单排行星齿轮机构动力传递方式分析方法

甘守武，陈志军，张 楠

（重庆电子工程职业学院 汽车工程系，重庆401331）

单排行星齿轮机构动力传递方式分析方法

甘守武，陈志军，张 楠

（重庆电子工程职业学院 汽车工程系，重庆401331）

由于传统的单排行星齿轮机构动力传递方式分析方法十分抽象，学生不易理解，论文通过对单排行星齿轮机构的结构及其运动特性方程式的分析，得出单排行星齿轮机构三元件之间的结构关系推论，并以此为依据，分析单排行星齿轮机构动力传递方式，让学生易于掌握。

单排行星齿轮；动力传递方式；分析方法

1 引言

目前，行星齿轮自动变速器汽车由于操作方便，省力，舒适等优点，越来越受驾驶者青睐，市场保有量也在急剧上升。所以，作为汽车专业教师，在重点讲解手动变速器的同时，也应该把自动变速器作为重点来讲解，而不只是简单介绍其基本原理。行星齿轮变速器的机械传动部分主要是行星齿轮机构，要掌握行星齿轮自动变速器的工作原理，就必须先掌握单排行星齿轮机构的动力传递方式。而各大教材在讲解单排行星齿轮机构的动力传递方式时，传统的分析方法主要是以单排行星齿轮机构运动特性方程式为主要依据，推导不同的动力传递方式，也有文献使用了速度图解法分析了单排行星齿轮的运动关系[1]。这些分析方法适合于理论研究者学习，但是对于大多数学生而言，过于抽象，不易掌握。这种情况导致了老师在引导学生分析自动变速器的档位时就会更加困难。

2 单排行星齿轮机构的基本结构

如图1所示，单排行星齿轮是由一个太阳轮、一个齿圈、一个行星架和支承在行星架上的行星轮组成。太阳轮位于机构的中心，行星轮与之外啮合；齿圈制有内齿，行星轮与之内啮合。通常行星轮有3-6个，通过滚针轴承安装在行星齿轮轴上，行星齿轮轴对称、均匀地安装在行星架上[2]。行星齿轮机构工作时，行星轮除了绕自身轴线的自转外，同时还可绕太阳轮公转，行星架也绕太阳轮旋转。由于太阳轮与行星轮是外啮合，所以二者的旋转方向是相反的；而行星轮与齿圈是内啮合，这二者的旋转方向是相同的。通常把太阳轮、齿圈和行星架称为三个基本元件。

图1 单排行星齿轮机构的结构

3 传统的动力传递方式分析方法

传统的单排行星齿轮机构动力传递方式分析方法主要是以其运动特性方程式为依据，方程如下：

通过对机构的不同元件进行约束和限制，可以得到以下不同的动力传递方式：

1）固定太阳轮（n1=0），行星架主动，齿圈从动：将 n1=0代入式（1），得：

由式（2）得出传动比小于1，即为同向增速运动。

2）固定太阳轮（n1=0），齿圈主动，行星架从动：将 n1=0 代入式（1），得：

由式（3）得出传动比大于1，即为同向减速运动。

3）齿圈固定（n2=0），行星架主动，太阳轮输出：将 n2=0 代入式（1），得

由式（4）得出传动比小于1，即为同向增速运动。

4）固定齿圈（n2=0），太阳轮主动，行星架从动：将 n3=0代入式（1），得：

由式（5）得出传动比大于1，即为同向减速运动。

5）固定行星架（n3=0），齿圈主动，太阳轮从动：将 n3=0代入式（1），

由式（6）得出传动比小于1，且为负值，即为反向增速运动。

6）固定行星架（n3=0），太阳轮主动，齿圈从动：将 n3=0代入式（1），得：由式（7）得出传动比大于1，且为负值，即为反向减速运动[3]。

综上所述，以上六种动力传递方式都是以式（1）为依据推导出来的，十分抽象，学生很难明白单排行星齿轮机构三元件之间的运动关系。

4 应用结构关系推论分析动力传递方式

4.1 单排行星齿轮机构的结构关系推论

传动比的定义：传动比等于输入轴的转速除以输出轴的转速，对于齿轮传动来说，还等于输出齿轮的齿数除以输入齿轮的齿数，即：

从行星齿轮结构可以看出，行星架是没有齿数的，只是通过行星轮与齿圈和太阳轮建立运动关系，所以在进行推理前，先假设行星架的当量齿数为z3。

将式（8）带入式（5） 得

从式（11）得出行星架的当量齿数是最多的，又因为齿圈齿数z2＞z1（太阳轮齿数）太阳轮齿数，得出：

对于齿轮传动来说，内啮合转动方向相同，外啮合转动方向相反，结合式（4）和（3），得出行星架与太阳轮是内啮合状态，齿圈与行星架是内啮合状态，且固定行星架时，行星轮就是太阳轮与齿圈之间的惰轮。

