行星齿轮式离合器可行性研究

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Research on Feasibility of Planetary Gear Type Clutch

Hai Zhengping；Yang Zhihong

（Hu'nan Communication Polytechnic，Changsha 410004，China）

摘要：离合器主要的功能是实现动力的分离和结合。行星齿轮组的特性是：如果将行星齿轮的三元件（太阳轮、行星架和齿圈）中某一个固定，动力传递固定；将三元件全部松开，动力不能传递，也就是动力分离和结合的过程。本文从设计角度分析采用行星齿轮组作为离合器机构的可行性。

Abstract： Clutch is mainly to realize disengagement and engagement of driving force. The characteristics of planetary gear set: if one of components (sun gear, planet carrier and gear ring) is fixed, transmission of power is fixed; if three components are all released, driving force can not be transmitted. The above is the process of disengagement and engagement of driving force. This paper analyzes the feasibility of planetary gear set as clutch from the perspective of design.

关键词：行星齿轮 离合器 分离 结合 动力传递

Key words： planetary gear；clutch；disengage；engage；transmission of power

中图分类号：U261.24+1文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）19-0022-02

0引言

对于汽车来说，离合器在采用手动变速器的汽车上发挥着巨大作用，它是传动系中直接连接发动机和变速器的零件总成，发动机的动力通过离合器传递到变速器，它主要的功能有如下三个方面：①保证汽车平稳起步；②保证传动系平顺换档；③防止传动系过载。

目前采用的离合器主要形式是摩擦式离合器，它是主动件和从动件通过摩擦产生摩擦力来传递动力。实际运用中，这种离合器会出现一些无法克服的故障。主要体现在如下几个方面：①离合器打滑；②离合器分离不彻底；③离合器发抖（接合不平顺）；④离合器异响。产生上述故障最主要的原因是由于从动盘上的摩擦片磨损，导致主动件与从动件之间的结合不到位、分离时不能彻底、压紧机构压不到位。由于驾驶员操作离合器频繁，摩擦片的磨损不可避免，上述问题不可能解决，同时，离合器中的从动盘经常要更换，离合器的使用寿命不长。为了解决上述故障，本文从设计角度讨论采用行星齿轮作为主要的分离和结合装置来实现离合器各种功能的可行性。

1离合器的结构及工作特点

1.1 离合器的结构特点如图1为普通膜片弹簧摩擦式离合器的结构示意图，它主要由主动部分（飞轮、飞轮壳和压盘），从动部分（从动盘和从动轴，从动盘中包含有扭转减震器）、压紧机构（压紧弹簧）、分离机构（压紧弹簧、分离轴承和分离叉）和操纵机构（没画出）组成，其中压紧弹簧既作为压紧机构又作为分离机构。发动机和飞轮相连，变速器和从动轴相连。

1.2 离合器的工作特点

1.2.1 接合状态离合器接合时，压紧弹簧将压盘、飞轮及从动盘互相压紧。发动机转矩经飞轮及压盘通过摩擦面的摩擦力矩传递到从动盘，再经变速器输入轴向传动系输入。

1.2.2 分离过程踏下踏板时，离合器分泵向前移动带动分离叉向前移动，分离叉内端则通过分离轴承推动分离杠杆（压紧弹簧）内端向前移动，分离杠杆外端依靠安装在离合器盖上的支点拉动压盘向后移动，使其在进一步压缩压紧弹簧的同时，解除对从动盘的压力。于是离合器的主动部分处于分离状态而中断动力的传递。

2单排行星齿轮结构与工作原理

2.1 单排行星齿轮结构及特点行星齿轮机构在汽车上的运用非常广，它主要由三元件（太阳轮、齿圈和行星架）组成。单排行星齿轮机构的组成如图2。行星齿轮机构在结构方面具有下列特点：①太阳轮、行星架和齿圈都是同心的，即围绕公共轴线旋转。②所有齿轮始终相互啮合，换档时无需滑移齿轮，因此摩擦磨损小，寿命较长。③结构简单、紧凑，其载荷被分配到数量众多的齿上，强度大。④可获得多个传动比。

2.2 单排行星齿轮的传动方案对行星齿轮三元件来说，如果我们将其中某一元件固定，将其中某一个元件作为输入件，另一个作为输出元件，我们将得到一个不同的传动方向和传动比。具体传动方案见表1。

