南京工業(yè)大學(xué)動力換擋變速器精講

第六章動力換擋變速器第五章動力換檔變速箱主要內(nèi)容2、行星式動力換檔變速箱原理3、行星式動力換檔變速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計1、定軸式動力換檔變速箱4、換檔離合器、制動器設(shè)計5、動力換檔變速箱典型結(jié)構(gòu)介紹1、特點：采用換擋離合器將變速箱中的某兩個換檔元件結(jié)合，或采用制動器將某一換檔元件制動實現(xiàn)換檔；換檔動作是通過液壓系統(tǒng)借助發(fā)動機的動力實現(xiàn)。2、優(yōu)點：操縱輕便、換檔快，易于實現(xiàn)自動化；動力換檔變速箱不會掛不上檔；可實現(xiàn)帶負荷不停車換檔，有效地提高了機器生產(chǎn)率。3、分類：定軸式和行星式兩種類型。

動力換檔變速箱第一節(jié)定軸式動力換檔變速箱

定軸式動力換檔變速箱是將變速箱的換檔齒輪用離合器與其軸連接起來，通過換檔離合器的分離、接合實現(xiàn)換檔的。一、變速箱結(jié)構(gòu)圖6-2W90-30型裝載機變速箱圖6-2W90-30型裝載機變速箱I檔II檔III檔F檔R檔1、在機器工作時，處于分離狀態(tài)的離合器摩擦片之間有相對運動，由于都是濕式離合器，摩擦片之間的油膜會消耗一定的能量；2、由于離合器在變速箱中要占相當(dāng)大的空間，定軸式動力換檔變速箱的體積受離合器尺寸的影響較大；3、動力換檔變速箱的換檔過程通常要操縱多個離合器，所以換檔控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。定軸式動力換檔變速箱缺點：二、傳動簡圖設(shè)計按自由度分為兩自由度三自由度四自由度三自由度四自由度

在檔位數(shù)相同的條件下，自由度數(shù)越小，掛檔接合離合器越少，空轉(zhuǎn)離合器越多；自由度數(shù)越大，掛檔接合離合器越多，空轉(zhuǎn)離合器越少。少自由度的空轉(zhuǎn)離合器增加，產(chǎn)生離合器空轉(zhuǎn)損失大。由于離合器的空轉(zhuǎn)損失要比齒輪的嚙合損失大，且多自由度方案離合器總數(shù)也少，因此動力換檔變速箱一般采用多自由度方案。變速箱有確定運動的條件是只有一個自由度，每操縱一個操作件，系統(tǒng)便減少一個自由度，二自由度變速箱有幾個操作件就可實現(xiàn)幾個檔位。

多自由度可以減少離合器數(shù)目，簡化變速箱結(jié)構(gòu)。但多自由度掛檔時參加傳遞動力的齒輪多，嚙合效率。變速箱傳動比確定的條件下，換檔離合器的位置不同，其閉合時的工作轉(zhuǎn)矩不同，分離時的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也不同。三、磨擦離合器的布置位置選擇涉及到兩個參數(shù)，一個是離合器所傳遞的磨擦扭矩，一個是空轉(zhuǎn)離合器的片間相對轉(zhuǎn)速。實驗表明，離合器分離時兩摩擦片之間的相對轉(zhuǎn)速不宜過大，過大了不僅會造成能耗增大，而且還可能使摩擦片產(chǎn)生振動。推薦分離時離合器兩摩擦片平均作用半徑處的相對速度小于50m/s。1、二自由度變速箱中空轉(zhuǎn)離合器片間的相對轉(zhuǎn)速接合離合器X，空轉(zhuǎn)離合器Ф摩擦片相對轉(zhuǎn)速nфx接合離合器X，變速箱的傳動比為若接合離合器Ф

，變速箱的傳動比為對相對空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速nфx的分析：(1)除與輸入軸轉(zhuǎn)速ni，接合離合器X時的傳動比iχ

、接合離合器φ時的傳動比iφ有關(guān)外，還與iiφ有關(guān)，也就是與離合器φ的位置有關(guān)；(2)變速箱最高檔工作時ix最小，這時最低檔的iφ最大；如果這時最低檔的離合器φ靠近輸入軸(iiφ較小)，則該離合器的相對轉(zhuǎn)速最大，因此離合器應(yīng)布置在低速軸上。(3)與iφ、iχ的符號有關(guān)，即與變速箱是變速機構(gòu)還是換向機構(gòu)有關(guān)。當(dāng)X和φ同為前進或倒退檔離合器時，iφ

