平行轴行星齿轮变速器结构与仿真

史 炎

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

平行轴行星齿轮变速器结构与仿真

史 炎

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

本文提出一种新型自动变速器，动力由行星齿轮输出端通过一对相互啮合的圆柱齿轮传递到输出轴，控制制动器换挡。基于SIMPACK软件平台，建立变速器的仿真模型，依据仿真模型对车辆的起动、换挡动态性能进行仿真。仿真结果表明，此变速器起动时扭矩增长可控，换挡过程动力不中断。

平行轴行星齿轮变速器；仿真

CLC NO.:U463.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-96-03

引言

变速器的主要功能是在宽广的车速范围内，实现从发动机动力向汽车驱动力的最优转换，现有行星齿轮变速器的各个挡位传动比互相关联、分配缺乏灵活性，难以根据发动机特性曲线为各个挡位安排最佳的传动比。由于换挡需要换挡离合器和换挡制动器协作，所以挡位越多，需要参与的换挡离合器和换挡制动器就越多。双离合变速器换挡过程动力要中断，而且使用的同步器由八个精密零件组成，结构复杂。本文提出了一种将行星齿轮输出轴通过圆柱齿轮联接到变速器的输出轴，构成一种新型变速器---平行轴行星齿轮变速器（以下简称PAPT变速器），采用SIMPACK软件建立该变速器模型进行动力学仿真模拟，取得了预期的效果。

1、结构与工作原理

1.1 PAPT变速器三个基础结构及功能扩展

变速器有前进挡、倒车挡，前进挡又可细分成减速挡、超速挡。利用行星齿轮三个基本构件联结输出轴即可实现减速、超速、反转功能。PAPT变速器基础结构如图1所示。

图1中，从动齿轮都固定在输出轴上，从动齿轮与对应的主动齿轮常啮合。A型结构中，输入轴与行星齿轮排的太阳轮共轴同步旋转、行星架与主动齿轮共轴同步旋转，制动齿圈，行星架与主动齿轮一起作正向减速旋转。B型结构中，输入轴与行星齿轮排的行星架共轴同步旋转、太阳轮与主动齿轮共轴同步旋转，制动齿圈，太阳轮与主动齿轮一起作正向加速旋转。C型结构中，输入轴与行星齿轮排的太阳轮共轴同步旋转、齿圈与主动齿轮共轴同步旋转， 制动行星架，齿圈与主动齿轮一起作反向减速旋转。此外，若输入轴与行星齿轮排的齿圈共轴同步旋转、太阳轮与主动齿轮共轴同步旋转，制动行星架，太阳轮与主动齿轮一起作反向加速旋转，产生一个超速倒车挡。

每个挡位均为二级减速模式，行星齿轮减速和齿轮减速，总传动比为二者传动比之积。各个挡位的传动比通过以下方式获得:

①只改变行星排的传动比；

②只改变主、从齿轮的传动比；

③同时改变行星排和外接齿轮的传动比。

可见，以这种方式获得的各个挡位传动比，其跨度范围大，设置灵活，每个挡位传动比都可以量体定做。

例如，A型结构中行星齿轮与不同的主、从齿轮能组合成减速挡和超速挡，表1给出了一种前进挡齿轮组合参数，其中太阳轮、行星齿轮、齿圈的齿数分别为48、30、108，

表1 前进挡齿轮组合

主、从齿轮位置对调，产生新的传动比，这能减少齿轮的规格。

1.2 工作原理

PAPT变速器通过制动器选择挡位，每个挡位对应一个制动器，各个制动器无动作时相当于挂空挡，制动哪个挡位就启用哪个挡位的转速比，既可顺序换挡，也可换任意挡。

2、动力学仿真

2.1 建立样机模型

SIMPACK软件是德国开发的针对机械、机电系统运动学、动力学仿真分析的多体动力学分析软件包。本仿真在SIMPACK环境里进行，用其自带的齿轮模块按表1所述的A型结构建立PAPT变速器的第1挡、第2挡的模型，二挡的行星齿轮结构形式和参数相同，如图2所示，所有齿轮模数、压力角、螺旋角、齿宽分别为3mm、20o、10o、50mm，表2列出模型的其余参数。

