行星齒輪開關(guān)變速器動力學(xué)仿真

史炎

（西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

雙離合自動變速器[1]作為換擋開關(guān)，由于結(jié)構(gòu)的限制，只能使用2組同軸離合器，而且換擋過程中動力要中斷。行星齒輪變速器的各個擋位傳動比互相關(guān)聯(lián)，分配缺乏靈活性，難以根據(jù)發(fā)動機(jī)特性曲線為各個擋位安排最佳的傳動比，由于換擋需要換擋離合器和換擋制動器協(xié)作，所以擋位越多，需要參與的換擋離合器和換擋制動器就越多[2]。文章提出了一種直接將行星齒輪排作為換擋開關(guān)的變速器，行星齒輪排數(shù)量可以不受限制，實(shí)現(xiàn)了動力不中斷換擋，用SIMPACK軟件建立該變速器模型進(jìn)行動力學(xué)仿真模擬，取得了預(yù)期的效果。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 行星齒輪排對應(yīng)一個主動齒輪結(jié)構(gòu)

變速器有前進(jìn)擋和倒車擋，前進(jìn)擋又可細(xì)分成減速擋和超速擋。利用行星齒輪3個基本構(gòu)件聯(lián)結(jié)輸出軸即可實(shí)現(xiàn)減速、超速及反轉(zhuǎn)功能，圖1示出一對一輸出行星齒輪開關(guān)變速器結(jié)構(gòu)原理圖。

圖1中，從動齒輪都固定在輸出軸上，從動齒輪與對應(yīng)的主動齒輪常嚙合。A型結(jié)構(gòu)中，輸入軸與行星齒輪排的太陽輪共軸同步旋轉(zhuǎn)，行星架與主動齒輪共軸同步旋轉(zhuǎn)，制動齒圈，行星架與主動齒輪一起做正向減速旋轉(zhuǎn)。B型結(jié)構(gòu)中，輸入軸與行星齒輪排的行星架共軸同步旋轉(zhuǎn)，太陽輪與主動齒輪共軸同步旋轉(zhuǎn)，制動齒圈，太陽輪與主動齒輪一起做正向加速旋轉(zhuǎn)。C型結(jié)構(gòu)中，輸入軸與行星齒輪排的太陽輪共軸同步旋轉(zhuǎn)，齒圈與主動齒輪共軸同步旋轉(zhuǎn)，制動行星架，齒圈與主動齒輪一起做反向減速旋轉(zhuǎn)。此外，若輸入軸與行星齒輪排的齒圈共軸同步旋轉(zhuǎn)，太陽輪與主動齒輪共軸同步旋轉(zhuǎn)，制動行星架，太陽輪與主動齒輪一起做反向加速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個超速倒車擋。

行星齒輪開關(guān)變速器每個擋位均為2級減速模式，行星齒輪減速和齒輪減速，總傳動比為二者傳動比之積。各個擋位的傳動比通過3種方式獲得：1）只改變行星排的傳動比；2）只改變主/從齒輪的傳動比；3）同時改變行星排和外接齒輪的傳動比。

可見，以這種方式獲得的各個擋位傳動比跨度范圍大，設(shè)置靈活，每個擋位傳動比都可以量體定做。

1.2 行星齒輪排對應(yīng)多個主動齒輪結(jié)構(gòu)

將2個A型結(jié)構(gòu)行星齒輪同軸布置，如圖2所示。在每個行星齒輪排的行星架與主動齒輪群之間增加一個離合器，主/從齒輪使用往復(fù)式掛齒，在準(zhǔn)備擋內(nèi)，先斷開離合器再掛齒輪，然后再合上離合器，松開工作擋的制動器，同時制動準(zhǔn)備擋的制動器就完成換擋過程。以后的過程同上所述，這種結(jié)構(gòu)避免了嚙合沖擊，相當(dāng)于雙離合變速器同步器的作用。同樣，A型結(jié)構(gòu)可用B型或者C型結(jié)構(gòu)代替。

2 動力學(xué)仿真

2.1 建立樣機(jī)模型

SIMPACK軟件是德國開發(fā)的針對機(jī)械和機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真分析的多體動力學(xué)分析軟件包。本仿真在SIMPACK環(huán)境里進(jìn)行，用其自帶的齒輪模塊按A型結(jié)構(gòu)建立行星齒輪開關(guān)變速器第1擋和第2擋的模型，如圖3所示。二者的行星齒輪結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)相同，所有齒輪模數(shù)為3 mm，壓力角為20°，螺旋角為10°，齒寬為50 mm，表1示出模型的其余參數(shù)。

