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复合行星齿轮变速器传动比分析论文
本科毕业论文
题目名称：
复合行星齿轮变速器传动比的分
析与计算方法的探讨
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二XXX年六月十日
摘要
通过实际调研，汽车自动变速器的结构复杂，工作过程难于理解，主要是因为该类型变速器传动比的分析与计算较为复杂。
本文从阐述辛普森式和拉维奈尔赫式两大典型行星齿轮机构入手，对行星架与太阳轮和齿圈的三者之间的传动比关系进行了数学推导和论证，使单排行星齿轮机构的传动比计算，转化为一般的定轴轮系计算。
其约束行星排仍采用一般的定轴轮系计算方法，然后将设定值和求出值代入动力排，尽而求出复合行星齿轮机构传递动力时所形成的传动比。
此种复合式行星齿轮机构传动比的求解方法较用解联立方程组的求解方法，更为简单方便，易于掌握。
这对迅速掌握该类型变速器结构原理，提高维修能力，具有十分重要的意义。
关键词 自动变速器；传动比；分析与计算
Abstract
Throughpracticalresearch,fortheanalysisandcalculationoftransmissionaremorecomplex，theautomotive’stransmissionstructureismorecomplexthanothers,andtheworkprocessesisdifficulttounderstand .Thispaperanalyzeandstudythetransmissionratiorelationshipamongtheplanet、thesunwheelandtheringgear,sothatthesingle-gearrankedthetransmissionratiochangesintoageneralroundoftheaxisofcalculation.Boundedbyitsplanetarylinestillusethegeneralcalculationmethodsoftheaxiscalculationmethods,andthenwecanputthesettingvalueandsoughtvalueintothepowerrow,finallycalculatethetransmissionratiowhenthecomplexplanetarygearmechanismtransferspower.It’smucheasiertousethesimultaneousequationstosolvesuchcompoundplanetarygeartransmissioninstitutionsratio,andwecouldunderstanditeasilyandconveniently.Itmakesgreatsignificanceformetoimprovethemaintenancecapacity,aswellastograsptheprincipleofthistype’stransmissionstructurerapidly.
Keywords automatictransmission；ratio；analysisandcalculation
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目录
摘要I
AbstractII
1绪论2
1.1课题的意义2
1.2国内外研究概况2
1.3本课题研究内容3
2基础知识介绍4
2.1自动变速器4
2.2自动变速器的工作过程6
2.3复合行星齿轮机构的自由度7
3行星齿轮机构的结构和工作原理9
