單排行星齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳遞方式分析方法

甘守武，陳志軍，張 楠

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 汽車工程系，重慶401331）

單排行星齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳遞方式分析方法

甘守武，陳志軍，張 楠

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 汽車工程系，重慶401331）

由于傳統(tǒng)的單排行星齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳遞方式分析方法十分抽象，學(xué)生不易理解，論文通過對單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)特性方程式的分析，得出單排行星齒輪機(jī)構(gòu)三元件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系推論，并以此為依據(jù)，分析單排行星齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳遞方式，讓學(xué)生易于掌握。

單排行星齒輪；動(dòng)力傳遞方式；分析方法

1 引言

目前，行星齒輪自動(dòng)變速器汽車由于操作方便，省力，舒適等優(yōu)點(diǎn)，越來越受駕駛者青睞，市場保有量也在急劇上升。所以，作為汽車專業(yè)教師，在重點(diǎn)講解手動(dòng)變速器的同時(shí)，也應(yīng)該把自動(dòng)變速器作為重點(diǎn)來講解，而不只是簡單介紹其基本原理。行星齒輪變速器的機(jī)械傳動(dòng)部分主要是行星齒輪機(jī)構(gòu)，要掌握行星齒輪自動(dòng)變速器的工作原理，就必須先掌握單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳遞方式。而各大教材在講解單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳遞方式時(shí)，傳統(tǒng)的分析方法主要是以單排行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性方程式為主要依據(jù)，推導(dǎo)不同的動(dòng)力傳遞方式，也有文獻(xiàn)使用了速度圖解法分析了單排行星齒輪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系[1]。這些分析方法適合于理論研究者學(xué)習(xí)，但是對于大多數(shù)學(xué)生而言，過于抽象，不易掌握。這種情況導(dǎo)致了老師在引導(dǎo)學(xué)生分析自動(dòng)變速器的檔位時(shí)就會更加困難。

2 單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，單排行星齒輪是由一個(gè)太陽輪、一個(gè)齒圈、一個(gè)行星架和支承在行星架上的行星輪組成。太陽輪位于機(jī)構(gòu)的中心，行星輪與之外嚙合；齒圈制有內(nèi)齒，行星輪與之內(nèi)嚙合。通常行星輪有3-6個(gè)，通過滾針軸承安裝在行星齒輪軸上，行星齒輪軸對稱、均勻地安裝在行星架上[2]。行星齒輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，行星輪除了繞自身軸線的自轉(zhuǎn)外，同時(shí)還可繞太陽輪公轉(zhuǎn)，行星架也繞太陽輪旋轉(zhuǎn)。由于太陽輪與行星輪是外嚙合，所以二者的旋轉(zhuǎn)方向是相反的；而行星輪與齒圈是內(nèi)嚙合，這二者的旋轉(zhuǎn)方向是相同的。通常把太陽輪、齒圈和行星架稱為三個(gè)基本元件。

圖1 單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

3 傳統(tǒng)的動(dòng)力傳遞方式分析方法

傳統(tǒng)的單排行星齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳遞方式分析方法主要是以其運(yùn)動(dòng)特性方程式為依據(jù)，方程如下：

