组合式行星变速机构

主要有:

辛普森式(Simpson)

拉维娜(Ravigneanx)

行星排组合式

等几种类型

离合器The clutch

制动器brake

单向离合器A one-way clutch

自动变速器Automatic transmission

automatic gearbox

【机械工程】超越离合器 Overrunning clutch

不同车型的自动变速器在结构上往往有较大的差别。如前进挡的挡数不同，离合器、制动器及单向离合器的数目和布置方式也不同，所采用的行星齿轮机构的类型也不同。

早期自动变速器常采用两个或三个前进挡， 新型轿车自动变速器大部分采用四个或五个前进挡。 前进挡的数目越多，行星齿轮变速器中的离合器、制动器及单向离合器的数目就越多。离合器、制动器及单向离合器的布置方式主要取决于行星齿轮变速器前进挡的挡数及所采用的行星齿轮机构的类型。对行星齿轮机构类型相同的行星齿轮变速器来说，其离合器、制动器及单向离合器的布置方式及工作过程基本上是一致的。 因此，了解各种不同类型的行星齿轮机构所组成的行星齿轮变速器的结构和工作原理，是掌握各种不同车型自动变速器结构和工作原理的基础，也是深入分析自动变速器故障因果关系、为排除故障建立清晰、正确的思路的前提。

目前轿车上常用的行星齿轮变速器主要有辛普森式(Simpson)和拉维娜(Ravigneanx)以及行星排组合式等几种类型。

1．辛普森式行星齿轮机构的特点

前后行星齿轮机构有两种连接方式：

1、前齿圈和后行星架组件，（前圈后架）

2、前行星架和后齿圈组件，（前架后圈）

丰田A43D 自动变速器液压油路

A43D 是全液压控制的自动变速器，安装在早期丰田皇冠轿车上。它的手动变速杆虽然是6个位置，但在D 位置时，增加了一套电路控制，其开关叫O/D（超速档）主开关，按下O/D主开关（ON 位置），O/D OFF （不用超速挡）指示灯不亮，就相当于其它车型“D4”的位置，变速器可以在1至4档之间自动变换。不按下O/D主开关（OFF 位置），O/D OFF （不用超速挡）指示灯亮，就相当于其它车型“D 3”的位置，变速器只可以在1至3档之间自动变换，不能升到4档。

与其它车型的对应关系见表1-1。 表1-1：

A43D 自动变速器的动力传动机构由两大部分构成，前部是一个单一的行星齿轮组件，后部是辛普森式复合行星齿轮组件。单一的行星齿轮组件有两种工作状态，一种是转速比为1比1，另一种是转速比为0.7比1，起增速作用，通常称它为超速档行星齿轮组件（O/D档）(Overdrive)。辛普森式复合行星齿轮组件就是早期3档自动变速器的传动机构，它可以实现前进方向2.5比1、1.5比1和1比1三个档次的转速比，以及2.75比1的倒档。

前齿圈和后行星架组件具体应用在如图3—32和图3—33所示的丰田A43D 自动变速器中。

第二种是前行星齿轮机构的行星架和后行星齿轮机构的齿圈相连，并作为输出轴，称为前行星架和后齿圈组件，如图3-31。经过上述组合，该机构成为一种具有四个独立元件的行星齿轮机构。

而前行星架和后齿圈组件具体应用在丰田A340E 自动变速器的

图3—35 丰田A340E 自动变速器传动路线结构简图

根据以上分析，典型的辛普森行星齿轮机构结构特点如下： 2．动力传动路线分析

丰田A43D 的自动变速器由一前、二后的三组行星齿轮机构组成，前为单排的超速行星齿轮机构，后为前齿圈和后行星架组件的辛普森双行星排。表3—2所示是A43D 自动变速器各换挡执行元件的功能说明，表3—3所示是该在变速器各挡位时执行元件的工作情况。

A43D 自动变速器各个挡位传动路线描述如下。

表3-2 A43D自动变速器换挡执行元件的功能

表3-3 A43D自动变速器换挡执行元件的工作状况

(1)D-1挡和2-1挡(见图3—36)

在D-1或2-1挡时，O/D离合器C0，前进挡离合器C1接合工作。C0接合使O-D 太阳轮与O/D行星架连接在一起，即超速行星齿轮机构连成一整体一起转动，传动比为1，使主动轴输入动力直接传给前进挡离合器C1的主动部件。

图3—36 D-1挡传动路线原理图

由于前进挡离合器C1接合，使动力通过中间轴传到后齿圈并使之顺时针转动；后行星架和前齿圈由于输出阻力较大，使后齿圈带动后行星轮顺时针转动，前后太阳轮逆时针方向转动，造成前行星架也有朝逆时针方向转动的趋势。由于2号单向离合器F2的逆时针方向锁止作用，使前行星架转动受阻，固定不动。

D-1挡的动力传动路线为：

输入轴→O ／D 行星架→O／D 齿圈(由于C0结合直接传动)→前离合器C1接合→中间轴→后齿圈→后行星轮

输入的转矩既通过后行星架，又通过前圈传到功率输出轴上，使前后行星齿轮机构均能承受一定的负荷，减轻了齿轮的负载，以防止齿轮损伤。

(2)D-2挡(见图3—37)

在D-2挡时，O ／D 离合器Co 接合，超速排直接传动，动力从输入轴过超速排直接传递到前进挡离合器C1主动部件。由于前进挡离合器C1接合，使动力通过中间轴传到后齿圈并使之顺时针转动；后行星架和前齿圈由于输出阻力较大，后齿圈带动后行星轮顺时针转动，使前后太阳轮有逆时针方向转动的趋势。2挡制动器B2的接合，使1号单向离合器能够在反时针方向锁止前后太阳轮转动，使之固定不动。在后行星齿轮排中，输人为后齿圈，固定为前后太阳轮，

输出为后行星架。

图3—37 D-2挡传动路线原理图 D-2挡传动路线为：输入轴→O／D 行星架→O／D 齿圈(由于Co 结合直接传动)→前离合器C1接合→中间轴→后齿圈→后行星轮→后行星架(B2，F1共同作用前后太阳轮固定不动)→功率输出轴