、iχ同號,反之為異號。

接合離合器X，空轉(zhuǎn)離合器Ф摩擦片相對轉(zhuǎn)速nфx2、離合器的摩擦轉(zhuǎn)矩

與相對轉(zhuǎn)速nфx相乘，得離合器Ф接合時的工作轉(zhuǎn)矩為

如果通過改變離合器的位置降低離合器

Ф閉合時所傳遞的轉(zhuǎn)矩，但同時也增大了離合器Ф分離后的空轉(zhuǎn)相對轉(zhuǎn)速。從減小傳遞扭矩的要求出發(fā)，離合器應(yīng)盡可能的布置在變速箱的高速軸上。

3、二自由度變速箱的變速范圍D通常應(yīng)滿足以下條件：

由此可得，對于變速機構(gòu)Dmax=5.5，換向機構(gòu)Dmax=3.5。

當(dāng)iΦ=imax，iX=imin時，iΦ/iX

值最大。定義變速箱的變速范圍D第二節(jié)行星式動力換檔變速箱原理特點：動力換檔變速箱中有許多行星排，換檔動作主要依靠制動器制動各行星排的齒圈實現(xiàn)的。齒圈行星齒輪行星架太陽輪帶式制動器盤式制動器

行星式動力換檔變速箱優(yōu)點：①由于同時有幾個齒輪傳遞動力，可以采用小模數(shù)齒輪；②零件受力平衡，軸承、軸、殼體等受力較少，可以設(shè)計得尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊；③結(jié)構(gòu)剛度大，齒輪接觸良好，使用壽命長；④由于換檔主要使用制動器，使用固定油缸和固定密封，避免了大量的旋轉(zhuǎn)油缸和旋轉(zhuǎn)密封，操縱系統(tǒng)可靠性提高；⑤由于制動器布置于變速箱的外周，尺寸大，容量大，而且控制方便；⑥許多常用的行星傳動形式效率較高。

一、行星傳動的運動學(xué)、動力學(xué)分析

1.單行星輪行星排的運動分析行星架圍繞太陽輪（齒圈）的軸線轉(zhuǎn)動，同時太陽輪、齒圈和行星輪相對行星架在做嚙合轉(zhuǎn)動。如果把行星架作為參照物，即將其視為定軸，那么成為定軸輪系，支承在行星架上的太陽輪、齒圈和行星輪的嚙合轉(zhuǎn)動為相對運動；如果各齒輪間沒有相對嚙合轉(zhuǎn)動，只隨行星架一起轉(zhuǎn)動，其為牽連運動。行星排的運動是復(fù)合運動。α—行星排的特性參數(shù)單行星輪行星排取“＋”號，雙行星輪行星排取“－”號。

