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这一节我们介绍

AT中的行星齿轮变速机构

在液力自动变速器中

还需要行星齿轮变速器

主要还是液力变矩器的工作特性（的原因）

它可以替代传统的离合器的职能

但是它只能部分地

履行变速器的功能

变速 增大转矩

（因此）需要在液力变矩器之后

附加上一套齿轮变速装置

进一步的完善传动系的功能

进一步的放大转矩

同时还要实现倒车

发动机的怠速驻车等功能

液力自动变速器中

这套附加的齿轮变速装置

通常采用的是行星齿轮变速器

主要原因是因为

它可以方便的利用液压系统

对它实现自动化的操作

因为行星齿轮机构都是常啮合的

可以通过一系列的离合器

制动器和单向离合器

可以对它方便的

进行自动化的变速

升降挡的控制

也有少数的液力自动变速器

采用固定轴系的齿轮变速器

比如说本田公司

它很多液力自动变速器

它不用行星齿轮机构

用的是固定轴系的齿轮变速器

下面重点还是讲

行星齿轮变速器为主

它主要有行星齿轮传动机构

以及由离合器 制动器

和单向离合器等

换挡执行元件组成的

讲行星齿轮机构

首先从单排行星齿轮机构开始

单排的行星齿轮机构

基本元件有三样

一个就是太阳轮

还有个是齿圈

另外是有一个行星架

这个行星架它上面

装有若干个行星齿轮

太阳轮是在单排行星排的中心

最外圈的外层是齿圈

中间有三到四个行星齿轮

均匀地布置在其间

这个行星齿轮

既跟太阳轮也跟齿圈相啮合

它们呢装在同一个行星架上

行星齿轮在工作过程中

除了能够自转之外

还会围绕着太阳轮和齿圈做公转

正因为在行星齿轮传动机构中

行星齿轮既有自转也有公转

就给它的传动关系的分析

带来了一些难度

跟之前分析的定轴式的

齿轮传动装置关系（相比）

就比较复杂一些

在分析单排行星齿轮

传动关系的时候

我们为了方便大家理解

给出了三种分析方法

三个方法分别是运动方程法

转换分析法

还有种是矢量分析法

下面依次分别进行介绍

首先看看运动方程法

行星齿轮（机构）正因为

行星齿轮本身是既有自转又公转

（导致）传动关系就不好分析

我们要想方便的分析它

（就要）把它转成

不让它（行星齿轮）有自转和公转

耦合在一起的情况（出现）

我们可以想象

我们人跳到行星架上之后

以行星架为参照物

在这种情况下呢

这时候的太阳轮 齿圈和行星齿轮呢

它的轴线呢（就）都是固定的

这时候相当于变成了什么

（是一套）定轴的齿轮传动关系

这时候 当我跳到这个行星架上之后

并且以行星架为参照物之后呢

太阳轮和齿圈的转速

就不再是从地面上看到的转速

它们的转速发别是

太阳轮转速用n1

齿圈转速用n2

行星架转速用n3

站在行星架上之后

（此时的）太阳轮转速用n1减去n3

齿圈转速用n2减去n3

站在行星架上观察的时候

太阳轮和齿圈

它们的旋转方向是反的

求这两个速比的时候

齿圈相对于太阳轮的速比

行星齿轮相当于是个惰轮

它起的只是改变（转动）方向的作用

实际上它对传动比没有贡献

求传动比的时候

只是齿圈和太阳轮之间有传动比

把这两个相比较

转速之比等于齿数之比

由于两者的方向是反的

在速比之前加上一个负号

负号就表示

站在行星架上的时候

太阳轮和齿圈

它们旋转方向是反的

而另外一个系数叫α

它等于Z2除以Z1

实际就是齿圈的齿数

除以太阳轮的齿数

这个α本身是大于1的

把上面式子的右端变成α之一

比例关系整理一下

就得到下面这个公式