(3)D-3挡(见图3—38)

在D-3挡时，O ／D 离合器Co 接合，超速排直接传动，动力从输入轴过超速排直接传递到前进挡离合器C1、直接挡离合器C2的主动部件。由于离合器C1接合工作，动力从C1过中间轴传递到后齿圈并作顺时针转动，离合器C2接合工作，动力传递到前后太阳轮并作顺时针转动。在后行星齿轮排中，后齿圈和前后太阳轮同速、同向转动，后行星齿轮机构被作为一整体一起转动，传动比为1，处于直接传动状况。此时尽管B2接合，但由于前后太阳轮顺时针转动，1号单向离合器F1不起锁止作用。

图3—38 D-3挡传动路线原理图

D-3挡传动路线为：

输入轴→O ／D 行星架→O／D 齿圈(由于C0结合直接传动)→

(4)D-4挡(见图3—39)

在D-4挡(O／D 挡，超速挡) 时，O ／D 制动器B 。接合而O ／D 离合器C 。分离。在超速行星齿轮机构中，由于O ／D 太阳轮被O ／D 制动器B 。固定，输入为O ／D 行星架、输出为O ／D 齿圈，超速排传动比小于1。由于C1，C2，B2接合状况与D-3挡相同，所以其后的2个辛普森行星排为直接传动。

图3—39 D-4挡传动路线原理图 D一4挡传动路线为：输入轴→O ／D 行星架→0／D 行星轮→()／D 齿圈(由于B0结合固定0／D 太阳轮)→

(5)2—2挡(见图3—

40)

图3-40 2—2挡传动路线原理图

在2—2挡时，发动机具有强制制动作用。此挡位时2挡滑行制动器B1接合作用，而其他执行元件Co ，C1，B2接合状况与D-2挡相同。当车辆加速或上坡行驶时，动力传动路线与D-2挡完全相同。 必须注意的是：在D-2挡时，由2号制动器B2和1号单向离合器F1共同作用，阻碍前后太阳轮逆时针转动。而在2-2挡时，除B2，F1外，2挡滑行制动器B1锁止前后太阳轮顺逆双向转动。当汽车下陡坡或松油门减速，且车速快于发动机输出的速度时，动力从输出轴反向输入到后行星架，后太阳轮变为顺时针转动，单向离合器F1失去锁止，变速器成为空挡。但这时制动器B1结合仍能可靠地固定住太阳轮，使变速器保持在D-2挡的传动路线。利用速度反馈作用，使发动机有效地起制动作用。

(6)L-1挡(见图3—41)

L-1挡时，发动机具有强制制动作用。此挡位时，低／倒挡制动器B 3接合，C 0接合。

当车辆加速行驶或上坡时，动力传动路线与D-1

挡相同。

图3—41 L-1挡传动路线原理图

L-1挡与D-l 挡的区别是：在D-1挡，仅由2号单向离合器F2阻碍前行星架逆时针转动；而L-1挡时，由单向离合器F2和制动器B2共同作用，约束制动前行星架顺逆双向转动。当汽车下陡坡或松油门减速，且车速快于发动机输出的速度时，动力从输出轴反向输入到后行星架，前行星架变为顺时针转动，2号单向离合器F2失去锁止，变速器成为空挡。但这时制动器B3结合仍能可靠地固定住前行星架，使变速器保持在D-1挡的传动路线上。利用速度反馈作用，使发动机有效地起制动作用。

(7)R挡(见图3—42)

在R 挡时，O ／D 离合器Co 结合，超速排直接传动，动力从输入轴过超速排直接传递到直接挡离合器C2的主动部件。由于直接挡离合器C2接合工作，动力传递到前后太阳轮并作顺时针转动。低／倒挡制动器B3结合工作使前行星架固定不动。在前行星齿轮排中，输入为前后太阳轮、前行星架被固定，输出为前齿圈。所以动力由前

后太阳轮通过前行星轮传到前齿圈，并使齿圈向逆时针方向转动，实现倒挡传动。

图3—42 R挡传动路线原理图

R挡传动路线为：

输入轴→O／D 行星架→O／D 齿圈(由于Co 结合直接传动)→高／倒挡离合器C2结合→前后太阳轮→前行星轮(B3接合，固定前行星架) →前齿圈→功率输出轴。

(8)“N ”位(空挡) 和“P ”位(停车挡)

当换挡杆在“N”和“P”时，尽管O ／D 离合器C0仍处于结合状态，但前进挡离合器C1、直接挡离合器C2均分离，动力不可能传至功率输出轴，也即空挡。

在“P”位时，利用机械停车锁爪锁定前行星齿轮的齿圈(见图3—43) 以保证可靠停车。

图3-43 P位停车锁爪机构

1．拉维娜行星齿轮机构特点

拉维娜行星齿轮机构具有结构简单、尺寸小、传动比变化范围大、灵活多变等特点，

可以组成有3个前进挡或4个前进挡的行星齿轮变速器。

拉维娜行星齿轮机构是由一个单行星齿轮式行星排和一个双行星齿轮式行星排组合而成的，大太阳轮和长行星轮、行星架、齿圈共同组成一个单行星齿轮式行星排；小太阳轮、短行星轮、长行星轮、行星架和齿圈共同组成一个双行星齿轮式行星排，如图3—44所示。

图3-44拉维娜式行星齿轮机构1-小(前) 太阳轮；2-行星架 3-短行星轮；4一长行星轮；5-齿圈；6一大(后) 太阳轮

自20世纪70年代开始，拉维娜行星齿轮机构逐渐应用于许多轿车自动变速器，特别是前轮驱动式轿车的自动变速器。目前在奥迪、大众、三菱、现代等车型的自动变速器上均采用4速拉维娜行星齿轮机构组成的自动变速器。各种变速器由于换挡执行元件布置不同，在结构上有所区别。下面分别是大众、现代和三菱车系自动变速器的传动路线原理图和结构简图(见图3—45至图3—48) ，这些变速器换挡执行元件的功能如表3—4和表3—5所示。

