变速箱中不同轮系等效转动惯量的计算方法

吉丹霞，陈潇，严思敏

变速箱中不同轮系等效转动惯量的计算方法

吉丹霞，陈潇，严思敏

（陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西 西安 710119）

在配有同步器的重型汽车或拖拉机等负载较大的车辆上经常需要考虑等效转动惯量，通过得出变速器等效转动惯量来计算等效转矩，从而获得准确的发动机输入转矩，文章通过给出变速箱中不同轮系下等效转动惯量的计算方法，从而为后续准确计算等效转动惯量提供参考，为准确判断发动机性能提供可靠依据。

变速器；等效转动惯量；计算方法

前言

在变速器设计优化中，转动惯量作为设计优化的重要参数之一，对整车性能的改善具有重要意义。

本文利用变速器中各回转部件之间具有固定的传动比的规律，利用动能定理从能量角度考虑不同轮系等效转动惯量的计算方法。

1 概念介绍

转动惯量是刚体绕轴转动时惯性（回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性）的量度，单位为 kg·m²，转动惯量反映了刚体转动状态改变的难易程度，即刚体的转动惯性。转动惯量的大小不仅与刚体的质量有关，还与刚体的质量分布相关。[1]等效转动惯量是当取绕固定回转的构件为等效构件时，可用一个与它共同转动的假想物体的转动惯量来代替机器所有运动构件的质量和转动惯量，是为了实验与计算的方便而假定的转动惯量。[2]

2 理论公式介绍

在机械设计中，单个零件的转动惯量通常是在三维设计软件中直接求出的，通过给零件赋予材料属性，在三维软件中的质量属性模块可以查看转动惯量大小。单个零件的转动惯量计算方法这里不做介绍，本文主要介绍不同结构下同步器等效转动惯量的计算方法。

3 不同轮系等效转动惯量计算方法

3.1 定轴轮系等效转动惯量计算方法

定轴轮系如图1所示，其中齿轮2和齿轮2’为同一构件，该构件转动惯量为两齿轮转动惯量之和，故当取齿轮1为等效构件时，机构的等效转动惯量：

3.2 锥齿轮系等效转动惯量计算方法

图2 锥齿轮系

锥齿轮系如图2所示，其中齿轮2和齿轮3为同一构件，该构件转动惯量为两齿轮转动惯量之和。故当取齿轮1为等效构件时，机构的等效转动惯量：

3.3 行星轮系等效转动惯量计算方法

行星轮系如图3所示，其中齿轮1和行星架H为定轴转动构件，齿轮2为平面运动构件，齿轮2的动能分为两部分：齿轮2绕自身轴线O’转动的动能和齿轮2绕OH轴转动的动能，故当取齿轮1为等效构件时，机构的等效转动惯量：

图3 行星轮系

3.4 差速轮系等效转动惯量计算方法

差速轮系如图3所示，其中从动锥齿轮2和差速器壳体8为同一构件，该构件转动惯量为两部分转动惯量之和，行星齿轮3的动能分为两部分：行星齿轮3绕自身轴线7转动的动能和行星齿轮3绕半轴转动的动能。

3.4.1车辆直线行驶时

当车辆直线行驶时，两侧车辆所受阻力一样，两侧车轮转速相同，即两个半轴转速相同[4]，此时两个行星齿轮不自转，故车辆直线行驶时行星齿轮3的动能是其绕半轴转动的动能。此时转动惯量等效到主动锥齿轮1上的等效转动惯量为：

在差速器中行星齿轮3和半轴齿轮4的齿数相同，即3=4，故转动惯量等效到主动锥齿轮1上的等效转动惯量为：

3.4.2车辆转弯时

当车辆转弯时，两侧车辆所受阻力不一样，两侧车轮转速不同，此时半轴6和半轴9的转速不同。行星齿轮绕半轴转动并同时自转，则行星齿轮3的动能为行星齿轮3绕自身轴线7转动的动能和行星齿轮3绕半轴转动的动能之和。本文假设车辆左转弯行驶，则有：4=2-3，5=2+3，此时转动惯量等效到主动锥齿轮1上的等效转动惯量为：

其中4+5=22，即转弯时两个半轴齿轮的转速之和为定值，化简得：

1.主动锥齿轮 2.从动锥齿轮 3.行星齿轮 4,5.半轴齿轮（太阳轮）6,9.半轴 7.行星齿轮轴 8.差速器壳体 10.传动轴

由于3=4=5，故等效转动惯量为：

4 结论

本文通过对变速箱中不同轮系等效转动惯量计算公式进行推导，可以看出定轴轮系、锥齿轮系、行星轮系以及车辆直线行驶时的差速轮系中，等效转动惯量的大小与变速箱中各构件的转速无关，只与变速箱中各构件自身结构及其传动形式有关。而在车辆转弯时的差速轮系中，等效转动惯量除了与变速箱中各构件自身结构及其传动形式有关外，还与转弯时左右车轮的转速以及主动锥齿轮的转速有关。

[1] 孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理(第七版) [M].北京:高等教育出版社,2006.

[2] 商泽进,王爱勤,尹冠生..理论力学(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2017.

[3] 徐石安,江发潮.汽车离合器—汽车设计丛书[M].北京:清华大学出版社,2005.

[4] 李光敏.机械原理（第7版）全程辅导习题精解[M].北京:中国水利水电出版社,2012.

Calculation Method for Equivalent Moment of Inertia of Different Gear Trains in Gearbox

Ji Danxia, Chen Xiao,Yan Simin

( Shaanxi Fast Gear Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710119 )

The equivalent moment of inertia often needs to be considered in the heavy-duty vehicle or tractor equipped with synchronizer. The equivalent moment of inertia of the transmission is obtained to calculate the equivalent torque, so as to obtain the accurate engine input torque. In this paper, the calculation method for the equivalent moment of inertia of different gear trains in gearbox is given, so as to provide a reference for the subsequent accurate calculation of the equivalent moment of inertia and provide a reliable basis for accurately judging the engine performance.

Transmission; Equivalent moment of inertia; Calculation method

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.029

U463.212

A

1671-7988(2021)06-93-03

U463.212

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1671-7988(2021)06-93-03

吉丹霞，硕士，初级工程师，特种传动研发工程师，就职于陕西法士特齿轮有限责任公司。