这个公式就是一个单排的

行星齿轮传动关系的

（行星齿轮组成构件）三者之间转速关系的关系式

这三个（者之间的）关系式

我只要确定一个（构件）转速之后

另外两个构件运动之间的关系

就确立了

下面还是结合单排的行星排

依次以其中某一个部件作为输入

另外一个部件作为输出

固定其中一个构件

确定一个构件的转速

来分析它们之间的传动关系

首先太阳轮作为输入

这时候就有两个选项

把齿圈固定

最外面的齿圈让它不转

上面公式里的齿圈的转速是n2

就等于0 n1作为输入

n3作为输出

很容易就求出来它们的传动比

是等于1加上α

这是一个大于2的速比

传动比本身是个正号

表明它输入跟输出两个构件之间

速度方向是一样的

而且是同向的减速的传动挡

一个减速挡

还以太阳轮为输入

不固定齿圈而固定行星架

也就是n3等于0

同样可以得出来

它们的传动比就是负的α

负代表输入输出的方向是反的

这时候传动比也是大于1的

这是一个反向的减速挡

作为倒车挡来使用

这是第一种太阳轮作为输入

它可以产生一个同向的减速挡

和一个反向的减速挡

第二种以齿圈作为输入

依次固定行星架

和固定太阳轮

分别可以得出这两个传动比

固定行星架的时候

得出的是负的α分之一传动比

这个传动比是个负的

说明是个反向的

α本身是大于1的

它的倒数就变成小于1的

这是一个反向的超速挡

旋转方向相反

但是输出的速度比输入的速度高

显然这种是不适用的（速比）

我们做倒挡（设计）的时候

肯定不希望它的速比太高（小）

作为超速挡

固定太阳轮

它得到的传动比是1加上α分之一

也是一个正的大于1（的速比）

这是一个同向的减速挡

第三种是用行星架作为输入

固定齿圈之后得到的传动比是

正的1加α分之一

显然这是小于二分之一的量

这是同向的超速挡

超速的成分还很大

固定齿圈

太阳轮输出的转速非常高

（比）输入转速（高）一倍以上

这种在超速挡里头

也不见得很适用

固定太阳轮

用齿圈作为输出

这时候得到的传动比是1加α分之α

这种情况下（它是）介于0.5-1之间数值

也是同向的超速挡

这个速比是比较适用的

上面就讲了每一种（构件）作为输入

分别固定另外一个构件

得到的六种情形

除此之外对于（这个）公式

还可以作另外一种（假设）

我们让任何两个构件的速度相等

含义就是把两个部件

或者元件给它连在一起

通过刚性的方式

给它固连在一起

它们的转速是一样的

通过一系列的分析可以看出

无论你固定任意两个构件

最终得到三个构件的速度

都是一样的

这个含义就是

对于单排行星轮来讲

任意把两个构件固定在一起

整个行星架

作为一个整体在旋转

这时候的传动比是1

如果任何一个构件不受约束

都可以自由转动的话

整个行星齿轮机构

就是失去了传动作用

大家都是不受约束的自由状态

这个就相当于空挡

这样归纳起来

一个单排行星齿轮机构

可以得到八种传动关系

这八种（关系）里能不能

用一个单排的行星齿轮

实现一个5速的变速器呢

是不行的

通过前面的分析知道

虽然可以实现八种情况

（但）很多速比不适用

这是一个因素

有的是偏小

有的方向不对等等这些问题

另外还有你想实现

构件之间有互为输入输出（连接关系）

下次再转换输入输出关系的时候

从机械结构上讲也不太容易实现

因此用单排的行星齿轮机构

实现多速（比）是不太现实的

第二种方法是转换分析法

这种转换分析法不能够实现

一个定量的传动比的分析

它可以实现一种定性的分析

在进行分析的时候要进行转换

太阳轮照样保留

