新型差動(dòng)機(jī)構(gòu)變速器

張偉峰，張 濤

（長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安710054）

0 引言

隨著機(jī)械的發(fā)展，變速器越來越普遍使用。但國內(nèi)變速器的研究都是針對單一動(dòng)力源的變速器。單一動(dòng)力源的變速器，驅(qū)動(dòng)無需合成，只需設(shè)計(jì)帶系或齒輪系等進(jìn)行變速，設(shè)計(jì)思路簡單但可靠性低。例如郜振海和李麗艷設(shè)計(jì)研究了小轎車機(jī)械式變速器[1]；唐志榮等對間接式無級變速器設(shè)計(jì)開發(fā)與性能驗(yàn)證[2]；華南理工大學(xué)廣東省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對一種純電動(dòng)汽車動(dòng)力換擋式機(jī)械變速器的研究[3]。此外對于差動(dòng)機(jī)構(gòu)，國內(nèi)外也皆是將差動(dòng)機(jī)構(gòu)放置于單一速度下應(yīng)用，并未分析差動(dòng)機(jī)構(gòu)在變速條件下的運(yùn)用。例如將差動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)合成[4]、火炮補(bǔ)彈系統(tǒng)[5]。本文將差動(dòng)機(jī)構(gòu)放置于雙動(dòng)力源環(huán)境下，提出新型差動(dòng)機(jī)構(gòu)變速器。運(yùn)用差動(dòng)機(jī)構(gòu)合成運(yùn)動(dòng)的功能，將兩個(gè)動(dòng)力源的速度合成為一個(gè)輸出速度。借助雙動(dòng)力源轉(zhuǎn)速的不同，從而得到不同輸出速度，實(shí)現(xiàn)變速。這種變速器因其雙動(dòng)力源，則可靠性增倍，避免因驅(qū)動(dòng)損壞而造成的經(jīng)濟(jì)損失；因差動(dòng)機(jī)構(gòu)的合成功能，則變速器在變速時(shí)運(yùn)行依然平穩(wěn)。

1 新型差動(dòng)輪系變速器的機(jī)構(gòu)

圖1是本文所介紹的變速器的簡易機(jī)構(gòu)圖（只為介紹差動(dòng)機(jī)構(gòu)，不作為實(shí)物參考）。需要補(bǔ)充說明的是1，6是一個(gè)零件，稱內(nèi)外齒圈，外齒由6表示，內(nèi)齒由1表示；同理內(nèi)外齒圈4，8中，外齒由8表示，內(nèi)齒由4表示。圖中齒輪2代表三個(gè)分布在內(nèi)齒圈1的齒輪（為星形排布），并于內(nèi)齒圈1內(nèi)嚙合，其余兩個(gè)未畫出。齒輪3，4的狀態(tài)與齒輪2，1相似，不再贅述。齒輪2，3兩兩外嚙合，是錯(cuò)位分布，圖中用“//”，表示其錯(cuò)位嚙合。H 為機(jī)架，也是輸出軸。5，7 齒輪分別與外齒圈8，6形成外嚙合，傳動(dòng)比大小使用者可根據(jù)實(shí)際情況自行安排，本文不作敘述。

圖1 差動(dòng)輪系變速器簡易機(jī)構(gòu)

2 新型差動(dòng)輪系變速器的機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

設(shè)計(jì)的差動(dòng)機(jī)構(gòu)有2個(gè)動(dòng)力源，如圖1中M1與M2所示。通過改變2臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速大小，即可使輸出軸H由不同的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)方向。具體細(xì)節(jié)見2.2節(jié)。

與常見的變速機(jī)構(gòu)相比，本文所提供的裝置在變速時(shí)，不再需要滑移齒輪，相對穩(wěn)定性較好。而且每對齒輪時(shí)刻處于嚙合狀態(tài)，因此在變速過程中，不會(huì)有中斷出現(xiàn)，變速穩(wěn)定，可靠性高。

2.1 新型差動(dòng)輪系變速器的理論基礎(chǔ)

圖2所示的是2K-H（NGW）[6]型差動(dòng)輪系。本文所提出的新型差動(dòng)輪系變速器便是在此基礎(chǔ)上改進(jìn)而成。

圖2 NGW型差動(dòng)輪系

NGW中轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系滿足下式：

在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)本文所提出的差動(dòng)輪系變速器的轉(zhuǎn)速關(guān)系式：

在不計(jì)嚙合損失和摩擦損失的條件下，其扭矩滿足：

由此就推導(dǎo)出其轉(zhuǎn)速關(guān)系式（4）和扭矩關(guān)系式（5）。根據(jù)這兩個(gè)式子，就可將此變速器應(yīng)用于實(shí)際問題。

本文主要是新型差動(dòng)輪系變速器的機(jī)構(gòu)研究，因此不考慮其振動(dòng)與偏移。并且此處齒輪的選取，內(nèi)外齒圈1，6與內(nèi)外齒圈4.8相同，齒輪2與齒輪3相同。

2.2 不同狀態(tài)下變速器的運(yùn)動(dòng)情況分析

由于兩個(gè)動(dòng)力源的轉(zhuǎn)速大小和轉(zhuǎn)速方向的有多種組合方式，因此n1、n4轉(zhuǎn)速的組合方式也有多種。以下分析在n1、n4的不同組合方式下，變速器的運(yùn)動(dòng)情況。

