【正文】 展趨勢 國外的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著近代工業(yè)技術(shù)的高度發(fā)展，對齒輪傳動的承載能力、可靠性、效率、圓周速度、體積和重量等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提出愈來愈高的要求。漸開線行星齒輪傳動就是近 40 年來為滿足這種需要而發(fā)展起來的新型齒輪傳動形式之一。 由于行星 齒輪傳動具有功率分流和動軸線的運(yùn)動特點(diǎn)，因此行星齒輪傳動被人們廣泛用來代替普通齒輪傳動作為減速、升速和變速裝置。尤其是在那些普通齒輪傳動難以滿足要求的場合，如要求重量最輕、結(jié)構(gòu)最緊湊的航空和某些運(yùn)輸機(jī)械；對需要差速機(jī)構(gòu)的車輛傳動等，行星齒輪傳動更能發(fā)揮其無可比擬的特長。世界上一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，如德國、日、 3 英、美等，對行星齒輪傳動的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用十分重視，在結(jié)構(gòu)、品種、傳遞功率、扭矩、速度等方面的發(fā)展處于領(lǐng)先地位。 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)在漸開線行星齒輪傳動方面的研究和生產(chǎn)，已有一定基礎(chǔ)。但大部 分局限于中小功率范圍，主要用在礦山機(jī)械、起重運(yùn)輸、輕工化工、小型船舶、工程機(jī)械、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備上。目前，我國行星齒輪減速器的生產(chǎn)，除小規(guī)模由專業(yè)工廠生產(chǎn)外，一般的大中型企業(yè)多為本廠產(chǎn)品配套，生產(chǎn)品種和規(guī)格在逐年發(fā)展中。大規(guī)格低速重載行星齒輪傳動的研制工作在我國正在開展，并已先后研制成功輸出軸轉(zhuǎn)矩為 200 KNm~400 KNm 的產(chǎn)品。如用于大型膠帶輸送機(jī)的 NGW153 型雙排直齒行星減速器，用于礦井提升機(jī)的 XL30 型行星減速器等。雙排直齒行星減速器是我國自行設(shè)計(jì)的，由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，作為大型傳動的一種 類型，將會得到應(yīng)有的發(fā)展。行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動效率是評價(jià)傳動性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。研究和確定行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動效率，對于合理地選擇其傳動型式和正確地設(shè)計(jì)和應(yīng)用都具有重要意義。 行星齒輪自動變速器的概述 液力變矩器雖然能在一定范圍內(nèi)自動的、無級的改變轉(zhuǎn)矩比，但是由于存在著變矩能力與效率之間的矛盾，目前應(yīng)用的液力變矩器系數(shù)都不夠大，其轉(zhuǎn)矩比在 1~3 的范圍內(nèi)，難以滿足汽車使用要求。為了加大變矩范圍，并獲得倒檔和空檔，在高級小轎車和超重型自卸汽車上采用液力變矩器與行星齒輪式變速箱組成的液力自動變速器。由于 采用行星齒輪式變速箱進(jìn)行傳動和變速，具有體積小、操縱容易、變速比大等優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛地應(yīng)用于液力自動變速器上。 行星齒輪變速箱由行星齒輪機(jī)構(gòu)和換檔操縱機(jī)構(gòu)兩部分組成。行星齒輪機(jī)構(gòu)的作用是改變傳動比和傳動方向，即構(gòu)成不同的檔位。換檔操縱機(jī)構(gòu)則是實(shí)現(xiàn)檔位的變換。