1、三元一次線性方程，一個行星排有兩個自由度。

2、方程三個系數(shù)之和為零，

nt=nq=nj為方程的解。

傳動方案行星架被動為減速行星架主動為增速行星架固定為逆轉(zhuǎn)大

減小

減大

增小

增減

速增

速傳動簡圖傳動比2.5~5.51.22~1.670.18~0.40.6~0.82-1.5~-4.5-0.22~-0.67行星傳動的閉鎖:在行星傳動中如果某一行星排的太陽輪、行星架、齒圈三個元件任意兩個的轉(zhuǎn)速相等，第三件的轉(zhuǎn)速也必然與前兩個相等。實際設(shè)計中，常利用這個方法(閉鎖離合器)實現(xiàn)直接檔。圖6-9DZ161鏟運機變速箱簡圖上節(jié)課內(nèi)容總結(jié)1、定軸式動力換擋變速箱的結(jié)構(gòu)原理。第一節(jié)定軸式動力換檔變速箱行星排運動學(xué)方程2、傳動方案按自由度分為兩自由度三自由度四自由度3、磨擦離合器的布置位置選擇（1）離合器所傳遞的磨擦扭矩；（2）空轉(zhuǎn)離合器片間相對轉(zhuǎn)速第二節(jié)行星式動力換檔變速箱原理2.單排行星動力學(xué)分析由得又由得單行星排轉(zhuǎn)矩關(guān)系式：單排雙行星排轉(zhuǎn)矩關(guān)系式：嚙合功率法：在行星傳動中動力流分為兩部分：一部分通過牽連運動傳遞，這一部分沒有齒輪嚙合摩擦功率損失；另一部分通過相對運動傳遞，這一部分通過齒輪嚙合傳遞，有嚙合功率損失。行星排功率損失：嚙合功率Nx3.行星傳動的效率計算對單行星傳動：對雙行星傳動：行星排的效率為對單行星傳動：對雙行星傳動：齒輪傳動機構(gòu)無轉(zhuǎn)速損失，其功率損失體現(xiàn)在力矩損失上，因此可以通過力矩的關(guān)系求效率。力矩法求效率：如果不考慮功率損失，傳動效率為100%，則輸入功率等于輸出功率，即：理論力傳動比考慮功率損失，傳動效率為實際輸出功率與輸入功率之比，即：實際輸出力矩實際力傳動比二、行星變速箱的傳動分析行星變速箱組成分析自由度分析檔位數(shù)分析轉(zhuǎn)速分析轉(zhuǎn)矩分析分析行星式變速箱，首先應(yīng)根據(jù)行星變速箱的實物結(jié)構(gòu)圖，畫出其傳動簡圖。分析內(nèi)容行星式變速箱是由若干個行星排組合而成。根據(jù)傳動簡圖，首先分析，該變速箱是單一行星機構(gòu)，還是由若干行星機構(gòu)串聯(lián)而成。1、行星變速箱的組成相鄰的兩個行星排之間只有一個基本元件相連接，則可以把它分為兩組行星傳動機構(gòu)研究。串聯(lián)的標志：圖6-9DZ161鏟運機變速箱簡圖圖6-9DZ161鏟運機變速箱簡圖2、自由度分析行星式變速箱中，結(jié)構(gòu)上成一體的構(gòu)件看作一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。每個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件只有一個自由度，每個行星排有一個轉(zhuǎn)速方程（約束方程）。因此，每組行星機構(gòu)的自由度為：Y=m–n式中：m—行星機構(gòu)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件數(shù)(不計行星輪)；

n—行星機構(gòu)行星排數(shù)。Y=5–33、檔位數(shù)分析自由度增多，檔位數(shù)增多，換檔操作件也增多。機構(gòu)具有確定運動的條件是只有一個自由度，每操縱一個操作件（閉合一個制動器或接合一個離合器）系統(tǒng)便減少一個自由度。所以，二自由度變速箱有幾個操作件就可以實現(xiàn)幾個檔位。圖6-9DZ161鏟運機變速箱簡圖自由度越多，在同樣行星排時可實現(xiàn)的檔位數(shù)也越多、結(jié)構(gòu)也越緊湊。根據(jù)自由度計算公式：Y=m–n對兩自由度變速箱的行星排數(shù)n為：n=m–Y=m–2在m個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件中，除掉一個主動件和一個被動件，剩下的可以作為制動操縱件的構(gòu)件數(shù)b也為：b=m–2因此，對于兩自由度變速箱，制動操縱件數(shù)等于行星排數(shù)，每個行星排可以布置一個制動操縱件，因此，對一般兩自由度行星變速箱來講，有幾個行星排就有幾個非直接檔。兩自由度變速箱中，任意兩個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件通過離合器結(jié)合在一起，就能將整個行星機構(gòu)閉鎖成直接傳動。當(dāng)行星變速箱中有閉鎖離合器時，可以得到直接檔。圖6-9DZ161鏟運機變速箱簡圖4、行星變速箱轉(zhuǎn)速分析