1）n1=n4且旋向相同

此時(shí)H軸的轉(zhuǎn)速最大即：n1=n4=nH。此時(shí)內(nèi)外齒圈 1，4、齒輪 2，3、軸 H 同步旋轉(zhuǎn)，齒輪 1，4 與齒輪2，3之間沒有相對運(yùn)動(dòng)，而且齒輪2，3之間也沒有相對運(yùn)動(dòng)。齒輪2，3在這種情況下可以看作自鎖機(jī)構(gòu)。

2）n1>n4且旋向相同

此時(shí)H軸的轉(zhuǎn)速計(jì)算可以根據(jù)式（4）計(jì)算。內(nèi)外齒圈 1，4、齒輪 2，3、軸 H 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒輪 2，3 在公轉(zhuǎn)的同時(shí)，兩者之間也進(jìn)行外嚙合的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種情況下齒輪2，3機(jī)構(gòu)作為合成器使用，在齒圈1，4中起緩沖使用。

3）n1≠0，n4＝ 0

此時(shí)H軸的轉(zhuǎn)速由式（4）可以計(jì)算得到。此時(shí)齒圈1，4、齒輪2，3的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與2）相同，但速度有變化。讀者若是有興趣可根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》[7]或式（1），（2）進(jìn)行計(jì)算比對。

此時(shí)H軸的轉(zhuǎn)速由式（4）可以計(jì)算得到，但需要注意的是帶入n4的數(shù)值時(shí)，應(yīng)為負(fù)數(shù)。此時(shí)齒圈1，4的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與3）類似。

此時(shí)H軸的轉(zhuǎn)速為0，是一種空載狀態(tài)。此時(shí)和：n1=n4＝0的輸出狀態(tài)相同，但不同的是，齒圈1，4之間有相對轉(zhuǎn)動(dòng)。而齒輪2，3只是自轉(zhuǎn)不再進(jìn)行公轉(zhuǎn)，此時(shí)齒輪2，3的只是傳遞的運(yùn)動(dòng)。

以上為輸出軸H與n1的旋向相同的狀態(tài)，若是希望達(dá)到H反向旋轉(zhuǎn)并有不同轉(zhuǎn)速，只需要，并且控制其旋向即可。

3 運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真

圖3 nH的四維速度圖

根據(jù)圖3可以直觀地看出，其輸出速度nH和輸入速度 n1，n4，和齒數(shù)比值=m之間的關(guān)系。定性分析：當(dāng)m為定值時(shí)，輸出軸轉(zhuǎn)速nH隨著輸入速度n1，n4的增大而增大。定量分析：由式（4）進(jìn)行精確計(jì)算。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

要求設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速大小為100 r/min，200 r/min，300 r/min的一種變速器，并且速度方向可以變化。

設(shè)計(jì)過程如下：

（1）為使機(jī)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選取對稱結(jié)構(gòu)。

（2）計(jì)算轉(zhuǎn)速：根據(jù)式（4）和設(shè)計(jì)的速度要求，則有

最大轉(zhuǎn)速：n1+n4=2×300＝600 r/min

中間轉(zhuǎn)速：n1+n4=2×200＝400 r/min

最小轉(zhuǎn)速：n1+n4=2×100＝200 r/min

因此可以設(shè)計(jì)：n1＝ 400 r/min；n2＝ 200 r/min

（3）粗選齒輪5與齒輪8，齒輪7與齒輪6之間的傳動(dòng)比為1.5，此時(shí)交流電動(dòng)機(jī)M1的轉(zhuǎn)速為600 r/min，M2的轉(zhuǎn)速為 300 r/min。

（4）結(jié)果分析：

M1，M2正轉(zhuǎn)時(shí)，nH=300 r/min；M1正轉(zhuǎn)，M2不轉(zhuǎn)時(shí)，nH=200 r/min；M1正轉(zhuǎn)，M2反轉(zhuǎn)時(shí)，nH=100 r/min；反方向時(shí)，只需將M1，M2方向調(diào)整即可。因此設(shè)計(jì)滿足要求。

以上所設(shè)計(jì)的新型差動(dòng)機(jī)構(gòu)減速器，不僅滿足多級速度的平穩(wěn)更換，而且更是提高了結(jié)構(gòu)的可靠性?，F(xiàn)在已投入使用，并且對實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)測試。結(jié)果表明，在多級調(diào)速的過程中，機(jī)構(gòu)運(yùn)行的非常平穩(wěn)；并且當(dāng)突然關(guān)閉一個(gè)動(dòng)力源時(shí)，機(jī)構(gòu)依然平穩(wěn)的運(yùn)行，其可靠性得以驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

本文在NGW型差動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種新型的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，擁有多級變速的功能，使用者可以通過改變輸入轉(zhuǎn)速的大小、方向，以獲得滿意的輸出狀態(tài)。而且當(dāng)使用者變速時(shí)，機(jī)構(gòu)之間的沖擊力幾乎可以忽略，變速非常平穩(wěn)。此外本機(jī)構(gòu)也可作為部分機(jī)構(gòu)嵌入到另外的不同機(jī)構(gòu)中，也會(huì)得到不同的效果。