辛普森行星齿轮传动机构

辛普森行星齿轮变速器由辛普森行星齿轮机构和相应的换档执行器组成。辛普森行星齿轮机构采用双行星排，其机构特点是前、后行星排的太阳轮连成一体，称为太阳轮组件；前行星架和后齿圈连接成一个整体，称为前行星架和后齿圈总成，输出轴通常连接在这个总成上。包括辛普森三档行星齿轮传动机构和辛普森四档行星齿轮传动机构。

辛普森行星齿轮传动机构综述

自20世纪（查成交价|参配|优惠政策）70年代以来，辛普森行星齿轮变速器已被通用汽车、福特、克莱斯勒、丰田和日产等公司用于汽车的自动变速器。

辛普森行星齿轮变速器由辛普森行星齿轮机构和相应的换档执行器组成。辛普森行星齿轮机构采用双行星排，其机构特点是前、后行星排的太阳轮连成一体，称为太阳轮组件；前行星架和后齿圈连接成一个整体，称为前行星架和后齿圈总成，输出轴通常连接在这个总成上(如图)。这样，行星机构只有四个独立的部件：前齿圈、前和后太阳轮组件、后行星架、前行星架和后齿圈组件。

1-前齿圈2-太阳齿轮总成3-行星齿轮4-后支架

5-前支架和后齿圈总成

辛普森行星齿轮机构图

辛普森三速行星齿轮传动机构

这是一个非常著名的行星齿轮机构，以工程师H.W .辛普森的名字命名，他是一名设计师和发明家。自20世纪（查成交价|参配|优惠政策）40年代以来，它被广泛应用于世界各地的汽车自动变速器。其特点是由两个齿轮参数相同的行星齿轮组成，如图9.14所示。整个机构有相同的齿圈，六个相同的行星齿轮和一个延长的太阳轮用于两个行星排(所以也叫普通太阳轮行星齿轮机构)。它的前行星架和后齿圈是同一个零件，并与输出轴相连。该机构可以由三个前进档和一个倒档组成。

1.每个执行器的功能

辛普森的行星齿轮机构配备了五个换档执行器：C1前多片离合器、C2后多片离合器、B1慢跑带、B2后制动带和F1。

单向离合器五个变速执行机构的作用如下(见图9.15)。

当C1前多片离合器动作时，涡轮输出轴的动力连接到太阳轮。

当C2后板接合时，将涡轮输出轴的电源连接到前面的红色环。

当B1前制动带动作时，固定太阳齿轮。

当B2后制动带动作时，固定后行星架。

当F1单向离合器动作时，固定后行星架。

辛普森机构中的B1和B2实际上是制动器。有的变速器使用制动带，有的使用多片离合器作为制动器，比如丰田的自动变速器。

表9.3反映了辛普森行星齿轮变速器变速执行机构的工作规律。

2.潮流分析

下面是辛普森机构在各个档位的功率流分析。

L)l档

将预选杆置于D位置，C2后多片离合器将输入动力传递给前齿圈，F1单向离合器将固定后行星架。由于后行星架由FI单向离合器固定，后行星齿轮机构具有一定的传动比，是一个减速机构。另外，后行星齿轮机构通过后齿圈输出，其输出速度和旋转方向应与前行星架一致，因为前行星架和后齿圈是同一个零件。根据这两个条件，可以确定前行星架和太阳齿轮之间的速度分配。很明显，太阳轮的速度要比以前的行星架快很多。

太阳齿轮逆时针旋转带动后行星齿轮顺时针旋转，行星齿轮带动后齿圈顺时针旋转。当后齿圈顺时针旋转时，逆时针扭矩将施加到后行星架上，后行星架将由F1单向离合器固定。后行星齿轮机构的传动比是齿轮齿数比。

(当机动车辆行驶时

作用：当驱动轮转速超过发动机转速时，来自驱动轮的反向动力通过后齿圈和前行星架的输入机构，使后行星架顺时针转动，F1单向离合器锁止，从而实现汽车滑行。当驱动轮转速低于发动机转速时，单向离合器再次锁止，变速器回到行驶状态。

为了在1档实现发动机制动，预选杆必须置于L或1位置。此时后行星架由B2后制动带固定，驱动轮传递的反向动力会通过变速器提高发动机转速，从而消耗动力，迅速降低驱动轮转速，从而实现发动机制动。

2)二档

C2后多片离合器和B1前制动带同时动作。此时，涡轮输出轴通过C2后多片离合器与前齿圈连接，太阳轮总成通过B2后制动带固定。

它的动力通过输入轴传递到前齿圈，使其顺时针旋转。因为太阳轮是固定的，所以前行星轮由前齿圈驱动，前齿圈不仅自转，还随行星架公转。行星齿轮和行星架都顺时针旋转，行星架最终带动输出轴顺时针旋转。二档传动比取决于行星架当量齿数与前齿圈齿数之比，是传动比大于1的减速运动。第二档传动比只与前行星齿轮机构有关。

