行星轮变速器是由行星轮机构和换档执行元件（如换档离合器、制动器及单向离合器等）组成。
图4-19 单排行星轮机构的动力传动方式
1—太阳轮 2—齿圈 3—行星架 4—行星轮
1.单排行星轮机构的特性方程式
如图4-19所示，通过对不同的元件进行约束和限制，可以得到不同的动力传动方式。为了了解行星轮变速器的工作原理，下面先分析单排行星轮机构的运动规律。图4-20为单排行星轮机构，图上标出了行星轮所受到的作用力。
图4-20 单排行星轮机构及作用力
1—太阳轮 2—齿圈 3—行星架 4—行星轮
作用于太阳轮1上的力矩：M1=F1r1；作用于齿圈2上的力矩：M2=F2r2；作用于行星架3上的力矩：M3=F3r3。令齿圈与太阳轮的齿数比为α，则：α=Z2/Z1=r2/r1。因而：
r2=αr1
式中，r2、r1——太阳轮和齿圈的节圆半径；
r3——为行星轮与太阳轮的中心距。
由行星轮4的力平衡条件可得：F1=F2和F3=-2F1。
因此，太阳轮、齿圈和行星架上的力矩分别为：
M1=F1r1 （4-1）
M1=αF1r1 （4-2）
M3=-（α+1）F1r1 （4-3）
根据能量守恒定律，三个元件上输入和输出的功率的代数和应等于零，即
M1ω1+M2ω2+M3ω3=0 （4-4）
式中，ω1、ω2、ω3分别为太阳轮、齿圈和行星架的角速度。
将式（4-1）、式（4-2）、式（4-3）代入式（4-4）中，即可得到表示单排行星轮机构一般运动规律的特性方程式：
ω1+αω2-（α+1）ω3=0 （4-5）
若以转速代替角速度，则上式可写成
n1+αn2-（α+1）n3=0 （4-6）
2.单排行星轮机构的工作原理
由式（4-6）可以看出，在太阳轮、齿圈和行星架这三个元件中，可任选两个分别作为主动件和从动件，而使另一元件固定不动（即用执行元件使该元件转速为零，或使其运动受一定的约束，（即该元件的转速为某定值），则整个轮系即以一定的传动比传递动力，下面分别讨论各种情况：
1）太阳轮1为主动件，行星架3为从动件，齿圈2固定。此时式（4-6）中n2=0，故传动比：
i13=n1/n3=1+α=1+Z2/Z1
2）齿圈2为主动件，行星架3为从动件，太阳轮1固定。此时式（4-6）中n1=0，故传动比：
i23=n2/n3=（1+α）/α=1+Z1/Z2
3）太阳轮1为主动件，齿圈2为从动件，行星架3固定。此时式（4-6）中n3=0，故传动比：
i12=n1/n2=-α=-Z2/Z1
在此情况下，n1与n2符号相反，即表示主动轴与从动轴的旋转方向相反，故为倒档传动情况。
4）若n1=n2，则：
n3=（n1+αn1）/（1+α）=n1=n2
在n1=n3或n2=n2时，同样可得n1=n2=n3。故知若使三元件中的任何两个元件连成一体转动，则第三元件的转速必然与前两者转速相等，即行星轮系中所有元件（包括行星轮）之间都没有相对运动，从而形成直接档传动，传动比i=1。如果所有元件都不受约束，即都可以自由转动，则行星轮机构完全失去传动作用。
由多排行星轮机构组成的行星轮变速器，其传动比可根据上述单排行星轮机构特性方程式推导出来。
3.复合式行星轮机构的工作原理
单排行星轮机构所提供的适用传动比数目是有限的，为了获得较多的档数，可采用两排或多排行星轮机构。一般具有三、四个前进档的自动变速器至少需要两排行星轮机构。在现代汽车的自动变速器中，目前广泛采用两种典型的复合式行星轮机构：辛普森（Simpson）式和拉维娜（Ravigneaux）式。
辛普森（Simpson）式行星轮机构由两排行星轮机构共用一个太阳轮组成的复合式行星轮机构，如图4-21所示。前后排行星轮机构的尺寸或齿轮齿数不必一定相同。其尺寸和齿轮的齿数决定了复合行星轮机构所实现的实际传动比。
1—输入轴 2—输出轴 C1、C2—离合器 B1、B2—制动器 FW—单向离合器 S—构件