3行星齿轮式离合器的设计构想

3.1 设计思路动力的结合与分离：离合器最主要的功能是通过主从动件的结合与分离来实现发动机和变速器之间的动力传递和切断，从表一中单排行星齿轮的传动方案中第三行可看到，如果通过制动器将齿圈固定和松开，以太阳轮作为输入部件，以行星架作为输出部件就可实现同样的功能。传动系过载保护：如果单靠行星齿轮机构单一机构，过载保护的功能没办法实现，为此，考虑在行星齿轮机构的前面增加一个防止过载的机构，类型于原来的离合器，只是剔除了分离机构和操纵机构。具体设计原理简图见图3。

从图3可看到，传动轴既作为防止过载装置的输出轴，又通过花键连接和太阳轮连接在一起，作为单排行星齿轮的输入部件。图1中的分离轴承作为图3中的调整螺母，用来调节压盘、从动盘和飞轮之间的摩擦力，控制离合器传递的最大力矩，达到防止过载的目的。为了操纵和设计的方便，齿圈的控制采用带式制动器。

3.2 行星齿轮式离合器工作过程从图3看到，飞轮和发动机输出轴相连接，压盘在膜片弹簧的作用下将从动盘压向飞轮，从动盘通过花键轴与行星齿轮组中的太阳轮连接，调整螺母用来调整膜片的弹力（通过压盘将从动盘压向飞轮的力），行星齿轮组中太阳轮作为输入部分，行星架通过花键孔与变速器输入轴连接，带式制动器通过离合器踏板进行操纵，齿圈在带式制动器作用下被固定。

3.2.1 动力结合过程离合器踏板不工作，带式制动器作用，齿圈被固定。发动机带动飞轮旋转，压盘在膜片的作用下将从动盘压向飞轮，从动盘旋转，带动传动轴旋转，行星齿轮组中太阳轮旋转，由于齿圈被固定，行星架在行星轮的作用下和太阳轮同方向旋转，将发动机的动力传向变速器。汽车正常行驶。

3.2.2 动力分离过程离合器踏板工作，带式制动器松开，齿圈没有被固定。发动机带动飞轮旋转，带动从动盘旋转，同时也带动传动轴旋转，行星齿轮组中太阳轮旋转，由于齿圈没有被固定，行星架将在变速器的影响下不旋转，发动机动力不能传递到变速器，实现了动力的分离。保证汽车平稳起步和平顺换档。

3.2.3 过载保护汽车传动系的过载有两种形式：冲击过载和动力过载。从上述离合器的结构可看到，由于保留了原膜片弹簧式离合器的部分结构，冲击载荷可以通过扭转减震器消除，动力过载时可以通过主动件（飞轮和压盘）和从动盘产生相对运动来消除。

3.3 行星齿轮式离合器的优缺点

3.3.1 离合器的故障少由于离合器的结合和分离主要通过行星齿轮组来实现，行星齿轮组的结构保证结构简单、紧凑，强度大，摩擦磨损小。而离合器中的飞轮、压盘和从动盘只有在动力过载的情况下才会产生相对运动，磨损小，因而产生故障的机会少。

3.3.2 离合器使用寿命长由于行星齿轮机构所有齿轮始终相互啮合，换档时无需滑移齿轮，摩擦磨损小；结构简单、紧凑，其载荷被分配到数量众多的齿上，强度大；离合器中的飞轮、压盘和从动盘很少产生相对运动，磨损小。因而，行星齿轮式离合器寿命长。

3.3.3 简化主减速器的结构，提高汽车的通过性由于该离合器采用了行星齿轮机构，太阳轮做输入端，行星架做输出端，传动比大于1，这样，对整个传动系来说，传动比的数值比采用摩擦式离合器要大，对于要求传动比较大的情况，主减速器可以采用单级结构满足要求，动力足，减少主减速器的外廓尺寸，提高汽车的通过性。

4该方案存在的问题

驾驶员在对离合器进行操纵时有一个动作非常的关键：半联动，也就是半离合状态。这个动作在汽车起步的过程中是必须的，只有通过它才能保证汽车平稳起步而不容易熄火，在上述方案中，由于只有离和合的动作，不能满足半联动的要求，所以上述方案不能满足平稳起步的要求。

5结论

通过上面的分析可看到，除平稳起步这个功能不能满足外，行星齿轮式离合器从设计角度可以满足离合器其它功能的要求，同时，这种离合器可以解决现有的摩擦式离合器存在的许多问题，动力结合和分离迅速，安全可靠，故障少，寿命长。因此，如果解决了汽车平稳起步这个问题，行星齿轮式离合器将是一种可行的方案。

参考文献：

[1]沈锦.汽车底盘构造与维修[M].机械工业出版社，2007.2.

[2]凤勇.汽车机械基础[M].人民交通出版社，2005.8.

[3]张展,张弘松,张晓维.行星差动传动装置[M].机械工业出版社,2009.1