齿圈原来是个内齿轮

把它变成外齿轮

齿数还是一样的

变成齿数一样的外齿轮

跟太阳轮进行外啮合

把行星架转换成大的内齿轮

这个大的内齿轮齿数正好等于

太阳轮齿数和齿圈齿数之和

把太阳轮和齿圈包在里头

形成这样一个关系

这样关系有什么物理意义，没有物理意义

主要为了方便定性去分析

它们的传动关系作为一种转换

对这个行星齿轮如果固定其中某一个构件

探讨其它两个构件的传动关系的时候

只要把某个构件固定以后

就可以把固定的这个（构件）擦掉

剩下两个构件就互为传动关系

为了说明转换分析法

假如一种情形把太阳轮固定

刚才讲的三个圆

就把太阳轮这个圆擦掉

假如用齿圈作为输入

用行星架作为输出

齿圈是个外齿轮

行星架是个内齿轮

这是一个同向的减速传动

减速的传动比等于

通过式子可以算出来

等干1加α分之一

这里回忆一下前面

运动方程法分析出来的

传动关系是一样的

证明转换分析法是有效的

为了证明再分析一种情形

把行星架固定

把外面这个大圆擦掉

假如把太阳轮作为输入

用齿圈作为输出

很容易分析出来

这是一个减速的

但是输入输出方向

是反的传动关系

很容易算出传动关系

传动比是负的α

也跟前面运动方程法

分析出来的是一样的

这种转换分析法

可以用定性的

快速的把行星齿轮之间

运动关系分析出来

前提是你看到一个行星齿轮机构

要快速的把它转换成

三个固定的圆（实际是齿轮）

最外面是行星架

代表的一个圆

里头一个是太阳轮

一个是齿圈

齿圈变成（齿在）外圆的齿轮

通过这种分析方法（就可以定性分析）

第三种分析法是矢量分析法

矢量分析法是用一根竖直或

水平的线条来表示（行星齿轮系）

竖直的可以看成硬性的一个杠杆

这个杠杆有两个端点

（加上）中间有三个点

三个点分别代表的是

太阳轮 行星架 齿圈

点与点之间距离

跟它的齿数成比例的

对行星排固定某一个构件

相当于把杠杆（对应）的这一点

给它固定

另外就可以把杠杆

往左或往右运动

运动之后从原来的点

到转完后的点划一条矢量线出来

矢量线往左或往右

就代表运动方向

（即从）竖直的线往左或往右

代表两种转动方向

一个顺时针一个逆时针

水平方向画出来的矢量线长度

就代表转速的大小

通过（矢量线所在）方向是不是在（竖直线的）一边

就知道它是（不是）同向的传动关系

从线条长度的大小就知道

它们之间是减速还是增速的关系

比如这个图上齿圈固定的时候

如果用太阳轮上作为输入

在行星架上就得到更小的转速

这是减速

如果把行星架固定

在移动杠杆的时候

齿圈和太阳轮

两个速度方向

在竖直线两侧就说明

运动方向是反的

如果用太阳轮作为输入

齿圈作为输出

这是减速 反向的减速

其它的（分析）与此类似

如果三者之间

行星架（排）任意两者固定在一起

这两者速度是一样的话

整个这个杆运动的时候

整体是竖直平行移动的

行星架被锁死，作为一个整体是在运转的

前面讲的都是（某构件）固定

或者整体运转

行星架在行星齿轮里

还有一种运动方式（关系）

某一个构件以固定的转速运转

另外两者之间也能形成传动关系

这个就是用下面中间的图表示

行星架转速 以一千转（每分钟的）转速（在转动）

这时增加太阳轮的转速

齿圈的转速就会慢慢减小

这时侯的（行星架）支点就相当于

行星架在一千转（每分钟）的转速

这个矢量端点位置作为支点

这时增加太阳轮的输出

会让齿圈的转速减小

但方向还是同一个方向

矢量分析法也有它的一些优点

在后面分析混合动力变速器时

会用到矢量分析法

