沈國盛，鄭堯軍

(浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

基于等效杠桿法的行星輪系實驗裝置研究

沈國盛，鄭堯軍

(浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018)

行星輪系結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，在轉(zhuǎn)動過程中既有自轉(zhuǎn)，又有公轉(zhuǎn)，因此在理論設(shè)計中，目前比較科學(xué)的方法是使用等效杠桿法。而由于行星輪系變化多端，如何在實際教學(xué)中通過實驗裝置演示等效杠桿法進行輔助教學(xué)是難點。本研究的杠桿法實驗裝置是將等效杠桿法的理論轉(zhuǎn)化為可實際操作的輔助實驗教學(xué)裝置，為行星輪系學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，為后續(xù)行星輪系的兩排、三排及以上結(jié)構(gòu)知識的融會貫通做好準(zhǔn)備。

等效杠桿法；行星輪系；實驗裝置

0 引言

根據(jù)乘聯(lián)會的統(tǒng)計，2016年新能源汽車總體增速放緩，但國內(nèi)混動車型的累計銷量已經(jīng)達到了6.27萬輛，普通油電混動車型的銷量首次大幅超過了插電式混合動力汽車，增長十分迅猛。比起插電式混合動力汽車，少了很多政策上的優(yōu)惠與支持，不被政策青睞的普通混動車型一路走高，實現(xiàn)了“逆襲”。這種消費者用真金白銀“投票”的市場選擇與政策“欽定”推廣之間的背離現(xiàn)象，值得深入思考?，F(xiàn)代混合動力的發(fā)展，離不開其核心動力分流裝置——行星輪系。

1 行星輪系教學(xué)現(xiàn)狀分析

隨著我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展, 自動變速器在轎車上的使用越來越廣泛。行星齒輪組作為自動變速器的重要組成部件其運動比較復(fù)雜, 直觀上很難理解, 不像機械式變速器只是簡單的齒輪結(jié)合與分離,還需要了解其設(shè)計組成原理, 理解各個離合器、制動器和單向離合器位置的布置。傳統(tǒng)的行星齒輪組分析方法有相對速度法、速度圖解法和力矩法[1]。這些方法在分析二自由度行星齒輪傳動時比較簡單,但分析三自由度行星齒輪傳動時就比較困難。

在眾多新能源汽車解決方案中，綜合傳統(tǒng)燃油汽車和純電動汽車優(yōu)點的HEV，基本不改變現(xiàn)有汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，不改變現(xiàn)有能源體系及用戶使用習(xí)慣，成為目前最具現(xiàn)實開發(fā)意義及產(chǎn)業(yè)化前景的節(jié)能環(huán)保汽車。從混合動力電動汽車需求考慮,混聯(lián)型驅(qū)動系統(tǒng)充分發(fā)揮了串聯(lián)型和并聯(lián)型的優(yōu)點,能夠使發(fā)動機、發(fā)電機、電動機/發(fā)電機實現(xiàn)優(yōu)化匹配。對行星齒輪機構(gòu)的3個基本構(gòu)件(行星輪系)與發(fā)動機、電動機/發(fā)電機及發(fā)電機組成的6種連接方式進行定量分析比較,確定最佳形式,并確定最佳傳動系統(tǒng)方案，從而在結(jié)構(gòu)上保證了在復(fù)雜工況下系統(tǒng)的最優(yōu)工作狀態(tài),所以更容易實現(xiàn)動力性、經(jīng)濟性和排放的控制目標(biāo)。國外成熟車企混合動力汽車銷量已經(jīng)超過400萬輛，而國內(nèi)依然在零點起步；混合動力技術(shù)仍是豐田的核心技術(shù)，THS核心是雙電機動力分流裝置PSD(Power Split Device),PSD的核心就是行星輪系。THS混動系統(tǒng)的核心——動力分流裝置是一個拉威娜式的雙排行星齒輪組，在自動變速箱中運用十分廣泛。

圖1 單排單行星齒輪組的等效杠桿圖

因此，無論在現(xiàn)有成熟的自動變速器技術(shù)還是混合動力新能源汽車技術(shù)中，行星輪系的應(yīng)用無處不在，這就要求我們在相應(yīng)的課程教學(xué)中不斷地結(jié)合最新的科技前沿進行跟蹤教學(xué)。目前，在行星輪系設(shè)計上通用一種簡便的計算自動變速器行星齒輪組扭矩和轉(zhuǎn)速的方法，就是等效杠桿模擬法(簡稱等效杠桿法)。

2 研究內(nèi)容

本研究建立了一種簡潔快速的計算行星齒輪組扭矩和轉(zhuǎn)速的方法——等效杠桿法, 它將復(fù)雜的行星齒輪組結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成簡單的等效杠桿圖, 使得受力分析和運動分析簡單直觀, 同時可以快速地判斷出自動變速器各換擋執(zhí)行元件的工作狀態(tài), 有助于深入地了解自動變速器的工作原理[2]。由于單個行星排由太陽輪、行星輪、齒圈及行星架構(gòu)成。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點, 將一個行星排等效為一個垂直杠桿和三個支點,三個支點分別代表太陽輪S 、行星架PC 和齒圈R，單排單行星齒輪組的等效杠桿圖如圖1所示。等效杠桿法的優(yōu)點是可以清晰地表示行星齒輪組各組件的旋轉(zhuǎn)方向和受力方向，如圖2所示。

