内啮合行星齿轮传动变速器起步仿真

张雨佳，李红勋，贵新成，赵重年，肖利君

(1.陆军军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161；2.陆军军事交通学院 国家应急交通运输装备工程技术研究中心，天津 300161；3．63987部队，沈阳 110179)

● 车辆工程VehicleEngineering

内啮合行星齿轮传动变速器起步仿真

张雨佳1，李红勋2，贵新成1，赵重年1，肖利君3

(1.陆军军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161；2.陆军军事交通学院 国家应急交通运输装备工程技术研究中心，天津 300161；3．63987部队，沈阳 110179)

为研究内啮合行星齿轮自动变速器起步性能，在内啮合行星齿轮传动变速器起步过程分析的基础上，建立起步动力学模型。并基于Matlab/Simulink仿真平台建立装配该自动变速器的车辆起步模型，模型采用湿式离合器起步。根据起步条件确定离合器的控制策略，通过控制离合器压力变化率来保证起步的平顺性。对内啮合行星齿轮变速器起步过程的转速、滑摩功和冲击度进行仿真分析，结果表明：冲击度能够满足国家标准17.64 m/s3的要求。

内啮合行星齿轮传动；压力变化率；冲击度；起步性能

内啮合行星齿轮传动中的行星轮结构为环形，可同时与齿圈和太阳轮内啮合，相比外啮合行星轮而言，具有重合度高、传递转矩大的优点[1]。目前国内外研制的变速器采用的离合器主要有湿式和干式两类[2]，本文以湿式离合器作为起步离合器。

1 内啮合变速器的结构及工作原理

内啮合变速器的基本结构为起步行星排和变速行星排串联，变速器起步时，起步行星排的湿式离合器(下文简称起步离合器)滑摩，带动变速行星排转动。通过起步离合器的结合与分离来实现动力的中断和传递，其结构如图1所示。

该变速器包括1个起步行星排(行星排1)、4个变速行星排(行星排2～5)、5个离合器和5个制动器。行星排1连接着变速器输入轴，行星排5连接着变速器输出轴。离合器C1连接着输入轴和齿圈，制动器B1连接着齿圈，使行星排1可以正向、反向传动。以离合器C1结合为例，当车辆起步时，发动机的动力通过C1传递给齿圈，制动器B1分离，完成动力传递。由于内啮合行星齿轮机构与传统行星齿轮机构不同，因此，起步特性与液力机械式变速器存在差异。通过建立起步仿真模型，对内啮合行星齿轮变速器起步特性进行分析研究。

2 内啮合齿轮机构动力学建模

内啮合行星齿轮变速器起步过程只有行星排1存在非线性传动，因此对行星排1进行动力学建模。根据内啮合行星传动的工作原理，建立行星排起步动力学模型(如图2所示)。动态模型主要包括两个阶段：一个是离合器滑摩阶段；另一个是离合器同步阶段。车辆起步的动态过程就是滑摩阶段向同步阶段转变的过程。

图2 内啮合行星齿轮机构动力学模型

图2中：Tin为变速器输入转矩；Tr为输出轴等效阻力矩；Tc为离合器转矩；T1为行星轮对太阳轮的转矩；T2为行星轮对齿圈的转矩；T3为行星轮上的驱动转矩；I1为太阳轮上的等效惯量；I2为齿圈上的等效惯量；I3为行星架上的等效惯量；ω1为太阳轮角速度；ω2为齿圈角速度；ω3为行星架角速度。

离合器滑摩阶段动力学微分方程为

(1)

(2)

(3)

F1rn-F2rw=0

(4)

(5)

式中：F1为行星轮与太阳轮的啮合圆周力;F2为行星轮与齿圈的啮合圆周力；rs为太阳轮半径；rR为齿圈半径；rn为行星轮内径；rw为行星轮外径。

离合器同步阶段动力学微分方程为

(6)

ω1=ω2=ω3且Tc≤Tfmaxs

(7)

Tfmaxs=μsFnZRm

(8)

(9)

式中：Tfmaxs为离合器最大静摩擦转矩；μs为静摩擦系数；Fn为摩擦片正压力；Z为摩擦副个数；Rm为离合器有效半径；Ro为摩擦片外径；Ri为摩擦片内径。

3 变速器起步控制策略

装配湿式离合器的车辆起步时，可以采用的控制策略有3种[3]：①比例控制策略。离合器结合后，活塞腔内的正压力随发动机转速线性增大，这种控制策略是目前广泛采用的控制策略。②模糊控制策略。车辆起步时，模糊控制器根据驾驶员起步意图和初始条件推理出结合压力以及压力变化率，这是离合器控制研究的热点。③控制发动机转速保持恒定或局部保持恒定的控制策略，以改善起步性能。本文采用的是第一种。

车辆起步前处于怠速状态，离合器钢片与摩擦片分离，不传递转矩。当车辆起步时，为缩短起步时间，保证车辆起步的快速性，离合器控制压力迅速提升，使离合器传递较大转矩。滑摩阶段，为保证车辆起步的平顺性，离合器片正压力随发动机转速成比例增加，根据驾驶员意图和起步条件，控制离合器压力大小和变化率。当离合器阈值降为0时，滑摩消失，离合器控制压力迅速再次增加，保证离合器具有较大的转矩容量，能够有效传递转矩。在起步过程中，对离合器压力的控制不仅要使车辆具有合适的冲击度，起步平稳，也要控制好滑摩时间，保证离合器具有可靠的寿命，同时发动机不能熄火。