综上所述，在单排行星齿轮机构中，得到以下三点推论：

1）行星架的齿数z3是最多的，其次是齿圈的齿数z2，再次是太阳轮齿数z1。

2）行星架与太阳轮是内啮合状态，齿圈与行星架是内啮合状态；

3）在固定行星架时，行星轮就是太阳轮与齿圈之间的惰轮。

得出这三点推论，并以此为依据分析行星齿轮机构的动力传递方式，学生就很容易理解和掌握单排行星齿轮机构的变速原理。

4.2 应用结构关系推论分析动力传递方式

根据齿轮传动的基本原理：大齿轮带小齿轮增速，小齿轮带大齿轮减速，内啮合转向相同，外啮合转向相反，每加一个齿轮方向改变一次。依此基本原理，在结合上面所得到的三点推论来分析行星齿轮的运动传递方式就非常简单了。

在分析之前，假设主动元件作顺时针方向旋转。

1）行星架主动，齿圈从动，固定太阳轮，形成同向增速状态。

齿数最多的行星架带动齿数较少的齿圈旋转，速度增加，又因为是内啮合，所以形成同向增速状态 ,也就是说行星架顺时针旋转，齿圈也一定顺时针旋转，且速度增加，如图2所示。

图2 同向增速

图3 同向增速

2）行星架主动，太阳轮从动，固定齿圈，形成同向增速状态。

齿数最多的行星架带动齿数最少的太阳轮旋转，速度增加最多，又因为是内啮合，所以形成同向增速的状态，如图3所示。

图4 同向减速

图5 反向减速

3）太阳轮主动，行星架从动，固定齿圈，形成同向减速状态。

齿数最少的太阳轮带动齿数最多的行星架旋转，速度减少最多，又因为是内啮合，所以形成同向减速状态，如图4所示。

4）太阳轮主动，齿圈从动，固定行星架，形成反向减速状态。

齿数最少的太阳轮带动齿数铰多的齿圈旋转，速度减少，又因为固定行星架，行星轮就是惰轮，所以形成反向减速状态，如图5所示。

图6 同向减速

图7 反向增速

5）齿圈主动，行星架从动，固定太阳轮，形成同向减速状态。

齿数较少的齿圈带动齿数最多的行星架，速度减少，又因为是内啮合，所以形成同向减速状态，如图6所示。

6）齿圈主动，太阳轮从动，固定行星架，形成反向增速状态。

齿数较多的齿圈带动齿数最少的太阳轮旋转，速度增加，又因为固定行星架，行星轮就是惰轮，所以形成反向增速状态，如图7所示。

综合上述情况，将单徘行星齿轮机构的运动传递方式归纳为表1所示:

表1 单排行星齿轮机构动力传递方式

5 结论

笔者通过对单排行星齿轮结构及其运动特性方式的分析，得到以下三点推论：

1）行星架的齿数是最多的，其次是齿圈的齿数，再次是太阳轮齿数。

2）行星架与太阳轮是内啮合状态，齿圈与行星架是内啮合状态；

3）在固定行星架时，行星轮就是太阳轮与齿圈之间的惰轮。

把这三点推论应用于分析单排行星齿轮机构的动力传递方式，让学生更容易掌握单排行星齿轮机构的变速原理，为其学习行星齿轮式自动变速器的档位推导打下坚实基础。

[1]王开松.速度图解法在行星齿轮系运动分析中的教学应用[J]淮南职业技术学院学报，2003,3(2):80-82.

[2]张红伟，王国林.汽车底盘构造及维修[M].北京：高等教育出版社，2005:85-86.

[3]刘艳莉，董长兴等，汽车构造及使用[M],北京：人民邮电出版社，2009:166-171.

[4]赵雨旸，李涵武，拉维娜式自动变速器行星齿轮机构运动特性方程式的推导[J].机械工程师，2004.3：49-50.

The Analytical Approach of Conventional Single Stage Planetary Mechanism Power Transmit Method

GAN Shouwu，CHEN Zhijun，ZHANG Nan
（Chongqing College of electronic Engineering,Chongqing 401331,China）

The analytical approach of conventional single stage planetary mechanism power transmit method,which is too difficult to students so that they cannot understand.Analyzing single stage planetary mechanism kinematics characteristic equation,the paper gets relationship among the three components in the single planetary.In addition,on that basis,the paper analyses the transformation style of the planetary mechanism,which let students grasp it’s the transmission principle more easily.

single stage planetary;transmit method of power;analytical approach

TH111

A

1674－5787（2011）04－0151－03

2011-06-18

甘守武（1980—）,男，贵州普定人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：载运工具运用工程。

责任编辑 李 燕