通過對機(jī)構(gòu)的不同元件進(jìn)行約束和限制，可以得到以下不同的動(dòng)力傳遞方式：

1）固定太陽輪（n1=0），行星架主動(dòng)，齒圈從動(dòng)：將 n1=0代入式（1），得：

由式（2）得出傳動(dòng)比小于1，即為同向增速運(yùn)動(dòng)。

2）固定太陽輪（n1=0），齒圈主動(dòng)，行星架從動(dòng)：將 n1=0 代入式（1），得：

由式（3）得出傳動(dòng)比大于1，即為同向減速運(yùn)動(dòng)。

3）齒圈固定（n2=0），行星架主動(dòng)，太陽輪輸出：將 n2=0 代入式（1），得

由式（4）得出傳動(dòng)比小于1，即為同向增速運(yùn)動(dòng)。

4）固定齒圈（n2=0），太陽輪主動(dòng)，行星架從動(dòng)：將 n3=0代入式（1），得：

由式（5）得出傳動(dòng)比大于1，即為同向減速運(yùn)動(dòng)。

5）固定行星架（n3=0），齒圈主動(dòng)，太陽輪從動(dòng)：將 n3=0代入式（1），

由式（6）得出傳動(dòng)比小于1，且為負(fù)值，即為反向增速運(yùn)動(dòng)。

6）固定行星架（n3=0），太陽輪主動(dòng)，齒圈從動(dòng)：將 n3=0代入式（1），得：由式（7）得出傳動(dòng)比大于1，且為負(fù)值，即為反向減速運(yùn)動(dòng)[3]。

綜上所述，以上六種動(dòng)力傳遞方式都是以式（1）為依據(jù)推導(dǎo)出來的，十分抽象，學(xué)生很難明白單排行星齒輪機(jī)構(gòu)三元件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

4 應(yīng)用結(jié)構(gòu)關(guān)系推論分析動(dòng)力傳遞方式

4.1 單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)關(guān)系推論

傳動(dòng)比的定義：傳動(dòng)比等于輸入軸的轉(zhuǎn)速除以輸出軸的轉(zhuǎn)速，對于齒輪傳動(dòng)來說，還等于輸出齒輪的齒數(shù)除以輸入齒輪的齒數(shù)，即：

從行星齒輪結(jié)構(gòu)可以看出，行星架是沒有齒數(shù)的，只是通過行星輪與齒圈和太陽輪建立運(yùn)動(dòng)關(guān)系，所以在進(jìn)行推理前，先假設(shè)行星架的當(dāng)量齒數(shù)為z3。

將式（8）帶入式（5） 得

從式（11）得出行星架的當(dāng)量齒數(shù)是最多的，又因?yàn)辇X圈齒數(shù)z2＞z1（太陽輪齒數(shù)）太陽輪齒數(shù)，得出：

對于齒輪傳動(dòng)來說，內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，外嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，結(jié)合式（4）和（3），得出行星架與太陽輪是內(nèi)嚙合狀態(tài)，齒圈與行星架是內(nèi)嚙合狀態(tài)，且固定行星架時(shí)，行星輪就是太陽輪與齒圈之間的惰輪。

綜上所述，在單排行星齒輪機(jī)構(gòu)中，得到以下三點(diǎn)推論：

1）行星架的齒數(shù)z3是最多的，其次是齒圈的齒數(shù)z2，再次是太陽輪齒數(shù)z1。

2）行星架與太陽輪是內(nèi)嚙合狀態(tài)，齒圈與行星架是內(nèi)嚙合狀態(tài)；

3）在固定行星架時(shí)，行星輪就是太陽輪與齒圈之間的惰輪。

得出這三點(diǎn)推論，并以此為依據(jù)分析行星齒輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳遞方式，學(xué)生就很容易理解和掌握單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的變速原理。

4.2 應(yīng)用結(jié)構(gòu)關(guān)系推論分析動(dòng)力傳遞方式

根據(jù)齒輪傳動(dòng)的基本原理：大齒輪帶小齒輪增速，小齒輪帶大齒輪減速，內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)向相同，外嚙合轉(zhuǎn)向相反，每加一個(gè)齒輪方向改變一次。依此基本原理，在結(jié)合上面所得到的三點(diǎn)推論來分析行星齒輪的運(yùn)動(dòng)傳遞方式就非常簡單了。

在分析之前，假設(shè)主動(dòng)元件作順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

1）行星架主動(dòng)，齒圈從動(dòng)，固定太陽輪，形成同向增速狀態(tài)。

齒數(shù)最多的行星架帶動(dòng)齒數(shù)較少的齒圈旋轉(zhuǎn)，速度增加，又因?yàn)槭莾?nèi)嚙合，所以形成同向增速狀態(tài) ,也就是說行星架順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，齒圈也一定順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且速度增加，如圖2所示。

圖2 同向增速

圖3 同向增速

2）行星架主動(dòng)，太陽輪從動(dòng)，固定齒圈，形成同向增速狀態(tài)。

齒數(shù)最多的行星架帶動(dòng)齒數(shù)最少的太陽輪旋轉(zhuǎn)，速度增加最多，又因?yàn)槭莾?nèi)嚙合，所以形成同向增速的狀態(tài)，如圖3所示。

