辛普森行星齒輪變速器由辛普森行星齒輪機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的換檔執(zhí)行器組成。辛普森行星齒輪機(jī)構(gòu)采用雙行星排，其機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是前、后行星排的太陽輪連成一體，稱為太陽輪組件；前行星架和后齒圈連接成一個(gè)整體，稱為前行星架和后齒圈總成，輸出軸通常連接在這個(gè)總成上。包括辛普森三檔行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和辛普森四檔行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

辛普森行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)綜述

自20世紀(jì)（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）70年代以來，辛普森行星齒輪變速器已被通用汽車、福特、克萊斯勒、豐田和日產(chǎn)等公司用于汽車的自動(dòng)變速器。

辛普森行星齒輪變速器由辛普森行星齒輪機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的換檔執(zhí)行器組成。辛普森行星齒輪機(jī)構(gòu)采用雙行星排，其機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是前、后行星排的太陽輪連成一體，稱為太陽輪組件；前行星架和后齒圈連接成一個(gè)整體，稱為前行星架和后齒圈總成，輸出軸通常連接在這個(gè)總成上(如圖)。這樣，行星機(jī)構(gòu)只有四個(gè)獨(dú)立的部件：前齒圈、前和后太陽輪組件、后行星架、前行星架和后齒圈組件。

1-前齒圈2-太陽齒輪總成3-行星齒輪4-后支架

5-前支架和后齒圈總成

辛普森行星齒輪機(jī)構(gòu)圖

辛普森三速行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

這是一個(gè)非常著名的行星齒輪機(jī)構(gòu)，以工程師H.W .辛普森的名字命名，他是一名設(shè)計(jì)師和發(fā)明家。自20世紀(jì)（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）40年代以來，它被廣泛應(yīng)用于世界各地的汽車自動(dòng)變速器。其特點(diǎn)是由兩個(gè)齒輪參數(shù)相同的行星齒輪組成，如圖9.14所示。整個(gè)機(jī)構(gòu)有相同的齒圈，六個(gè)相同的行星齒輪和一個(gè)延長的太陽輪用于兩個(gè)行星排(所以也叫普通太陽輪行星齒輪機(jī)構(gòu))。它的前行星架和后齒圈是同一個(gè)零件，并與輸出軸相連。該機(jī)構(gòu)可以由三個(gè)前進(jìn)檔和一個(gè)倒檔組成。

1.每個(gè)執(zhí)行器的功能

辛普森的行星齒輪機(jī)構(gòu)配備了五個(gè)換檔執(zhí)行器：C1前多片離合器、C2后多片離合器、B1慢跑帶、B2后制動(dòng)帶和F1。

單向離合器五個(gè)變速執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用如下(見圖9.15)。

當(dāng)C1前多片離合器動(dòng)作時(shí)，渦輪輸出軸的動(dòng)力連接到太陽輪。

當(dāng)C2后板接合時(shí)，將渦輪輸出軸的電源連接到前面的紅色環(huán)。

當(dāng)B1前制動(dòng)帶動(dòng)作時(shí)，固定太陽齒輪。

當(dāng)B2后制動(dòng)帶動(dòng)作時(shí)，固定后行星架。

當(dāng)F1單向離合器動(dòng)作時(shí)，固定后行星架。

辛普森機(jī)構(gòu)中的B1和B2實(shí)際上是制動(dòng)器。有的變速器使用制動(dòng)帶，有的使用多片離合器作為制動(dòng)器，比如豐田的自動(dòng)變速器。

表9.3反映了辛普森行星齒輪變速器變速執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作規(guī)律。

2.潮流分析

下面是辛普森機(jī)構(gòu)在各個(gè)檔位的功率流分析。

L)l檔

將預(yù)選桿置于D位置，C2后多片離合器將輸入動(dòng)力傳遞給前齒圈，F(xiàn)1單向離合器將固定后行星架。由于后行星架由FI單向離合器固定，后行星齒輪機(jī)構(gòu)具有一定的傳動(dòng)比，是一個(gè)減速機(jī)構(gòu)。另外，后行星齒輪機(jī)構(gòu)通過后齒圈輸出，其輸出速度和旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)與前行星架一致，因?yàn)榍靶行羌芎秃簖X圈是同一個(gè)零件。根據(jù)這兩個(gè)條件，可以確定前行星架和太陽齒輪之間的速度分配。很明顯，太陽輪的速度要比以前的行星架快很多。

