【正文】 箱組成的液力機(jī)械自動(dòng)變速器（ AT）。同時(shí)，簡(jiǎn)化了手動(dòng)操作， 使駕駛更加輕松自如，由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)一直是汽車自動(dòng)變速傳動(dòng)系統(tǒng)的主要型式。 AT 傳動(dòng)比的改變主要由行星齒輪式變速機(jī)構(gòu)來(lái)完成。 本論文將以此為出發(fā)點(diǎn)，就自動(dòng)變速器傳動(dòng)部分的行星齒輪機(jī)構(gòu)效率進(jìn)行研究，國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者專家已在此方面做過(guò)工作，本文借鑒其中比較先進(jìn)的一種計(jì)算行星齒輪機(jī)構(gòu)效率的方法，針對(duì) 4AT 各檔位的效率進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算，以期得到比較精確的計(jì)算行星齒輪機(jī)構(gòu)效 率的規(guī)律性公式，并對(duì)行星排的齒輪參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以得到使自動(dòng)變速器效率最高的行星機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。目前在轎車上普遍采用的主流型式是液力機(jī)械式自動(dòng)變速器 AT。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的各汽車廠家也已認(rèn)識(shí)到 AT 在轎車上裝備率不斷提高的必然趨勢(shì)，已經(jīng)開(kāi)始在轎車上安裝 AT。 2）乘坐舒適性好，可以得到很平穩(wěn)的換檔過(guò)程。 2 4）減少了污染。 5）改善了車輛動(dòng)力性能。還能防止因汽車過(guò)載而造成的發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。 AT 自動(dòng)變速器采用液力元件，可消除或減弱在動(dòng)力傳動(dòng)裝置中的動(dòng)載荷；同時(shí)，自動(dòng)換檔避免了粗暴手動(dòng)換檔所產(chǎn)生的沖擊與動(dòng)載荷。由于 AT 是液力傳動(dòng)，加以自動(dòng)換檔控制，顯著改善了車輛的通過(guò)性，使車輛能以較高平均車速通過(guò)雪地、松軟路面。目前， AT 的發(fā)展主要有以下動(dòng)向： 1）變矩器的高效率化 2）多檔位化 3）變矩器閉鎖離合器的滑摩控制 4）換檔點(diǎn)控制的智能化 5）換檔過(guò)渡過(guò)程的高品質(zhì)化 6）保留手動(dòng)模式 行星齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)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(duì)齒輪傳動(dòng)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(lái)愈高的要求。 由于行星齒輪傳動(dòng)具有功率分流和動(dòng)軸線的運(yùn)動(dòng) 特點(diǎn)，因此行星齒輪傳動(dòng)被人們廣泛用來(lái)代替普通齒輪傳動(dòng)作為減速、升速和變速裝置。世界上一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，如德國(guó)、日、 3 英、美等，對(duì)行星齒輪傳動(dòng)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。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。大規(guī)格低速重載行星齒輪傳動(dòng)的研制工作在我國(guó)正在開(kāi)展，并已先后研制成功輸出軸轉(zhuǎn)矩為 200 KNm 的產(chǎn)品。雙排直齒行星減速器是我國(guó)自行設(shè)計(jì)的，由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，作為大型傳動(dòng)的一種類型，將會(huì)得到應(yīng)有的發(fā)展。研究和確定行星齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，對(duì)于合理地選擇其傳動(dòng)型式和正確地設(shè)計(jì)和應(yīng)用都具有重要意義。為了加大變矩范圍，并獲得倒檔和空檔，在高級(jí)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(dòng)變速器。 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。換檔操縱機(jī)構(gòu)則是實(shí)現(xiàn)檔位的變換。因其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，傳動(dòng)效率也略低，所以只有少數(shù)變速器采用。外嚙合式行星 齒輪機(jī)構(gòu)體積大，傳動(dòng)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(dòng)效率高，因而在自動(dòng)變速器中基本上都采用這種結(jié)構(gòu)。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。 3）按太陽(yáng)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。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(dòng)。 論文的主要研究?jī)?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(dòng)變速器類型，并分析其各個(gè)檔位的動(dòng)力傳遞路線，計(jì)算傳動(dòng)比。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。 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(dòng)效率進(jìn)行加權(quán)得到綜合傳動(dòng)效率。 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。