(1)列出n個轉(zhuǎn)速方程(以單行星輪為例)目的：求各檔傳動比和各旋轉(zhuǎn)構(gòu)件（包括行星輪）在不同檔位時的轉(zhuǎn)速。設(shè)變速箱有n個行星排，共3n個基本元件。(2)列出連接方程(3)列出操縱方程由于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件數(shù)m=n+Y，則由3n個基本元件組成m個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的變速箱，可列出3n－m=3n－(n+Y)=2n－Y連接方程，即設(shè)基本元件X和Y連成一體，則有：nX=nY例1：如圖，已知行星變速箱α1、α2，輸入轉(zhuǎn)速ni=na。試求：該檔位變速箱的傳動比i和各旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的轉(zhuǎn)速。解：1、列各行星排轉(zhuǎn)速方程2、列聯(lián)接方程與控制方程3、聯(lián)立求解行星輪相對于行星架的轉(zhuǎn)速:5、各構(gòu)件的轉(zhuǎn)矩分析列各行星排轉(zhuǎn)矩關(guān)系方程、轉(zhuǎn)矩連接方程并求解根據(jù)所設(shè)計機器的具體情況，將輸人轉(zhuǎn)矩Mi、輸出轉(zhuǎn)矩Mo中的一個作為已知量，方程組即可求得所有轉(zhuǎn)矩值。共有（3n+Y+1）個線性無關(guān)的方程。例2：如圖所示，已知行星變速箱α1、α2，輸入轉(zhuǎn)矩Mi=Ma。試求各旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的轉(zhuǎn)矩。求解得：解：列出各行星排力矩平衡方程及轉(zhuǎn)矩聯(lián)接方程三、行星傳動的功率流分析1、功率流的傳遞1)確定基本元件的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)矩方向；2)把基本元件的旋轉(zhuǎn)方向和所受外力方向標在相應(yīng)受力點（太陽輪與行星輪嚙合點，齒圈與行星輪嚙合點，行星輪與行星架接觸點）；3）根據(jù)構(gòu)件受力點的運動方向和所受外力方向判斷輸入或輸出功率。

功率流繪制步驟

如果一個構(gòu)件受力點的運動方向與該點的所受外力方向相同，則此構(gòu)件在該處輸入功率；如果受力點的運動方向與該點的所受外力方向相反，則此構(gòu)件在該處輸出功率;如果沒有運動，則該處不傳遞功率。2、循環(huán)功率在輸出構(gòu)件上功率分成兩路，一路輸出，而另一路則又流回去。整個機構(gòu)的功率流可看作是兩個功率流的合成，一條是傳遞功率流，傳遞路線為從輸人到輸出；另一條功率流的傳遞路線形成了一個封閉的功率回路，這部分功率始終在機構(gòu)內(nèi)部循環(huán)，不反映到外面來，這部分功率稱為循環(huán)功率。應(yīng)該指出：存在循環(huán)功率的方案，只要循環(huán)功率的數(shù)值與傳遞功率數(shù)值相比很小，方案和其他方案相比又有某些顯著優(yōu)點，例如結(jié)構(gòu)布置方便，行星排特性參數(shù)合理，或者該檔位不常用等，仍可采用。特點：

（1）只在內(nèi)部循環(huán)往復(fù)，對外不表現(xiàn)。（2）與主功率同生同滅。（3）存在及大小僅取決于行星排結(jié)構(gòu)。危害：使齒輪傳動負荷增大，嚙合損失增加，傳動效率下降。使某些零件負荷增大，導(dǎo)致機構(gòu)尺寸、重量加大，成本增加。引起的機械能損失轉(zhuǎn)換成熱能，導(dǎo)致系統(tǒng)溫度上升。例3：如圖所示，已知行星變速箱α1、α2、輸入轉(zhuǎn)矩Mi=Ma，ni=na。試求系統(tǒng)的循環(huán)功率。解：由分析可知，第一行星排行星架流入的功率為系統(tǒng)的循環(huán)功率。列轉(zhuǎn)速和力矩方程得一、傳動簡圖設(shè)計能以最少的行星排實現(xiàn)所需的檔位數(shù)；各行星排的特性參數(shù)α值恰當(dāng)，使結(jié)構(gòu)緊湊；行星輪相對行星架的轉(zhuǎn)速不得過高；各操縱件的相對空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不能過高；各檔嚙合傳動效率高；結(jié)構(gòu)簡單。第三節(jié)行星動力變速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計1、設(shè)計的基本要求把一個兩檔位和一個三檔位的二自由度變速箱串聯(lián)，只需五個行星排和五個操作件（如有直接檔，采用閉鎖離合器，需四個行星排和五個操作件）。例如，設(shè)計具有六個檔位的二自由度行星齒輪變速箱。不采用串聯(lián)方案需要六個行星排和六個操作件（如有直接檔，采用閉鎖離合器，需五個行星排和六個操作件）。采用串聯(lián)方案(1)以最少的行星排實現(xiàn)所需的檔位數(shù)采用閉鎖離合器取得直接檔，用串聯(lián)行星機構(gòu)的方案來減少行星排數(shù)。