3.1行星齿轮机构的组成9
3.2单排行星齿轮机构的传动比与运动规律9
3.3辛普森式行星齿轮机构的传动比与运动规律10
3.4拉维奈尔赫式行星齿轮机构的传动比与运动规律11
4速器传动比的典型分析13
4.1辛普森式行星齿轮变速器传动比分析与计算13
4.2拉维奈尔赫式行星齿轮变速器传动比分析与计算16
结论18
参考文献19
致谢20
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1绪论
1.1课题的意义
汽车自动变速器的广泛应用，使汽车具有了更好的驾驶性能。
这主要表现在当发动机处于非经济转速区域与处于经济转速区域内运转相比较，其油耗相差近一倍。
此外，变速器档位不同，传动效率的高低也有所不同。
因此，要让汽车在每一种负载、路况下都能兼顾发动机的最低油耗和变速器的最高效率。
依靠自动变速技术，按照预先设定的最佳规律变换档位就能得已实现。
自动变速器的应用，使变速器的档位变换既快又平稳，汽车的乘坐舒适性。
通过液力传动及微电脑控制换档，消除或降低了动力传递系统中的冲击和动载，使汽车的行驶性能更加良好。
在提高车辆安全性上，由于减少了烦琐操作的换档动作，减少了驾驶时注意力的分散，减轻了劳动强度，降低了行车事故，保证了行车安全，提高了平均车速。
由于发动机总处于经济转速范围内工作，避开了怠速和高速下运转，使排放的有害气体显著减少，从而降低了排放污染。
正式由于自动变速器的诸多优点，使的该类型变速器得以更广泛的应用。
但由于自动变速器结构复杂，直观理解性差，也给掌握该类型变速器的正确使用，故障分析与诊断，以及给维修工作增加了很多麻烦。
简单快捷掌握自动变速器传动比的计算与分析方法，是熟悉该类型变速器结构原理最行之有效的手段。
1.2国内外研究概况
通过这些天的上网查找和对相关质料与书籍的阅读，对传动比有了一定的了解。
无论是在国外还是国内对传动比的计算并没有什么区别基本是一样的。
主要有以下几种方法：
第一种计算方法---转化机构法
基本思想是：
根据相对原理，给整个行星齿轮传动比加一个与行星架的加速度大小相等方向相反的公共角速度，而各个构件之间的相对运动关系不变，但行星架就变成不动的构件了，于是，该行星齿轮传动就转化为定轴齿轮传动，这样就可以用定轴齿轮传动比的公式计算了。
第二种计算方法---力矩法
对于单行星排，Mo=-aMi，而输入的力矩Mi一般为已知的,所以只需要求出Mo便可以求出传动比i。
如果是n行星排m个构件的；就要列出n个行星排内力矩关系式与m个构件的力矩平衡方程，组成2n+m个独立的线性方程，就可以解传动比了。
第三种反方法---速度图解法
（1）找出行星排的等速点和零速点；
（2）绘出各个构件的速度三角形。
其转速分别用相应角的正切值来表示。
最后根据三角形的相关知识，求出传动比。
1.3本课题研究内容
（1）先讲一下单排行星齿轮机构的传动比的计算；
（2）再以多排辛普森式行星齿轮机构和拉维奈尔赫式行星齿轮机构为例进一步对传动比的计算进行推导与论证；
（3）分析其它复合行星齿轮传动比的计算方法并指出它们的不足，进而提出我的一些想法与见解。
这也是我研究的关键问题。
2基础知识介绍
2.1自动变速器
自动变速器具有操作容易、驾驶舒适、能减少驾驶者疲劳的优点，已成为现代轿车配置的一种发展方向。
装有自动变速器的汽车能根据路面状况自动变速变矩，驾驶者可以全神贯注地注视路面交通而不会被换档搞得手忙脚乱。
自动变速器的厂牌型号很多，外部形状和内部结构也有所不同，但它们的组成基本相同，都是由液力变矩器和齿轮式自动变速器组合起来的。
常见的组成部分有液力变矩器、行星齿轮机构、离合器、制动器、油泵、滤清器、管道、控制阀体、速度调压器等，按照这些部件的功能，可将它们分成液力变矩器、变速齿轮机构、供油系统、自动换档控制系统和换档操纵机构等五大部分。