辛普森式行星轮传动机构有4个换档执行元件：两个离合器C1、C2和两个制动器B1、B2。每接一个档位需要操纵两个执行元件。辛普森行星轮机构具有3个自由度，因为构件数为7个（1、2、B1、B2、C1、C2、S），而计算方程式有4个，因此每挂一个档需要同时使用两个执行元件（如离合器、制动器等）。
辛普森式行星轮机构与一个单排行星轮机构（超速档行星轮机构）串联可组合成4个前进档和1个倒档的行星齿轮变速器。例如，通用汽车公司的4T60E型、丰田汽车公司的A140E型和A340E型、宝马汽车公司的ZF4HP22型以及克莱斯勒汽车公司的AW-4型四档行星轮变速器均采用了这种组合方式的结构，如图4-22所示为丰田霸道4000普拉多汽车A340F自动变速器分解图。
下面以丰田霸道4000汽车A340F自动变速器来说明辛普森行星轮变速器的动力传动路线。图4-23所示为四档辛普森行星轮变速器的结构简图和元件位置图。
四档辛普森行星轮变速器由四档辛普森行星轮机构和换档执行元件两大部分组成。其中四档辛普森行星轮机构由三排行星轮机构组成，前面一排为超速行星排，中间一排为前行星排，后面一排为后行星排，之所以这样命名是由于四档辛普森行星轮机构是在三档辛普森行星轮机构的基础上发展起来的，沿用了三档辛普森行星轮机构的命名。输入轴与超速行星排的行星架相连，超速行星排的齿圈与中间轴相连，中间轴通过前进档离合器或直接档、倒档离合器与前、后行星排相连。前、后行星排的结构特点是，共用一个太阳轮，前行星排的行星架与后行星排的齿圈相连并与输出轴相连。
图4-22 丰田霸道4000汽车A340F自动变速器分解图
图4-22 丰田霸道4000汽车A340F自动变速器分解图（续）
图4-22 丰田霸道4000汽车A340F自动变速器分解图（续）
图4-22 丰田霸道4000汽车A340F自动变速器分解图（续）
换档执行机构包括三个离合器、四个制动器和三个单向离合器共十个元件。具体的功能和参数见表4-2。
图4-23 四档辛普森行星轮变速器的结构简图
1—超速（O/D）行星排行星架 2—超速（O/D）行星排行星轮 3—超速（O/D）行星排齿圈 4—前行星排行星架 5—前行星排行星轮 6—后行星排行星架 7—后行星排行星轮 8—输出轴 9—后行星排齿圈 10—前后行星排太阳轮 11—前行星排齿圈 12—中间轴 13—超速（O/D）行星排太阳轮 14—输入轴
C0—超速档（O/D）离合器 C1—前进档离合器 C2—直接档、倒档离合器B0—超速档（O/D）制动器 B1—二档滑行制动器 B2—二档制动器 B3—低、倒档离合器 F0—超速档（O/D）单向离合器 F1—二档（1号）单向离合器 F2—低档（2号）单向离合器
表4-2 A340F自动变速器行星轮部件换档执行元件的功能和参数
1）四档辛普森行星轮变速器各档传动路线。在变速器各档位时，换档执行元件的动作情况见表4-3。
表4-3 各档位时换档执行元件的动作情况
注：∗：只能降档不能升档；○：换档元件工作或有发动机制动。
①D1档：如图4-24所示，D1档时，C0、C1、F0、F2工作。C0和F0工作将超速行星排的太阳轮和行星架相连，此时超速行星排成为一个刚性整体，输入轴的动力顺时针传到中间轴。C1工作将中间轴与前行星排齿圈相连，前行星排齿圈顺时针转动驱动前行星排行星轮，前行星排行星轮即顺时针自转又顺时针公转，前行星排行星轮顺时针公转则输出轴也顺时针转动，这是一条动力传动路线。由于前行星排行星轮顺时针自转，则前后行星排太阳轮逆时针转动，再驱动后行星排行星轮顺时针自转，此时后行星排行星轮在前后行星排太阳轮的作用下有逆时针公转的趋势，但由于F2的作用，使后行星排行星架不动。这样顺时针转动的后行星排行星轮驱动齿圈顺时针转动，从输出轴也输出动力，这是第二条动力传动路线。
图4-24 D1档动力传动路线
