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辛普森式行星齒輪變速機構

辛普森式行星齒輪變速器由辛普森行星齒輪機構及相應的換檔執行元件組成。辛普森行星齒輪機構采用雙行星排，其機構特點是：前後兩個行星排的太陽輪連為一個整體，稱為太陽輪組件；前排的行星架和後排的齒圈連接成一體，稱為前行星架和後齒圈組件，輸出軸通常與該組件相連。包括辛普森式三檔行星齒輪變速機構和辛普森式四檔行星齒輪變速機構。

辛普森式行星齒輪變速機構概述辛普森式行星齒輪變速器從70年代開始，為通用、福特、克萊斯勒、豐田、日產等多家公司用於其汽車自動變速器上。
辛普森式行星齒輪變速器由辛普森行星齒輪機構及相應的換檔執行元件組成。辛普森行星齒輪機構采用雙行星排，其機構特點是：前後兩個行星排的太陽輪連為一個整體，稱為太陽輪組件；前排的行星架和後排的齒圈連接成一體，稱為前行星架和後齒圈組件，輸出軸通常與該組件相連（如圖）。這樣一來，該行星機構只具有四個獨立元件：前排齒圈、前後太陽輪組件、後排行星架、前行星架和後齒圈組件。 1-前齒圈 2-太陽輪組件 3-行星齒輪 4-後行星架 5-前行星架和後齒圈組件辛普森式行星齒輪機構簡圖
辛普森式三檔行星齒輪變速機構 這是一種十分著名的行星齒輪機構，以設計發明者H．W．Simpson工程師命名的機構，從20世紀4O年代至今廣泛采用於世界各國的汽車自動變速器中，它的特點是由兩個完全相同的齒輪參數的行星排組成，見圖9．14。整個機構具有相同齒圈，六個相同的行星輪和一個供兩個行星排合用的加長太陽輪（故又稱共同太陽輪行星齒輪機構），它的前行星架和後齒圈為同一構件，並且和輸出軸連接。該機構可組成三個前進檔和一個倒檔。 1．各執行元件的功能
辛普森行星齒輪機構設置了五個變速執行元件：C1前多片離合器,C2後多片離合器、B1微動帶,B2後制動帶、F1 單向離合器。五個變速執行元件的作用效果如下（見圖9．15）。
①當C1前多片離合器作用時，把來自渦輪輸出軸的動力接通至太陽輪。
②當C2後多片離合作用時，把來自渦輪輸出軸的動力接通至前排赤圈。
③當B1前制動帶作用時，固定太陽輪。
④當B2後制動帶作用時，固定後行星架。
⑤當F1單向離合器作用時，固定後行星架。
在辛普森機構中的B1和B2實際上是一種制動器，在某些變速器中該制動器采用制動帶，而在有些變速器中則采用多片離合器作為制動器，例如日本豐田的自動變速器。
表9.3反映了辛普森行星齒輪機構變速器變速執行元件的工作規律。 2．動力流分析
下面進行辛普森機構各檔位的動力流分析。
l）l檔
把預選桿置於D位置，C2後多片離合器作用把輸入動力傳給前齒圈，F1單向離合器作用，使後行星架固定不動。由於後排行星架被FI單向離合器固定，因此後排行星齒輪機構具有確定傳動比，且是減速機構，另外後排行星齒輪機構通過後齒圈輸出，它的輸出轉速和轉動方向應該和前行星架保持一致，因為前行星架和後齒圈為同一構件。根據這兩個條件，就可以確定前行星架和太陽輪之間的轉速分配，顯然太陽輪的轉速比前行星架快得多。
太陽輪逆時針的旋轉帶動後行星輪順時針轉動，行星輪再帶動後齒圈順時針轉動，由於後齒圈順時針轉動時，會給後行星架施加一個逆時針的力矩，通過F1單向離合器將後行星架固定。後排行星齒輪機構的傳動比是後齒圈和太陽輪齒數之比，但辛普森機構1檔傳動比要大得多，計算也更復雜且有確定的傳動比。
辛普森機構的1檔具有汽車滑行
（機動車行駛時，把離合器分開或用空擋使傳動裝置脫離發動機，靠慣性前進。）功能，當驅動輪的轉速超過了發動機的轉速之後，來自驅動輪的逆向動力通過後齒圈和前行星架輸入機構，使後行星架順時針旋轉，脫離F1單向離合器鎖止，實現了汽車滑行。當驅動輪轉速低於發動機時，單向離合器重新鎖止，變速器恢復驅動狀態。
若要在1檔實現發動機制動，則需要把預選桿置於L或1位置，此時後行星架被B2後制動帶固定，驅動輪逆向傳入的動力通過變速器將發動機轉速提高，從而消耗動力使驅動輪轉速迅速下降，實現發動機制動。
2）2檔
C2後多片離合器和B1前制動帶同時作用。此時渦輪輸出軸經C2後多片離合器和前齒圈連接，同時太陽輪組件被B2後制動帶固定。
其動力經輸入軸傳給前齒圈，使之作順時針旋轉，由於太陽輪被固定，因此前行星輪在前齒圈帶動下，既有自轉，又隨行星架公轉，行星輪和行星架都是順時針轉動，行星架最後帶動輸出軸順時針旋轉。2檔傳動比取決於行星架當量齒數和前齒圈齒數之比，它是一種傳動比大於1的減速運動。2檔的傳動比僅僅和前排行星齒輪機構有關。
另外當輸出軸轉動時，同時會帶動後齒圈順時針轉動，後太陽輪已被固定，此時後行星輪和後行星架都順時針空轉F1 單向離合器處於釋放狀態。
在上述的辛普森機構的2檔工作狀態下（預選桿置於D位），來自驅動輪的逆向傳入變速器的動力，可以直接傳至發動機，實現發動機制動。
3）3檔
C1前多片離合器和C2後多片離合器同時作用。C1前多片離合器的接合把動力傳至太陽輪，C2後多片離合器的接合把動力傳至前齒圈。根據上述行星齒輪機構特征：任意兩元件同速同方向旋轉即為直接檔，則機構鎖成一整體。在3檔狀態，前齒圈和太陽輪均有相同旋轉方向和速度。從另外角度分析，當來自C2後多片離合器的動力傳至前齒圈，再由前齒圈帶動太陽輪逆時針轉動，而來自C1前多片離合器的動力直接傳給太陽輪，使之順時針轉動，因此同一個太陽輪不可能出現兩個轉動方向，只能相互間鎖止成一整體。當機構整體順時針轉動時，n單向離合器和後行星架處於釋放狀態。3檔是直接檔，它的傳動比是1：1。
在3檔狀態下，只存在發動機制動的功能，而不存在汽車滑行的作用。
4）倒檔
C1前多片離合器和B2後制動帶同時作用。C1前多片離合器的接合把動力傳給太陽輪，B2後制動帶的作用使後行星架固定。此時動力經輸R入軸傳給了太陽輪並使其順時針轉動，因後行星架已被固定，後行星輪成了過渡輪，因此後行星輪是逆時針轉動，井使後齒圈也逆時針轉動，最終後齒圈帶動輸出軸逆時針旋轉。倒檔傳動比等於後齒圈齒數和太陽輪齒數之比，是傳動比大於1的減速運動。從上述可知，倒檔的傳動比僅僅和後排行星齒輪機構相關。
辛普森式四檔行星齒輪變速機構