本文主要对液力变矩器和齿轮式自动变速器进行介绍研究。
1、液力变矩器
液力变矩器安装在发动机和变速器之间，以液压油（ATF）为工作介质，起传递转矩，变矩，变速及离合的作用。
位于自动变速器的最前端，安装在发动机的飞轮上，其作用与采用手动变速器的汽车中的离合器相似。
它利用油液循环流动过程中动能的变化将发动机的动力传递自动变速器的输入轴，并能根据汽车行驶阻力的变化，在一定范围内自动地、无级地改变传动比和扭矩比，具有一定的减速增扭功能。
液力变矩器不同于液力耦合器的主要特征是它具有固定的导轮。
导轮对液体的导流作用使液力变矩器的输出扭矩可高于或低于输入扭矩，因而称为变矩器。
输出扭矩与输入扭矩的比值称变矩系数，输出转速为零时的零速变矩系数通常约2～6。
变矩系数随输出转速的上升而下降。
液力变矩器的输入轴与输出轴间靠液体联系，工作构件间没有刚性联接。
液力变矩器的特点是：
能消除冲击和振动,过载保护性能和起动性能好；输出轴的转速可大于或小于输入轴的转速，两轴的转速差随传递扭矩的大小而不同；有良好的自动变速性能，载荷增大时输出转速自动下降，反之自动上升；保证动力机有稳定的工作区，载荷的瞬态变化基本不会反映到动力机上。
液力变矩器在额定工况附近效率较高，最高效率为85～92％。
叶轮是液力变矩器的核心，它的型式和布置位置以及叶片的形状，对变矩器的性能有决定作用。
有的液力变矩器有两个以上的涡轮、导轮或泵轮，借以获得不同的性能。
最常见的是正转（输出轴和输入轴转向一致）、单级（只有一个涡轮）液力变矩器。
兼有变矩器和耦合器性能特点的称为综合式液力变矩器，例如导轮可以固定、也可以随泵轮一起转动的液力变矩器。
为使液力变矩器正常工作，避免产生气蚀和保证散热，需要有一定供油压力的辅助供油系统和冷却系统。
普通液力变矩器由可转动的泵轮和涡轮，以及固定不动的导轮这三个基本元件组成。
汽车所用液力变矩器的工作轮一般都是钢板冲压焊接而成，而工程机械和一些军用车辆所用液力变矩器的工作轮则是用铝合金精密铸造成的。
液力变矩器输出转矩与输入转矩之比为变矩系数k,液力变矩器涡轮与泵轮转速之比为і，涡轮输出功率与泵轮输入功率之比η为变矩器效率，泵轮输入转矩为MB。
如图1为三元件综合式液力变矩器特性。
η，k
效率
图1液力变矩器特性
依据变矩器特性可知，在转速比і进入耦合工况之前，变矩系数K都大于1。
在车辆起步时，一般输出转矩较输入转矩增加2～3倍。
在同类车型中采用自动变速器与手动变速器相比，最低档的传动比要小。
2、变速齿轮机构
自动变速器中的变速齿轮机构所采用的型式有普通齿轮式和行星齿轮式两种。
采用普通齿轮式的变速器，由于尺寸较大，最大传动比较小，只有少数车型采用。
目前绝大多数轿车自动变速器中的齿轮变速器采用的是行星齿轮式。
变速齿轮机构主要包括行星齿轮机构和换档执行机构两部分。
行星齿轮机构，是自动变速器的重要组成部分之一，主要由于太阳轮（也称中心轮）、内齿圈、行星架和行星齿轮等元件组成。
行星齿轮机构是实现变速的机构，速比的改变是通过以不同的元件作主动件和限制不同元件的运动而实现的。
在速比改变的过程中，整个行星齿轮组还存在运动，动力传递没有中断，因而实现了动力换档。
换档执行机构主要是用来改变行星齿轮中的主动元件或限制某个元件的运动，改变动力传递的方向和速比，主要由多片式离合器、制动器和单向超越离合器等组成。
离合器的作用是把动力传给行星齿轮机构的某个元件使之成为主动件。
制动器的作用是将行星齿轮机构中的某个元件抱住，使之不动。
单向超越离合器也是行星齿轮变速器的换档元件之一，其作用和多片式离合器及制动器基本相同，也是用于固定或连接几个行星排中的某些太阳轮、行星架、齿圈等基本元件，让行星齿轮变速器组成不同传动比的档位。