图3—45大众01M ，01N 自动变速器传动路线原理图

图3—47三菱、现代轿车拉维娜式自动变速器传动路线原理

图3—48三菱、现代轿车拉维娜式自动变速器传动路线结构简图

Z1-小太阳轮齿数；Z2-大太阳轮齿数；Z3一短行星轮齿数；

Z4一长行星轮齿数；Z5一齿圈数

表3-5现代、三菱轿车用自动变速器换挡执行元件的功能

从以上拉维娜式行星齿轮机构在自动变速器中的应用可以总结其结构特点如下：

(1)两个行星齿轮排共用一个行星架、一个齿圈；

(2)长、短行星轮装在同一个行星架上，并相互啮合；

(3)长行星轮与大太阳轮和齿圈相啮合，并与行星架一起组成单行星齿轮式行星排；

(4)短行星轮与小太阳轮啮合并通过长行星轮驱动齿圈，长、短行星轮，小太阳轮以及公用的齿圈和行星架组成双行星齿轮式行星排。

(5)行星齿轮机构中大、小太阳轮和行星架可作为动力输入元件，齿圈可作为动力输出元件，固定件分别选用大太阳轮和行星架，可以获取不同的传动比。

2．动力传动路线分析

现以大众01M ，01N 自动变速器为例分析4速拉维娜行星齿轮机构的传动过程。表3—6所示是该变速器各挡位时执行元件的工作情况。

表3-6大众01M 。01N 自动变速器各挡位时换挡执行元件的工作状况

各个挡位传动路线描述如下：

(1)R挡(见图3—49)

R挡时，倒挡离合器K2、倒挡制动器B1接合工作；K2接合使动力从输入轴传递到大太阳轮，B1接合使行星架被固定。在单行星齿轮式行星排中，输入为大太阳轮，输出为齿圈，固定件是行星架，此时齿圈反向转动。动力经倒挡离合器K2、大太阳轮、长行星轮、齿圈输出给驱动齿轮。

图3—49 R挡动力传动路线原理图

(2)1挡(见图3—50)

在D 位1挡时，前进挡离合器K1接合工作，动力输入到小太阳轮使小太阳轮顺时针转动。小太阳轮驱动与之相啮合的短行星轮逆时针转动，并使长行星轮顺时针转动。由于起步时齿圈与驱动轮相连，起步阻力大，长行星轮顺时针转动时，具有带动行星架逆时针转动的趋势。而单向离合器F 阻止行星架逆时针转动，长行星轮便驱动齿圈顺时针转动，动力经前进挡离合器K1、小太阳轮、短行星轮、长行星轮、齿圈输出给驱动齿轮。

(3)2挡(见图3—51)

在D 位2挡时，前进挡离合器K1、2—4挡制动器B2接合工作。离合器K1结合使动力输入到小太阳轮并使之顺时针转动。小太阳轮驱动与之相啮合的短行星轮逆时针转动，并使长行星轮顺时针转动。由于制动器B 。固定了大太阳轮，长行星轮必须在固定的大太阳轮上顺时针滚动并驱动齿圈顺时针转动输出动力。

(4)3挡(见图3—52)

在D 位3挡时，1—3挡离合器K1，3—4挡离合器K3接合工作。离合器K1接合使动力输入到小太阳轮并使之顺时针转动，离合器K3接合使动力输入到行星架并使之顺时针转动。此时双行星齿轮式行星排中小太阳轮和行星架同速运转，长、短行星轮的自转被限制，整个行星齿轮机构一起转动，输入轴与输出轴转速一致，传动比为1，此时为直接挡。

图3—50 1挡动力传动路线原理图

图3—51 2挡动力传动路线原理图

图3—52 3挡动力传动路线原理图

(5)4挡(见图3—53)

在D 位4挡时，3—4挡离合器K 。，2—4挡制动器B ：接合工作。离合器K 。接合使动力输入到行星架并使之顺时针转动，制动器B2接合使大太阳轮固定不动。在单行星齿轮式行星排中，输人为行星架、固定为大太阳轮、输出为齿圈，齿圈以高于输入的转速运转。动力从输入轴、离合器K 。、行星架、长行星轮、齿圈输出给驱动齿轮。

图3—53 4挡动力传动路线原理图

1．CR —CR 行星齿轮机构的组成

CR—CR 行星齿轮机构由两套行星齿轮组合而成，其中前行星架和后齿圈、后行星架和前齿圈相互机械连接，动力输入可以是前太阳轮、后太阳轮或后行星架；动力输出是前行星架和后齿圈。 三菱和克莱斯勒公司的轿车装用的自动变速器采用了CR —CR 行星齿轮机构，主要有三菱的F4A42和克莱斯勒的41TE 自动变速器，其机械结构主要由一套CR —CR 行星齿轮机构、三套离合器、两套制动器构成，如图3—54所示。三套离合器分别为UD 离合器(低速挡离合器) 、OD 离合器(超速挡离合器) 、REV 离合器(倒挡离合器) ；两套制动器分别为2ND 制动器(2挡制动器) 、L ／R 制动器(低／倒挡制动器) 。其传动路线简图如图3—55所示。

在F4A42自动变速器中，前行星排传动比α1=1.842，后行星排传动比α=2．48。令前行星排前太阳轮转速为n11, 前齿圈转速为

n12，前行星架转速为n13。，后行星排后太阳轮转速为

由CR —CR 行星齿轮机构的结构特点可知：

其中Ⅳ为输出转速，在OD 接合时M 为输入转速，UD 接合时n11为输入转速，REV 接合时n21为输入转速。根据单在不同的挡位各个执行元件分别起不同的作用，具体见表3—7。

表3-7机械执行元件工作表

注：o ～元件工作。

(2)换挡工作过程分析

1)P ／N 挡(见图3—

56)

图3-56 P／N 挡传动路线结构简图

在驻车和空挡时，除L ／R 制动器接合外所有的离合器均处于释放状态，目的是为了保证在进挡时能够快速地换到1挡或倒挡。由于所有的离合器均处在释放状态，来自输入轴的动力就不会传递至行星齿轮机构。

