复合行星齿轮变速器传动比分析.doc
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1、本本科科毕毕业业论论文文 题目名称:题目名称:复合行星齿轮变速器传动比的分 析与计算方法的探讨 学学 院:院: 专业年级:专业年级: 学生姓名:学生姓名: 班级学号:班级学号: 指导教师:指导教师: 二 XXX 年 六 月 十 日 摘要 I- - 摘要摘要 通过实际调研,汽车自动变速器的结构复杂,工作过程难于理解,主要是因为该类 型变速器传动比的分析与计算较为复杂。本文从阐述辛普森式和拉维奈尔赫式两大典型 行星齿轮机构入手,对行星架与太阳轮和齿圈的三者之间的传动比关系进行了数学推导 和论证,使单排行星齿轮机构的传动比计算,转化为一般的定轴轮系计算。其约束行星 排仍采用一般的定轴轮系计算方法,然
2、后将设定值和求出值代入动力排,尽而求出复合 行星齿轮机构传递动力时所形成的传动比。此种复合式行星齿轮机构传动比的求解方法 较用解联立方程组的求解方法,更为简单方便 ,易于掌握。这对迅速掌握该类型变速 器结构原理,提高维修能力,具有十分重要的意义。 关键词关键词 自动变速器;传动比;分析与计算 大学本科毕业论文 - -II Abstract Through practical research , for the analysis and calculation of transmission are more complex,the automotives transmission struc
3、ture is more complex than others ,and the work processes is difficult to understand .This paper analyze and study the transmission ratio relationship among the planet 、the sun wheel and the ring gear , so that the single-gear ranked the transmission ratio changes into a general round of the axis of
4、calculation . Bounded by its planetary line still use the general calculation methods of the axis calculation methods, and then we can put the setting value and sought value into the power row, finally calculate the transmission ratio when the complex planetary gear mechanism transfers power. Its mu
5、ch easier to use the simultaneous equations to solve such compound planetary gear transmission institutions ratio, and we could understand it easily and conveniently. It makes great significance for me to improve the maintenance capacity, as well as to grasp the principle of this types transmission
6、structure rapidly. Keywords automatic transmission;ratio;analysis and calculation 目录 I- - 目录目录 摘要摘要 .I Abstract.II 1 绪论绪论.2 1.1 课题的意义 .2 1.2 国内外研究概况 .2 1.3 本课题研究内容 .3 2 基础知识介绍基础知识介绍.4 2.1 自动变速器 .4 2.2 自动变速器的工作过程 .6 2.3 复合行星齿轮机构的自由度 .7 3 行星齿轮机构的结构和工作原理行星齿轮机构的结构和工作原理.9 3.1 行星齿轮机构的组成 .9 3.2 单排行星齿轮机构的传动
