制动行星齿轮机构部件，因为突然制动，会对自动变速器造成损害。制动带包绕在制动转鼓的外圆表面，一端固定在变速器壳体上，另一端与制动主缸中的活塞连接。当给制动带施加作用力时，推动活塞压缩回位弹簧，制动带箍紧制动鼓，直到停止。制动鼓所需要的制动力的大小取决于制动带的尺寸，以及作用在制动带非固定端上作用力的大小。

2.2 多片式制动器

多片式制动器的作用也用于固定行星齿轮传动机构的某一元件。片式制动器的结构原理和湿式多片式离合器的基本相同，只是钢片通过外花键齿安装在变速器壳体的内花键槽内，摩擦片通过内花键齿与行星排某个元件上的外花键槽连接，如齿圈。当液压缸没有压力油时，钢片与摩擦片分离，齿圈可自由旋转；当压力油进入液压缸后，使钢片与磨擦片压紧，与摩擦片连接的齿圈被固定而不能转动。

3 各档位工作原理及传动比

行星齿轮换挡执行机构在不同的组合下，形成不同的档位，具体如表1所示。

表1 自动变速器换挡执行元件动作规律

（1）N位（空档）

各执行元件均不工作，前后行星排所有元件均不受约束，变速机构无法传递动力。

（2）D位1挡

前进离合器K1处于接合状态，小太阳轮与输入轴连成一体成为输入元件。单向离合器F锁止行星架，控制其无法逆时针方向转动；小太阳轮顺时针方向转动，短行星齿轮逆时针方向自转，长行星齿轮顺时针方向自转，从而带动齿圈和输出轴沿顺时针方向转动输出动力。此时长行星齿轮还带动大太阳轮逆时针方向空转。故动力传递路线为：输入轴→前进离合器 K1→小太阳轮→短行星齿轮→长行星齿轮→齿圈→输出轴。

D位1挡传动比的计算：

由传动路线可知，其右行星排运动特征方程为：

行星架被制动其转速nR3为零，则传动比为：

（3）D位2挡

由换挡元件工作规律表可知，二档时直接当离合器 K1将动力经短太阳轮输入行星轮系：制动器 B1将长太阳轮制动。其动力传递路线为：离合器K1→短太阳轮→短行星齿轮→长行星齿轮围绕固定的长太阳轮转动并驱动齿圈输出动力。

D位2挡传动比的计算：

在此档位短太阳轮被离合器K1驱动，长太阳轮被制动器B1制动。

由换挡执行元件运动规律表可知，离合器K1、K3结合，发动机动力直接传递给太阳轮和行星架，所以行星齿轮机构的太阳轮和行星齿轮两个元件转速相同，所以齿圈以同样的转速对外输出动力。

此状态为直接传动且旋向相同。

（5）D位4挡

由换挡执行元件运动规律表可知，离合器K3接合，行星架转动，制动器B1制动大太阳轮，长行星齿轮围绕该太阳轮转动，同时驱动齿圈转动输出动力。

传动比由运动特征方程计算可知：

由于传动比i4小于1，故该档位为超速挡传动。

（6）倒挡

由换挡执行元件运动规律表可知，挂倒挡时离合器K2接合，B1制动行星架。动力传递路线为：倒挡离合器K2→长行星齿轮→齿圈→输出轴，对外输出动力。

4 总结

本文介绍了自动变速器换挡执行机构的主要结构，即液压离合器和液压制动器，通过这两个结构的不同组合，得出各档位的运动规律以及工作原理，从原理上介绍了行星齿轮传动机构的基本传动比的确定方法，为日后自动变速器的自主设计提供参考。

参考文献

[1] 张雨佳,贵新成,牛四波,牛善田.基于内啮合行星齿轮的变速器传动方案设计[J].起重运输机械,2017年10月.

[2] 孙金风,何红秀,陈胜,黄良玉,王启东.行星齿轮传动机构虚拟样机仿真研究[J].机械,2017年4月.

[3] 赵妞,钱爱文,黄昭明.某轿车自动变速器行星轮系结构优化设计[J].赤峰学院学报(自然科学版),2017年1月.