单排行星齿轮机构

从前面的分析得知

它提供的适用传动比的数目

是有限的

一个行星齿轮变速器如果想获得

更多的挡数 适用挡数的话

往往会采用两排或者

多排行星齿轮机构进行组合

这样实现更多的挡位

（通常）把两个行星排

组合在一起形成的机构

叫做复合式的行星齿轮机构

目前广泛采用的

复合式行星齿轮机构

主要有以下几种

一种是辛普森式的

一种是拉威娜式的

还有一种是CR－CR式的

这几种方式（中）

首先看看辛普森式的

行星齿轮传动机构

这种行星齿轮机构是两排

单排的行星齿轮机构放在一起

这两者的太阳轮是共用的

另外 一个行星排的齿圈

和边上行星排的行星架是共用的

这两个构件是共用的

也就是说

两个行星排一共有六个构件

它把太阳轮共用

把一个行星排的齿圈

和另一个行星排的行星架共用

这就变成了四个构件

通过这四个构件

配合相应的离合器和制动器

就可以实现三个前进挡

和一个倒挡

这是辛普森式的行星齿轮机构

下面通过一个动画

来分析一下辛普森式的

行星齿轮机构的各个挡位

首先来看一挡

辛普森式的行星齿轮机构

需要增加两个离合器

要加上两个制动器

还有一个单向离合器

离合器用C1 C2表示

单向离合器用Fw

制动器用B1 B2来表示

我们看 在一挡的时侯

C1这个离合器是结合的

单向离合器也起作用

这样实现一挡

一个减速比最大的传动

有人可能分析了（后会问）

为什么这时单向离合器会起作用

我们来分析一下

这里给的图

是以1 S和2这一条

实际上是一个轴线

相当于（辛普森）行星齿轮变速器的

一个中心轴线

因为是对称的关系

这个轴线只取上半部分

我们看到的齿轮相当于

这套辛普森行星齿轮机构

沿着纵向的对称面剖了一刀之后

取了上半部分来看的

1就是发动机从液力变矩器的输入

可以想像它是顺时针的

我们从这边看过去

想像它是顺时针的

通过C1这个离合器

它会带动辛普森（行星齿轮机构）右边的齿圈

也是顺时针转动的

注意 这时侯2连接的是

行星架和齿圈接合起来的构件

2 是跟车轮连在一起

（假设这时）车轮是静止的不动的

而且有很大的惯性

右边的齿圈顺时针旋转的话

它就会带着行星齿轮

也是顺时针旋转

这时候行星架有很大的惯性

有很大的阻力是不动的

它（行星齿轮）这时候是顺时针旋转

同样会带动中间的太阳轮

逆时针旋转

太阳轮会带着左边（行星排）的

行星齿轮是顺时针旋转

这时候它的齿圈是跟车连在一起的

它很大的阻力的

要想维持它（指左侧行星齿轮）顺时针旋转的话

它只能带着行星架

（试图）沿着逆时针方向旋转

在内部才能保证

它行星齿轮是顺时针旋转

这时候单向离合器

顶住左侧的行星架

左侧的行星排的行星架的

这时候单向离合器

起锁止作用不让它动

因为不让它动

动力就经过（左侧）齿圈

直接传给车轮

如果你可以列方程

这个行星排（可）列出两个方程

共用的构件把转速（替代）

消掉一些未知数

通过运动关系可以算出来

这是一个比较大的传动比

（这）是一挡 下面看看二挡

在二挡的时候还是C1结合

但这时候是B1（也）结合

实际上把太阳轮给固定住

看右侧的行星排来讲

固定太阳轮 齿圈输入

行星架输出的传动关系

显然这也是同向的减速传动

下面在看看直接挡

在直接挡的时候

它把C1C2两个离合器都结合

C1C2一结合呢

还是以右边行星排来看

相当于把右边行星排的

太阳轮和齿圈给它连在一起

整个行星排变成一个整体

这时候是1比1的传动比的关系

下面在看看倒挡

在倒挡的时候