汽车自动变速器常见的有三种型式：
分别是液力自动变速器（AT）、机械无级自动变速器（CVT）、电控机械自动变速器（AMT）。
目前轿车普遍使用的是AT，AT几乎成为自动变速器的代名词。
多数电控自动变速器都是由复合式行星齿轮机构组成。
一般设置3～4个前进档和1个倒档。
并要求各档的转速比都能使发动机总在一定转速范围内加速，这样才能保证加速过程最快，提高平均行驶速度。
即符合：
i1/i2=i2/i3……=常数
考虑到换档过程中，由于空气和道路阻力的作用，在空档的一瞬间车速会下降，所以靠近高档的邻档公比应比靠近低档的小。
同时由于受到齿轮结构因素的限制，各档的几何级数也不可避免也要发生一些差异。
这也提示我们在分析复合式行星齿轮机构变速器时，过大或过小的传动比不符和有级变速器设计的一般规律，是没有应用价值的。
2.2自动变速器的工作过程
自动变速器之所以能够实现自动换档是因为工作中驾驶员踏下油门的位置或发动机进气歧管的真空度和汽车的行驶速度能指挥自动换档系统工作，自动换档系统中各控制阀不同的工作状态将控制变速齿轮机构中离合器的分离与结合和制动器的制动与释放，并改变变速齿轮机构的动力传递路线，实现变速器档位的变换。
传统的液力自动变速器根据汽车的行驶速度和节气门开度的变化，自动变速档位。
其换档控制方式是通过机械方式将车速和节气门开度信号转换成控制油压，并将该油压加到换档阀的两端，以控制换档阀的位置，从而改变换档执行元件（离合器和制动器）的油路。
这样，工作液压油进入相应的执行元件，使离合器结合或分离，制动器制动或松开，控制行星齿轮变速器的升档或降档，从而实现自动变速。
电控液力自动变速器是在液力自动变速器基础上增设电子控制系统而形成的。
它通过传感器和开关监测汽车和发动机的运行状态，接受驾驶员的指令，并将所获得的信息转换成电信号输入到电控单元。
电控单元根据这些信号，通过电磁阀控制液压控制装置的换档阀，使其打开或关闭通往换档离合器和制动器的油路，从而控制换档时刻和档位的变换，以实现自动变速。
2.3复合行星齿轮机构的自由度
单排单行星齿轮机构如图2所示。
该机构有4个活动构件（太阳轮1、行星架2、行星齿轮3和齿圈4，即太阳轮、齿圈、行星架组合件3个独立元件组成。
即机构自由度：
F=3n-2pL-pH
=3×4-2×4-2
=2
式中：
n——活动机构数pL——低副数pH——高副数
图2单排单行星齿轮机构
该机构有两个自由度，一般也称差动轮系。
如果不对其中一个自由度加以限制或约束，该机构将无法传递动力。
由于单排单行星齿轮机构所能提供的变速比十分有限，所以通常在汽车自动变速器中多采用多排行星齿轮机构。
辛普森式行星齿轮机构如图3所示。
该机构特点是前后行星排太阳轮连为一体，称为太阳轮组件1，前齿圈和后行星架连为一体，称齿圈行星架组件4。
该机构由6个活动构件组成。
即机构自由度：
F=3n-2pl-ph
=3×6-2×6-4
=2
图3辛普森式行星齿轮机构
1—前齿圈2—太阳轮组件3—行星齿轮
4—后行星架5—前行星架和后齿圈组件
该机构经过组合具有4个独立构件，2个自由度。
拉维奈尔赫式行星齿轮机构如图4所示。
该机构特点是前后行星排共用一个齿圈，后排行星轮机构具有双行星轮4和6，长行星轮4为前、后行星排共用，行星架3也是双行星轮共用。
通过组合，机构有6个活动构件与4个独立元件，分别是前大太阳轮、后小太阳轮、行星架组件和齿圈。
该机构也是2个自由度。
图4拉维奈尔赫式行星齿轮机构
1—前太阳轮2—后太阳轮3—行星架4—短行星轮
5—长行星轮6—齿圈
3行星齿轮机构的结构和工作原理
3.1行星齿轮机构的组成
行星齿轮机构有很多不同的类型。
其中最为简单的行星齿轮机构是由一个太阳轮、一个齿圈、一个行星架及若干个行星齿轮组成，一般称为单排行星齿轮机构。