各种自动变速器在设计上，一般让在1挡或R 挡时作用的一组执行元件在P ／N 档接合。这样，不仅在操作进挡时能够快速地换到1挡或倒挡，而且可以简化控制油路，尽量避免进挡冲击。 2)1挡动力传输原理(见图3—

57)

图3—57 1挡传动路线结构简图

在1挡时，UD 离合器及L ／R 制动器接合工作。来自输入轴的发动机动力通过UD 离合器传递至前太阳轮并使之顺时针转动。在前行星齿轮排中，由于L ／R 制动器固定了前齿圈，前太阳轮使前行星轮顺时针转动并驱动前行星架顺时针转动。因此在前行星齿轮中，实现动力从前太阳轮到前行星架的传递。

1挡传动比计算如下．

3)2挡动力传输原理(图3—

58)

图3—58 2挡传动路线结构简图

在2挡时，UD 离合器和2ND 制动器接合工作。来自输入轴的发动机动力通过UD 离合器传递至前太阳轮并使之顺时针转动。由于前行星架和后齿圈输出阻力较大，因此前太阳轮使前行星轮逆时针转动，并驱动前齿圈和后行星架逆时针转动；由于2ND 制动器固定了后太阳轮，逆时针转动的后行星架使后行星轮顺时针转动并驱动后齿圈和前行星架顺时针转动，动力从后齿圈和前行星架输出。输入的转矩既通过前行星排的前行星架，又通过后行星排的后齿圈传到输出轴上，使前后行星齿轮机构均承受一定的负荷，减轻了齿轮的负载。

2挡传动比计算如下：

4)3挡动力传输原理(见图3—

59)

图3—59 3挡传动路线结构简图

在3挡时，UD 和OD 离合器接合工作。来自输入轴的发动机动力通过UD 离合器传递至前太阳轮，通过OD 离合器将动力传递至后行星架和前齿圈。因此在前行星齿轮组中，前太阳轮和前齿圈同速作顺时针转动，前行星齿轮组成刚性连接，3挡传动比为1。 5)4挡动力传输原理(见图3—60)

图3—60 4挡传动路线结构简图

在4挡时，OD 离合器和2ND 制动器接合工作。来自输入轴的发动机动力通过OD 离合器传递至后行星架并使之顺时针转动。在后行星齿轮排中，由于2ND 制动器固定了后太阳轮，后行星架使后行星轮顺时针转动并驱动后齿圈顺时针转动，因此在后行星齿轮排实现从后行星架到后齿圈的动力传递。

4挡传动比计算如下：

6)R 挡动力传输原理(见图3—

61)

图3-61 R挡传动路线结构简图

在倒挡时，REV 离合器和L ／R 制动器接合工作。来自输入轴的发动机动力通过 REV离合器传递至后太阳轮并使之顺时针转动。在后行星齿轮排中，由于L ／R 制动器锁固定了后行星架，此时输入为后太阳轮，固定件为后行星架，输出齿圈作逆时针转动。因此在后行星齿轮排实现从后太阳轮到后齿圈的动力传递。

R挡传动比计算如下：

在三菱等车型的CR —CR 行星齿轮机构中，由于机械本身的工作不协调等原因，容易在2挡换3挡或3挡换4挡时产生冲击。这种情况与拉维娜行星齿轮机构中的机械不协调的故障比较类似。

3．4其他变速齿轮机构

3．4．1 定轴式变速齿轮机构

1．结构

定轴式自动变速器的齿轮机构与手动变速器比较类似，主要在本田公司生产的轿车上使用。一般常见有两轴式和三轴式两种，图3—62所示为三轴式变速器，图中1挡离

图3—62三轴式自动变速器 合器负责1挡齿轮与辅助轴的连接和释放，2挡离合器负责2挡齿轮与辅助轴的连接和释放，3挡离合器负责3挡齿轮与主轴的连接和释放，4挡离合器负责4挡齿轮及倒挡齿轮与主轴的连接和释放。单向离合器负责副轴上的1挡齿轮与副轴的连接和自由转动，也即控制1挡齿轮的动力传递方向只能是由辅助轴上的齿轮传给副轴上的齿轮，否则，单向离合器打滑。1挡固定离合器负责副轴上的1挡齿轮与副轴的连接和释放，当固定连接时，单向离合器不再起作用。根据汽车是前进还是倒退，伺服油缸控制倒挡滑套选择4挡齿轮或倒挡齿轮与副轴相连接，从而获得4挡或倒挡。

表3—8所示为变速器在各个挡位时执行元件的工作状况。 0211完

【学习任务】

【技能要求】

由于单排行星齿轮机构不能满足汽车行驶中变速变矩的需要。为了增加传动比的数目，可以通过增加行星齿轮机构来实现。在自动变速器中。常用两排或多排行星齿轮机构组合在一起来满足汽车行驶需要的多种传动比。

常见的复合式行星齿轮自动变速器有：

辛普森式自动变速器和拉威挪式自动变速器。

任务一

辛普森式自动变速器

辛普森式行星齿轮机构是一种双排行星齿轮机构，其结构特点是：前后两个行星排的太阳轮连接为一个整体，称为共用太阳轮组件；前一个行星排的行星架和后一个行星排的齿轮连接为另一个整体，称为前行星架和后齿圈组件；输出轴通常与前行星架和后齿圈组件连接。经过上述的组合后，该机构成为一种具有4个独立元件的行星齿轮机构。

这4个独立元件是：

前齿圈、前后太阳轮组件，

后行星架，前行星架和后齿圈组件。

从20世纪70年代开始，辛普森式行星齿轮变速器被通用、丰田、福特、克莱斯勒、日产等多家公司采用，且多应用于后驱式汽车上。根据前进挡的挡数不同，可将辛普森式行星齿轮机构分为辛

普森式3挡和4挡行星齿轮机构两种。

在辛普森式行星齿轮机构中设置5个换挡执行元件(2个离合器、2个制动器和1个单向超越离合器) ，即可使之成为一个具有3个前进挡和1个倒挡的行星齿轮变速器。这5个换挡执行元件的布置如图5—1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齿圈，制动器B1用于固定前后太阳轮组件，制动器B2和单向超越离合器F1都是用于固定后行星架。制动器 B1和

