平行軸行星齒輪變速器結構與仿真

史 炎

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

平行軸行星齒輪變速器結構與仿真

史 炎

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

本文提出一種新型自動變速器，動力由行星齒輪輸出端通過一對相互嚙合的圓柱齒輪傳遞到輸出軸，控制制動器換擋。基于SIMPACK軟件平臺，建立變速器的仿真模型，依據仿真模型對車輛的起動、換擋動態性能進行仿真。仿真結果表明，此變速器起動時扭矩增長可控，換擋過程動力不中斷。

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速范圍內，實現從發動機動力向汽車驅動力的最優轉換，現有行星齒輪變速器的各個擋位傳動比互相關聯、分配缺乏靈活性，難以根據發動機特性曲線為各個擋位安排最佳的傳動比。由于換擋需要換擋離合器和換擋制動器協作，所以擋位越多，需要參與的換擋離合器和換擋制動器就越多。雙離合變速器換擋過程動力要中斷，而且使用的同步器由八個精密零件組成，結構復雜。本文提出了一種將行星齒輪輸出軸通過圓柱齒輪聯接到變速器的輸出軸，構成一種新型變速器---平行軸行星齒輪變速器（以下簡稱PAPT變速器），采用SIMPACK軟件建立該變速器模型進行動力學仿真模擬，取得了預期的效果。

1、結構與工作原理

1.1 PAPT變速器三個基礎結構及功能擴展

變速器有前進擋、倒車擋，前進擋又可細分成減速擋、超速擋。利用行星齒輪三個基本構件聯結輸出軸即可實現減速、超速、反轉功能。PAPT變速器基礎結構如圖1所示。

圖1中，從動齒輪都固定在輸出軸上，從動齒輪與對應的主動齒輪常嚙合。A型結構中，輸入軸與行星齒輪排的太陽輪共軸同步旋轉、行星架與主動齒輪共軸同步旋轉，制動齒圈，行星架與主動齒輪一起作正向減速旋轉。B型結構中，輸入軸與行星齒輪排的行星架共軸同步旋轉、太陽輪與主動齒輪共軸同步旋轉，制動齒圈，太陽輪與主動齒輪一起作正向加速旋轉。C型結構中，輸入軸與行星齒輪排的太陽輪共軸同步旋轉、齒圈與主動齒輪共軸同步旋轉， 制動行星架，齒圈與主動齒輪一起作反向減速旋轉。此外，若輸入軸與行星齒輪排的齒圈共軸同步旋轉、太陽輪與主動齒輪共軸同步旋轉，制動行星架，太陽輪與主動齒輪一起作反向加速旋轉，產生一個超速倒車擋。

每個擋位均為二級減速模式，行星齒輪減速和齒輪減速，總傳動比為二者傳動比之積。各個擋位的傳動比通過以下方式獲得:

①只改變行星排的傳動比；

②只改變主、從齒輪的傳動比；

③同時改變行星排和外接齒輪的傳動比。

可見，以這種方式獲得的各個擋位傳動比，其跨度范圍大，設置靈活，每個擋位傳動比都可以量體定做。

例如，A型結構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給出了一種前進擋齒輪組合參數，其中太陽輪、行星齒輪、齒圈的齒數分別為48、30、108，

表1 前進擋齒輪組合

主、從齒輪位置對調，產生新的傳動比，這能減少齒輪的規格。

1.2 工作原理

PAPT變速器通過制動器選擇擋位，每個擋位對應一個制動器，各個制動器無動作時相當于掛空擋，制動哪個擋位就啟用哪個擋位的轉速比，既可順序換擋，也可換任意擋。

2、動力學仿真

2.1 建立樣機模型

SIMPACK軟件是德國開發的針對機械、機電系統運動學、動力學仿真分析的多體動力學分析軟件包。本仿真在SIMPACK環境里進行，用其自帶的齒輪模塊按表1所述的A型結構建立PAPT變速器的第1擋、第2擋的模型，二擋的行星齒輪結構形式和參數相同，如圖2所示，所有齒輪模數、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。

表2 模型基本參數

2.2 變速器傳動參數驗證

在輸入軸上施加200rad/s的轉速驅動，輸出軸固定。分別以制動第1擋齒圈、第2擋齒圈和制動器全松開三種運行工況進行仿真模擬，獲得三種工況的參數，取轉速穩定后的值與理論值比較，分析結果列于表3。

表3 傳動參數驗證

由表3可知，仿真參數與理論參數高度一致，模型正確，空轉工況數據供后續分析用。

2.3 起動性能模擬

模擬運行狀態從發動機怠速變換到第1擋的過程，對輸入軸施加270N.m的穩定扭矩，輸入軸保持200rad/s的恒定轉速，參照表3設置第1擋齒圈的輸入函數，在5秒內轉速從空轉時的-88.889rad/s降低到-10rad/s，再變降低到0。

第1擋齒圈靜止后起動力矩達到最大，為輸入扭矩的8.67倍，如圖3所示，起動力矩與第1擋齒圈轉速成線性反比例關系。

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擋齒圈轉速在-10rad/s時，圓周力為8513N，只降低了11%。

可見，PAPT變速器的起動過程與手動擋起步過程相似，控制制動力矩，不抱死第1擋齒圈，使其以較低轉速運行，對車輛保持持續的較高起動力矩。

2.4 換擋過程模擬

結合本模型，按照單排行星齒輪機構一般運動規律的特性方程:

可知，輸入軸轉速n1恒定時，齒圈轉速n2從0變到-88.889rad/s時，行星架轉速n3呈非線性下降，由行星架驅動的輸出軸轉速也是非線性曲線。

圖5所示為從第1擋變換到怠速時的輸出軸轉速曲線，在1.2秒內輸出軸轉速急劇下降，若在1.2秒內制動第2擋齒圈，則輸出軸轉速向第2擋變化，實現動力不中斷換檔。

模擬第1擋在0.2秒時間內轉換到第2擋，參照表3設置第1擋齒圈輸入函數在0.2秒內轉速從0上升到46.68rad/s；設置第2擋齒圈輸入函數在0.1秒內轉速由-30.57rad/s下降到0。

由圖6可見，從第1擋換到第2擋過程中，輸出軸轉速在0.2秒時間內線性不間斷增加，從-23.08rad/s增加到-35.18 rad/s。實際上，第2擋齒圈制動器介入后，第1擋齒圈制動器應該迅速放松，避免運動干涉。

3、結論

（1）平行軸行星齒輪變速器所用零件種類少，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建不同的傳動比。在不改變外觀尺寸的情況下，改變太陽輪和行星輪的齒數也能實現不同的傳動比。

（2）起動性能分析表明:給平行軸行星齒輪變速器的第1擋設置較高的傳動比，可模擬手動擋起步過程。

（3）換擋策略簡單:只需協調使用擋和期望擋的二個換擋制動器的動作。

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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牽引動力國家重點實驗室，主要研究方向為車輛工程。