基于等效杠桿法的行星輪系實(shí)驗(yàn)裝置研究

沈國(guó)盛，鄭堯軍

(浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

基于等效杠桿法的行星輪系實(shí)驗(yàn)裝置研究

沈國(guó)盛，鄭堯軍

(浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

行星輪系結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中既有自轉(zhuǎn)，又有公轉(zhuǎn)，因此在理論設(shè)計(jì)中，目前比較科學(xué)的方法是使用等效杠桿法。而由于行星輪系變化多端，如何在實(shí)際教學(xué)中通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置演示等效杠桿法進(jìn)行輔助教學(xué)是難點(diǎn)。本研究的杠桿法實(shí)驗(yàn)裝置是將等效杠桿法的理論轉(zhuǎn)化為可實(shí)際操作的輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，為行星輪系學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，為后續(xù)行星輪系的兩排、三排及以上結(jié)構(gòu)知識(shí)的融會(huì)貫通做好準(zhǔn)備。

等效杠桿法；行星輪系；實(shí)驗(yàn)裝置

0 引言

根據(jù)乘聯(lián)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2016年新能源汽車總體增速放緩，但國(guó)內(nèi)混動(dòng)車型的累計(jì)銷量已經(jīng)達(dá)到了6.27萬(wàn)輛，普通油電混動(dòng)車型的銷量首次大幅超過(guò)了插電式混合動(dòng)力汽車，增長(zhǎng)十分迅猛。比起插電式混合動(dòng)力汽車，少了很多政策上的優(yōu)惠與支持，不被政策青睞的普通混動(dòng)車型一路走高，實(shí)現(xiàn)了“逆襲”。這種消費(fèi)者用真金白銀“投票”的市場(chǎng)選擇與政策“欽定”推廣之間的背離現(xiàn)象，值得深入思考?，F(xiàn)代混合動(dòng)力的發(fā)展，離不開(kāi)其核心動(dòng)力分流裝置——行星輪系。

1 行星輪系教學(xué)現(xiàn)狀分析

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的迅速發(fā)展, 自動(dòng)變速器在轎車上的使用越來(lái)越廣泛。行星齒輪組作為自動(dòng)變速器的重要組成部件其運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜, 直觀上很難理解, 不像機(jī)械式變速器只是簡(jiǎn)單的齒輪結(jié)合與分離,還需要了解其設(shè)計(jì)組成原理, 理解各個(gè)離合器、制動(dòng)器和單向離合器位置的布置。傳統(tǒng)的行星齒輪組分析方法有相對(duì)速度法、速度圖解法和力矩法[1]。這些方法在分析二自由度行星齒輪傳動(dòng)時(shí)比較簡(jiǎn)單,但分析三自由度行星齒輪傳動(dòng)時(shí)就比較困難。

在眾多新能源汽車解決方案中，綜合傳統(tǒng)燃油汽車和純電動(dòng)汽車優(yōu)點(diǎn)的HEV，基本不改變現(xiàn)有汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，不改變現(xiàn)有能源體系及用戶使用習(xí)慣，成為目前最具現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)意義及產(chǎn)業(yè)化前景的節(jié)能環(huán)保汽車。從混合動(dòng)力電動(dòng)汽車需求考慮,混聯(lián)型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)充分發(fā)揮了串聯(lián)型和并聯(lián)型的優(yōu)點(diǎn),能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化匹配。對(duì)行星齒輪機(jī)構(gòu)的3個(gè)基本構(gòu)件(行星輪系)與發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)及發(fā)電機(jī)組成的6種連接方式進(jìn)行定量分析比較,確定最佳形式,并確定最佳傳動(dòng)系統(tǒng)方案，從而在結(jié)構(gòu)上保證了在復(fù)雜工況下系統(tǒng)的最優(yōu)工作狀態(tài),所以更容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放的控制目標(biāo)。國(guó)外成熟車企混合動(dòng)力汽車銷量已經(jīng)超過(guò)400萬(wàn)輛，而國(guó)內(nèi)依然在零點(diǎn)起步；混合動(dòng)力技術(shù)仍是豐田的核心技術(shù)，THS核心是雙電機(jī)動(dòng)力分流裝置PSD(Power Split Device),PSD的核心就是行星輪系。THS混動(dòng)系統(tǒng)的核心——?jiǎng)恿Ψ至餮b置是一個(gè)拉威娜式的雙排行星齒輪組，在自動(dòng)變速箱中運(yùn)用十分廣泛。