此外，在汽車自動變速器中也采用雙行星機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)中有兩個(gè)相互嚙合的行星輪。因其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，傳動效率也略低，所以只有少數(shù)變速器采用。 行星齒輪機(jī)構(gòu)的類型及特點(diǎn) 4 行星齒輪機(jī)構(gòu)可以能按不同的方式進(jìn)行分類： 1）按齒輪的嚙合方式不同，行星齒輪機(jī)構(gòu)可以分為內(nèi) 嚙合式和外嚙合式兩種。外嚙合式行星齒輪機(jī)構(gòu)體積大，傳動效率低，在汽車上已被淘汰；內(nèi)嚙合式行星齒輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高，因而在自動變速器中基本上都采用這種結(jié)構(gòu)。 2）按齒輪的排數(shù)不同，行星齒輪機(jī)構(gòu)可以分為單排和多排兩種。多排行星齒輪機(jī)構(gòu)是由幾個(gè)單排行星齒輪機(jī)構(gòu)組成的。在汽車自動變速器中通常采用由 2 個(gè)或 3 個(gè)單排行星齒輪機(jī)構(gòu)組成的多排行齒輪機(jī)構(gòu)。 3）按太陽輪和齒圈之間行星齒輪組數(shù)的不同，行星齒輪機(jī)構(gòu)可以分為單行星齒輪式和雙行星齒輪式兩種。雙行星齒輪機(jī)構(gòu)在太陽輪和齒圈之間有兩組互相嚙合的行星齒輪，其中外面 一組行星齒輪和齒圈嚙合，里面一組行星齒輪和太陽輪嚙合。它與單行星齒輪機(jī)構(gòu)在其他條件相同的情況下相比，齒圈可以反向傳動。用行星齒輪機(jī)構(gòu)作為變速機(jī)構(gòu)，由于有多個(gè)行星齒輪同時(shí)傳遞動力，而且常采用內(nèi)嚙合式，充分利用了齒圈中部的空間，故與普通齒輪變速機(jī)構(gòu)相比，在傳遞同樣功率的條件下，可以大大減小變速機(jī)構(gòu)的尺寸和重量，并可實(shí)現(xiàn)同向、同軸減速傳動；另外，由于采用常嚙合傳動，動力不間斷，加速性好，工作也更可靠。 論文的主要研究內(nèi)容 本論文主要進(jìn)行以下方面的研究工作： 1）確定出本文采用的自動變速器類型，并分析其各個(gè) 檔位的動力傳遞路線，計(jì)算傳動比。 2）把液力機(jī)械自動變速器在不同檔位時(shí)行星排的效率分為行星排嚙合效率和軸承效率兩個(gè)部分，推導(dǎo)了齒輪嚙合效率計(jì)算公式。最后得出了各個(gè)檔位時(shí)整個(gè)行星排總效率的計(jì)算公式。 3）對各個(gè)檔位的效率進(jìn)行了計(jì)算，對變速器各個(gè)檔位的效率進(jìn)行了比較分析，得出了新的結(jié)論。 4）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)行駛工況計(jì)算了變速器不同檔位的使用頻度，將其與各檔傳動效率進(jìn)行加權(quán)得到綜合傳動效率。以這個(gè)綜合效率最高為目標(biāo)，在不改變液力變矩器和變速器速比的條件下，對 AT 行星排的齒輪參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使行星排的綜合傳動效率得到明 顯的提高。 5 第 2 章 行星齒輪機(jī)構(gòu)的工作原理與功率流程 行星齒輪機(jī)構(gòu)可為汽車提供降速檔、超速檔、直接檔、倒檔和空檔。因?yàn)槠潺X輪是常嚙合的，所以不象一般的手動變速器那樣通過齒輪的接合或脫離實(shí)現(xiàn)換檔，而是采用離合器和制動器來固定或釋放行星齒輪機(jī)構(gòu)的不同元件，從而改變汽車的行駛方向和傳動比 [10]。單排行星齒輪機(jī)構(gòu)所提供的適用傳動比的級數(shù)有限。為了增加適用傳動比的級數(shù)，可以增加行星齒輪機(jī)構(gòu)。一般具有三或四個(gè)前進(jìn)檔的自動變速器至少需要兩排行星齒輪機(jī)構(gòu)。 行星齒輪變速機(jī)構(gòu) 在自動變速器中，兩排或多排行星齒輪 機(jī)構(gòu)聯(lián)接在一起，用以提供滿足汽車行駛需要的多種傳動比。復(fù)合式行星齒輪機(jī)構(gòu)一般有兩種型式。