圖2 等效杠桿法的受力分析

行星齒輪組各組件的受力方向, 其扭矩計算公式為：

TR·ZS-TS·ZR=0

(1)

式中:TR、TC、TS分別為齒圈、行星架和太陽輪的扭矩。

根據(jù)行星齒輪組各組件的受力分析, 由力學(xué)平衡原理得：

TR+TC+TS=0

(2)

利用等效杠桿法對行星齒輪組各組件進行運動分析,已知太陽輪為輸入件, 行星架固定, 齒圈為輸出件, 則等效杠桿法分析的行星齒輪組各組件的轉(zhuǎn)速方向及對應(yīng)關(guān)系如圖3所示[3]。

圖3 等效杠桿法轉(zhuǎn)速分析

圖3比較直觀地表示行星齒輪組各組件的旋轉(zhuǎn)方向, 齒圈和行星輪與太陽輪旋轉(zhuǎn)方向相反, 分布于行星架的同一側(cè)。

本研究的主要內(nèi)容包括：①單排行星輪系原型選擇，②等效杠桿法實驗裝置比例的設(shè)計， ③動態(tài)實驗演示中固定點與受力點變化時，杠桿長度的變化，④結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 設(shè)計思路簡介

利用等效杠桿法的原理：將一個行星齒輪組簡化為具有三個支點的等效杠桿, 三個支點分別代表太陽輪、齒圈和行星架。用垂直布置的杠桿系等效代替行星齒輪組, 等效杠桿上的各點可以等效為行星齒組的各個旋轉(zhuǎn)件, 行星齒輪組的輸入、輸出和各組件的扭矩在等效杠桿系中用水平力表示[4]。

制作中，首先設(shè)計等效杠桿法的行星輪系原型，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)設(shè)計實驗裝置的總體框架大小，按杠桿法的要求布置各支點、受力點的位置，選擇合適的材料對支點和受力點進行活動的調(diào)節(jié)。裝置的關(guān)鍵是隨著支點、受力點的變化，杠桿長度在實時變化，實驗裝置在任何位置下實現(xiàn)杠桿長度的相應(yīng)位置非常關(guān)鍵。

對制作好的實驗裝置，按照實驗的要求進行標(biāo)注，完成相應(yīng)的使用說明書，學(xué)生即可利用線下實驗裝置進行自主學(xué)習(xí)。實驗裝置的設(shè)計結(jié)合自動變速器技術(shù)與最新的混合動力技術(shù)中對動力分流裝置的分析，為混合動力車的核心動力分流技術(shù)分解學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備，拓展大學(xué)生的線上學(xué)習(xí)視野和線下動手能力。

在設(shè)計單排行星齒輪組實驗裝置的基礎(chǔ)上，可以拓展為二排、三排等行星齒輪組的等效杠桿法實驗裝置。

4 結(jié)語

通過本課題的研究，拓展汽車學(xué)院學(xué)生的新技術(shù)視野，培育學(xué)生的創(chuàng)新精神、挑戰(zhàn)意識和團隊合作意識，提升專業(yè)綜合素質(zhì)，更好地為汽車行業(yè)的發(fā)展服務(wù)。

將理論學(xué)習(xí)與科研成果進行實際生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的過程，需要一定的理論基礎(chǔ)和扎實的實踐動手制作能力。職業(yè)院校自動變速器類、行星輪系類、混合動力分流技術(shù)教學(xué)中涉及行星輪系傳動的分析都可以用本實驗裝置簡單、快速地完成教學(xué)。

[1]馮櫻. 運用杠桿法計算汽車行星齒輪變速器的傳動比[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2008.9.

[2]何國旗，譚放鳴，等. 利用等效杠桿法分析自動變速器行星齒輪傳動[J]. 機械傳動, 2006.3.

[3]許愛芬，賈巨民，劉寧.基于改進杠桿法的行星變速機構(gòu)傳動方案研究[J]. 軍事交通學(xué)院學(xué)報, 2014.7.

[4]李明圣. 杠桿法在復(fù)合輪系教學(xué)上的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2012.11，P175-177.

(編輯 文新梅)

Research on Planetary Gear Train Experiment Device Based on Equivalent Lever Method

SHEN Guosheng, ZHENG Yaojun

(Zhejiang Technical Institute of Economics, Hangzhou 310018, China)

The structure of planetary gear is complex and varied, and the running process of which has rotation and revolution. So in the theoretical design, the current relative scientific method is to use the equivalent lever method. Because the planetary gears are changing, in the actual teaching, how to demonstrate the equivalent lever through the experiment device is the difficulty. In this study, the experiment device with lever method is to shift the equivalent lever method theory into the auxiliary experiment teaching device with practical operation, to lay the foundation for the study of the planetary gear train, and get ready for the follow-up two rows, three rows and above of planetary gear train.

equivalent lever method; planetary gear train; experiment device

2017-3-21

沈國盛(1984—)。助理工程師。研究方向：汽車實訓(xùn)管理與研究。

TH132.4

A

1672-0601(2017)05-0082-03