太阳轮、齿圈和行星架是行星排的三个基本构件，并且它们具有公共的固定轴线。
行星齿轮安装与行星架的行星齿轮轴上，与齿圈和太阳轮两者啮合。
行星齿轮即可围绕行星齿轮轴旋转，又可在齿圈内行走，围绕太阳轮旋转。
按照齿轮的排数不同，行星齿轮机构又分为单排行星齿轮机构和多排行星齿轮机构。
汽车自动变速器中的行星齿轮变速器采用的就是多排行星齿轮机构。
按照太阳轮和齿圈之间行星齿轮的组数不同，行星齿轮机构又分为单行星排和双行星排。
上面所说的全是单行星排，而双行星排在太阳轮和齿圈之间有两组相互啮合的行星齿轮，其中一组行星轮与齿圈啮合，里面的一组行星轮与太阳轮啮合。
3.2单排行星齿轮机构的传动比与运动规律
根据能量守恒定律，由作用在该机构个元件上的力矩和结构参数可以导出表示单排行星齿轮机构一般运动规律的特性方程式；
n1+an2-（1+a）n3=0——式1
式中：
n1——太阳轮转速n2——齿圈转速n3——行星架转速
一、传动比的计算
当三个独立元件任何一个被锁定时，剩余两个元件一个为动力输入一个为输出。
而传动比ｉ=n主/n被=z被/z主 。
由于行星架是一个无齿元件，所以根据方程式1，就可以求出行星架的假想齿数：
即令n2=0，n1与n2必同向旋转
传动比：
ｉ１３=ｎ１／ｎ３＝Ｚ３／Ｚ１＝１＋ａ或Ｚ１＝Ｚ３／（１＋ａ）
令n2=0，n2与n3也必同向旋转
传动比：
ｉ２３＝ｎ２／ｎ３＝Ｚ３／Ｚ２＝１＋ａ或Ｚ２＝Ｚ３ａ／（１＋ａ）
令Ｚ１＋Ｚ２＝Ｚ３
∴
+
=
=Ｚ３
单排行星齿轮机构的行星架假想齿数Ｚ３，即为太阳轮齿数Ｚ１和齿圈齿数Ｚ２之和。
这样当该轮系一元件锁定，其传动比可按定轴轮系求解。
使传动比的计算更为简便。
二、元件运动规律
该轮系在太阳轮、齿圈和行星架这三个基本构件中，任选两个分别作为主动件和从动件，而另一个元件固定不动，或者让起运动受约束，则机构只有一个自由度，整个轮系以一定的传动比传递动力。
（1）太阳轮固定，齿圈为主动元件，行星架为从动元件。
齿圈与行星架的旋转方向相同，而太阳轮是按反时针方向旋转。
因n1=0，所以传动比
i23=
=
=1+
由此得到较小的减速比。
（2）齿圈固定，太阳轮为主动元件，行星架为从动元件。
太阳轮与行星齿轮的旋转方向相反。
行星轮的这种运动是齿圈按逆时针方向旋转，可是齿圈已经固定住了，行星轮只能在围绕齿圈运动时带动行星架按顺时针方向旋转，与太阳轮的转速相比行星架的转速较低，两者旋转方向相同。
因n2=0,所以传动比
i13=
=1+a=1+
因z3远大于z1，故得到较大的减速比。
（3）行星架固定，太阳轮为主动元件，齿圈为从动元件。
太阳轮与行星架的旋转方向相反。
因行星架被固定，与行星轮内啮合的齿圈按逆时针方向旋转。
与太阳轮相比，齿圈的转速低并且旋转方向相反。
因n3=0,所以传动比
i12=
=－a=－
这里，n1与n2符号不同，表示主动轴于从动轴旋转的方向不同，既可得到倒档。
（4）太阳轮和齿圈为主动元件，行星架为从动元件。
当太阳轮与齿圈以相同的转速、按相同的方向旋转是，行星轮被夹住，不能绕其轴转动。
因此，太阳轮、齿圈、行星架和行星轮成为一体，各元件之间没有相对运动，从而形成直接档，既传动比为i=1。
（5）当该行星齿轮机构二元件作为动力输出与输入元件，第三元件不是锁定，而是被约束。
在一直输入元件的转速和转向时，输出元件的转速和转向，取决于约束元件的转速和转向。
起输入与输出的传动比已不再是两元件的齿数之比，而是两元件的转速之比。
如果所有元件都不受约束，可以自由转动，则行星齿轮机构失去传动作用，此时相当于空档状态。
3.3辛普森式行星齿轮机构的传动比与运动规律
辛普森式行星齿轮机构如图3所示，为双行星排齿轮机构。
前后行星排在单独完成动力传递任务时，传动比计算与前面说的单排行星齿轮机构的计算方法是相同的。
各元件的转向亦可以用上面的方法进行判断。
