新型差动机构变速器

张伟峰，张 涛

（长安大学 工程机械学院，陕西 西安710054）

0 引言

随着机械的发展，变速器越来越普遍使用。但国内变速器的研究都是针对单一动力源的变速器。单一动力源的变速器，驱动无需合成，只需设计带系或齿轮系等进行变速，设计思路简单但可靠性低。例如郜振海和李丽艳设计研究了小轿车机械式变速器[1]；唐志荣等对间接式无级变速器设计开发与性能验证[2]；华南理工大学广东省汽车工程重点实验室对一种纯电动汽车动力换挡式机械变速器的研究[3]。此外对于差动机构，国内外也皆是将差动机构放置于单一速度下应用，并未分析差动机构在变速条件下的运用。例如将差动机构应用于机器人的运动合成[4]、火炮补弹系统[5]。本文将差动机构放置于双动力源环境下，提出新型差动机构变速器。运用差动机构合成运动的功能，将两个动力源的速度合成为一个输出速度。借助双动力源转速的不同，从而得到不同输出速度，实现变速。这种变速器因其双动力源，则可靠性增倍，避免因驱动损坏而造成的经济损失；因差动机构的合成功能，则变速器在变速时运行依然平稳。

1 新型差动轮系变速器的机构

图1是本文所介绍的变速器的简易机构图（只为介绍差动机构，不作为实物参考）。需要补充说明的是1，6是一个零件，称内外齿圈，外齿由6表示，内齿由1表示；同理内外齿圈4，8中，外齿由8表示，内齿由4表示。图中齿轮2代表三个分布在内齿圈1的齿轮（为星形排布），并于内齿圈1内啮合，其余两个未画出。齿轮3，4的状态与齿轮2，1相似，不再赘述。齿轮2，3两两外啮合，是错位分布，图中用“//”，表示其错位啮合。H 为机架，也是输出轴。5，7 齿轮分别与外齿圈8，6形成外啮合，传动比大小使用者可根据实际情况自行安排，本文不作叙述。

图1 差动轮系变速器简易机构

2 新型差动轮系变速器的机构的特点

设计的差动机构有2个动力源，如图1中M1与M2所示。通过改变2台交流电动机的旋转方向和转速大小，即可使输出轴H由不同的转速与旋转方向。具体细节见2.2节。

与常见的变速机构相比，本文所提供的装置在变速时，不再需要滑移齿轮，相对稳定性较好。而且每对齿轮时刻处于啮合状态，因此在变速过程中，不会有中断出现，变速稳定，可靠性高。

2.1 新型差动轮系变速器的理论基础

图2所示的是2K-H（NGW）[6]型差动轮系。本文所提出的新型差动轮系变速器便是在此基础上改进而成。

图2 NGW型差动轮系

NGW中转速之间的关系满足下式：

在此基础上推导本文所提出的差动轮系变速器的转速关系式：

在不计啮合损失和摩擦损失的条件下，其扭矩满足：

由此就推导出其转速关系式（4）和扭矩关系式（5）。根据这两个式子，就可将此变速器应用于实际问题。

本文主要是新型差动轮系变速器的机构研究，因此不考虑其振动与偏移。并且此处齿轮的选取，内外齿圈1，6与内外齿圈4.8相同，齿轮2与齿轮3相同。

2.2 不同状态下变速器的运动情况分析

由于两个动力源的转速大小和转速方向的有多种组合方式，因此n1、n4转速的组合方式也有多种。以下分析在n1、n4的不同组合方式下，变速器的运动情况。

1）n1=n4且旋向相同

此时H轴的转速最大即：n1=n4=nH。此时内外齿圈 1，4、齿轮 2，3、轴 H 同步旋转，齿轮 1，4 与齿轮2，3之间没有相对运动，而且齿轮2，3之间也没有相对运动。齿轮2，3在这种情况下可以看作自锁机构。

2）n1>n4且旋向相同

此时H轴的转速计算可以根据式（4）计算。内外齿圈 1，4、齿轮 2，3、轴 H 旋转运动，齿轮 2，3 在公转的同时，两者之间也进行外啮合的旋转运动。这种情况下齿轮2，3机构作为合成器使用，在齿圈1，4中起缓冲使用。

3）n1≠0，n4＝ 0

此时H轴的转速由式（4）可以计算得到。此时齿圈1，4、齿轮2，3的运动状态与2）相同，但速度有变化。读者若是有兴趣可根据《机械设计》[7]或式（1），（2）进行计算比对。

此时H轴的转速由式（4）可以计算得到，但需要注意的是带入n4的数值时，应为负数。此时齿圈1，4的运动状态与3）类似。

此时H轴的转速为0，是一种空载状态。此时和：n1=n4＝0的输出状态相同，但不同的是，齿圈1，4之间有相对转动。而齿轮2，3只是自转不再进行公转，此时齿轮2，3的只是传递的运动。

以上为输出轴H与n1的旋向相同的状态，若是希望达到H反向旋转并有不同转速，只需要，并且控制其旋向即可。

3 运用Matlab进行仿真

图3 nH的四维速度图

根据图3可以直观地看出，其输出速度nH和输入速度 n1，n4，和齿数比值=m之间的关系。定性分析：当m为定值时，输出轴转速nH随着输入速度n1，n4的增大而增大。定量分析：由式（4）进行精确计算。

4 设计实例

要求设计转速大小为100 r/min，200 r/min，300 r/min的一种变速器，并且速度方向可以变化。

设计过程如下：

（1）为使机构具有更好的稳定性，设计时尽可能选取对称结构。

（2）计算转速：根据式（4）和设计的速度要求，则有

最大转速：n1+n4=2×300＝600 r/min

中间转速：n1+n4=2×200＝400 r/min

最小转速：n1+n4=2×100＝200 r/min

因此可以设计：n1＝ 400 r/min；n2＝ 200 r/min

（3）粗选齿轮5与齿轮8，齿轮7与齿轮6之间的传动比为1.5，此时交流电动机M1的转速为600 r/min，M2的转速为 300 r/min。

（4）结果分析：

M1，M2正转时，nH=300 r/min；M1正转，M2不转时，nH=200 r/min；M1正转，M2反转时，nH=100 r/min；反方向时，只需将M1，M2方向调整即可。因此设计满足要求。

以上所设计的新型差动机构减速器，不仅满足多级速度的平稳更换，而且更是提高了结构的可靠性。现在已投入使用，并且对实际应用已经测试。结果表明，在多级调速的过程中，机构运行的非常平稳；并且当突然关闭一个动力源时，机构依然平稳的运行，其可靠性得以验证。

5 结束语

本文在NGW型差动机构的基础上，提出一种新型的差动机构，拥有多级变速的功能，使用者可以通过改变输入转速的大小、方向，以获得满意的输出状态。而且当使用者变速时，机构之间的冲击力几乎可以忽略，变速非常平稳。此外本机构也可作为部分机构嵌入到另外的不同机构中，也会得到不同的效果。