表2 模型基本参数

2.2 变速器传动参数验证

在输入轴上施加200rad/s的转速驱动，输出轴固定。分别以制动第1挡齿圈、第2挡齿圈和制动器全松开三种运行工况进行仿真模拟，获得三种工况的参数，取转速稳定后的值与理论值比较，分析结果列于表3。

表3 传动参数验证

由表3可知，仿真参数与理论参数高度一致，模型正确，空转工况数据供后续分析用。

2.3 起动性能模拟

模拟运行状态从发动机怠速变换到第1挡的过程，对输入轴施加270N.m的稳定扭矩，输入轴保持200rad/s的恒定转速，参照表3设置第1挡齿圈的输入函数，在5秒内转速从空转时的-88.889rad/s降低到-10rad/s，再变降低到0。

第1挡齿圈静止后起动力矩达到最大，为输入扭矩的8.67倍，如图3所示，起动力矩与第1挡齿圈转速成线性反比例关系。

如图4所示，齿轮圆周力递增，最后停留在理论值9601.9N附近，第1挡齿圈转速在-10rad/s时，圆周力为8513N，只降低了11%。

可见，PAPT变速器的起动过程与手动挡起步过程相似，控制制动力矩，不抱死第1挡齿圈，使其以较低转速运行，对车辆保持持续的较高起动力矩。

2.4 换挡过程模拟

结合本模型，按照单排行星齿轮机构一般运动规律的特性方程:

可知，输入轴转速n1恒定时，齿圈转速n2从0变到-88.889rad/s时，行星架转速n3呈非线性下降，由行星架驱动的输出轴转速也是非线性曲线。

图5所示为从第1挡变换到怠速时的输出轴转速曲线，在1.2秒内输出轴转速急剧下降，若在1.2秒内制动第2挡齿圈，则输出轴转速向第2挡变化，实现动力不中断换档。

模拟第1挡在0.2秒时间内转换到第2挡，参照表3设置第1挡齿圈输入函数在0.2秒内转速从0上升到46.68rad/s；设置第2挡齿圈输入函数在0.1秒内转速由-30.57rad/s下降到0。

由图6可见，从第1挡换到第2挡过程中，输出轴转速在0.2秒时间内线性不间断增加，从-23.08rad/s增加到-35.18 rad/s。实际上，第2挡齿圈制动器介入后，第1挡齿圈制动器应该迅速放松，避免运动干涉。

3、结论

（1）平行轴行星齿轮变速器所用零件种类少，主要是制造水平成熟的齿轮，变速跨度大，使用相同尺寸的齿轮可以构建不同的传动比。在不改变外观尺寸的情况下，改变太阳轮和行星轮的齿数也能实现不同的传动比。

（2）起动性能分析表明:给平行轴行星齿轮变速器的第1挡设置较高的传动比，可模拟手动挡起步过程。

（3）换挡策略简单:只需协调使用挡和期望挡的二个换挡制动器的动作。

[1] 宋进桂[译].汽车变速器理论基础、选择、设计与应用[M].机械工业出版社，2014.

[2] 刘绍裕，周家才，陆锡年, 等.常见机构的原理及应用[M].机械工业出版社，1977..

[3] 葛安林．车辆自动变速理论与设计[M]．北京:机械工业出版社，1993.

[4] 杨伟斌，吴光强，秦大同．双离合器式自动变速器传动系统的建模及换挡特性[J]．机械工程学报，2007，43 (7):188-194.

[5] 雷雨龙，葛安林，李永军．离合器起步过程的控制策略[J]．汽车工程，2000，22 (4):266-281.

[6] 陈玉祥.基于虚拟样机技术的手动变速器换挡力分析[J]. 中国机械工程, 2012, 23(8):996-1000.

[7] 赵治国.干式双离合器自动变速器起步滑模变结构协调控制及实时优化[J].机械工程学报，2012, 48(24): 87-105.

[8] 陈俐，张建武，习纲. 自动离合器的自适应最优控制[J].上海交通大学学报，2000，34(10):1312-1316.

[9] 余春晖, 陈慧岩, 丁华荣. 车辆离合器起步阶段模糊控制的研究[J]. 汽车工程, 2004, 27(4):423-426.

[10] 李瑜婷，赵治国，章桐. DCT 变速器双离合器压力最优控制方法的仿真研究[J]. 中国机械工程，2010，21(12):1496-1501.

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，就职于西南交通大学牵引动力国家重点实验室，主要研究方向为车辆工程。