三、齿轮变速机构的组成及工作原理

齿轮变速机构是自动变速器的重要组成部分，与液力变矩器串联组合，可以使转矩、转速的变化范围再扩大2～4倍，以满足汽车行驶的要求，同时实现倒档和空档。

齿轮变速机构可分为行星齿轮变速机构和非行星齿轮变速机构两种，目前多数齿轮变速机构都采用行星齿轮变速机构。行星齿轮变速机构由行星齿轮机构和换档执行机构组成，换档执行机构根据自动变速器控制系统的命令来接合或分离、制动或放松行星齿轮机构的某个元件，以改变动力传递路线来实现传动比的变化。

1.行星齿轮机构

行星齿轮机构根据其组合形式的不同可分为单排行星齿轮机构和单排双级行星齿轮机构。

（1）单排行星齿轮机构 如图1-1-12所示，单排行星齿轮机构主要由一个太阳轮（也称中心轮）、一个带有若干个行星齿轮的行星架和一个齿圈（也称内齿圈）组成。

齿圈上制有内齿，其余齿轮均为外齿。太阳轮位于机构的中心，行星轮与之外啮合，行星轮与齿圈内啮合。通常行星轮有3～6个，通过滚针轴承安装在行星轮轴上，行星轮轴对称、均匀地安装在行星架上。行星齿轮机构工作时，行星轮除了绕自身的轴线自转外，同时还绕着太阳轮公转，行星齿轮绕太阳轮公转，行星架也绕太阳轮旋转。

→小提示：因为太阳轮与行星轮是外啮合，所以二者的旋转方向是相反的；而行星轮与齿圈是内啮合，所以二者的旋转方向是相同的。

设太阳轮、齿圈、行星架的转速分别为n₁、n₂、n₃，齿数分别为z₁、z₂、z₃，齿圈齿数与太阳轮齿数之比α，即α=z₂/z₁。根据能量守恒定律，由作用在单排行星齿轮机构各元件上的力矩和结构参数，可得出表示单排行星齿轮机构运动规律的特性方程式为

n ₁+αn₂-(1+α)n₃=0

→小提示：由上式可知，单排行星齿轮机构有两个自由度，通过对太阳轮、齿圈和行星架三者中的某个元件的运动进行约束和限制，则机构就可以得到一个自由度，整个行星齿轮机构就可以以一定的传动比传递动力。

单排行星齿轮机构的动力传动方式如图1-1-13所示。

1）齿圈为主动件（输入），行星架为从动件（输出），太阳轮固定，如图1-1-13a所示。此时，n₁=0，则传动比i₂₃为

由于传动比大于1，说明为减速传动，可以作为降速档。

2）行星架为主动件（输入），齿圈为从动件（输出），太阳轮固定，如图1-1-13b所示。此时，n₁=0，则传动比i₃₂为

由于传动比小于1，说明为增速传动，可以作为超速档。

3）太阳轮为主动件（输入），行星架为从动件（输出），齿圈固定，如图1-1-13c所示。此时，n₂=0，则传动比i₁₃为

由于传动比大于1，说明为减速传动，可以作为降速档。

对比这两种情况的传动比，由于i₁₃＞i₂₃，虽然都为降速档，但i₁₃是降速档中的低档，而i₂₃为降速档中的高档。

4）行星架为主动件（输入），太阳轮为从动件（输出），齿圈固定，如图1-1-13d所示。此时，n₂=0，则传动比i₃₁为

由于传动比小于1，说明为增速传动，可以作为超速档。

5）太阳轮为主动件（输入），齿圈为从动件（输出），行星架固定，如图1-1-13e所示。此时，n₃=0，则传动比i₁₂为

由于传动比为负值，说明主从动件的旋转方向相反；又由于α＞1，说明为减速传动，可以作为倒档。

6）若使太阳轮、齿圈和行星架三个元件中的任何两个元件连为一体转动，即n₁=n₂，n₁=n₃或n₂=n₃时，则可以得到n₃=n₁=n₂，传动比i=1。整个行星齿轮机构中所有元件之间均无相对运动，用于变速器的直接档传动。