B2可以采用带式制动器，也可以采用片式制动器。

这5个换挡执行元件在各挡位的工作情况见表5—1。由表中可知，当行星齿轮变速器处于停车挡和空挡之外的任何一个挡位时，5个换挡执行元件中都有两个处于工作状态(接合、制动或锁止状态) ，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挡执行元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。当变速器处于任一前进挡时，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齿轮圈接合，使前齿圈成为主动件， 因此，离合器C2也称为前进离合器。倒挡时，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挡(直接挡) 时也接合，因此，离合器C1也称为倒挡及高挡离合器，制动器B1仅在2挡才工作，称为2挡制动器。制动器B2在1挡和倒挡时都有工作，因此称为低挡及倒挡制动器。由此可知，换挡执行元件的不同工作组合决定了行星齿轮变速器的传动方向和传动比，从而决定了行星齿轮

变速器所处的挡位。

表5—1辛普森式3挡行星齿轮变速器换挡执行元件工作规律

早期的轿车自动变速器多采用3挡行星齿轮变速器，其最高挡3挡是传动比为1的直接挡。进入20世纪80年代后，随着发达国家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器采用了4挡行星齿轮变速器。其最高挡4挡是传动比小于1的超速挡。这种自动变速器的优点除了能降低汽车燃油消耗外，还可以使发动机经常处于较低转速的运转工况，以减小运转噪声，延长发动机的使用寿命。

辛普森式4挡行星齿轮变速器是在辛普森式3挡行星齿轮变速器的基础上发展起来的，它有两种类型：一种是在辛普森式3挡行星齿轮变速器原有的双排行星齿轮机构的基础上再增加一个单排行星齿轮机构，用3个行星排组成4挡行星齿轮变速器；另一种是对辛普森式双排行星齿轮机构进行改进，通过改变前后行星排各基本元件的组合方式和增加换挡执行元件，使之成为带有超速挡的4挡行星齿轮变速器。

(一)3行星排辛普森式

4挡行星齿轮变速器结构与工作原理

这种4挡行星齿轮变速器是在不改变原辛普森式3挡行星齿轮变速器的主要结

构和大部分零部件的情况下，另外再增加一个单排行星齿轮机构和相应的换挡执行元件来产生超速挡的。这个单排行星齿轮机构称为超速行星排，它安装在行星齿轮变速器的前端(图5—2) 。其行星架是主动件，与变速器输人轴连接；齿圈则作为被动件，与后面的双排行星齿轮机构连接。超速行星排的工作由直接离合器C0和超速制动器B0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。根据行星齿轮变速器的变速原理，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。

当行星齿轮变速器处于1挡、2挡、3挡或倒挡时，超速行星排中的超速制动器B 。放松，直接离合器C 。接合，使超速行星排处于传动比为1的直接传动状态，而后半部分的双排行星齿轮机构各换挡执行元件的工作和原辛普森式3挡行星齿轮变速器在1挡、2挡、3挡及倒挡的工作完全相同(表5—2) 。来自变矩器的发动机动力经超速行星排直接传给后半部的双排行星齿轮机构，此时行星齿轮变速器的传动比完全由后半部的双排行星齿轮机构及相应的换挡执行元件来控制。当行星齿轮变速器处于超速挡时，后半部的双排行星齿轮机构保持在3挡的工作状态，其传动比为l ；而在超速行星排中，由于超速制动器B0产生制动，直接离合器C0放松，使超速行星排处于增速传动状态，其传动比小于1(该传动比即为该行星齿轮变速器在超速挡时的传动比) 。

表5—2 3行星排辛普森式4挡行星齿轮变速器换挡执行元件工作规律

由于直接离合器C0在自动变速器处于超速挡之处的任一挡位(包括停车挡、空挡和倒挡) 都处于接合状态，因此当发动机刚启动而油泵尚未建立起正常的油压时，直接离合器c 。就已处于半接合状态，这样容易使其摩擦片因打滑而加剧磨损。为了防止出现这种情况，在直接离合器C0并列的位置上布置了一个直接单向超越离合器F0，使超速行星排的行星架能在逆时针方向上对太阳轮产生锁止作用。在发动机刚启动并带动自动变速器输入轴转动时，它就让超速行星排的太阳轮和行星架锁止为一个整体，防止直接离合器c 。的摩擦片在半接合状态下打滑。

直接单向超越离合器F0的另一个作用是改善由3挡升至超速挡的换挡平顺性。在3挡升至超速挡的换挡过程中，为了防止超速制动器B0和直接离合器 C0同时接合，造成超速行星排各基本元件之间的运动干涉，必须在直接离合器C0完全释放后再让超速制动器B 。接合。这样，有可能因直接离合器C0释放后超速制动器B0来不及接合而使行星齿轮变速器出现打滑现象。直接单向超越离合器F0可

以在直接离合器c 。已释放而超速制动器战尚未完全接合时代替直接离合器C0的工作，将超速行星排的太阳轮和行星架锁止在一起，防止超速行星排出现打滑现象，并在超速制动器B0接合后又能及时脱离锁止，让超速行星排顺利进入超速挡工作状态。

由3个行星排组成的辛普森式4挡行星齿轮变速器各换挡执行元件在不同挡位的工作情况见表5—2。

3行星排辛普森式4挡行星齿轮变速器举例： 日本丰田皇冠轿车A340E 自动变速器采用的是3行星排辛普森式4挡行星齿轮变速器，实物如图5—3所示，传动原理如图5—4所示。

1-变速器壳体 2-超速挡行星架 3-前行星架 4-后行星架

5-输出轴 6-后齿圈 7-共用太阳轮 8-前齿圈 9-输入轴 10-超速挡齿圈 11-超速挡太阳轮 12-超速挡输入轴

C 0-超速挡离合器 C1-前进挡离合器 C2-倒挡及高速挡离合器 B 0-超速挡制动器 B1-2挡滑行制动器 B2-2挡制动器

B3-倒挡制动器

F 0-超速挡单向离合器 F1-低速挡单向离合器 F2-2挡单向离合器

A340E型自动变速器的行星齿轮机构中，其前、后两排行星齿轮共用一个太阳轮，输出轴与前行星架和后齿圈相连。各换挡执行元件的名称及作用如表5—3所示。

表5—3换挡执行元件的名称及作用

各挡工作情况如下：

这时，离合器C1和C2都不工作，机构处于空挡状态。同时机械锁止机构将输出轴上的外齿锁住，因而自动变速器的输出轴和汽车的驱动轮都无法转动，处于驻车制动工况，又称停车挡。