圖1 單排單行星齒輪組的等效杠桿圖

因此，無(wú)論在現(xiàn)有成熟的自動(dòng)變速器技術(shù)還是混合動(dòng)力新能源汽車技術(shù)中，行星輪系的應(yīng)用無(wú)處不在，這就要求我們?cè)谙鄳?yīng)的課程教學(xué)中不斷地結(jié)合最新的科技前沿進(jìn)行跟蹤教學(xué)。目前，在行星輪系設(shè)計(jì)上通用一種簡(jiǎn)便的計(jì)算自動(dòng)變速器行星齒輪組扭矩和轉(zhuǎn)速的方法，就是等效杠桿模擬法(簡(jiǎn)稱等效杠桿法)。

2 研究?jī)?nèi)容

本研究建立了一種簡(jiǎn)潔快速的計(jì)算行星齒輪組扭矩和轉(zhuǎn)速的方法——等效杠桿法, 它將復(fù)雜的行星齒輪組結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的等效杠桿圖, 使得受力分析和運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)單直觀, 同時(shí)可以快速地判斷出自動(dòng)變速器各換擋執(zhí)行元件的工作狀態(tài), 有助于深入地了解自動(dòng)變速器的工作原理[2]。由于單個(gè)行星排由太陽(yáng)輪、行星輪、齒圈及行星架構(gòu)成。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 將一個(gè)行星排等效為一個(gè)垂直杠桿和三個(gè)支點(diǎn),三個(gè)支點(diǎn)分別代表太陽(yáng)輪S 、行星架PC 和齒圈R，單排單行星齒輪組的等效杠桿圖如圖1所示。等效杠桿法的優(yōu)點(diǎn)是可以清晰地表示行星齒輪組各組件的旋轉(zhuǎn)方向和受力方向，如圖2所示。

圖2 等效杠桿法的受力分析

行星齒輪組各組件的受力方向, 其扭矩計(jì)算公式為：

TR·ZS-TS·ZR=0

(1)

式中:TR、TC、TS分別為齒圈、行星架和太陽(yáng)輪的扭矩。

根據(jù)行星齒輪組各組件的受力分析, 由力學(xué)平衡原理得：

TR+TC+TS=0

(2)

利用等效杠桿法對(duì)行星齒輪組各組件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,已知太陽(yáng)輪為輸入件, 行星架固定, 齒圈為輸出件, 則等效杠桿法分析的行星齒輪組各組件的轉(zhuǎn)速方向及對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示[3]。

圖3 等效杠桿法轉(zhuǎn)速分析

圖3比較直觀地表示行星齒輪組各組件的旋轉(zhuǎn)方向, 齒圈和行星輪與太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)方向相反, 分布于行星架的同一側(cè)。

本研究的主要內(nèi)容包括：①單排行星輪系原型選擇，②等效杠桿法實(shí)驗(yàn)裝置比例的設(shè)計(jì)， ③動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)演示中固定點(diǎn)與受力點(diǎn)變化時(shí)，杠桿長(zhǎng)度的變化，④結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)介

利用等效杠桿法的原理：將一個(gè)行星齒輪組簡(jiǎn)化為具有三個(gè)支點(diǎn)的等效杠桿, 三個(gè)支點(diǎn)分別代表太陽(yáng)輪、齒圈和行星架。用垂直布置的杠桿系等效代替行星齒輪組, 等效杠桿上的各點(diǎn)可以等效為行星齒組的各個(gè)旋轉(zhuǎn)件, 行星齒輪組的輸入、輸出和各組件的扭矩在等效杠桿系中用水平力表示[4]。