7）如果所有元件没有任何约束，则各元件的运动是不确定的，此时为空档。

（2）单排双级行星齿轮机构 单排双级行星齿轮机构的结构示意图和简图如图1-1-14所示。设太阳轮、齿圈和行星架的转速分别为n₁、n₂和n₃，齿数分别为z₁、z₂和z₃，齿圈与太阳轮的齿数比为α，则其运动规律为

n ₁ -αn ₂+（α-1）n₃=0

单排双级行星齿轮机构的运动分析与单行星排相同。

→小提示：自动变速器中的行星齿轮变速器一般采用两排以上行星齿轮机构传动，其各档传动比就是按照上述单排行星齿轮机构传动规律进行合理组合而得到的。常见的行星齿轮变速器有辛普森式和拉维娜式的两种。

2.换档执行机构

自动变速器若要实现传动比和传动方向的改变，就必须利用换档执行机构对行星齿轮机构中的不同元件进行约束和限制（固定或连接某些元件）。换档执行元件包括离合器、制动器和单向离合器。离合器和制动器以液压方式控制行星齿轮机构元件的运动方式，单向离合器以机械方式控制行星齿轮机构元件的运动方式。

（1）离合器 离合器的功用是连接轴和行星齿轮机构中的元件或连接行星齿轮机构中的不同元件。自动变速器上的离合器多采用多片湿式离合器。

1）离合器的组成。离合器主要由摩擦片、钢片、离合器鼓、活塞、复位弹簧等组成，如图1-1-15所示。

离合器鼓是一个液压缸，内圆轴颈上有进油孔与控制油路相通，通过花键与主动元件相连或与其制成一体，鼓内有内花键，钢片通过外缘键齿与离合器鼓的内花键槽配合，与主动元件同步旋转。摩擦片通过内缘键齿与花键毂相连，钢片和摩擦片均可以轴向移动，钢片和摩擦片交错排列，二者的接合与分离由离合器的活塞控制。压盘固定于离合器鼓键槽中，用以限制钢片、摩擦片的位移量，其外侧安装了限位卡环，活塞装于离合器鼓内，复位弹簧一端抵于活塞端面上；另一端支撑在保持座上，复位弹簧有周置螺旋弹簧、中央布置螺旋弹簧和中央布置碟形弹簧三种不同形式。

2）离合器的工作过程。离合器的工作原理如图1-1-16所示。

当一定压力的ATF经控制油道进入活塞左侧的液压缸时，液压作用力便克服弹簧力使活塞右移，将所有离合器片压紧，即离合器接合，与离合器主、从动部分相连的元件也被连接在一起，以相同的速度旋转。

当控制阀将作用在离合器液压缸的油压撤除后，离合器活塞在复位弹簧的作用下回复原位，并将缸内的变速器油从进油孔排出，使离合器分离，离合器主从动部分可以以不同转速旋转。

为了快速泄油，保证离合器彻底分离，一般在液压缸中都有一个单向球阀，如图1-1-17所示。当ATF被泄除时，球体在离心力的作用下离开阀座，开启辅助泄油通道，使ATF迅速泄除。

（2）制动器 制动器的功用是固定行星齿轮机构中的元件，防止其转动。自动变速器中采用的制动器有片式和带式两种形式。

1）片式制动器。片式制动器与片式离合器的结构和原理相同，不同之处是离合器是起连接作用而传递动力，而片式制动器是通过连接而起制动作用。片式制动器的结构如图1-1-18所示。

片式制动器的工作原理如图1-1-19所示，当活塞受到控制油压的作用时，活塞在活塞缸内运动，使摩擦片与钢片相互接触。其结果是，在每个摩擦片与钢片之间产生很大的摩擦力，使行星齿轮机构某一元件或单向离合器锁定在变速器壳体上。当控制油压降低时，由于复位弹簧的作用，活塞至原位，使制动解除。

2）带式制动器。带式制动器由制动带和控制油缸等组成，如图1-1-20所示为带式制动器的零件分解图。制动带是内表面带有镀层的开口式环形钢带。制动带的一端支承在与变速器壳体固连的支座上，另一端与控制油缸的活塞杆相连。