此时，辛普森行星齿轮机构中只有C0工作，其余各执行元件都不工作，发动机动力经输入轴传入自动变速器，输出轴无动力输出。

此时参与工作的执行元件有C1、C2、B3和F0。

如图5—5所示，由于C0工作，超速行星与超速太阳轮以同一速度转动，因此超速行星机构不起变速作用。C2工作，动力由超速行星机构经中间输入轴、 C2传前共用太阳轮。使之顺时针转动。后行星架因被B3固定，所以后行星轮只能原地自转，同时带动后齿圈随其一起逆时针转动。由于输出轴与后齿圈相连，所以输出轴也逆时针转动。

动力传递路线：

超速行星机构→中间输入轴→共用太阳轮(顺时针) →后行星轮(逆时针) →后齿圈(逆时针) →输出轴。

4．前进挡(D挡)

自动变速杆位于D 挡时，自动变速器可根据发动机转速和车速的变化，自动使不同的离合器、制动器、单向离合器工作，而更换从1～4挡间不同的档位。

(1)1挡。参与工作的执行元件有C0、C1、F0和F1。 如图5—6所示，当汽车起步时，因输出轴与车轮相连未转动，前行星架被固定，前进挡离合器C1接合，使输入轴与前齿圈连接，同时单向离合器 F1处于自锁状态，因而经C1传来的动力带动前齿

圈。使前行星轮发生顺时针旋转，前行星轮带动共用太阳轮逆时针旋转。因汽车尚未起步，后齿圈被固定，共用太阳轮在促使后行星轮顺时针转动时，力图使后行星架逆时针

转动，而这时F1阻止后行星架逆时针转动，因此后齿圈在后行星轮的驱动下朝顺时针方向转动，动力由输出轴输出，汽车起步。

起步后，输出轴开始转动，因前行星架未被完全固定，前齿圈在带动前行星轮顺时针转动外还使前行星架发生顺时针转动。此时前后行星排共同将动力传至输出轴。

汽车起步前动力传递路线：

超速行星机构→输入轴→前齿圈→前行星轮→共用太阳轮→后行星架(F1作用，逆转被锁止) →后齿圈→轴出轴。

起步后动力传递路线．

如图5—7所示，动力从输入轴，通过C1使前齿圈顺时针转动，前齿圈带动前行星轮顺时针旋转，由于B2、F2的工作，共用太阳轮无法逆时针转动，因此，前行星轮自转并沿前齿圈内侧顺时针行走，带动前行星架和输出轴转动。这时后排行星机构不起作用。

(2)2挡。参与工作的执行元件有

动力传递路线：

超速行星齿轮机构→输入轴→前齿圈→前行星轮→+前行星架→输出轴。

(3)3挡（直接挡) 。参与工作的执行元件有

如图5—8所示，由于C1、C2的工作，使动力分别传至前齿圈和共用太阳轮．

使其以相同的速度旋转，这时前排行星机构作为一个整体将动力传给输出轴，由于前、后排行星机构都不起变速作用，传动比为1，即为直接挡。

动力传递路线：

超速行星齿轮机构→输入轴→前齿圈和共用太阳轮→前行星架→输出轴。

（4)4挡(超速挡) 。参与工作的执行元件有

如图5—9所示，由于B0工作，固定了超速太阳轮，动力由超速行星架传给超速齿圈，进而促使输入轴顺时针旋转。而此时由于C1、C2的工作，使前齿圈和共用太阳轮同速旋转，通过前行星架，将动力直接传给输出轴。

动力传递路线：

发动机动力→超速行星架→超速齿圈→输入轴→前齿圈和共用太阳轮→前行星架→输出轴。

5．L 位

操纵手柄置于“L ”位时，自动变速器只能在1挡工作，或从较高挡位强制降为1挡。“L ”位时的动力传递路径(如图5—10) 与前进挡相同，区别在于发动机的制动。

所谓发动机制动，是指在车辆行驶过程中，驾驶员放松加速踏板，汽车的质量较大，其惯性使得车辆仍然要以原来的速度行驶，并通过传动系统反拖处于怠速动转的发动机，以此来消耗汽车动能，达到减速的目的。

车辆在L 挡时，制动器B3工作。制动器B3与单向离合器F1并联，双向固定后行星架。车辆前进行驶时，制动器B3制动后阻止后行星架逆时针转动的功能与单向离合器F1相同，保证了动力可以从输出轴传出。当驾驶员放松加速踏板时，由于后行星架被制动器B3固定，车辆因惯性前冲的速度使后齿圈带动后行星架顺时针转动，共用太阳轮被驱动逆时针转动。在前排行星齿轮机构中，共用太阳轮逆时针转动而行星架顺时针转动，使前行星轮加速转动驱动前齿圈以高于发动机怠速的转速转动，并从输入轴将动力传出，产生发动机制动效果。

6．2位

操纵手柄置于“2”位时，自动变速器只能在前进1挡和前进2挡之间工作，“2”位1挡的传动情形与前进1挡相同，故不赘述。 “2”位2挡的传动情形与前进2挡相同，区别只在于发动机制动。

如图5—11所示，2位2挡时，制动器B1工作，将共用太阳轮与变速器壳体相连，汽车行驶时，制动器B1使共用太阳轮不能逆时针转动，而制动器B2与单向离合器F2工作，使共用太阳轮也不能顺时针转动。于是前行星架带动前行星轮在固定的太阳轮上滚动，同时驱动前齿圈加速以高于发动机怠速的速度转动，并将动力从输入轴传出，产生发动机制动。