辛普森式四檔行星齒輪變速器是在辛普森式三檔變速器的基礎上發展起來的，它有兩類型：一種是在辛普森式三檔變速器原有的雙排行星齒輪機構的基礎上再增加一個單排行星齒輪機構，用三個行星排組成四個前進檔的行墾齒輪變速器；另一種是對辛普森式雙排行星齒輪機構進行改進，通過改變前後行星排各基本元件的組合方式和增加換檔執行元件，使之成為帶有超速檔的四檔行星齒輪變速器。下面介紹其中的一種，三個行星排辛普森式四檔行星齒輪變速器的結構與工作原理。
這種四檔變速器是在不改變原辛普森式三檔行星齒輪變速器的主要結構和大部分零部件的情況下，另外再增加一個單排行星齒輪機構和相應的換檔執行元件來產生超速檔。這個單排行星齒輪機構稱為超速行星排（超速行星排 (Overdrive Planet Gearset) ，安裝在行星齒輪變速箱的前端，其行星架是主動件，與變速箱輸入軸連接；環齒輪則作為被動件，與後面的雙排行星齒輪機構接，超速行星排的工作由直接離合器 C0(Direct Clutch) 和超速制動器 B0(Overdrive Brake) 來控制，直接離合器 C0 用於將超速行星排的太陽輪和行星架連接，超速制動器 B0 用於固定超速行星排的太陽輪。），它裝在行星齒輪變速器的前端，如圖9．16所示。其行星架是主動件，與變速器輸入軸連接；齒圈則作為被動件，與後面的雙排辛普森行星齒輪機構連接。超速行星排的工作由直接多片離合器CO和超速制動器BO來控制，直接多片離合器CO用於將超速行星排的太陽輪和行星架連接，超速排的制動器BO用於固定超速行星排的太陽輪。根據行星齒輪變速器的變速原理，當制動器BO放松、直接多片離合器CO接合時，超速行星排處於直接傳動狀態，其傳動比為1。當超速制動器BO制動、直接離合器CO放松時，超速行星排處於增速傳動狀態，其傳動比小於1。
當行星齒輪變速器處於1檔、2檔、3檔或倒檔時，超速行星排中的超速制動器BO放松，直接多片離合器CO接合，使超速行星排處於傳動比為1的直接傳動狀態，而後半部分的雙排行星齒輪機構各換檔執行元件的工作和原辛普森式三檔行星齒輪變速器在1檔、2檔、3檔及倒檔的工作完全相同。來自變矩器的發動機動力經超速行星排直接傳給後半部的雙排行星齒輪機構，此時行星齒輪變速器的傳動比完全由後半部的雙排行星齒輪機構及相應的換檔執行元件來控制。當行星齒輪變速器處於超速檔時，後半部的雙排行星齒輪機構保持在3檔的工作狀態，其傳動比為二；而在超速行星排中，由於超速制動器BO產生制動，直接多片離合器CO放松，使超速行星排處於增速傳動狀態，其傳動比小於1（該傳動比即為該行星齒輪變速器在超速檔時的傳動比）。由三個行星排組成的辛普森式四檔行星齒輪變速器各換檔執行元件在不同檔位的工作情況見表9．4。這種型式的四檔行星齒輪變速器可以使原辛普森式三檔行星齒輪變速器的大部分零部件都得到利用有利於減少生產投資，降低成本。
目前大部分轎車都采用這種型式的四檔自動變速器，特別是日本豐田公司的四檔自動變速器。有些車型的這種自動變速器將超速行星排設置在原辛普森式三檔行星齒輪變速器的後端，其工作原理是相同的。