制动器的工作原理如图1-1-21所示，制动带开口处的一端通过支柱支撑于固定在变速器壳体的调整螺钉上，另一端支撑于油缸活塞杆端部，活塞在复位弹簧和左腔油压作用下位于右极限位置，此时，制动带和制动鼓之间存在一定间隙。

制动时，压力油进入活塞右腔，克服左腔油压和复位弹簧的作用力推动活塞左移，制动带以固定支座为支点收紧。在制动力矩的作用下，制动鼓停止旋转，行星齿轮机构某元件被锁止。随着油压撤除，活塞逐渐回位，制动解除。

→小提示：若仅依靠弹簧张力，则活塞回位速度较慢，目前大多数制动器设置了左腔进油道。在右腔撤除油压的同时，左腔进油，活塞在油压和复位弹簧的共同作用下回位，可迅速解除制动。

图1-1-22所示为间接作用式伺服装置，活塞杆通过杠杆控制推杆的动作，由于采用杠杆结构将活塞作用力放大，制动力矩进一步增加。

（3）单向离合器 单向离合器的作用是使某一元件只能按一定方向旋转，而在另一方向上锁止。常见的单向离合器有楔块式和滚柱式两种结构形式，其结构和工作过程与液力变矩器中的单向离合器相同。

3.辛普森行星齿轮机构

应用在自动变速器中的行星齿轮机构是由两排或三排以上的简单的行星齿轮机构组成的，归纳起来，使用比较普遍的两种复合式的行星齿轮机构是辛普森行星齿轮机构和拉维娜行星齿轮机构。尽管目前自动变速器品种、规格很多，但多数都是采用这两种典型行星齿轮机构与其他齿轮机构的组合。

现以丰田卡罗拉轿车U341E型自动变速器为例，介绍辛普森式行星齿轮自动变速器。

（1）辛普森式行星齿轮自动变速器的结构 丰田卡罗拉轿车配备的U341E型自动变速器采用了CR-CR式行星齿轮机构，即将两组间行星排的行星架C和齿圈R分别组配，该行星齿轮机构仅有四个独立元件（前太阳轮、后太阳轮、前行星架和后齿圈组件、后行星架和前齿圈组件），其特点是变速比大、效率高、元件轴的转速低。

如图1-1-23所示为U341E型自动变速器行星齿轮变速传动机构的结构，主要部件的功能见表1-1-7，各换档执行元件的工作情况见表1-1-8。

（2）动力传递路线分析

1）1档。变速杆处于D位、3位和2位的1档时，参与工作的换档执行元件有C1、F2，动力传递路线如图1-1-24所示。1档时动力传递发生在前行星排，F2阻止前齿圈逆输入轴的旋转方向转动，此时，后排行星齿轮组没有元件被约束，因此处于空转状态，动力传递路线如下：

输入轴→Cl→前太阳轮→前行星轮→前行星架→中间轴主、从动齿轮→输出轴

放松加速踏板时，前行星架转速高（接驱动轮），前太阳轮转速低（接发动机），使前齿圈试图被带动加速顺着前行星架（前太阳轮）的旋转方向转动。因为单向离合器F2不阻止前齿圈顺着行星架的旋转方向转动，整个行星排不能反向传递动力，所以无发动机制动效果。

为了提供有发动机制动的1档，在L位1档时，除了使上述的1档换档执行元件工作外，还使B3也工作，使得车辆行驶时，不论是踩下还是放松加速踏板，行星排都有动力传递能力，从而获得发动机制动效果。

2）2档。变速杆处于D位和3位的2档时，参与工作的换档执行元件有C1、B2、F1，动力传递路线如图1-l-25所示。2档时动力传递发生在前、后两个行星排，B2、Fl联合作用，阻止后太阳轮逆输入轴的旋转方向转动，动力传递路线如下：