是C2这个离合器接合

同时B2制动器起作用

相当于把左侧的

行星排的行星架给制动住

左侧行星架给它固定住 那很显然

左侧行星排是太阳轮输入

固定行星架

用齿圈作为输出

这也是倒挡的一个减速

方向是反的实现了倒挡

这就是（复合）行星排（中）的辛普森

这个行星齿轮机构

它通过离合器和制动器的组合

实现了三个前进挡和一个倒挡

下面在看看拉威娜式的

复合行星齿轮机构

它也是用两排的行星齿轮

（两个）单排的行星齿轮

但是它在这里共用的构件不一样

第一它的齿圈是共用的

行星架也是共用的

这里它有大小两个太阳轮

它也有两个行星轮

两个行星轮只有一个行星轮

是跟齿圈啮合的

另外一个行星轮通过

（内侧）跟小太阳轮啮合

（外侧）再跟外面的（长）行星轮进行啮合

所以它是这样一种传动关系

通过这种方式

也可以实现

四个前进挡一个倒挡

这个详细的也不展开了

你们课后如果有兴趣

用列方程通过构件约束关系

能分析出这四个前进挡

每个挡位是怎么个传动关系

和相应的速比

第三种复合行星齿轮机构

叫CR-CR式的

在这种行星齿轮机构中

它是互为公用齿圈和行星架

仍然有两个太阳轮

一个行星架

和另一个行星排的齿圈共用

它本身的齿圈

和另外一个行星排的

行星架是共用的

这样两个行星排六个构件

通过共用关系

变成有四个构件

通过这种关系也可以实现

四个前进挡和一个倒挡

如果一个自动变速器

它需要的挡位数多于四个挡

用前面的的（复合）行星齿轮机构

就满足不了

一般的常规做法

是在复合行星齿轮机构的基础上

再会叠加一个

单排的行星齿轮机构

通过这种组合方式

可以实现多于四个挡位

这里给个举例雷克萨斯

L460的8速的AT

它就用一个

单排的行星齿轮机构

和一个复合的（行星齿轮机构）

从这个图上看

复合的行星机构

是哪一种类型的呢

实际上是拉威娜式的

通过一个拉威娜式的

复合行星齿轮机构

和一个单排的行星齿轮机构

就实现了8速的（AT）

当然它需要一系列的

离合器和制动器

和单向离合器进行组合

来实现8个挡位的控制

右边再看一个

奔驰的5速的

液力自动变速器

这是一个横置发动机

前轮驱动的

轿车上用的（液力自动）变速器

它也使用了同样的方法

用一个复合的行星齿轮机构

加上一个

单排的行星齿轮机构

来实现5个挡位的控制

从这个复合的

行星齿轮机构看

它叫CR-CR式的

这种组合方式

那么这个图我再给一个

目前世界上速比最多的

采埃孚（ZF）的一款9速的

液力自动变速器

这款变速器非常的有特色

它也是一个横置发动机

前轮驱动的车上用的（液力自动）变速器

横置发动机之后

挡位数越多

变速器的体积重量就越大

横向布置就越困难

采埃孚就利用巧妙的设计（解决了布置难题）

在这里它用的

两个（复合）行星排

两个（复合）行星齿轮机构

左边这个地方看

是一个辛普森的

行星齿轮机构

右边这个地方就说不上来（叫什么）了

跟前面介绍的

典型的复合式行星齿轮（机构）不一样

它是一个嵌套的（关系）

中心部位是一个行星齿轮机构

中心部位行星齿轮机构的齿圈

又是（套在）外面行星齿轮机构的太阳轮

现在它是两个行星齿轮机构

套在一起的复合行星齿轮机构

一共是通过4套 4个（单排）行星齿轮组

再结合换挡执行元件

它非常令人印象深刻

它的执行元件也非常的简单

它只用了两个制动器

两个离合器

和两个牙嵌式的离合器

就实现了9个挡位的控制

这个在结构设计方面

是非常的精巧和巧妙

AT中的行星齿轮传动机构

我们就讲到这里