行星齿轮开关变速器动力学仿真

史炎

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室）

双离合自动变速器[1]作为换挡开关，由于结构的限制，只能使用2组同轴离合器，而且换挡过程中动力要中断。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[2]。文章提出了一种直接将行星齿轮排作为换挡开关的变速器，行星齿轮排数量可以不受限制，实现了动力不中断换挡，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 行星齿轮排对应一个主动齿轮结构

变速器有前进挡和倒车挡，前进挡又可细分成减速挡和超速挡。利用行星齿轮3个基本构件联结输出轴即可实现减速、超速及反转功能，图1示出一对一输出行星齿轮开关变速器结构原理图。

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做正向减速旋转。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做正向加速旋转。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做反向减速旋转。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做反向加速旋转，产生一个超速倒车挡。

行星齿轮开关变速器每个挡位均为2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3种方式获得：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跨度范围大，设置灵活，每个挡位传动比都可以量体定做。

1.2 行星齿轮排对应多个主动齿轮结构

将2个A型结构行星齿轮同轴布置，如图2所示。在每个行星齿轮排的行星架与主动齿轮群之间增加一个离合器，主/从齿轮使用往复式挂齿，在准备挡内，先断开离合器再挂齿轮，然后再合上离合器，松开工作挡的制动器，同时制动准备挡的制动器就完成换挡过程。以后的过程同上所述，这种结构避免了啮合冲击，相当于双离合变速器同步器的作用。同样，A型结构可用B型或者C型结构代替。

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和机电系统运动学、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A型结构建立行星齿轮开关变速器第1挡和第2挡的模型，如图3所示。二者的行星齿轮结构形式和参数相同，所有齿轮模数为3 mm，压力角为20°，螺旋角为10°，齿宽为50 mm，表1示出模型的其余参数。

表1 行星齿轮开关变速器模型基本参数

2.2 变速器传动参数验证

在输入轴上施加200 rad/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3种运行工况进行仿真模拟，获得3种工况的参数，取转速稳定后的值与理论值比较，分析结果，如表2所示。

图2 行星齿轮开关变速器传动参数验证 rad/s

由表2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使用。

2.3 启动性能模拟

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270 N·m的稳定扭矩，输入轴保持在200 rad/s的恒定转速，参照表2设置第1挡齿圈的输入函数，在5 s内转速先从空转时的-88.889 rad/s降低到-10 rad/s，再降低到0。

第1挡齿圈静止后启动力矩达到最大，为输入扭矩的8.67倍，如图4所示，启动力矩与第1挡齿圈转速成线性反比例关系。

图5示出第1挡从动齿轮圆周力启动过程曲线。如图5所示，齿轮圆周力递增，最后停留在理论值9 601.9 N附近，第1挡齿圈转速在-10 rad/s时，圆周力为8 513 N，只降低了11%。

可见，此种变速器的启动过程与手动挡启动过程相似，控制制动力矩，不抱死第1挡齿圈，使其以较低转速运行，对汽车保持持续的较高启动力矩。

2.4 换挡过程模拟

单排行星齿轮机构一般运动规律的特性方程为：

式中：n1，n2，n3——太阳轮、齿圈、行星架转速，rad/s；

a——齿圈与太阳轮齿数比。

结合本模型，n1恒定，n2从 0变到-88.889 rad/s时，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6示出从第1挡变换到怠速时的输出轴转速曲线。

从图6可以看出，在1.2 s内输出轴转速急剧下降。若在1.2 s内制动第2挡齿圈，则输出轴转速向第2挡变化，实现动力不中断换挡。

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

图7示出从第1挡变换到第2挡时的输出轴转速变化曲线，在此过程中，输出轴转速从-23.08 rad/s增加到-35.18 rad/s，在0.2 s内呈线性不间断增加。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

文章依据行星齿轮开关变速器的结构原理，以SIMPACK软件平台构建了其仿真模型。通过对此仿真系统的计算分析得出：行星齿轮开关变速一对一结构反应快，齿圈可用非摩擦方式锁定，适合全部车辆，而一对多结构由于摩擦离合器的存在，只适合轻型车辆；启动性能分析表明，给行星齿轮开关变速器的第1挡设置较高的传动比，可模拟手动挡起步，并可实现不间断换任意挡。

行星齿轮作为离合器使用效果显著，全部零件易于制造，由于其结构不使用液力变扭器和同步器，避开了我国自动变速器制造的短板。