另外，输出轴转动时，会带动后齿圈顺时针转动，后太阳轮已经固定。此时，后行星齿轮和后行星架顺时针空转，F1单向离合器分离。

在辛普森机构的二档工作状态(预选杆在D档)，来自驱动轮的反向传递动力可以直接传递给发动机，实现发动机制动。

3)三档

C1前多片离合器和C2后多片离合器同时工作。前多片离合器C1的接合将动力传递到太阳齿轮，后多片离合器C2的接合将动力传递到前齿圈。根据行星齿轮机构的特点，任意两个同速同向转动的元件都是直齿轮，机构被锁成一个整体。在第三档状态下，前齿圈和太阳轮具有相同的旋转方向和速度。另外，从分析的角度来看，当来自C2后面的多片离合器的动力传递到前齿圈时，那么前齿圈带动太阳轮逆时针旋转，而来自C1前面的多片离合器的动力直接传递到太阳轮使其顺时针旋转。所以同一个太阳轮不可能向两个方向转动，只能锁成一个整体。当整个机构顺时针旋转时，N向离合器和后行星架被释放。第三档是传动比为1: 1的直接档。

在三档状态下，只有发动机制动的功能，没有汽车滑行的功能。

4)倒档

C1前多片离合器和B2后制动带同时动作。前多片离合器C1的接合将动力传递到太阳齿轮，后制动带B2的功能固定后行星架。此时，动力通过输入R-输入轴传递到太阳齿轮，太阳齿轮顺时针旋转。因为后行星架已经固定，后行星轮变成了过渡轮，所以后行星轮逆时针旋转，后齿圈也逆时针旋转。最后，后齿圈驱动输出轴逆时针旋转。倒档传动比等于后齿圈齿数与太阳轮齿数之比，是传动比大于1的减速运动。从上面可以看出，倒档的传动比只与后行星齿轮机构有关。

辛普森四速行星齿轮传动机构

辛普森四速行星齿轮变速器是在辛普森三速行星齿轮变速器的基础上发展起来的。

这种四速变速器在不改变原辛普森三速行星齿轮t的主要结构和大部分零件的情况下，增加了单排行星齿轮机构和相应的换档执行器，以产生超速档

，安装在行星齿轮变速器的前端，如图9.16所示。行星架为驱动部件，与变速器的输入轴连接；齿圈作为被动件，与后双排辛普森行星齿轮机构连接。行星齿轮系的运行由直接多片离合器CO控制，该离合器用于连接行星齿轮系的太阳轮和行星架，行星齿轮系的制动器BO用于固定行星齿轮系的太阳轮。根据行星齿轮变速器的换挡原理，当制动器BO松开，直接多片离合器CO接合时，超速行星齿轮处于直接传动状态，其传动比为1。当超速制动器BO制动且直接离合器CO分离时，超速行星轮系处于加速传动状态，其传动比小于1。

当行星齿轮变速器处于1档、2档、3档或倒档时，超速行星轮系中的超速制动器BO被释放，直接多片离合器CO被接合，从而超速行星轮系处于传动比为1的直接传动状态。双排行星齿轮机构后半部分各换挡执行机构的操作与原Simpson 3速行星齿轮变速器在一档、二档、三档、倒档的操作完全相同。来自变矩器的发动机动力通过超速行星齿轮直接传递给后半部分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分的双排行星齿轮机构和相应的换挡执行机构控制。当行星齿轮变速器处于超速档时，后半段的双排行星齿轮机构保持三档工作状态，其传动比为2；而在超速行星轮系中，由于超速制动器BO的制动，直接多片离合器CO被释放，使超速行星轮系处于加速传动状态，其传动比小于1(这个传动比就是超速行星轮系的传动比)。

辛普森四速行星齿轮变速器由三个行星齿轮组成，各换档执行机构在不同档位的工作情况如表9.4所示。这种四速行星齿轮变速器可以利用原辛普森三速行星齿轮变速器的大部分零件，有利于降低生产投资和成本。

目前大部分汽车都采用这种类型的四速自动变速器，尤其是日本丰田公司的四速自动变速器。自动变速器部分车型在原有的辛普森三速行星齿轮变速器后端加装了超速行星齿轮，工作原理相同。

在图9.16所示的辛普森四速传动机构中，对原有的辛普森三速传动机构进行了改进，增加了制动器B1和单向离合器F2。

原辛普森三档机构的改进是基于以下两点考虑：

从2档换到3档时有运动干涉；

辛普森机构的二档有两种状态，汽车滑行和发动机制动。

辛普森行星齿轮机构在自动变速器中应用广泛，日本丰田几乎所有的自动变速器都采用这种结构，如

丰田A14OE、A240E、A24lE、A340、A350自动变速器。