一種是兩排行星齒輪機(jī)構(gòu)共用一個(gè)太陽輪的辛普森（ Simpson）式行星齒輪機(jī)構(gòu)；另一種是拉威娜（ Ravigneavx）式行星齒輪機(jī)構(gòu)，它有兩個(gè)太陽輪，兩排行星齒輪共用一個(gè)齒圈。有些變速器配備一套附加的單排行星齒輪機(jī)構(gòu)，用以提供所需的超速檔。 辛普森式行星齒輪機(jī)構(gòu) 辛普森式行星齒輪機(jī)構(gòu)是一種十分著名的雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)，如圖所示。它是由兩個(gè)內(nèi)嚙合式單排行星齒輪機(jī)構(gòu)組合而成的，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：前后兩個(gè)行星排的太陽輪連 接為一個(gè)整體，稱為前后太陽輪組件；前一個(gè)行星排的行星架和后一個(gè)行 6 星排的齒圈連接為另一個(gè)整體，稱為前行星架和后齒圈組件；輸出軸通常與前行星架和后齒圈組件連接。經(jīng)過上述的組合后，該機(jī)構(gòu)成為一種具有4 個(gè)獨(dú)立元件的行星齒輪機(jī)構(gòu)。這 4 個(gè)獨(dú)立元件是：前齒圈、前后太陽輪組件，后行星架，前行星架和后齒圈組件。此機(jī)構(gòu)前后行星排的尺寸或者齒輪的齒數(shù)不必一定相同。其尺寸和齒數(shù)決定了整個(gè)機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的實(shí)際傳動比。 辛普森式行星齒輪變速器是由辛普森式行星齒輪機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的換檔執(zhí)行元件組成的，目前大部分轎車自動變速器都采用這種行星齒輪 變速器。這種行星齒輪機(jī)構(gòu)可以提供：空檔、第一降速檔、第二降速檔、直接檔和倒檔。根據(jù)前進(jìn)檔的檔數(shù)不同，可將辛普森式行星齒輪變速器分為辛普森式 3 檔行星齒輪變速器和辛普森式 4 檔行星齒輪變速器兩種。 拉威娜式行星齒輪機(jī)構(gòu) 象辛普森式齒輪機(jī)構(gòu)一樣，拉威娜式行星齒輪機(jī)構(gòu)也可以提供降速前進(jìn)檔、直接檔、超速檔和倒檔。它由一個(gè)單行星輪式行星排和一個(gè)雙行星輪式行星排組合而成，如圖所示。后太陽輪和長行星輪、行星架、齒圈共同組成一個(gè)單行星輪式行星排；前太陽輪、短行星輪、長行星輪、行星架和齒圈共同組成一個(gè)雙行星輪式 行星排。兩個(gè)行星排共用一個(gè)齒圈和一個(gè)行星架。因此它只有 4 個(gè)獨(dú)立元件，即前太陽輪、后太陽輪、行星架 7 和齒圈。行星齒輪都可以在各自的軸上轉(zhuǎn)動，所有的行星齒輪軸均固定于兩組行星齒輪共用的行星架上。 拉威娜式行星齒輪機(jī)構(gòu)有一些勝過辛普森式齒輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)很緊湊、尺寸較小、傳動比變化范圍大（前進(jìn)檔的傳動比的范圍在 ~ 之間）、可以靈活多變。而且由于相互嚙合的齒數(shù)較多，故可以傳遞較大的轉(zhuǎn)矩。它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，其工作原理更難理解，應(yīng)用不是很廣泛。針對以上兩種行星機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，本論文將選用拉威娜式行星齒 輪變速器作為研究對象。 拉威娜式行星齒輪變速器 自上世紀(jì) 70 年代開始應(yīng)用于許多轎車自動變速器，特別是前輪驅(qū)動轎車的自動變速器，如奧迪、大眾、福特、馬自達(dá)等車型。設(shè)雙行星輪式行星排太陽輪齒數(shù)為 z1,齒圈齒數(shù)為 z2,行星齒輪機(jī)構(gòu)參數(shù)α =z2/z1。根據(jù)分析，雙行星輪式行星排的運(yùn)動特性方程為 n1α n2=(1α )n3 式中 n1— 太陽輪轉(zhuǎn)速 。 n2— 齒圈轉(zhuǎn)速； n3— 行星架轉(zhuǎn)速。 