α是一個結(jié)構(gòu)參數(shù)，其大小直接影響變速箱的結(jié)構(gòu)緊湊性和外形尺寸。要使結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)使Rq最小。當(dāng)采用標準齒輪單行星行星排時，

Rt等于Rx，變速箱結(jié)構(gòu)最緊湊，此時α＝3。α＝3（2）行星排特性參數(shù)α值的影響(3)行星輪相對行星架的轉(zhuǎn)速在各檔位工作時，行星輪相對行星架的轉(zhuǎn)速不得過高。在行星排中，一般采用若干個（常見的為3～4個）沿圓周均勻分布或和行星架旋轉(zhuǎn)軸線對稱分布的行星輪。在行星排傳遞功率時，理論上齒圈和太陽輪軸上都不受徑向載荷，但行星輪軸上有徑向載荷，因此除了在結(jié)構(gòu)上保證行星輪軸承具有良好的潤滑外，還應(yīng)限制其最高轉(zhuǎn)速，一般當(dāng)行星排傳遞功率時，nx

<5000r/min)(4)各操縱件的相對空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在各檔位工作時，各操縱件（離合器、制動器）的空轉(zhuǎn)相對轉(zhuǎn)速不能過高。nφ過高，在操縱件接合過程中，將產(chǎn)生過大的滑磨功和滑磨功率，增大了摩擦元件的熱負荷，嚴重時甚至引起摩擦元件的燒損。此外，在空轉(zhuǎn)時，

nφ過高會增加操縱件的空轉(zhuǎn)功率損失。一般控制摩擦元件的平均半徑處的圓周線速度不超過60m/s。一般要求各前進檔位的效率：η＞0..925；各倒退檔位的效率：η＞0.87；（5）傳動效率高例如：使所有行星排的齒圈齒數(shù)相等，相鄰行星排基本元件連成一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件時，盡量采用同名元件相連，盡可能用齒圈作為制動件，采用多排方案時盡量使用公用排等。(6)結(jié)構(gòu)簡單圖6-9DZ161鏟運機變速箱簡圖行星變速箱的傳動分析組成自由度檔位數(shù)轉(zhuǎn)速分析轉(zhuǎn)矩分析上節(jié)課內(nèi)容總結(jié)功率流分析一、傳動簡圖設(shè)計1、基本要求第三節(jié)行星動力變速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計用一個行星排實現(xiàn)一個檔位的傳動比。結(jié)構(gòu)簡單，嚙合消耗功率少，應(yīng)該為優(yōu)先考慮的方案。難以實現(xiàn)較大的傳動比。2．傳動方案設(shè)計(1)單排行星傳動方案用單行星輪行星排傳動可以實現(xiàn)的傳動比和效率列于表6-2。

雙行星輪行星排的行星輪多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、工藝難度大，前進檔采用較少。由于這種結(jié)構(gòu)可用齒圈作為制動件實現(xiàn)倒檔，在結(jié)構(gòu)布置時比較方便，所以，在倒檔中有采用。例4：用單排行星傳動方案設(shè)計一個兩檔變速箱。使iF

=3.5，iR

=-2.9。解：iF采用圖a方案，由iF

=1+αF，可得：

αF=3.5－1=2.5；

iR采用圖b方案，由iR=－(αR－1)，可得：

αR=1－iR=3.9。用兩個行星排實現(xiàn)一個檔位的傳動比。雙排傳動由基本排和輔助排組成。

基本排中的三個基本元件分別是輸入件、輸出件和與輔助排中某基本元件相連的中間件；輔助排中的三個基本元件分別是制動件、中間件和輸入或輸出件。(2)雙排行星傳動方案例5：設(shè)計一個三檔行星傳動變速箱，使i1=1，i2=0.514，i3=0.286。解：i1=1可以用閉鎖離合器形成直接檔實現(xiàn)；

i2=0.514用單行星排傳動時不可能實現(xiàn)；

i3=0.286可以用單行星排傳動實現(xiàn)。對于a圖，由表6-2得可求得α3=2.5

對于b圖，由表6-3得將

i2=0.514代入得:α2=2.1。將a、b兩圖綜合起來，考慮空轉(zhuǎn)速度、接合轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便等因素布置閉鎖離合器實現(xiàn)i1=1?？傻盟贾玫淖兯傧浜唸Dc。將上兩例設(shè)計的變速箱串聯(lián)起來，就是D155A推土機變速箱的主要部分。

二、行