制作中，首先設(shè)計(jì)等效杠桿法的行星輪系原型，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的總體框架大小，按杠桿法的要求布置各支點(diǎn)、受力點(diǎn)的位置，選擇合適的材料對(duì)支點(diǎn)和受力點(diǎn)進(jìn)行活動(dòng)的調(diào)節(jié)。裝置的關(guān)鍵是隨著支點(diǎn)、受力點(diǎn)的變化，杠桿長(zhǎng)度在實(shí)時(shí)變化，實(shí)驗(yàn)裝置在任何位置下實(shí)現(xiàn)杠桿長(zhǎng)度的相應(yīng)位置非常關(guān)鍵。

對(duì)制作好的實(shí)驗(yàn)裝置，按照實(shí)驗(yàn)的要求進(jìn)行標(biāo)注，完成相應(yīng)的使用說(shuō)明書(shū)，學(xué)生即可利用線下實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)結(jié)合自動(dòng)變速器技術(shù)與最新的混合動(dòng)力技術(shù)中對(duì)動(dòng)力分流裝置的分析，為混合動(dòng)力車的核心動(dòng)力分流技術(shù)分解學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備，拓展大學(xué)生的線上學(xué)習(xí)視野和線下動(dòng)手能力。

在設(shè)計(jì)單排行星齒輪組實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，可以拓展為二排、三排等行星齒輪組的等效杠桿法實(shí)驗(yàn)裝置。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本課題的研究，拓展汽車學(xué)院學(xué)生的新技術(shù)視野，培育學(xué)生的創(chuàng)新精神、挑戰(zhàn)意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，提升專業(yè)綜合素質(zhì)，更好地為汽車行業(yè)的發(fā)展服務(wù)。

將理論學(xué)習(xí)與科研成果進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的過(guò)程，需要一定的理論基礎(chǔ)和扎實(shí)的實(shí)踐動(dòng)手制作能力。職業(yè)院校自動(dòng)變速器類、行星輪系類、混合動(dòng)力分流技術(shù)教學(xué)中涉及行星輪系傳動(dòng)的分析都可以用本實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、快速地完成教學(xué)。

[1]馮櫻. 運(yùn)用杠桿法計(jì)算汽車行星齒輪變速器的傳動(dòng)比[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008.9.

[2]何國(guó)旗，譚放鳴，等. 利用等效杠桿法分析自動(dòng)變速器行星齒輪傳動(dòng)[J]. 機(jī)械傳動(dòng), 2006.3.

[3]許愛(ài)芬，賈巨民，劉寧.基于改進(jìn)杠桿法的行星變速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案研究[J]. 軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào), 2014.7.

[4]李明圣. 杠桿法在復(fù)合輪系教學(xué)上的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2012.11，P175-177.

(編輯 文新梅)

Research on Planetary Gear Train Experiment Device Based on Equivalent Lever Method

SHEN Guosheng, ZHENG Yaojun

(Zhejiang Technical Institute of Economics, Hangzhou 310018, China)

The structure of planetary gear is complex and varied, and the running process of which has rotation and revolution. So in the theoretical design, the current relative scientific method is to use the equivalent lever method. Because the planetary gears are changing, in the actual teaching, how to demonstrate the equivalent lever through the experiment device is the difficulty. In this study, the experiment device with lever method is to shift the equivalent lever method theory into the auxiliary experiment teaching device with practical operation, to lay the foundation for the study of the planetary gear train, and get ready for the follow-up two rows, three rows and above of planetary gear train.

equivalent lever method; planetary gear train; experiment device

2017-3-21

沈國(guó)盛(1984—)。助理工程師。研究方向：汽車實(shí)訓(xùn)管理與研究。

TH132.4

A

1672-0601(2017)05-0082-03