②D2档：如图4-25所示，D2档时，C0、C1、B2、F0、F1工作。C0和F0工作如前所述直接将动力传给中间轴。C1工作，动力顺时针传到前行星排齿圈，驱动前行星排行星轮顺时针转动，并使前后太阳轮有逆时针转动的趋势，由于B2的作用，F1将防止前后太阳轮逆时针转动，即前后太阳轮不动。此时前行星排行星轮将带动行星架也顺时针转动，从输出轴输出动力。后行星排不参与动力的传动。
③D3档：如图4-26所示，D3档时，C0、C1、C2、B2、F0工作。C0和F0工作如前所述直接将动力传给中间轴。C1、C2工作将中间轴与前行星排的齿圈和太阳轮同时连接起来，前行星排成为刚性整体，动力直接传给前行星排行星架，从输出轴输出动力。此档为直接档。(www.daowen.com)
图4-25 D2档动力传动路线
图4-26 D3档动力传动路线
图4-27 D4档动力传动路线
④D4档：如图4-27所示，D4档时，C1、C2、B0、B2工作。B0工作，将超速行星排太阳轮固定。动力由输入轴输入，带动超速行星排行星架顺时针转动，并驱动行星轮及齿圈都顺时针转动，此时的传动比小于1。C1、C2工作使得前后行星排的工作同D3档，即处于直接档。所以整个机构以超速档传递动力。B2的作用同前所述。
⑤21档：21档的工作与D1档相同。
⑥22档：如图4-28所示，22档时，C0、C1、B1、B2、F0、F1工作。动力传动路线与D2档时相同。区别只是由于B1的工作，使得22档有发动机制动，而D2档没有。此档为高速发动机制动档。
图4-28 22档动力传动路线
发动机制动是指利用发动机怠速时的较低转速以及变速器的较低档位来使速度较快的车辆减速。D2档时，如果驾驶人抬起加速踏板，发动机进入怠速工况，而汽车在原有的惯性作用下仍以较高的车速行驶。此时，驱动车轮将通过变速器的输出轴反向带动行星轮机构运转，各元件都将以相反的方向转动，即前后太阳轮将有顺时针转动的趋势，F1不起作用，使得反传的动力不能到达发动机，无法利用发动机进行制动。而在22档时，B1工作使前后太阳轮固定，既不能逆时针转动也不能顺时针转动，这样反传的动力就可以传到发动机，所以有发动机制动。
⑦23档：23档的工作与D3档相同。
⑧L1档：如图4-29所示，L1档时，C0、C1、B3、F0、F2工作。动力传动路线与D1档时相同。区别只是由于B3的工作，使后行星排行星架固定，有发动机制动，原因同前所述。此档为低速发动机制动档。
图4-29 L1档动力传动路线
⑨L2档：L2档的工作与22档相同。
⑩R位：如图4-30所示，倒档时，C0、C2、B3、F0工作。C0和F0工作如前所述直接将动力传给中间轴。C2工作将动力传给前后行星排太阳轮。由于B3工作，将后行星排行星架固定，使得行星轮仅相当于一个惰轮。前后行星排太阳轮顺时针转动驱动后行星排行星架逆时针转动，进而驱动后行星排齿圈也逆时针转动，从输出轴逆时针输出动力。
图4-30 R位动力传动路线
（11）P位（驻车档）：变速杆置于P位时，一般自动变速器都是通过驻车锁止机构将变速器输出轴锁止实现驻车，如图4-31所示，驻车锁止机构由输出轴外齿圈、锁止棘爪、锁止凸轮等组成。锁止棘爪与固定在变速器壳体上的枢轴相连。当变速杆处于P位时，与变速杆相连的手动阀通过锁止凸轮将锁止棘爪推向输出轴外齿圈，并嵌入齿中，使变速器输出轴与壳体相连而无法转动，如图4-31a所示。当变速杆处于其他位置时，锁止凸轮退回，锁止棘爪在回位弹簧的作用离开输出轴外齿圈，锁止撤消，如图4-31b所示。
图4-31 驻车锁止机构
1—输出轴外齿圈 2—输出轴 3—锁止棘爪 4—锁止凸轮
2）几点说明：通过分析各档位换档执行元件的工作情况及各档位的动力传动路线，可以得出以下结论。
a.如果C1故障，则自动变速器没有前进档，即将变速杆置于D位、2位或L位时车辆都无法起步行驶。但对于倒档没有影响。