圖4 同向減速

圖5 反向減速

3）太陽輪主動(dòng)，行星架從動(dòng)，固定齒圈，形成同向減速狀態(tài)。

齒數(shù)最少的太陽輪帶動(dòng)齒數(shù)最多的行星架旋轉(zhuǎn)，速度減少最多，又因?yàn)槭莾?nèi)嚙合，所以形成同向減速狀態(tài)，如圖4所示。

4）太陽輪主動(dòng)，齒圈從動(dòng)，固定行星架，形成反向減速狀態(tài)。

齒數(shù)最少的太陽輪帶動(dòng)齒數(shù)鉸多的齒圈旋轉(zhuǎn)，速度減少，又因?yàn)楣潭ㄐ行羌?，行星輪就是惰輪，所以形成反向減速狀態(tài)，如圖5所示。

圖6 同向減速

圖7 反向增速

5）齒圈主動(dòng)，行星架從動(dòng)，固定太陽輪，形成同向減速狀態(tài)。

齒數(shù)較少的齒圈帶動(dòng)齒數(shù)最多的行星架，速度減少，又因?yàn)槭莾?nèi)嚙合，所以形成同向減速狀態(tài)，如圖6所示。

6）齒圈主動(dòng)，太陽輪從動(dòng)，固定行星架，形成反向增速狀態(tài)。

齒數(shù)較多的齒圈帶動(dòng)齒數(shù)最少的太陽輪旋轉(zhuǎn)，速度增加，又因?yàn)楣潭ㄐ行羌?，行星輪就是惰輪，所以形成反向增速狀態(tài)，如圖7所示。

綜合上述情況，將單徘行星齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞方式歸納為表1所示:

表1 單排行星齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳遞方式

5 結(jié)論

筆者通過對單排行星齒輪結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)特性方式的分析，得到以下三點(diǎn)推論：

1）行星架的齒數(shù)是最多的，其次是齒圈的齒數(shù)，再次是太陽輪齒數(shù)。

2）行星架與太陽輪是內(nèi)嚙合狀態(tài)，齒圈與行星架是內(nèi)嚙合狀態(tài)；

3）在固定行星架時(shí)，行星輪就是太陽輪與齒圈之間的惰輪。

把這三點(diǎn)推論應(yīng)用于分析單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳遞方式，讓學(xué)生更容易掌握單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的變速原理，為其學(xué)習(xí)行星齒輪式自動(dòng)變速器的檔位推導(dǎo)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[1]王開松.速度圖解法在行星齒輪系運(yùn)動(dòng)分析中的教學(xué)應(yīng)用[J]淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003,3(2):80-82.

[2]張紅偉，王國林.汽車底盤構(gòu)造及維修[M].北京：高等教育出版社，2005:85-86.

[3]劉艷莉，董長興等，汽車構(gòu)造及使用[M],北京：人民郵電出版社，2009:166-171.

[4]趙雨旸，李涵武，拉維娜式自動(dòng)變速器行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性方程式的推導(dǎo)[J].機(jī)械工程師，2004.3：49-50.

The Analytical Approach of Conventional Single Stage Planetary Mechanism Power Transmit Method

GAN Shouwu，CHEN Zhijun，ZHANG Nan
（Chongqing College of electronic Engineering,Chongqing 401331,China）

The analytical approach of conventional single stage planetary mechanism power transmit method,which is too difficult to students so that they cannot understand.Analyzing single stage planetary mechanism kinematics characteristic equation,the paper gets relationship among the three components in the single planetary.In addition,on that basis,the paper analyses the transformation style of the planetary mechanism,which let students grasp it’s the transmission principle more easily.

single stage planetary;transmit method of power;analytical approach

TH111

A

1674－5787（2011）04－0151－03

2011-06-18

甘守武（1980—）,男，貴州普定人，碩士研究生，講師，主要研究方向：載運(yùn)工具運(yùn)用工程。

責(zé)任編輯 李 燕