汽车自动变速器辛普森机构中单向离合器的影响分析
摘要：汽车自动变速器是一个复杂的系统，单向离合器是其中一个重要部件，几乎所有关于自动变速器的资料都会涉及到单向离合器，但对单向离合器作用与工作原理的分析不够深入。本文根据工作实践详细地分析了汽车自动变速器辛普森机构中单向离合器的影响，以为相关从业人员提供指导。
关键词：汽车自动变速器；辛普森机构；单向离合器；
前言：目前汽车自动变速器所采用的行星齿轮机构主要有两类：单行星轮系结构和双行星轮系结构，其中比较有代表性的组合形式有：辛普森式和拉维纳式行星齿轮机构；辛普森式行星齿轮机构是由两个简单的单行星轮的齿轮机构组合，而拉维纳式行星齿轮机构是由一个单行星轮系和一个双行星轮系组合而成，其中双行星轮系中行星轮又分为长、短行星轮。
一、单向离合器简介
  单向离合器用来使行星齿轮机构的某元件具有单向固定或连接， 与多片湿式离合器相比，它是一种机械单向装置，不需要液压控制。单向离合器有滚子式和楔块式两种形式。
    滚子式单向离合器由外圈、滚子和内圈组成，滚子数目通常为6 ～ 8 个。  单向离合器的内圈相对于外圈逆时针转动，滚子便在凸轮型线的开口槽中向大端移动，单向离合器不锁止；但若单向离合器的内圈相对于外圈沿顺时针转动，滚子便向小端移动，楔入内、外圈之间，将两者锁住，传递转矩，如下所示：
图1  滚子式单向离合器
    楔块式单向离合器由外圈、 8 字形楔块和内圈组成， 楔块与滚子式单向离合器中的滚子类似的方式工作。如所示：
图2  楔块式单向离合器
二、汽车自动变速器辛普森机构中单向离合器的设定原则
行星齿轮机构属于周转轮系，它与定轴轮系之间的根本差别在于周转轮系中有运动的行星架，从而使得行星轮既有自转又有公转，所以周转轮系的传动比不能直接用定轴轮系传动比的求法来计算。设n1为太阳轮转速、n2为齿圈转速、n3为行星架转速，采用反转法计算传动比，根据相对运动的原理，假设给整个轮系加上一个公共转速-n3，使它绕行星架的固定轴线回转，这时各构件之间的相对运动仍将保持不变，但行星架的转速为0；即行星架“静止不动”，这样周转轮系就成为一个定轴轮系；单排单级行星齿轮机构由一个太阳轮、一个内齿圈和一个行星架组成，转化为定轴轮系后，行星架静止不动，太阳轮顺转，行星齿轮逆转，齿圈逆转。单向离合器的作用为当变速器处于非超速档时，超速离合器和超速单向离合器均起作用使得超速行星架与超速太阳轮联锁在一起，超速行星齿轮机构作为一个整体直接传递动力。
三、汽车自动变速器辛普森机构中单向离合器的影响分析
1.强制制动器的作用。以车辆2挡为例：若车辆处于2挡时松开油门踏板减速或下坡时，在汽车惯性作用下，驱动轮将通过变速器输出轴逆向带动行星齿轮机构的前行星架和后齿圈组件以较高的转速旋转。由于此时油门断开、发动机转速低，和输入轴连接的前齿圈转速较低，前行星轮在前行星架的带动下顺时针方向公转，同时对前太阳轮组件产生一个顺时针方向的力矩，而太阳轮在顺时针方向旋转时，2档离合器对前后太阳轮组件没有锁止作用，因此即使2挡制动器仍处于制动状态，前后太阳轮组件还是顺时针方向自由旋转。这样，在辛普森式行星齿轮机构的四个独立元件中有两个处于自由状态，从而使该行星齿轮机构失去传递动力的能力，不能产生发动机制动作用。为了能产生发动机制动作用，必须在前后太阳轮组件和变速器壳体之间另外再设置一个单向离合器。这样不论汽车加速或减速，前后太阳轮组件都被该制动器固定，此时松开油门踏板、减速或下坡时能产生发动机制动作用。目前大多数轿车自动变速器已采用这种结构。
2.预防档位离合器打滑 。在四速自动变速箱中，当行星齿轮变速器处于1挡、2挡、3挡或倒挡时，超速行星排中的超速制动器松开，多片离合器接合，使超速行星排处于传动比为1的直接传动状态，而后半部分的双排行星齿轮机构各换挡执行元件的工作和原辛普森式三挡行星齿轮变速器在1 挡、2 挡、3 挡及倒挡的工作完全相同。来自发动机动力经超速行星排直
接传给后半部的双排行星齿轮，此时行星齿轮的传动比完全由后半部的双排行星齿轮机构及相应的换挡执行元件来控制；当变速箱处于超速挡时，后半部的双排行星齿轮机构保持在3 挡的工作状态，其传动比为2; 而在超速行星排中，由于超速制动器产生制动，多片离合器松开，使超速行星排处于增速传动状态，其传动比小于1 ( 该传动比即为该行星齿轮变速器在超速挡时的传动比)。由于多片离会器在自动变速器处于空挡挡之外的任一挡位都处于接合状态，因此当发动机刚起动而油泵尚未建立起正常的油压时，直接离合器就已处于半接合状态，这样容易使其摩擦片因打滑而加剧磨损。为了防止出现这种情况，在与直接离会器并列的位置上布置了一个直接单向超越离合器，使超速行星排的行星架能在逆时针方向上对太阳轮产生锁止作用。在发动机刚起动并带动变速器输入轴转动时，它就让超速行星排的太阳轮和行星架锁止为一个整体，防止直接离合器的摩擦片在半接合状态下打滑。汽车离合器
3.改善换挡平顺性。单向超越离合器的另一个作用是改善升至超速挡的换挡平顺性。在升至超速挡换挡过程中，为了防止超速制动器和直接离合器同时接合，造成超速行星排各基本元件之间的运动干涉，必须在直接多片离合器完全释放后再让超速制动器接合。直接单向离合器可以在直接离合器已释放，而超速制动器尚未完全接合时，代替直接离合器工作，将超速行星排太阳轮和行星架锁止在一起，防止超速行星排出现打滑现象，并在超速制动器接合后
又能及时脱离锁止，让超速行星排顺利进入超速挡工作状态。
文中重点介绍了辛普森自动变速器中单向离合器使用用途，理解不同档位下单向离合器的状态及运动方向，对于正确理解四挡辛普森自动变速器换挡过程中各元件的的工作具有重要的意义，为四挡辛普森自动变速器的故障诊断与维修奠定基础。
参考文献：
[1] 林平.新型汽车自动变速器结构原理检修[M].福州：福建科学技术出版社，2019.
[2] 刘汉涛.汽车自动变速器精品学习教程[M].北京：机械工业出版社，2021