單排行星齒輪機(jī)構(gòu)所提供的適用傳動(dòng)比的級(jí)數(shù)有限。一般具有三或四個(gè)前進(jìn)檔的自動(dòng)變速器至少需要兩排行星齒輪機(jī)構(gòu)。復(fù)合式行星齒輪機(jī)構(gòu)一般有兩種型式。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。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(yáng)輪連接為一個(gè)整體，稱為前后太陽(yáng)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。這 4 個(gè)獨(dú)立元件是：前齒圈、前后太陽(yáng)輪組件，后行星架，前行星架和后齒圈組件。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(dòng)比。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。 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。后太陽(yáng)輪和長(zhǎng)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(yáng)輪、短行星輪、長(zhǎng)行星輪、行星架和齒圈共同組成一個(gè)雙行星輪式行星排。因此它只有 4 個(gè)獨(dú)立元件，即前太陽(yáng)輪、后太陽(yáng)輪、行星架 7 和齒圈。 拉威娜式行星齒輪機(jī)構(gòu)有一些勝過(guò)辛普森式齒輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。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。針對(duì)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(duì)象。設(shè)雙行星輪式行星排太陽(yáng)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。 n2— 齒圈轉(zhuǎn)速； n3— 行星架轉(zhuǎn)速。 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 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。因此在變速器中得到了廣泛的應(yīng)用。短行星輪分別和小太陽(yáng)輪和長(zhǎng)行星輪嚙合，長(zhǎng)行星輪與短行星輪和大太陽(yáng)輪以及齒圈嚙合。 拉威娜式行星齒輪變速器 4 個(gè)檔位工作原理、動(dòng)力傳遞路線及傳動(dòng)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(yáng)輪連 接，使后太陽(yáng)輪朝順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)短行星輪和長(zhǎng)行星輪帶動(dòng)齒圈朝順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)齒圈與前后太陽(yáng)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(dòng)比為 i1=α 2。為了使 1 檔能產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)作用，可將操作手柄撥入前進(jìn)抵擋位置。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)輸入軸和前進(jìn)離合器 C3 傳至后太陽(yáng)輪，使后太陽(yáng)輪朝順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)短行星輪帶動(dòng)長(zhǎng)行星輪朝順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng) 。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力是由后太陽(yáng)輪經(jīng)短行星輪、長(zhǎng)行星輪傳至前行星排，再由前行星排傳至齒圈和輸出軸。 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(yáng)輪連接。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力由前后太陽(yáng)輪經(jīng)前后行星排傳至齒圈和輸出軸，此時(shí)傳動(dòng)比 i3等于 1，因此 3 檔是直接檔。 4 檔： 4 檔時(shí)，超速檔離合器 C4和 4 檔制動(dòng)器 B1一起工作，使輸入軸與行星架連接，同時(shí)前太陽(yáng)輪被固定。由于其值小于 1，所以 4 檔為超速檔。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)輸入軸傳給前太陽(yáng)輪，使前太陽(yáng)輪朝順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)長(zhǎng)行星輪朝逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)的傳動(dòng)比iR=α 1。 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)。 2）分析了拉威娜式自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)及其工作原理，各個(gè)檔位的動(dòng)力傳遞路線，并分別計(jì)算了相應(yīng)的傳動(dòng)比，為計(jì)算行星排的效率提供了基礎(chǔ)。本文采用的 01M型自動(dòng)變速器可以提供四個(gè)前進(jìn)檔：即前進(jìn) 1 檔、前進(jìn) 2 檔、直接檔和超速檔，還 可以實(shí)現(xiàn)倒檔功能。下面就分為兩種情況分析 01M 型自動(dòng)變速器各個(gè)檔位的效率，并給出行星排效率的計(jì)算式。 斜齒輪傳動(dòng)基本嚙合效率的計(jì)算式 從端面看去，斜齒輪可視為由無(wú)數(shù)個(gè)無(wú)限薄的直齒輪連續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相位角迭加而成。