拉威娜式行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動比可以通過解由單行星輪式行星排的特性方程（ n1+α n2=(1+α )n3）與雙行星輪式行 星排的特性方程（ n1α n2=(1α )n3）組成的聯(lián)立方程組來得到。 根據(jù)前進(jìn)擋的檔數(shù)不同，也可將拉威娜式行星齒輪變速器分為拉威娜式 3 檔行星齒輪變速器和拉威娜式 4 檔行星齒輪變速器兩種。拉威娜式 3檔行星齒輪變速器在拉威娜式行星齒輪機(jī)構(gòu)中設(shè)置了 5 個(gè)換擋元件使之成為一個(gè)具有 3 個(gè)前進(jìn)檔和 1 個(gè)倒檔的 3 檔行星齒輪變速器。拉威娜式 4檔行星齒輪變速機(jī)構(gòu)在拉威娜式 3 檔行星齒輪變速機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)超速檔離合器 C4。 拉威娜行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 拉威娜式行星齒輪機(jī)構(gòu)由于元件配置比較靈活，在行星齒輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)不做大 的改變的前提下，可以通過換擋執(zhí)行元件的不同組合方式，獲得 3或 4 個(gè)前進(jìn)擋的傳動比。因此在變速器中得到了廣泛的應(yīng)用。拉威娜式行 8 星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖所示 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在一個(gè)行星架上是安裝了互相嚙合的兩套行星齒輪即長行星輪和短行星輪。短行星輪分別和小太陽輪和長行星輪嚙合，長行星輪與短行星輪和大太陽輪以及齒圈嚙合。行星齒輪的大小太陽輪都可以作為動力輸入元件。 拉威娜式行星齒輪變速器 4 個(gè)檔位工作原理、動力傳遞路線及傳動比計(jì)算 1 檔：當(dāng)操作手柄位于前進(jìn)檔 D 位置而行星齒輪變速器處于 1 檔時(shí)，前進(jìn)離合器 C3 接合， 輸入軸經(jīng)前進(jìn)離合器 C3 和后太陽輪連接，使后太陽輪朝順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，并通過短行星輪和長行星輪帶動齒圈朝順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。由于齒圈通過輸出軸和驅(qū)動輪連接，在汽車起步行駛時(shí)轉(zhuǎn)速很低， 9 長行星輪在帶動齒圈朝順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動的同時(shí)，對行星架產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針方向的力矩，而行星架在 1 檔單向離合器 F1逆時(shí)針方向的鎖止作用下固定不動，從而使發(fā)動機(jī)動力經(jīng)輸入軸、后太陽輪、短行星輪、長行星輪傳給齒圈和輸出軸。設(shè)齒圈與前后太陽輪的齒數(shù)比分別為α 1 和α 2，根據(jù)特性方程組可以得到 1 檔的傳動比為 i1=α 2。 當(dāng)汽車滑行，輸出軸反向驅(qū)動行星齒輪變 速器時(shí)，齒圈通過長行星輪對行星架產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針方向的力矩，此時(shí) 1 檔單向離合器 F1脫離鎖止?fàn)顟B(tài)，使行星架朝順時(shí)針方向自由轉(zhuǎn)動，行星齒輪因此失去傳遞動力的能力，無法實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)制動。為了使 1 檔能產(chǎn)生發(fā)動機(jī)制動作用，可將操作手柄撥入前進(jìn)抵擋位置。這樣在 1 檔時(shí)，前進(jìn)離合器 C3 和抵擋及倒檔離合器 B2 同時(shí)工作，行星架由抵擋及抵擋離合器 B2 固定，此時(shí)動力傳遞路線及傳動比和 1 檔時(shí)完全相同 2 檔：此時(shí)前進(jìn)離合器 C3和 2 檔制動器 B1 一起工作。