7、比与运动规律 .9 3.3 辛普森式行星齿轮机构的传动比与运动规律 .10 3.4 拉维奈尔赫式行星齿轮机构的传动比与运动规律 .11 4 速器传动比的典型分析速器传动比的典型分析.13 4.1 辛普森式行星齿轮变速器传动比分析与计算 .13 4.2 拉维奈尔赫式行星齿轮变速器传动比分析与计算 .16 结论结论.18 参考文献参考文献.19 致谢致谢.20 大学本科毕业论文 - -2 1 绪论绪论 1.1 课题的意义课题的意义 汽车自动变速器的广泛应用,使汽车具有了更好的驾驶性能。这主要表现在当发动 机处于非经济转速区域与处于经济转速区域内运转相比较,其油耗相差近一倍。此外, 变速器档位不同,
8、传动效率的高低也有所不同。因此,要让汽车在每一种负载、路况下 都能兼顾发动机的最低油耗和变速器的最高效率。依靠自动变速技术,按照预先设定的 最佳规律变换档位就能得已实现。 自动变速器的应用,使变速器的档位变换既快又平稳,汽车的乘坐舒适性。通过液 力传动及微电脑控制换档,消除或降低了动力传递系统中的冲击和动载,使汽车的行驶 性能更加良好。 在提高车辆安全性上,由于减少了烦琐操作的换档动作,减少了驾驶时注意力的分 散,减轻了劳动强度,降低了行车事故,保证了行车安全,提高了平均车速。 由于发动机总处于经济转速范围内工作,避开了怠速和高速下运转,使排放的有害 气体显著减少,从而降低了排放污染。正式由于
9、自动变速器的诸多优点,使的该类型变 速器得以更广泛的应用。但由于自动变速器结构复杂,直观理解性差,也给掌握该类型 变速器的正确使用,故障分析与诊断,以及给维修工作增加了很多麻烦。简单快捷掌握 自动变速器传动比的计算与分析方法,是熟悉该类型变速器结构原理最行之有效的手段。 1.2 国内外研究概况国内外研究概况 通过这些天的上网查找和对相关质料与书籍的阅读,对传动比有了一定的了解。无 论是在国外还是国内对传动比的计算并没有什么区别基本是一样的。主要有以下几种方 法: 第一种计算方法-转化机构法 基本思想是:根据相对原理,给整个行星齿轮传动比加一个与行星架的加速度大小 相等方向相反的公共角速度,而各
10、个构件之间的相对运动关系不变,但行星架就变成不 动的构件了,于是,该行星齿轮传动就转化为定轴齿轮传动,这样就可以用定轴齿轮传 动比的公式计算了。 第二种计算方法-力矩法 对于单行星排,Mo=-aMi,而输入的力矩 Mi 一般为已知的,所以只需要求出 Mo 便可 以求出传动比i。 1 绪论 3- - 如果是n行星排m个构件的;就要列出n个行星排内力矩关系式与m个构件的力 矩平衡方程,组成 2n+m个独立的线性方程,就可以解传动比了。 第三种反方法-速度图解法 (1)找出行星排的等速点和零速点; (2)绘出各个构件的速度三角形。 其转速分别用相应角的正切值来表示。最后根据三角形的相关知识,求出传动
11、比。 1.3 本课题研究内容本课题研究内容 (1)先讲一下单排行星齿轮机构的传动比的计算; (2)再以多排辛普森式行星齿轮机构和拉维奈尔赫式行星齿轮机构为例进一步对 传动比的计算进行推导与论证; (3)分析其它复合行星齿轮传动比的计算方法并指出它们的不足,进而提出我的 一些想法与见解。这也是我研究的关键问题。 大学本科毕业论文 - -4 2 基础知识介绍基础知识介绍 2.1 自动变速器自动变速器 自动变速器具有操作容易、驾驶舒适、能减少驾驶者疲劳的优点,已成为现代轿车 配置的一种发展方向。装有自动变速器的汽车能根据路面状况自动变速变矩,驾驶者可 以全神贯注地注视路面交通而不会被换档搞得手忙脚乱
12、。 自动变速器的厂牌型号很多,外部形状和内部结构也有所不同,但它们的组成基本 相同,都是由液力变矩器和齿轮式自动变速器组合起来的。常见的组成部分有液力变矩 器、行星齿轮机构、离合器、制动器、油泵、滤清器、管道、控制阀体、速度调压器等, 按照这些部件的功能,可将它们分成液力变矩器、变速齿轮机构、供油系统、自动换档 控制系统和换档操纵机构等五大部分。本文主要对液力变矩器和齿轮式自动变速器进行 介绍研究。 1、液力变矩器 液力变矩器安装在发动机和变速器之间,以液压油(ATF)为工作介质,起传递转 矩,变矩,变速及离合的作用。位于自动变速器的最前端,安装在发动机的飞轮上,其 作用与采用手动变速器的汽车