引用“嚙入重合度”和“嚙出重合度”分析斜齒輪輪齒間的基本嚙合效率。 內(nèi)嚙合傳動(dòng)在升速時(shí)基本嚙合效率的計(jì)算式： ? ? ? ?? ? ? ?110 s i n/11 ????? ???? ftaRR fZZntAaGgGGnG ????? ntpgpkpA aRRR ?? s in22 ??? ngGKGtGR t GRaR 22s i n ???? ?costn tgatga ? ?c o s2/nGG mZR ? ?c o s2/c o s tnZgG amZR ? 13 ?c o s2/c o s tnpgp amZR ? ? ?npanpkp xhmRR ??? ? ?nGanGkG xhmRR ??? 而且： ｔ ｎ — 齒輪的端面齒距 μ 通常取 ~； εA、 εR— 為齒輪內(nèi)嚙合的嚙入和嚙出重合度 RgP、 RP— 分別是外齒輪的基圓半徑和節(jié)圓半徑 ZP、 ZG— 分別是外齒輪和內(nèi)齒輪的齒數(shù)； αn、 αt— 分別是斜齒輪的法面和端面壓力角； mn— 斜齒輪的模數(shù)； β — 斜齒輪的螺旋角； ha*— 斜齒輪的法向齒 頂高系數(shù)； RkP、 RkG— 分別是內(nèi)齒輪和外齒輪的齒頂圓半徑； xnp、 xnG— 分別是內(nèi)齒輪和外齒輪的法面變位系數(shù)； 同理，可以推導(dǎo)出內(nèi)嚙合斜齒輪傳動(dòng)在減速時(shí)基本嚙合效率的計(jì)算式： ? ? ? ?? ? ? ?1221212 s i n/1/11 ????? ??? ftaRR fZZtZntragno ??? ??? 其中， εa(=εA)和 εr(=εR)分別為斜齒輪內(nèi)嚙合的嚙入和嚙出重合度。 這里我們 經(jīng)過(guò)計(jì)算得出 小太陽(yáng)輪與短行星輪之間的效率為η 1，短行星輪與長(zhǎng)行星輪之間的效率為η 2，長(zhǎng)行星輪與齒圈之間的效率為η 3，長(zhǎng)行星輪與大太陽(yáng)輪之間的效率為η 4，軸承之間的效率為η 軸 =， 液力損失的效率為η 液 =,小太陽(yáng)輪齒數(shù) Z1=23，短行星輪齒數(shù) Z2=16，長(zhǎng)行星輪齒數(shù) Z3=17，齒圈齒數(shù) Z4=63，大太陽(yáng)輪齒數(shù) Z5=29。 所以一檔時(shí)的輪齒嚙合效率為 η th=1+η 1η 2η 3I0／ 1+I0= I0=Z4/Z1=63/23= 二檔時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)輸入軸傳給小太陽(yáng)輪，大太陽(yáng)輪被固定，由短行星輪、長(zhǎng)行星輪、齒圈傳至輸出軸完成動(dòng)力傳遞。 四檔時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)輸入軸傳給行星架，大太陽(yáng)輪被固定，在傳至齒圈，齒圈傳至輸 出軸完成動(dòng)力傳遞。 三檔時(shí)的輪齒嚙合效率為 η th=η 1η 2η 3η 4I0= I0=1 減速傳動(dòng)與加速傳動(dòng)效率的比較 經(jīng)計(jì)算得出變速器分別在一檔、二檔、直接檔和四檔時(shí)行星排的傳動(dòng)效率， 如表所示。其行星排的嚙合效率也不相等，超速檔即四檔時(shí)，嚙合效率最高，其次是一檔，然后是直接檔，二檔時(shí)行星排的嚙合效率最低。 16 實(shí)驗(yàn)測(cè)得一檔的效率 實(shí)驗(yàn)測(cè)得二檔的效率 圖中， ηth 是嚙合效率，雙點(diǎn)劃線所示為考慮攪油損失時(shí)的實(shí)驗(yàn)效率值，點(diǎn)劃線為考慮攪油和軸承損失時(shí)的效率值，粗的黑線為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的效率值。 本章小結(jié) 1）把拉威 娜式自動(dòng)變速器各個(gè)檔位時(shí)的效率分為幾個(gè)部分，分別進(jìn)行了分析，得出了行星排嚙合效率的計(jì)算式。 2）計(jì)算了不同檔位時(shí)行星排的嚙合效率，對(duì)變速器行星排升速傳動(dòng)和減速傳動(dòng)的效率進(jìn)行了比較分析。 17 第 4 章 行星齒輪變速器的參數(shù)優(yōu)化 本文以 01M 型變速器行星齒輪系傳動(dòng)效率最高為目標(biāo)，建立其優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。 本文取目標(biāo)函數(shù)為： U=C1η 1+C2η 2+C3η 3+C4η 4 式中： C C C C4 在目標(biāo)函數(shù)中反映駕駛過(guò)程中汽車各個(gè)檔位的使用頻度。 為了合理的選擇各個(gè)檔位的加權(quán)系數(shù)，本文采用標(biāo)準(zhǔn)行駛工況，如圖所示，來(lái)確定車輛不同狀態(tài)的使用頻度，結(jié)果如表所示。 檔位 一檔 二檔 三檔 四檔 頻度（ %） 汽車各前進(jìn)檔使用 頻度 因此，目標(biāo)函數(shù)中各加權(quán)系數(shù)分別取為： C1=、 C2=、C3=、 C4= 所以，目標(biāo)函數(shù) U= + + + = 設(shè)計(jì)變量的選取 對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響較大的基本參數(shù)都可以取為設(shè)計(jì)變量，一般行星齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：模數(shù) m、齒數(shù) Zs、螺旋角 β以及變位系數(shù) x。在漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)的參數(shù)選擇方面 ，變位系數(shù)的確定是一個(gè)重要內(nèi)容。因此，本文的優(yōu)化取設(shè)計(jì)變量為前后太陽(yáng)輪的變位系數(shù) x x2，長(zhǎng)短行星輪的變位系數(shù) x x4，齒圈的變位系數(shù) x5 以及齒輪的螺旋角 β1。一個(gè)設(shè)計(jì)軟件的好壞直接關(guān)系到設(shè)計(jì)的成本和設(shè)計(jì)質(zhì)量。最初用 Pspice 和 Saber 來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種設(shè)計(jì)復(fù)雜且工作量大，后來(lái)有學(xué)者就在 Matlab 中進(jìn)行集成設(shè)計(jì) ，使設(shè)計(jì)工作更趨向簡(jiǎn)單化。本課題