平行軸行星齒輪變速器結(jié)構(gòu)與仿真

史 炎

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

平行軸行星齒輪變速器結(jié)構(gòu)與仿真

史 炎

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

本文提出一種新型自動(dòng)變速器，動(dòng)力由行星齒輪輸出端通過(guò)一對(duì)相互嚙合的圓柱齒輪傳遞到輸出軸，控制制動(dòng)器換擋?；赟IMPACK軟件平臺(tái)，建立變速器的仿真模型，依據(jù)仿真模型對(duì)車(chē)輛的起動(dòng)、換擋動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，此變速器起動(dòng)時(shí)扭矩增長(zhǎng)可控，換擋過(guò)程動(dòng)力不中斷。

平行軸行星齒輪變速器；仿真

CLC NO.:U463.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-96-03

引言

變速器的主要功能是在寬廣的車(chē)速范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)從發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力向汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力的最優(yōu)轉(zhuǎn)換，現(xiàn)有行星齒輪變速器的各個(gè)擋位傳動(dòng)比互相關(guān)聯(lián)、分配缺乏靈活性，難以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線(xiàn)為各個(gè)擋位安排最佳的傳動(dòng)比。由于換擋需要換擋離合器和換擋制動(dòng)器協(xié)作，所以擋位越多，需要參與的換擋離合器和換擋制動(dòng)器就越多。雙離合變速器換擋過(guò)程動(dòng)力要中斷，而且使用的同步器由八個(gè)精密零件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文提出了一種將行星齒輪輸出軸通過(guò)圓柱齒輪聯(lián)接到變速器的輸出軸，構(gòu)成一種新型變速器---平行軸行星齒輪變速器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PAPT變速器），采用SIMPACK軟件建立該變速器模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真模擬，取得了預(yù)期的效果。

1、結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 PAPT變速器三個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及功能擴(kuò)展

變速器有前進(jìn)擋、倒車(chē)擋，前進(jìn)擋又可細(xì)分成減速擋、超速擋。利用行星齒輪三個(gè)基本構(gòu)件聯(lián)結(jié)輸出軸即可實(shí)現(xiàn)減速、超速、反轉(zhuǎn)功能。PAPT變速器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，從動(dòng)齒輪都固定在輸出軸上，從動(dòng)齒輪與對(duì)應(yīng)的主動(dòng)齒輪常嚙合。A型結(jié)構(gòu)中，輸入軸與行星齒輪排的太陽(yáng)輪共軸同步旋轉(zhuǎn)、行星架與主動(dòng)齒輪共軸同步旋轉(zhuǎn)，制動(dòng)齒圈，行星架與主動(dòng)齒輪一起作正向減速旋轉(zhuǎn)。B型結(jié)構(gòu)中，輸入軸與行星齒輪排的行星架共軸同步旋轉(zhuǎn)、太陽(yáng)輪與主動(dòng)齒輪共軸同步旋轉(zhuǎn)，制動(dòng)齒圈，太陽(yáng)輪與主動(dòng)齒輪一起作正向加速旋轉(zhuǎn)。C型結(jié)構(gòu)中，輸入軸與行星齒輪排的太陽(yáng)輪共軸同步旋轉(zhuǎn)、齒圈與主動(dòng)齒輪共軸同步旋轉(zhuǎn)， 制動(dòng)行星架，齒圈與主動(dòng)齒輪一起作反向減速旋轉(zhuǎn)。此外，若輸入軸與行星齒輪排的齒圈共軸同步旋轉(zhuǎn)、太陽(yáng)輪與主動(dòng)齒輪共軸同步旋轉(zhuǎn)，制動(dòng)行星架，太陽(yáng)輪與主動(dòng)齒輪一起作反向加速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)超速倒車(chē)擋。

每個(gè)擋位均為二級(jí)減速模式，行星齒輪減速和齒輪減速，總傳動(dòng)比為二者傳動(dòng)比之積。各個(gè)擋位的傳動(dòng)比通過(guò)以下方式獲得:

①只改變行星排的傳動(dòng)比；

②只改變主、從齒輪的傳動(dòng)比；

③同時(shí)改變行星排和外接齒輪的傳動(dòng)比。

可見(jiàn)，以這種方式獲得的各個(gè)擋位傳動(dòng)比，其跨度范圍大，設(shè)置靈活，每個(gè)擋位傳動(dòng)比都可以量體定做。

例如，A型結(jié)構(gòu)中行星齒輪與不同的主、從齒輪能組合成減速擋和超速擋，表1給出了一種前進(jìn)擋齒輪組合參數(shù)，其中太陽(yáng)輪、行星齒輪、齒圈的齒數(shù)分別為48、30、108，

表1 前進(jìn)擋齒輪組合

主、從齒輪位置對(duì)調(diào)，產(chǎn)生新的傳動(dòng)比，這能減少齒輪的規(guī)格。

1.2 工作原理

PAPT變速器通過(guò)制動(dòng)器選擇擋位，每個(gè)擋位對(duì)應(yīng)一個(gè)制動(dòng)器，各個(gè)制動(dòng)器無(wú)動(dòng)作時(shí)相當(dāng)于掛空擋，制動(dòng)哪個(gè)擋位就啟用哪個(gè)擋位的轉(zhuǎn)速比，既可順序換擋，也可換任意擋。

2、動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 建立樣機(jī)模型

SIMPACK軟件是德國(guó)開(kāi)發(fā)的針對(duì)機(jī)械、機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真分析的多體動(dòng)力學(xué)分析軟件包。本仿真在SIMPACK環(huán)境里進(jìn)行，用其自帶的齒輪模塊按表1所述的A型結(jié)構(gòu)建立PAPT變速器的第1擋、第2擋的模型，二擋的行星齒輪結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)相同，如圖2所示，所有齒輪模數(shù)、壓力角、螺旋角、齒寬分別為3mm、20o、10o、50mm，表2列出模型的其余參數(shù)。

表2 模型基本參數(shù)

2.2 變速器傳動(dòng)參數(shù)驗(yàn)證

在輸入軸上施加200rad/s的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)，輸出軸固定。分別以制動(dòng)第1擋齒圈、第2擋齒圈和制動(dòng)器全松開(kāi)三種運(yùn)行工況進(jìn)行仿真模擬，獲得三種工況的參數(shù)，取轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后的值與理論值比較，分析結(jié)果列于表3。

表3 傳動(dòng)參數(shù)驗(yàn)證

由表3可知，仿真參數(shù)與理論參數(shù)高度一致，模型正確，空轉(zhuǎn)工況數(shù)據(jù)供后續(xù)分析用。

2.3 起動(dòng)性能模擬

模擬運(yùn)行狀態(tài)從發(fā)動(dòng)機(jī)怠速變換到第1擋的過(guò)程，對(duì)輸入軸施加270N.m的穩(wěn)定扭矩，輸入軸保持200rad/s的恒定轉(zhuǎn)速，參照表3設(shè)置第1擋齒圈的輸入函數(shù)，在5秒內(nèi)轉(zhuǎn)速?gòu)目辙D(zhuǎn)時(shí)的-88.889rad/s降低到-10rad/s，再變降低到0。

第1擋齒圈靜止后起動(dòng)力矩達(dá)到最大，為輸入扭矩的8.67倍，如圖3所示，起動(dòng)力矩與第1擋齒圈轉(zhuǎn)速成線(xiàn)性反比例關(guān)系。

如圖4所示，齒輪圓周力遞增，最后停留在理論值9601.9N附近，第1擋齒圈轉(zhuǎn)速在-10rad/s時(shí)，圓周力為8513N，只降低了11%。

可見(jiàn)，PAPT變速器的起動(dòng)過(guò)程與手動(dòng)擋起步過(guò)程相似，控制制動(dòng)力矩，不抱死第1擋齒圈，使其以較低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，對(duì)車(chē)輛保持持續(xù)的較高起動(dòng)力矩。

2.4 換擋過(guò)程模擬

結(jié)合本模型，按照單排行星齒輪機(jī)構(gòu)一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特性方程:

可知，輸入軸轉(zhuǎn)速n1恒定時(shí)，齒圈轉(zhuǎn)速n2從0變到-88.889rad/s時(shí)，行星架轉(zhuǎn)速n3呈非線(xiàn)性下降，由行星架驅(qū)動(dòng)的輸出軸轉(zhuǎn)速也是非線(xiàn)性曲線(xiàn)。