13、中的离合器相似。它利用油液循环流动过程中动能的变化 将发动机的动力传递自动变速器的输入轴,并能根据汽车行驶阻力的变化,在一定范围 内自动地、无级地改变传动比和扭矩比,具有一定的减速增扭功能。 液力变矩器不同于液力耦合器的主要特征是它具有固定的导轮。导轮对液体的导流 作用使液力变矩器的输出扭矩可高于或低于输入扭矩,因而称为变矩器。输出扭矩与输 入扭矩的比值称变矩系数,输出转速为零时的零速变矩系数通常约 26。变矩系数随输 出转速的上升而下降。液力变矩器的输入轴与输出轴间靠液体联系,工作构件间没有刚 性联接。液力变矩器的特点是:能消除冲击和振动,过载保护性能和起动性能好;输出 轴的转速可大于或小于
14、输入轴的转速,两轴的转速差随传递扭矩的大小而不同;有良好 的自动变速性能,载荷增大时输出转速自动下降,反之自动上升;保证动力机有稳定的 工作区,载荷的瞬态变化基本不会反映到动力机上。液力变矩器在额定工况附近效率较 高,最高效率为 8592。叶轮是液力变矩器的核心,它的型式和布置位置以及叶片的 形状,对变矩器的性能有决定作用。有的液力变矩器有两个以上的涡轮、导轮或泵轮, 借以获得不同的性能。最常见的是正转(输出轴和输入轴转向一致)、单级(只有一个涡 轮)液力变矩器。兼有变矩器和耦合器性能特点的称为综合式液力变矩器,例如导轮可 2 基础知识介绍 5- - 以固定、也可以随泵轮一起转动的液力变矩器。
15、为使液力变矩器正常工作,避免产生气 蚀和保证散热,需要有一定供油压力的辅助供油系统和冷却系统。 普通液力变矩器由可转动的泵轮和涡轮,以及固定不动的导轮这三个基本元件组成。 汽车所用液力变矩器的工作轮一般都是钢板冲压焊接而成,而工程机械和一些军用车辆 所用液力变矩器的工作轮则是用铝合金精密铸造成的。液力变矩器输出转矩与输入转矩 之比为变矩系数 k , 液力变矩器涡轮与泵轮转速之比为 ,涡轮输出功率与泵轮输入 功率之比 为变矩器效率,泵轮输入转矩为 MB。如图 1 为三元件综合式液力变矩器特 性。 ,K 效率 图 1 液力变矩器特性 依据变矩器特性可知,在转速比 进入耦合工况之前,变矩系数 K 都
16、大于 1。在车 辆起步时,一般输出转矩较输入转矩增加23倍。在同类车型中采用自动变速器与手动 变速器相比,最低档的传动比要小。 2、变速齿轮机构 自动变速器中的变速齿轮机构所采用的型式有普通齿轮式和行星齿轮式两种。采用 普通齿轮式的变速器,由于尺寸较大,最大传动比较小,只有少数车型采用。目前绝大 多数轿车自动变速器中的齿轮变速器采用的是行星齿轮式。 变速齿轮机构主要包括行星齿轮机构和换档执行机构两部分。 行星齿轮机构,是自动变速器的重要组成部分之一,主要由于太阳轮(也称中心轮) 、内齿圈、行星架和行星齿轮等元件组成。行星齿轮机构是实现变速的机构,速比的改 变是通过以不同的元件作主动件和限制不同
17、元件的运动而实现的。在速比改变的过程中, 整个行星齿轮组还存在运动,动力传递没有中断,因而实现了动力换档。 换档执行机构主要是用来改变行星齿轮中的主动元件或限制某个元件的运动,改变 动力传递的方向和速比,主要由多片式离合器、制动器和单向超越离合器等组成。离合 大学本科毕业论文 - -6 器的作用是把动力传给行星齿轮机构的某个元件使之成为主动件。制动器的作用是将行 星齿轮机构中的某个元件抱住,使之不动。单向超越离合器也是行星齿轮变速器的换档 元件之一,其作用和多片式离合器及制动器基本相同,也是用于固定或连接几个行星排 中的某些太阳轮、行星架、齿圈等基本元件,让行星齿轮变速器组成不同传动比的档位。
18、 汽车自动变速器常见的有三种型式:分别是液力自动变速器(AT)、机械无级自动变 速器(CVT)、电控机械自动变速器(AMT)。目前轿车普遍使用的是 AT,AT 几乎成为自动 变速器的代名词。 多数电控自动变速器都是由复合式行星齿轮机构组成。一般设置 34 个前进档和 1 个倒档。并要求各档的转速比都能使发动机总在一定转速范围内加速,这样才能保证加 速过程最快,提高平均行驶速度。即符合: i1/i2=i2/i3=常数 考虑到换档过程中,由于空气和道路阻力的作用,在空档的一瞬间车速会下降,所 以靠近高档的邻档公比应比靠近低档的小。同时由于受到齿轮结构因素的限制,各档的 几何级数也不可避免也要发生一