总结：丰田A340E 型自动变速器各换挡执行元件工作情况如表5-4所示。

表5-4 A340E型自动变速器各挡执行机构元件工作情况

(二) 双行星排辛普森式4挡行星齿轮变速器结构与工作原理

这种4挡行星齿轮变速器是对原辛普森式3挡行星齿轮变速器中的双排行星齿轮机构进行改进而成的。它增加了换挡执行元件的个数，让前后行星排的各个基本元件之间有更多更复杂的组合，从而使前进挡的个数增多，形成包括超速挡在内的4个前进挡。

改进后的辛普森式行星齿轮机构除了前齿圈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他基本元件全部各自独立，形成一种具有5个独立元件的辛普森式行星齿轮机构。在这5

个独立元件中，后太阳轮始终和输入轴连接，输出轴则与前齿圈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爪单向超越离合器，就能使之成为具有4个前进挡和1个倒挡的4挡行星齿轮变速器，并且在1挡、2挡、3挡都有两种工作状态，即有发动机制动或无发动机制动。这8个换挡执行元件的布置方式如图5—12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和单向超越离合器 F1串联布置，一同用于连接前行星架和后齿圈，单向超越离合器F1在逆时针方向对后齿圈产生锁止作用；离合器C1也用于连接前行星架的后齿圈，和离合器 C1、单向超越离合器F1并联布置；制动器B1用于固定前太阳轮；制动器B2和单向超越离合器F2并联布置，一同用于固定前行星架，单向超越离合器F2在逆时针方向对前行星架产生锁止作用。

这8个换挡执行元件在行星齿轮变速器各挡位的工作情况见表5-5。由表5-5可知，在停车挡和空挡之外的任一挡位中都只有2～3个换挡执行元件处于工作状态。其中，离合器C3在操纵手柄位于前进挡位置时始终都处于接合状态，故称为前进离合器；离合器C4在操纵手柄位于前进低挡位置时始终处于接合状态，其作用是使行星齿轮变速器的前进挡具有发动机制动作用，故称为前进强制离合器；离合器C2只在3挡或超速挡时才接合，故称为高挡离合器；离合器C1只在倒挡时才接合，故称为倒挡离合器；制动器B1在2挡或4挡(超速挡) 时工作，故称为2挡及4挡制动器；制动器B2在1挡(操纵手柄位于前进低挡位置) 及倒挡时工作，故称为低挡及倒挡制动器；单向超越离合器F1在1挡、2挡、3挡(操纵手柄位于前进挡) 时工作，故称为前进单向超越离合器；单向超越离合器F2只在操纵手柄位于前进低挡时的1挡才工作，故称为低挡单向超越离合器。

表5-5双行星排辛普森式4挡行星齿轮变速器换挡执行元件工作规律

任务二拉威挪式自动变速器

拉威挪式行星齿轮机构也是一种常见的行星齿轮机构，图5-13为拉威挪式行星齿轮机构的示意图，其特点是：在一个行星架上安装有互相啮合的两套行星齿轮，长行星轮同时与大太阳轮、短行星轮、内齿圈相啮合；短行星轮与长行星轮和小太阳轮相啮合；而长、短行星轮装在同一个行星架上。

这种行星齿轮机构具有结构简单、尺寸小、传动比变化范围大、灵活多变等特点，可以组成有3个前进挡或4个前进挡的行星齿轮变速器。自20世纪70年代开始应用于许多轿车自动变速器，特别是前轮驱动式轿车的自动变速器，如奥迪、大众、福特、马自达等车型。

一、拉威挪式

3挡行星齿轮变速器结构与工作原理

在拉威挪式行星齿轮机构中设置5个换挡执行元件(2个离合器、2个制动器和1个单向超越离合器) ，即可使之成为一个具有3个前进挡和1个倒挡的3挡行星齿轮变速器。采用这种变速器的有福特汽车公司生产的FORD FMX自动变速器等。

图5—14为拉威挪式3挡行星齿轮变速器的结构。图5一14中，前太阳轮、长行星轮、行星架和齿圈组成一个单行星轮式行星排，也称为前行星排；后太阳轮、短行星轮、长行星轮、行星架和齿圈组成一个双行星轮式行星排，也称为后行星排。在5个换挡执行元件中，离合器C1用于连接输入轴和后太阳轮，它在所有前进挡中都处于接合状态，故称为前进离合器。离合器C2用于连接输入轴和前太阳轮，它在倒挡和3挡(直接挡) 时接合，故称为倒挡及直接挡离合器。制动器B1用于固定前太阳轮，它在2挡时工作，故称为2挡制动器。制动器 B：用于固定行星架，它在倒挡或自动变速器操纵手柄位于前进低挡时工作，故称低挡及倒挡制动器。单向超越离合器F1在逆时针方向对行星架有锁止作用，它只在1挡时工作，故称

为1挡单向超越离合器。

二、拉威挪式

4挡行星齿轮变速嚣结构与工作原理

在拉威挪式3挡行星齿轮变速器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挡的4挡行星齿轮变速器。图5一15为拉威挪式4挡行星齿轮变速器结构。与拉威挪式3挡行星齿轮变速器相比，它仅仅在输入轴和行星架之间增加了一个高挡离合器C4。这种行星齿轮变速器在不同挡位下各换挡执行元件的工作情况见表5-6。由表5-6可知，这种行星齿轮变速器的工作特点是：

表5-6拉威挪式4挡行星齿轮变速器换挡执行元件工作规律

①在l 挡、2挡及倒挡的工作情况和拉威挪式3挡行星齿轮变速器完全相同。

②在3挡工作时，高挡离合器C4和前进离合器C1同时工作，使后行星排有2个基本元件互相连接，形成直接挡。

③4挡时，高挡离合器C4和2挡及4挡制动器B1同时工作，使输入轴与行星架连接，同时前太阳轮被固定。发动机动力经高挡离合器C4传至行星架，行星架带动长行星轮朝顺时针方向一边自转一边公转，并带动齿圈和输出轴朝顺时针方向转动。由于其值小于1，所以4挡为超速挡。