4 内啮合变速器车辆起步建模

Matlab/Simulink主要用于机械和电力领域动态系统的建模仿真和分析，不须求解繁琐的矩阵，可采用模块联接的方式直观描述动态环节[4]。本文基于Matlab/Simulink平台建立了发动机模型、滑摩阶段模型、同步阶段模型、状态判断模型和行驶阻力矩模型。

4.1发动机数值模型

大量试验表明，发动机稳态和负载时的转矩都是发动机转速和节气门开度的函数[5]。当节气门开度一定时，发动机输出转矩可以利用三次多项式插值拟合以获取足够的精度。本文将发动机不同油门开度和转速下的稳态输出转矩数据输入到Look up Table模块中，对有限发动机数据进行三次多项式插值获取发动机的数值模型(如图3所示)。

图3 发动机数值模型

4.2车辆起步过程仿真模型

根据内啮合行星齿轮机构动力学模型，建立起步过程滑摩阶段和同步阶段模型(如图4、图5所示)。

5 起步过程仿真分析

5.1转速仿真分析

图6为离合器压力变化率分别为1 000 N/s、1 500 N/s和2 000 N/s时，起步行星排三元件转速。图6表明在起步过程中，压力变化率越小，太阳轮(输入轴)、齿圈和行星架(输出轴)同步所用的时间越长，同步时的转速也越大；压力变化率越大，太阳轮、齿圈和行星架同步所用的时间越短，同步时的转速也越小。

5.2滑摩功仿真分析

图7为压力变化率为1 000 N/s、1 500 N/s和2 000 N/s时，车辆的滑摩功仿真情况。结合图6和图7可以看出：压力变化率为2000N/s时，

图4 滑摩阶段动力学模型

图5 同步阶段动力学模型

仅用时0.8 s离合器阈值便从100%降到0，此时离合器共产生滑摩功20 000 J；压力变化率为1 500 N/s时，离合器阈值由100%降为0用时1.2 s，此刻滑摩功为29 000 J；当离合器压力变化率为1 000 N/s时，离合器阈值由100%降到0需要1.7 s，产生的滑摩功为42 000 J，将加快离合器的磨损，降低离合器的使用寿命。这就要求离合器的压力变化率尽可能大。

5.3冲击度仿真分析

图8为压力变化率为1 000 N/s、1 500 N/s和2 000 N/s时，车辆的冲击度仿真情况。由图8可以看出，压力变化率1 000 N/s时，冲击度为14.8 m/s3；当压力变化率1 500 N/s时，冲击度达到19.1 m/s3；当压力变化率2 000 N/s时，冲击度达到33.2 m/s3。由此可见，压力变化率越大，冲击度越大，起步品质越差。这要求压力变化率要根据起步意图制定控制策略来调节，尽可能要减小冲击度。

图6 发动机、齿圈和离合器从动片转速

图7 不同压力变化率下的滑摩功

图8 不同压力变化率下的冲击度

图9所示为内啮合行星齿轮变速器与传统液力机械式变速器的起步仿真结果。压力变化率为1 000 N/s时，起步过程中内啮合行星齿轮变速器的冲击度最大为14.8 m/s3，具有相同传动比的某型AT(相比内啮合齿轮变速器，本文简称外啮合变速器)正常起步的冲击度仿真结果最大为28.2 m/s3，而我国国家标准的冲击度值为17.64 m/s3[3]。由此可知，内啮合行星齿轮变速器在起步冲击度方面具有一定优越性，能够满足我国标准的冲击度要求。

图9 冲击度对比

6 结 语

本文针对内啮合行星齿轮自动变速器的结构特点，介绍了内啮合行星齿轮机构的工作原理，并对起步过程进行了动力学分析。对于该型自动变速器，控制离合器片的压力变化率，既可以缩短车辆起步时间，又能够降低车辆起步冲击度，确保车辆起步的快速性和平顺性能够满足起步要求。与传统液力机械式自动变速器对比，内啮合变速器起步冲击度小于液力机械式变速器，体现了其起步的平顺性。

[1] 贵新成,詹隽青,叶鹏,等.高重合度内啮合复合摆线齿轮传动设计与分析[J].机械工程学报,2017(1):55-64.

[2] 赵志强,周云山,曹成龙.双离合器自动变速器建模与起步仿真分析[J].现代制造工程,2009(7):120-124.

[3] 冯挽强.金属带式无级变速器起步离合器控制策略的研究[D].长春:吉林大学,2004.

[4] 郑少青.无级变速器离合器结构参数优化及其起步控制策略[D].湘潭:湘潭大学,2012.

[5] 李健. 湿式双离合器自动变速器换挡品质仿真研究[D].合肥:合肥工业大学,2010.

(编辑：张峰)

StartingSimulationonInternalPlanetaryGearTransmission

ZHANG Yujia1, LI Hongxun2, GUI Xincheng1, ZHAO Zhongnian1, XIAO Lijun3

(1.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.National Emergency Transportation Equipment Engineering Technology Research Center, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China;3.Unit 63987, Shenyang 110179, China)

To study the starting performance of internal planetary gear transmission, the paper firstly analyzes the starting process of internal planetary gear transmission and establishes starting dynamic model. Then, it builds vehicle starting model of the automatic transmission with wet clutch by Matlab/Simulink simulation platform, and determines the control strategy of clutch according to the starting condition and ensure the smooth starting by controlling pressure variation rate of the clutch. Finally, it simulates the rotate speed, sliding friction work, and impact degree of internal planetary gear transmission in the starting process. The result shows that the impact degree can meet the national standard of 17.64 m/s3.

internal planetary gear transmission; pressure variation rate; impact degree; starting performance

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.10.009

TH132.4

A

1674-2192(2017)10- 0033- 05

2017-06-21；

2017-07-14.

张雨佳(1992—)，男，硕士研究生.