放松加速踏板时，前行星架和后齿圈组件转速高（接驱动轮），前太阳轮转速低（接发动机），使前齿圈和后行星架组件加速转动，进而使后太阳轮试图被带动加速顺着前行星架（前太阳轮）的旋转方向转动。因为单向离合器F1不阻止后太阳轮顺着行星架的旋转方向转动，整个行星排不能反向传递动力，所以无发动机制动效果。

为了提供有发动机制动的2档，在2位2档时，除了使上述的2档换档执行元件工作外，还使B1也工作，使得车辆获得发动机制动效果。

3）3档。变速杆处于D位和3位的3档时，参与工作的换档执行元件有Cl、C2、B2，动力传递路线如图1-1-26所示。3档时前、后排行星齿轮机构互锁为一体旋转，动力传递路线如下：

行星齿轮机构的三个元件（太阳轮、行星架、齿圈）中有两个转速相等（前太阳轮、前行星架都与输入轴相连），因此在放松加速踏板时，驱动轮的动力可以经前行星架传给前太阳轮，有发动机制动效果。

4）4档。变速杆处于D位的4档时，参与工作的换档执行元件有C2、B1、B2，动力传递路线如图1-1-27所示。4档时动力传递发生在后行星排，此时前排行星齿轮组处于空转状态，动力传递路线如下：

输入轴→C2→后行星架→后行星轮→后齿圈→中间轴主、从动齿轮→输出轴

因为行星齿轮机构的三个元件（太阳轮、行星架、齿圈）中有一个固定（后太阳轮被固定），因此在放松加速踏板时，驱动轮的动力可以经后齿圈传给后行星架，所以有发动机制动效果。

5）倒档。变速杆处于R位时，参与工作的换档执行元件有C3、B3，动力传递路线如图1-1-28所示。倒档时动力传递发生在后行星排，此时前排行星齿轮组处于空转状态，动力传递路线如下：

输入轴→C3→后太阳轮→后行星轮→后齿圈→中间轴主、从动齿轮→输出轴

行星齿轮机构的三个元件（太阳轮、行星架、齿圈）中有一个固定（后行星架被固定），因此在放松加速踏板时，驱动轮的动力可以经后太阳轮传给后齿圈，有发动机制动效果。

4.拉维娜式行星齿轮机构

下面以大众01V型自动变速器为例，介绍拉维娜式（Ravigneaux）行星齿轮机构。

（1）结构 大众01V型自动变速器行星齿轮机构与换档执行元件的位置如图1-1-29所示，动力传递路线示意图如图1-1-30所示。

由图1-1-29和图1-1-30可知，其行星齿轮机构由一个主行星齿轮组（拉维娜式行星齿轮组）和一个次行星齿轮组（简单的单排单级行星齿轮机构）组合而成，其构件包括小太阳轮、大太阳轮、共用内齿圈、前行星架、后接太阳轮和后行星架（最终输出端）。换档执行元件包括四个片式离合器A、B、E、F和三个片制动器C、D、G以及一个单向离合器，各换档执行元件的作用见表1-1-9。不同档位时，各换档执行元件的工作状态见表1-1-10。

（2）动力传递路线分析 动力传递路线分析可扫描二维码“大众01V型自动变速器动力传递路线分析”学习。

5.平行轴式自动变速器

下面以本田MAXA型自动变速器为例，介绍平行轴式自动变速器。

广州本田雅阁轿车MAXA自动变速器采用电子控制式，主要由定轴式齿轮变速传动机构、液压控制系统和电子控制系统等三大部分组成，可以提供四个前进档和一个倒档。

（1）MAXA自动变速器的结构 如图1-1-31所示为广州本田雅阁轿车用MAXA自动变速器的结构，图1-1-32所示为纵剖视图，图1-1-33为MAXA自动变速器的齿轮机构。平行轴式齿轮变速传动机构主要由平行轴、各档齿轮和湿式多片离合器等组成。平行轴有三根，即主轴（输入轴）、中间轴和副轴（输出轴）。各档离合器的特点见表1-1-11。

（2）MAXA自动变速器动力传递路线分析 MAXA自动变速器动力传递路线分析具体内容可扫描二维码“MAXA自动变速器动力传递路线分析”学习。