19、些差异。这也提示我们在分析复合式行星齿轮机构变速 器时,过大或过小的传动比不符和有级变速器设计的一般规律,是没有应用价值的。 2.2 自动变速器的工作过程自动变速器的工作过程 自动变速器之所以能够实现自动换档是因为工作中驾驶员踏下油门的位置或发动机 进气歧管的真空度和汽车的行驶速度能指挥自动换档系统工作,自动换档系统中各控制 阀不同的工作状态将控制变速齿轮机构中离合器的分离与结合和制动器的制动与释放, 并改变变速齿轮机构的动力传递路线,实现变速器档位的变换。 传统的液力自动变速器根据汽车的行驶速度和节气门开度的变化,自动变速档位。 其换档控制方式是通过机械方式将车速和节气门开度信号转换成控制油
20、压,并将该油压 加到换档阀的两端,以控制换档阀的位置,从而改变换档执行元件(离合器和制动器) 的油路。这样,工作液压油进入相应的执行元件,使离合器结合或分离,制动器制动或 松开,控制行星齿轮变速器的升档或降档,从而实现自动变速。 电控液力自动变速器是在液力自动变速器基础上增设电子控制系统而形成的。它通 过传感器和开关监测汽车和发动机的运行状态,接受驾驶员的指令,并将所获得的信息 转换成电信号输入到电控单元。电控单元根据这些信号,通过电磁阀控制液压控制装置 的换档阀,使其打开或关闭通往换档离合器和制动器的油路,从而控制换档时刻和档位 的变换,以实现自动变速。 2 基础知识介绍 7- - 2.3
21、复合行星齿轮机构的自由度复合行星齿轮机构的自由度 单排单行星齿轮机构如图 2 所示。该机构有 4 个活动构件(太阳轮 1、行星架 2、 行星齿轮 3 和齿圈 4,即太阳轮、齿圈、行星架组合件 3 个独立元件组成。 即机构自由度: F=3n-2PL-PH =34-24-2 =2 式中:n活动机构数 PL低副数 PH 高副数 图 2 单排单行星齿轮机构 该机构有两个自由度,一般也称差动轮系。如果不对其中一个自由度加以限制或约 束,该机构将无法传递动力。由于单排单行星齿轮机构所能提供的变速比十分有限,所 以通常在汽车自动变速器中多采用多排行星齿轮机构。 辛普森式行星齿轮机构如图 3 所示。该机构特点
22、是前后行星排太阳轮连为一体,称 为太阳轮组件 1,前齿圈和后行星架连为一体,称齿圈行星架组件 4。该机构由 6 个活 动构件组成。 即机构自由度: F=3n-2Pl-Ph =36-26-4 =2 大学本科毕业论文 - -8 图 3 辛普森式行星齿轮机构 1前齿圈 2太阳轮组件 3行星齿轮 4后行星架 5前行星架和后齿圈组件 该机构经过组合具有 4 个独立构件,2 个自由度。 拉维奈尔赫式行星齿轮机构如图 4 所示。该机构特点是前后行星排共用一个齿圈, 后排行星轮机构具有双行星轮 4 和 6,长行星轮 4 为前、后行星排共用,行星架 3 也是 双行星轮共用。通过组合,机构有 6 个活动构件与 4
23、 个独立元件,分别是前大太阳轮、 后小太阳轮、行星架组件和齿圈。该机构也是 2 个自由度。 图 4 拉维奈尔赫式行星齿轮机构 1前太阳轮 2后太阳轮 3行星架 4短行星轮 5长行星轮 6齿圈 3 行星齿轮机构的结构和工作原理 9- - 3 行星齿轮机构的结构和工作原理行星齿轮机构的结构和工作原理 3.1 行星齿轮机构的组成行星齿轮机构的组成 行星齿轮机构有很多不同的类型。其中最为简单的行星齿轮机构是由一个太阳轮、 一个齿圈、一个行星架及若干个行星齿轮组成,一般称为单排行星齿轮机构。太阳轮、 齿圈和行星架是行星排的三个基本构件,并且它们具有公共的固定轴线。行星齿轮安装 与行星架的行星齿轮轴上,与
24、齿圈和太阳轮两者啮合。行星齿轮即可围绕行星齿轮轴旋 转,又可在齿圈内行走,围绕太阳轮旋转。 按照齿轮的排数不同,行星齿轮机构又分为单排行星齿轮机构和多排行星齿轮机构。 汽车自动变速器中的行星齿轮变速器采用的就是多排行星齿轮机构。 按照太阳轮和齿圈之间行星齿轮的组数不同,行星齿轮机构又分为单行星排和双行 星排。上面所说的全是单行星排,而双行星排在太阳轮和齿圈之间有两组相互啮合的行 星齿轮,其中一组行星轮与齿圈啮合,里面的一组行星轮与太阳轮啮合。 3.2 单排行星齿轮机构的传动比与运动规律单排行星齿轮机构的传动比与运动规律 根据能量守恒定律,由作用在该机构个元件上的力矩和结构参数可以导出表示单排
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