b.如果C2故障，则自动变速器没有三档，倒档也将没有。
c.如果B2或F1故障，则自动变速器没有D2档，但对于22档没有影响。
d.如果B3故障，则自动变速器没有倒档。
e.如果F0故障，则自动变速器三档升四档时会产生换档冲击。这是由于三档升四档时，相当于由C0切换到B0，但C0、B0有可能同时不工作。此时负荷的作用将使超速行星排的齿圈不动，如果没有F0，在行星架的驱动下太阳轮将顺时针超速转动，当B0工作时产生换档冲击。
f.如果F2故障，则自动变速器没有D1档和21档，但对于L1档没有影响。
g.换档时，单向离合器是自动参与工作的，所以只考虑离合器和制动器的工作即可。D1档升D2档时B2工作，D2升D3档时C2工作，D3和D4互换，相当于C0和B0互换。
h.如果某档位的动力传动路线上有单向离合器工作，则该档位没有发动机制动。
图4-32 制动器、离合器和各齿轮剖视图
图4-33 行星轮组各组件连接简图
装备2UZ-FE发动机的陆地巡洋舰汽车采用A750F自动变速器，车辆的燃油经济性和驾驶性能得到进一步改善，制动器、离合器和各齿轮剖视图如图4-32所示。行星轮组各组件连接简图如图4-33所示，A750F自动变速器参数见表4-4，制动器、离合器和齿数见表4-5。各组件功能见表4-6。动力传输见表4-7。各档位动力传输原理：1档齿轮（D、4、3或2档）动力传输原理如图4-34；2档齿轮（D、4或3档）动力传输原理如图4-35；3档齿轮（D或4档）动力传输原理如图4-36；4档齿轮（D或4档）动力传输原理如图4-37；5档齿轮（D档）动力传输原理见图4-38；1档齿轮（L档）动力传输原理如图4-39；2档齿轮（2档）动力传输原理见图4-40；3档齿轮（3档）动力传输原理见图4-41；R位齿轮（R位）动力传输原理见图4-42。
表4-4 A750F自动变速器参数
表4-5 制动器、离合器和齿数
表4-6 各组件功能
表4-7 动力传输
○：表示工作；●：表示工作但不传递动力；※：表示发动机制动。
图4-34 1档齿轮（D、4、3或2档）动力传输原理（C1和F3工作）
图4-35 2档齿轮（D、4或3档）动力传输原理（C1、F1、F2和B3工作）
图4-36 3档齿轮（D或4档）动力传输原理（C1、C3、F1和B3工作）
图4-37 4档齿轮（D位或4档）动力传输原理（C1、C2、C3和B3工作）
图4-38 5档齿轮（D位）动力传输原理（C2、C3、B1和B3工作）
图4-39 1档齿轮（L位）动力传输原理（C1和B4工作）
图4-40 2档齿轮（2档）动力传输原理（C1、B2、B3工作）
图4-41 3档齿轮（3档）动力传输原理（C1、C2、B1、B3工作）
图4-42 R位齿轮（R位）动力传输原理（C3、F1、B1和B4工作）
3）拉维娜（Ravigneaux）式行星轮机构：图4-43所示为拉维娜式行星轮机构的结构。它的特点是两排行星轮机构共用一个齿圈3和一个行星架4。行星架上的长行星轮2与前排行星轮机构的大太阳轮8啮合，同时还与后排行星轮机构的短行星轮5相啮合。短行星轮还与小太阳轮7啮合。它可从组成3个前进档和1个倒档的行星轮变速器。
拉维娜式行星轮机构的结构紧凑，所用构件少，且由于相互啮合的齿较多，故可传递较大的转矩。但与辛普森式相比较，其结构较复杂，传动效率略低。正因为其结构有特点，所以在许多轿车的自动变速器中，也有不少采用这种结构形式的，例如，帕萨特、捷达王都市先锋及宝来轿车等。
图4-43 拉维娜式行星轮机构
1—输入轴 2—长行星轮 3—齿圈 4—行星架 5—短行星轮 6—输出轴 7—小太阳轮 8—大太阳轮
C1、C2—离合器 B1、B2—制动器
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