發(fā)動機(jī)動力經(jīng)輸入軸和前進(jìn)離合器 C3 傳至后太陽輪，使后太陽輪朝順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，并通過短 行星輪帶動長行星輪朝順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。由于前太陽輪被 2 檔制動器 B1 固定，因此長行星輪在做順時(shí)針自轉(zhuǎn)時(shí)，還將朝順時(shí)針方向做公 10 轉(zhuǎn)，從而帶動齒圈和輸出軸以快轉(zhuǎn)速朝順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。此時(shí)發(fā)動機(jī)動力是由后太陽輪經(jīng)短行星輪、長行星輪傳至前行星排，再由前行星排傳至齒圈和輸出軸。根據(jù)特性方程組分析可知 2 檔的傳動比為 i2=(α 1+α 2)/（ 1+α 1）該檔位具有反向傳遞動力的能力，在汽車滑行時(shí)能產(chǎn)生發(fā)動機(jī)制動作用。 3 檔： 3 檔時(shí)，前進(jìn)離合器 C3 和前進(jìn)單向離合器 F2 及超速檔離合器C4 同時(shí)接合，使輸入軸同時(shí)和前后太陽輪連接。由于前 后太陽輪成為一個(gè)整體，兩者以相同轉(zhuǎn)速歲輸入軸轉(zhuǎn)動，因此短行星輪和長行星輪不能做自轉(zhuǎn)，只能同前后太陽輪一起公轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動行星架以相同轉(zhuǎn)速隨后太陽輪轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)致齒圈及前后行星排所有元件作為一個(gè)整體，一同轉(zhuǎn)動。發(fā)動機(jī)動力由前后太陽輪經(jīng)前后行星排傳至齒圈和輸出軸，此時(shí)傳動比 i3等于 1，因此 3 檔是直接檔。在 3 檔狀態(tài)下，該行星齒輪變速器也有反向傳遞動力的能力，汽車滑行時(shí)會產(chǎn)生發(fā)動機(jī)制動的作用。 4 檔： 4 檔時(shí)，超速檔離合器 C4 和 4 檔制動器 B1 一起工作，使輸入軸與行星架連接，同時(shí)前太陽輪被固定。發(fā)動機(jī)動力經(jīng)高檔離合器 C4傳至行星架，行星架帶動長行星輪朝順時(shí)針方向一邊自轉(zhuǎn)一邊公轉(zhuǎn)，并帶動齒圈和輸出軸朝順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，根據(jù)特性方程組分析可知其傳動比為 11 i4=α 1/（ 1+α 1）。由于其值小于 1，所以 4 檔為超速檔。 倒檔：倒檔時(shí)，倒檔及直接檔離合器 C2 和低檔及倒檔制動器 B2 同時(shí)工作，使輸入軸同前太陽輪連接，同時(shí)低檔及倒檔制動器 B2 產(chǎn)生制動，將行星架固定。發(fā)動機(jī)動力經(jīng)輸入軸傳給前太陽輪，使前太陽輪朝順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，并帶動長行星輪朝逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。由于行星架固定不動，長行星輪只能作自轉(zhuǎn)，從而帶動齒圈和輸出軸朝逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。此 時(shí)的傳動比iR=α 1。在倒檔時(shí)，該行星齒輪變速也能實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)制動作用。 本章小結(jié) 1）分別分析了辛普森式行星齒輪機(jī)構(gòu)和拉威娜式行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，本論文選定拉威娜式行星齒輪機(jī)構(gòu)的自動變速器作為研