采用这种自动变速器的有大众、福特、马自达、奥迪等轿车。 三、拉威挪式自动变速器的运用

下面以一汽大众生产的01M 自动变速器为例进行讲解。大众01M 自动变速器常运用于捷达、宝来、高尔夫轿车。

(一) 大众01M 自动变速器结构

大众0lM 自动变速器主要由一套拉威挪式行星齿轮机构和六个换挡执行元件组成，其中离合器3个，制动器2个，单向离合器1个，如图5—16

所示。

大众01M 自动变速器齿轮变速机构采用拉威娜式行星齿轮机构，其中小太阳轮、大太阳轮、行星架均可以通过相应的换挡执行元件与输入轴连接在一起，即各自均可作为整个变速器的输入单元；行星架、大太阳轮二者可以由相应的换挡执行元件制动；其中内齿圈为整个机构的输出单元，即为整个变速器的输出单元。大众0lM 自动变速器动力传递路线如图5—17所示。

大众01M 自动变速器中换挡执行元件的作用如下：

离合器K1：可以将输入轴与小太阳轮连接起来，使小太阳轮成为主动元件。

离合器K2．可以将输入轴与大太阳轮连接起来，使大太阳轮轮成为主动元件。

离合器K3：可以将输入轴与行星架连接起来，使行星架轮成为主动元件。

制动器B1：可以将行星架与变速器壳体连接，制动行星齿轮架。

制动器B2：制动大太阳轮。

单向离合器F1：主要用于阻止行星架逆时针转动。

大众01 M 自动变速器中换挡执行元件在各挡位的工作情况如表5—7所示。

表5—7换挡执行元件在不同挡位时的动作情况

说明

德国车系自动变速器中的离合器通常用K 表示而不采用c ，主要源于德语中离合器的第一个字母为K 。

(二) 大众01 M 自动变速器各挡动力传动原理

1．D 位

变速杆位于D 位置时，变速器可自动在D1～D4挡之间变换。

(1)D．挡。D1挡动力传递路线如图5—18所示，在D1挡，离舍器k1结合，单向离合器F1工作。

传动原理：

当换挡手柄置于D 位时前进挡离合器K1工作，液力变矩器的涡轮经过K ．驱动小太阳轮顺时针转动，在小太阳轮的驱动下，安装在同一个行星架上的短行星轮和长行星轮分别逆时针和顺时针转动。由于齿圈与输出轴连接，汽车起步之前有阻力，使得长行星轮顺时针转动的同时，有带动行星架逆时针转动的趋势。由于单向离合器有阻止行星架逆时针转动的作用，因此行星架在 D1挡是被固定的。这样长行星轮顺时针转动便驱动内齿圈转动并将动力输出。

(2)D2挡。D2挡动力传递路线如图5-19所示，在D2挡，离合器K 结合，制动器 B2

工作。

传动原理：

动力通过前进挡离合器K1传递给小太阳轮，小太阳轮驱动短行星轮逆时针转动、长行星轮顺时针转动。由于2／4挡制动器B2工作固定了大太阳轮。此时长行星轮必须在固定的大太阳轮上顺时针滚动并驱动齿圈顺时针转动输出动力。

(3)D3挡。D3挡动力传递路线如图5-20所示，在D3挡，离合器K1结合，离合器 K3

工作。

传动原理：

两个离合器同时工作将动力从小太阳轮、行星架同时输入，此时行星架和太阳轮都在以同方向同转速运转，而长短行星轮的自转被限制，整个拉威挪式行星齿轮机构将形成一个整体，所有的元件均以与输入轴相同的转速顺时针运转，此时内齿圈的转速等同于输出轴的转速，即输出轴的转速等同于输入的转速，传动比等于1，此时为直接挡。由于没有使用单向离合器，3挡则是具有发动机制动的挡位。

(4)D4挡。 D4挡动力传递路线如图5-21所示，在D4挡，离合器K3结合，制动器 B2工作。 ‘

传动原理：

制动器B2工作制动大太阳轮，离合器K ，工作将动力传递给行星架，此时行星架将驱动长行星轮在固定的大太阳轮上顺时针滚动，带动齿圈顺时针转动并将动力输出。此挡为超速挡。由于没有单向离合器参加工作，则此挡为具有发动机制动的挡位。

2．1位

变速挡处于1位置时，自动变速器只有1挡，此时前进离合器K1结合，倒挡制动器B1工作。

具体传动原理：

液力变矩器的涡轮经过K1驱动小太阳轮顺时针转动，在小太阳轮的驱动下，安装在同一个行星架上的短行星轮和长行星轮分别逆时针和顺时针转动。与D1挡不同的是：此时与单向离合器F1并联的制动器B1工作。

由于制动器B1工作固定了行星架，车辆前行时拉威挪式行星齿轮机构的动作与没有发动机制动的D1挡完全相同。当驾驶员放松加速踏板时，由于行星架的固定，输出轴通过长短行星轮驱动小太阳轮顺时针加速转动．动力经离合器K1反向传至发动机端，实现了发动机制动。

3．R 位

变速杆处于R 位置时，动力传递路线如图5—22所示，此时，离合器K2结合，制动器B1工作。

当换挡手柄置于R 位时R 挡离合器K2工作，液力变矩器的涡轮经过K2驱动大太阳轮顺时针转动，与大太阳轮啮合的长行星轮则逆时针转动。由于制动器B1工作制动了行星架，行星架是固定不动的，长行星轮的逆转必然驱动作为输出元件的内齿圈逆时针转动，最终将动力输出，使汽车实现倒向行驶。

课题小结

1．介绍了辛普森式3挡行星齿轮变速器结构与工作原理；3行星排辛普森式4挡行星齿轮变速器结构与工作原理，并以日本丰田皇冠轿车A340E 自动变速器为例说明其传动原理；双行星排辛普森式4挡行星齿轮变速器结构与工作原理。

2．介绍了拉威挪式3挡行星齿轮变速器结构与工作原理；拉威挪式4挡行星齿轮变速器结构与工作原理；并以大众0lM 自动变速器为例介绍了拉威挪式自动变速器的运用。

一、选择题

辛普森行星齿轮机构由( )个太阳轮，( )个行星架，( )个齿圈组成。

A．1，1，1 B．1，2，2 C．2，1，1 D．2，2，2二、简述日本丰田皇冠轿车A340E 自动变速器倒挡(R挡) 动力传递路线