表1 行星齒輪開關(guān)變速器模型基本參數(shù)

2.2 變速器傳動參數(shù)驗(yàn)證

在輸入軸上施加200 rad/s的轉(zhuǎn)速驅(qū)動，輸出軸固定。分別以制動第1擋齒圈、第2擋齒圈和制動器全松開3種運(yùn)行工況進(jìn)行仿真模擬，獲得3種工況的參數(shù)，取轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后的值與理論值比較，分析結(jié)果，如表2所示。

圖2 行星齒輪開關(guān)變速器傳動參數(shù)驗(yàn)證 rad/s

由表2可知，仿真參數(shù)與理論參數(shù)高度一致，模型正確，空轉(zhuǎn)工況數(shù)據(jù)供后續(xù)分析使用。

2.3 啟動性能模擬

模擬運(yùn)行狀態(tài)從發(fā)動機(jī)怠速變換到第1擋的過程，對輸入軸施加270 N·m的穩(wěn)定扭矩，輸入軸保持在200 rad/s的恒定轉(zhuǎn)速，參照表2設(shè)置第1擋齒圈的輸入函數(shù)，在5 s內(nèi)轉(zhuǎn)速先從空轉(zhuǎn)時的-88.889 rad/s降低到-10 rad/s，再降低到0。

第1擋齒圈靜止后啟動力矩達(dá)到最大，為輸入扭矩的8.67倍，如圖4所示，啟動力矩與第1擋齒圈轉(zhuǎn)速成線性反比例關(guān)系。

圖5示出第1擋從動齒輪圓周力啟動過程曲線。如圖5所示，齒輪圓周力遞增，最后停留在理論值9 601.9 N附近，第1擋齒圈轉(zhuǎn)速在-10 rad/s時，圓周力為8 513 N，只降低了11%。

可見，此種變速器的啟動過程與手動擋啟動過程相似，控制制動力矩，不抱死第1擋齒圈，使其以較低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，對汽車保持持續(xù)的較高啟動力矩。

2.4 換擋過程模擬

單排行星齒輪機(jī)構(gòu)一般運(yùn)動規(guī)律的特性方程為：

式中：n1，n2，n3——太陽輪、齒圈、行星架轉(zhuǎn)速，rad/s；

a——齒圈與太陽輪齒數(shù)比。

結(jié)合本模型，n1恒定，n2從 0變到-88.889 rad/s時，n3呈非線性下降，由行星架驅(qū)動的輸出軸轉(zhuǎn)速也是非線性曲線。

圖6示出從第1擋變換到怠速時的輸出軸轉(zhuǎn)速曲線。

從圖6可以看出，在1.2 s內(nèi)輸出軸轉(zhuǎn)速急劇下降。若在1.2 s內(nèi)制動第2擋齒圈，則輸出軸轉(zhuǎn)速向第2擋變化，實(shí)現(xiàn)動力不中斷換擋。

模擬第1擋在0.2 s內(nèi)轉(zhuǎn)換到第2擋，參照表2設(shè)置第1擋齒圈輸入函數(shù)在0.2 s內(nèi)轉(zhuǎn)速從0上升到46.68 rad/s；設(shè)置第2擋齒圈輸入函數(shù)在0.1 s內(nèi)轉(zhuǎn)速由-30.57 rad/s下降到0。

圖7示出從第1擋變換到第2擋時的輸出軸轉(zhuǎn)速變化曲線，在此過程中，輸出軸轉(zhuǎn)速從-23.08 rad/s增加到-35.18 rad/s，在0.2 s內(nèi)呈線性不間斷增加。實(shí)際上，第2擋齒圈制動器介入后，第1擋齒圈制動器應(yīng)該迅速放松，避免運(yùn)動干涉。

3 結(jié)論

文章依據(jù)行星齒輪開關(guān)變速器的結(jié)構(gòu)原理，以SIMPACK軟件平臺構(gòu)建了其仿真模型。通過對此仿真系統(tǒng)的計算分析得出：行星齒輪開關(guān)變速一對一結(jié)構(gòu)反應(yīng)快，齒圈可用非摩擦方式鎖定，適合全部車輛，而一對多結(jié)構(gòu)由于摩擦離合器的存在，只適合輕型車輛；啟動性能分析表明，給行星齒輪開關(guān)變速器的第1擋設(shè)置較高的傳動比，可模擬手動擋起步，并可實(shí)現(xiàn)不間斷換任意擋。

行星齒輪作為離合器使用效果顯著，全部零件易于制造，由于其結(jié)構(gòu)不使用液力變扭器和同步器，避開了我國自動變速器制造的短板。