行星齒輪開關變速器動力學仿真

史炎

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室）

雙離合自動變速器[1]作為換擋開關，由于結構的限制，只能使用2組同軸離合器，而且換擋過程中動力要中斷。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[2]。文章提出了一種直接將行星齒輪排作為換擋開關的變速器，行星齒輪排數量可以不受限制，實現了動力不中斷換擋，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 行星齒輪排對應一個主動齒輪結構

變速器有前進擋和倒車擋，前進擋又可細分成減速擋和超速擋。利用行星齒輪3個基本構件聯結輸出軸即可實現減速、超速及反轉功能，圖1示出一對一輸出行星齒輪開關變速器結構原理圖。

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做正向減速旋轉。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做正向加速旋轉。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做反向減速旋轉。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做反向加速旋轉，產生一個超速倒車擋。

行星齒輪開關變速器每個擋位均為2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3種方式獲得：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跨度范圍大，設置靈活，每個擋位傳動比都可以量體定做。

1.2 行星齒輪排對應多個主動齒輪結構

將2個A型結構行星齒輪同軸布置，如圖2所示。在每個行星齒輪排的行星架與主動齒輪群之間增加一個離合器，主/從齒輪使用往復式掛齒，在準備擋內，先斷開離合器再掛齒輪，然后再合上離合器，松開工作擋的制動器，同時制動準備擋的制動器就完成換擋過程。以后的過程同上所述，這種結構避免了嚙合沖擊，相當于雙離合變速器同步器的作用。同樣，A型結構可用B型或者C型結構代替。

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和機電系統運動學、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A型結構建立行星齒輪開關變速器第1擋和第2擋的模型，如圖3所示。二者的行星齒輪結構形式和參數相同，所有齒輪模數為3 mm，壓力角為20°，螺旋角為10°，齒寬為50 mm，表1示出模型的其余參數。

表1 行星齒輪開關變速器模型基本參數

2.2 變速器傳動參數驗證

在輸入軸上施加200 rad/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3種運行工況進行仿真模擬，獲得3種工況的參數，取轉速穩定后的值與理論值比較，分析結果，如表2所示。

圖2 行星齒輪開關變速器傳動參數驗證 rad/s

由表2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使用。

2.3 啟動性能模擬

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270 N·m的穩定扭矩，輸入軸保持在200 rad/s的恒定轉速，參照表2設置第1擋齒圈的輸入函數，在5 s內轉速先從空轉時的-88.889 rad/s降低到-10 rad/s，再降低到0。

第1擋齒圈靜止后啟動力矩達到最大，為輸入扭矩的8.67倍，如圖4所示，啟動力矩與第1擋齒圈轉速成線性反比例關系。

圖5示出第1擋從動齒輪圓周力啟動過程曲線。如圖5所示，齒輪圓周力遞增，最后停留在理論值9 601.9 N附近，第1擋齒圈轉速在-10 rad/s時，圓周力為8 513 N，只降低了11%。

可見，此種變速器的啟動過程與手動擋啟動過程相似，控制制動力矩，不抱死第1擋齒圈，使其以較低轉速運行，對汽車保持持續的較高啟動力矩。

2.4 換擋過程模擬

單排行星齒輪機構一般運動規律的特性方程為：

式中：n1，n2，n3——太陽輪、齒圈、行星架轉速，rad/s；

a——齒圈與太陽輪齒數比。

結合本模型，n1恒定，n2從 0變到-88.889 rad/s時，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6示出從第1擋變換到怠速時的輸出軸轉速曲線。

從圖6可以看出，在1.2 s內輸出軸轉速急劇下降。若在1.2 s內制動第2擋齒圈，則輸出軸轉速向第2擋變化，實現動力不中斷換擋。

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

圖7示出從第1擋變換到第2擋時的輸出軸轉速變化曲線，在此過程中，輸出軸轉速從-23.08 rad/s增加到-35.18 rad/s，在0.2 s內呈線性不間斷增加。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

文章依據行星齒輪開關變速器的結構原理，以SIMPACK軟件平臺構建了其仿真模型。通過對此仿真系統的計算分析得出：行星齒輪開關變速一對一結構反應快，齒圈可用非摩擦方式鎖定，適合全部車輛，而一對多結構由于摩擦離合器的存在，只適合輕型車輛；啟動性能分析表明，給行星齒輪開關變速器的第1擋設置較高的傳動比，可模擬手動擋起步，并可實現不間斷換任意擋。

行星齒輪作為離合器使用效果顯著，全部零件易于制造，由于其結構不使用液力變扭器和同步器，避開了我國自動變速器制造的短板。