太陽齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)后行星齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，行星齒輪帶動(dòng)后齒圈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)后齒圈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，逆時(shí)針扭矩將施加到后行星架上，后行星架將由F1單向離合器固定。后行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比是齒輪齒數(shù)比。

(當(dāng)機(jī)動(dòng)車輛行駛時(shí)

作用：當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速超過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，來自驅(qū)動(dòng)輪的反向動(dòng)力通過后齒圈和前行星架的輸入機(jī)構(gòu)，使后行星架順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，F(xiàn)1單向離合器鎖止，從而實(shí)現(xiàn)汽車滑行。當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速低于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，單向離合器再次鎖止，變速器回到行駛狀態(tài)。

為了在1檔實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，預(yù)選桿必須置于L或1位置。此時(shí)后行星架由B2后制動(dòng)帶固定，驅(qū)動(dòng)輪傳遞的反向動(dòng)力會(huì)通過變速器提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而消耗動(dòng)力，迅速降低驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。

2)二檔

C2后多片離合器和B1前制動(dòng)帶同時(shí)動(dòng)作。此時(shí)，渦輪輸出軸通過C2后多片離合器與前齒圈連接，太陽輪總成通過B2后制動(dòng)帶固定。

它的動(dòng)力通過輸入軸傳遞到前齒圈，使其順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因?yàn)樘栞喪枪潭ǖ?，所以前行星輪由前齒圈驅(qū)動(dòng)，前齒圈不僅自轉(zhuǎn)，還隨行星架公轉(zhuǎn)。行星齒輪和行星架都順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，行星架最終帶動(dòng)輸出軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。二檔傳動(dòng)比取決于行星架當(dāng)量齒數(shù)與前齒圈齒數(shù)之比，是傳動(dòng)比大于1的減速運(yùn)動(dòng)。第二檔傳動(dòng)比只與前行星齒輪機(jī)構(gòu)有關(guān)。

另外，輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)后齒圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，后太陽輪已經(jīng)固定。此時(shí)，后行星齒輪和后行星架順時(shí)針空轉(zhuǎn)，F(xiàn)1單向離合器分離。

在辛普森機(jī)構(gòu)的二檔工作狀態(tài)(預(yù)選桿在D檔)，來自驅(qū)動(dòng)輪的反向傳遞動(dòng)力可以直接傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。

3)三檔

C1前多片離合器和C2后多片離合器同時(shí)工作。前多片離合器C1的接合將動(dòng)力傳遞到太陽齒輪，后多片離合器C2的接合將動(dòng)力傳遞到前齒圈。根據(jù)行星齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，任意兩個(gè)同速同向轉(zhuǎn)動(dòng)的元件都是直齒輪，機(jī)構(gòu)被鎖成一個(gè)整體。在第三檔狀態(tài)下，前齒圈和太陽輪具有相同的旋轉(zhuǎn)方向和速度。另外，從分析的角度來看，當(dāng)來自C2后面的多片離合器的動(dòng)力傳遞到前齒圈時(shí)，那么前齒圈帶動(dòng)太陽輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而來自C1前面的多片離合器的動(dòng)力直接傳遞到太陽輪使其順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。所以同一個(gè)太陽輪不可能向兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，只能鎖成一個(gè)整體。當(dāng)整個(gè)機(jī)構(gòu)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，N向離合器和后行星架被釋放。第三檔是傳動(dòng)比為1: 1的直接檔。

在三檔狀態(tài)下，只有發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的功能，沒有汽車滑行的功能。