该机构的特点是：
前后两个行星排的太阳轮连为一个整体，称之为太阳轮组件；前排的行星架和后排的齿圈连成一体，称之为前行星架和后齿圈组件，输出轴通常与该组件相连。
当前后行星排联合传递动力时，某行星排的三个独立元件，能形成动力输入、动力输出，第三元件不是锁定，而是被约束。
即能以固定传动比转动的行星排，我们称之为动力排。
把与动力排中受约束元件和与之连接的另一行星排称约束行星排。
约束行星排的特征是：
三个独立元件中，首先必有一个元件与动力排中的约束元件连在一起，另一元件与动力排中的动力输出元件连在一起，剩余的第三元件能被锁定（系统需要去掉一个自由度）。
复合行星齿轮机构才能以固定传动比工作。
在求这种复合式行星齿轮机构的传动比时，不再是主被动齿轮的齿数比，而是动力排中的动力输入元件与动力输出元件的转速比。
首先找出约束排中的与动力排相连接的元件，是与动力排中的动力输出元件连接，还是与动力排中的输入元件连接。
并设定该元件转速已知，从而确定该元件在约束排中有一元件锁定，求出被约束元件的转速和转向，把求得的结果代入运动规律方程式1，求出动力排中的未知元件的转速，尽而求得复合行星齿轮机构的传动比。
此种求解方法，把复合行星齿轮机构同时工作形成的传动比计算，由解联立方程组的方法，简化为一般的等式运算，使复合行星齿轮机构传动比的计算更为直观和简单。
3.4拉维奈尔赫式行星齿轮机构的传动比与运动规律
拉维奈尔赫式行星齿轮机构如图4所示，也是双行星齿轮机构，它的特点是：
两行星排具有公共行星架和齿圈，前太阳轮，短行星轮，长行星轮，行星架及齿圈组成一个双行星轮式行星排，后太阳轮，长行星轮，行星架及齿圈组成一个单行星轮式行星排，长行星轮与齿圈都是前后行星排公用的。
依据能力守恒定律，由作用在该机构个元件上的力矩与结构参数导出的单排双行星齿轮机构的一般运动规律的方程式为：
n1-an2-（1-a）n3=0——式2
式中：
n1——太阳轮转速n2——齿圈转速n3——行星架转速
该机构的后行星排虽然有5个活动元件，但是独立的元件还是三个，当这三个独立元件之一被锁定时，剩余的两个元件即为动力输入与输出。
传动比i=n主/n被=Z被/Z主。
因为行星架是一个无齿的元件，所以根据方程式2，可得出行星架的假想齿数：
令n2=0，n1与n3为反向旋转的
其传动比：
i13=n1/n3=Z3/Z1=﹣（1－a）
令n1=0，n2与n3为同向旋转的
其传动比：
i23=
=
=
或Z2=
令Z2－Z1=Z3
-
=
=
=Z3
∴Z3－Z2=Z1
双行星轮的行星齿轮机构的行星架的假想齿数为Z3，它等于齿圈齿数Z2减去太阳轮齿数Z1。
当该轮系之一元件被锁定时，其传动比也可按照定轴轮系求解。
所以行星架假想齿数的已知，为该轮系传动比的计算提供了很大的方便。
而该轮系的三个独立元件的运动规律可根据特性运动方程式2来确定：
（1）太阳轮被锁定，齿圈为主动元件，行星架为被动元件。
齿圈与行星架同向旋转，锁定元件太阳轮承受的转矩方向与齿圈相同。
（2）太阳轮被锁定，行星架为主动元件，齿圈为被动元件。
齿圈与行星架同向旋转，锁定元件太阳轮承受的转矩方向与行星架相反。
（3）齿圈被锁定，太阳轮为主动元件，行星架为被动元件。
锁定元件齿圈承受的转矩方向与太阳轮相同。
（4）齿圈被锁定，行星架为主动元件，太阳轮为被动元件。
锁定元件齿圈承受的转矩方向与行星架相同。
（5）行星架被锁定，太阳轮为主动元件，齿圈为被动元件。
锁定元件行星架承受的转矩方向与太阳轮相反。
（6）行星架被锁定，齿圈为主动元件，太阳轮为被动元件。
锁定元件行星架承受的转矩方向与齿圈相同。
（7）两元件输入同向相同转速时，三个独立元件一定同向旋
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