圖5所示為從第1擋變換到怠速時(shí)的輸出軸轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，在1.2秒內(nèi)輸出軸轉(zhuǎn)速急劇下降，若在1.2秒內(nèi)制動(dòng)第2擋齒圈，則輸出軸轉(zhuǎn)速向第2擋變化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力不中斷換檔。

模擬第1擋在0.2秒時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換到第2擋，參照表3設(shè)置第1擋齒圈輸入函數(shù)在0.2秒內(nèi)轉(zhuǎn)速?gòu)?上升到46.68rad/s；設(shè)置第2擋齒圈輸入函數(shù)在0.1秒內(nèi)轉(zhuǎn)速由-30.57rad/s下降到0。

由圖6可見(jiàn)，從第1擋換到第2擋過(guò)程中，輸出軸轉(zhuǎn)速在0.2秒時(shí)間內(nèi)線(xiàn)性不間斷增加，從-23.08rad/s增加到-35.18 rad/s。實(shí)際上，第2擋齒圈制動(dòng)器介入后，第1擋齒圈制動(dòng)器應(yīng)該迅速放松，避免運(yùn)動(dòng)干涉。

3、結(jié)論

（1）平行軸行星齒輪變速器所用零件種類(lèi)少，主要是制造水平成熟的齒輪，變速跨度大，使用相同尺寸的齒輪可以構(gòu)建不同的傳動(dòng)比。在不改變外觀尺寸的情況下，改變太陽(yáng)輪和行星輪的齒數(shù)也能實(shí)現(xiàn)不同的傳動(dòng)比。

（2）起動(dòng)性能分析表明:給平行軸行星齒輪變速器的第1擋設(shè)置較高的傳動(dòng)比，可模擬手動(dòng)擋起步過(guò)程。

（3）換擋策略簡(jiǎn)單:只需協(xié)調(diào)使用擋和期望擋的二個(gè)換擋制動(dòng)器的動(dòng)作。

[1] 宋進(jìn)桂[譯].汽車(chē)變速器理論基礎(chǔ)、選擇、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2] 劉紹裕，周家才，陸錫年, 等.常見(jiàn)機(jī)構(gòu)的原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1977..

[3] 葛安林．車(chē)輛自動(dòng)變速理論與設(shè)計(jì)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[4] 楊偉斌，吳光強(qiáng)，秦大同．雙離合器式自動(dòng)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)的建模及換擋特性[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43 (7):188-194.

[5] 雷雨龍，葛安林，李永軍．離合器起步過(guò)程的控制策略[J]．汽車(chē)工程，2000，22 (4):266-281.

[6] 陳玉祥.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的手動(dòng)變速器換擋力分析[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2012, 23(8):996-1000.

[7] 趙治國(guó).干式雙離合器自動(dòng)變速器起步滑模變結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)控制及實(shí)時(shí)優(yōu)化[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012, 48(24): 87-105.

[8] 陳俐，張建武，習(xí)綱. 自動(dòng)離合器的自適應(yīng)最優(yōu)控制[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34(10):1312-1316.

[9] 余春暉, 陳慧巖, 丁華榮. 車(chē)輛離合器起步階段模糊控制的研究[J]. 汽車(chē)工程, 2004, 27(4):423-426.

[10] 李瑜婷，趙治國(guó)，章桐. DCT 變速器雙離合器壓力最優(yōu)控制方法的仿真研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2010，21(12):1496-1501.

Structure and simulation for Parallel-axle planetary transmission

Shi Yan
( Traction Power State Key Laboratory, Southwest Jiaotong University, Sichuan Chengdu 610031 )

Proposed a new type of automatic transmission, power transmission from the output of the planetary gear to the output shaft by a pair of output terminals of cylindrical gears meshing with each other, Shift control by Brake. SIMPACK software used to establish transmission simulation model, based on the simulation model of the vehicle starting, shifting dynamics simulation. The simulation results show that this increase starting torque transmission is easy to control, power shifting process is not interrupted.

Parallel-axle planetary transmission; simulation

U463.2

A

1671-7988(2015)07-96-03

史炎，高工，就職于西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要研究方向?yàn)檐?chē)輛工程。