4)倒檔

C1前多片離合器和B2后制動(dòng)帶同時(shí)動(dòng)作。前多片離合器C1的接合將動(dòng)力傳遞到太陽齒輪，后制動(dòng)帶B2的功能固定后行星架。此時(shí)，動(dòng)力通過輸入R-輸入軸傳遞到太陽齒輪，太陽齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因?yàn)楹笮行羌芤呀?jīng)固定，后行星輪變成了過渡輪，所以后行星輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，后齒圈也逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。最后，后齒圈驅(qū)動(dòng)輸出軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。倒檔傳動(dòng)比等于后齒圈齒數(shù)與太陽輪齒數(shù)之比，是傳動(dòng)比大于1的減速運(yùn)動(dòng)。從上面可以看出，倒檔的傳動(dòng)比只與后行星齒輪機(jī)構(gòu)有關(guān)。

辛普森四速行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

辛普森四速行星齒輪變速器是在辛普森三速行星齒輪變速器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

這種四速變速器在不改變?cè)疗丈傩行驱X輪t的主要結(jié)構(gòu)和大部分零件的情況下，增加了單排行星齒輪機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的換檔執(zhí)行器，以產(chǎn)生超速檔

，安裝在行星齒輪變速器的前端，如圖9.16所示。行星架為驅(qū)動(dòng)部件，與變速器的輸入軸連接；齒圈作為被動(dòng)件，與后雙排辛普森行星齒輪機(jī)構(gòu)連接。行星齒輪系的運(yùn)行由直接多片離合器CO控制，該離合器用于連接行星齒輪系的太陽輪和行星架，行星齒輪系的制動(dòng)器BO用于固定行星齒輪系的太陽輪。根據(jù)行星齒輪變速器的換擋原理，當(dāng)制動(dòng)器BO松開，直接多片離合器CO接合時(shí)，超速行星齒輪處于直接傳動(dòng)狀態(tài)，其傳動(dòng)比為1。當(dāng)超速制動(dòng)器BO制動(dòng)且直接離合器CO分離時(shí)，超速行星輪系處于加速傳動(dòng)狀態(tài)，其傳動(dòng)比小于1。

當(dāng)行星齒輪變速器處于1檔、2檔、3檔或倒檔時(shí)，超速行星輪系中的超速制動(dòng)器BO被釋放，直接多片離合器CO被接合，從而超速行星輪系處于傳動(dòng)比為1的直接傳動(dòng)狀態(tài)。雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)后半部分各換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作與原Simpson 3速行星齒輪變速器在一檔、二檔、三檔、倒檔的操作完全相同。來自變矩器的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過超速行星齒輪直接傳遞給后半部分的雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)。此時(shí)行星齒輪變速器的傳動(dòng)比完全由后半部分的雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制。當(dāng)行星齒輪變速器處于超速檔時(shí)，后半段的雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)保持三檔工作狀態(tài)，其傳動(dòng)比為2；而在超速行星輪系中，由于超速制動(dòng)器BO的制動(dòng)，直接多片離合器CO被釋放，使超速行星輪系處于加速傳動(dòng)狀態(tài)，其傳動(dòng)比小于1(這個(gè)傳動(dòng)比就是超速行星輪系的傳動(dòng)比)。

辛普森四速行星齒輪變速器由三個(gè)行星齒輪組成，各換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)在不同檔位的工作情況如表9.4所示。這種四速行星齒輪變速器可以利用原辛普森三速行星齒輪變速器的大部分零件，有利于降低生產(chǎn)投資和成本。

目前大部分汽車都采用這種類型的四速自動(dòng)變速器，尤其是日本豐田公司的四速自動(dòng)變速器。自動(dòng)變速器部分車型在原有的辛普森三速行星齒輪變速器后端加裝了超速行星齒輪，工作原理相同。

在圖9.16所示的辛普森四速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，對(duì)原有的辛普森三速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了制動(dòng)器B1和單向離合器F2。

原辛普森三檔機(jī)構(gòu)的改進(jìn)是基于以下兩點(diǎn)考慮：

從2檔換到3檔時(shí)有運(yùn)動(dòng)干涉；

辛普森機(jī)構(gòu)的二檔有兩種狀態(tài)，汽車滑行和發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。

辛普森行星齒輪機(jī)構(gòu)在自動(dòng)變速器中應(yīng)用廣泛，日本豐田幾乎所有的自動(dòng)變速器都采用這種結(jié)構(gòu)，如

豐田A14OE、A240E、A24lE、A340、A350自動(dòng)變速器。