【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(chē)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(zhuān)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(chē)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(chē)廠家也已認(rèn)識(shí)到 AT 在轎車(chē)上裝備率不斷提高的必然趨勢(shì)，已經(jīng)開(kāi)始在轎車(chē)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(chē)輛動(dòng)力性能。還能防止因汽車(chē)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(chē)輛的通過(guò)性，使車(chē)輛能以較高平均車(chē)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(xiàn)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(lèi)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(chē)和超重型自卸汽車(chē)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(chē)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(lèi)型，并分析其各個(gè)檔位的動(dòng)力傳遞路線(xiàn)，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(chē)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(chēng)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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)所示為考慮攪油損失時(shí)的實(shí)驗(yàn)效率值，點(diǎn)劃線(xiàn)為考慮攪油和軸承損失時(shí)的效率值，粗的黑線(xiàn)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(chē)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(chē)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(chē)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(xiàn)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