行星齿轮机构的传动原理和结构

行星齿轮变速装置1行星齿轮机构的传动原理和结构1.齿轮传动的基本原理和行星齿轮机构特点（1）齿轮变速的基础知识1）相互啮合的齿轮的传动比i=n1/n2=Z2/Z1=M2/M1。2）两齿轮外啮合旋转方向相反，两齿轮内啮合旋转方向相同。3）中间齿轮改变原啮合齿轮的转动方向，不改变转速。4）相互啮合的齿轮，小齿轮驱动大齿轮，减速增矩。5）相互啮合的齿轮，大齿轮驱动小齿轮，增速减矩。6）多个齿轮组串联时，中间齿轮也起变速作用。行星齿轮变速装置2变速原理主动轮1从动轮2i12=n1/n2=z2/z1=M2/M1i=主动齿轮齿数从动齿轮齿数z1，n1，M1为主动齿轮的参数。z2，n2，M2为从动齿轮的参数。行星齿轮变速装置3自动变速器中采用的齿轮变速器有普通齿轮式和行星齿轮式两种。目前，绝大多数轿车自动变速器中的齿轮变速器为行星齿轮式，只有少数车型采用普通齿轮式。行星齿轮变速装置4（2）行星齿轮机构特点1）所有齿轮均参与工作，每个齿轮都承受载荷，行星齿轮机构结构紧凑，承受负荷较大；2）太阳轮、行星齿轮架和齿圈三组件同轴；3）行星齿轮既有公转又有自转；4）行星齿轮系统的齿轮均采用斜齿常啮合状态，工作平稳，寿命长，杜绝手动变速器变速时齿轮移动产生的冲击和磨损；5）行星齿轮机构采用内啮合与外啮合相结合的方式，与单一的外啮合相比，减小了变速器尺寸。6）可将行星齿轮架视作一个虚拟齿轮，如太阳轮的齿数为Z1，齿圈的齿数为Z2，则虚拟行星齿轮架齿数ZC=Z1+Z2行星齿轮变速装置52.单排单级行星齿轮机构的组成及变速原理（1）单排单级行星齿轮机构的组成单排单级行星齿轮机构由太阳轮、行星齿轮架及行星轮和齿圈组成。齿圈制有内齿，其余齿轮均为外齿，太阳轮位于机构中心，行星轮一般有3个或4个，空套（或装滚针轴承）在行星齿轮轴上，行星齿轮轴均布地固定在行星架上。行星轮即可绕行星轴自转，又可绕太阳轮公转。太阳轮与行星轮是外啮合，二者旋转方向相反；行星轮与齿圈是内啮合，二者旋转方向相同。行星齿轮系统的齿轮均采用斜齿常啮合状态行星齿轮变速装置6单排单级行星齿轮机构运动行星齿轮变速装置7单排单级行星齿轮机构组成行星齿轮变速装置8单排单级行星齿轮机构实物运动行星齿轮变速装置9单排单级行星齿轮机构实物图行星齿轮变速装置10（2）单排单级行星齿轮机构的变速原理和传动比计算1）单排单级行星齿轮机构的变速原理单排单极行星齿轮机构必须将太阳轮、齿圏和行星架三个元件中的一个加以固定，或者将某两个元件互连接在一起，输入与输出才能获得一定的传动比。改变各元件的运动状态，可获得多个传动比。行星齿轮机构1-齿圈;2-行星齿轮;3-行星架;4-太阳轮行星齿轮变速装置11连接是指将行星齿轮变速器的输入轴与行星排中的某个基本元件连接，以传递动力，或将前一个行星排的某一个基本元件与后一个行星排的某一个基本元件连接，以约束这两个基本元件的运动；固定是指将行星排的某一基本元件与自动变速器的壳体连接，使之被固定住而不能旋转；锁止是指把某个行星排的三个基本元件中的两个连接在一起，从而将该行星排锁止。换挡执行元件按一定的规律对行星齿轮机构的某些基本元件进行连接、固定或锁止，让行星齿轮机构获得不同的传动比，从而实现挡位的变换。行星齿轮变速装置122）单排单级行星齿轮机构传动比计算①用运动方程计算传动比单排单级行星齿轮机构运动方程：n1+an2(1+a)·n3=0式中：n1-太阳轮转速；n2-齿圈转速；n3-行星架转速；a=齿圈齿数Z2与太阳轮齿数Z1之比，即a=Z2/Z1且a＞1（a一般为2点几）。通过解上述三元一次方程，得出传动比。行星齿轮变速装置13②用矢量图法计算传动比｝1｝α行星架齿圈RCS太阳轮在竖直线段上确定R、C、S三点。S代表太阳轮，位于最下端；R代表齿圈，位于最上端；C代表行星架，位于S和R之间。CR=1（单位）CS=α。α＝齿圈齿数/太阳轮齿数，故α＞1（α一般为2点几），如图3-3所示。图3-3确定齿圈、行星架和太阳轮位置首先从S或C或R点向右水平画出输入元件矢量n1或n3或n2（n1-太阳轮转速；n3-行星架转速；n2-齿圈转速）。右向为顺时针转。将输入元件的矢量线端点与制动元件点（矢量为0）的连线（或延长线）与输出元件水平线段交点所确定的矢量线即为输出元件的矢量，右向为顺时针转向，左向为逆时针转向。用相似三角形法来计算单排单级行星齿轮机构输入元件与输出元件的传动比。行星齿轮变速装置143.单排单级行星齿轮机构的传动规律与传动比计算（1）、太阳轮输入，齿圈制动，行星架输出1）转矩传动分析2图3-4太阳轮输入，齿圈制动，行星架输出传动图与结构简图如图3-4所示，当太阳轮输入顺时针旋转时，行星轮必在行星架上逆时针旋转(两轮外啮合)，因齿圈制动，行星轮必绕太阳轮顺时针公转并驱动行星架顺时针旋转而输出转矩。行星齿轮变速装置152）传动比计算①用运动方程计算传动比该行星齿轮机构运动方程n1+αn2－(1+α)n3=0中，由于齿圈制动n2=0，该运动方程变为n1-(1+α)·n3=0得n1/n3=1+α即传i=n1/n3=1+α＞2即该单排行星齿轮机构转向相同，减速增矩。②用矢量图法计算传动比1α-1｝｝S1S2S2S2S2S2S2S1S1S1S1S1RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCSSSSSSSSSSSSSSn3n3n3n3n3n3n3n3n3n2n2n2n2n2n2n2n1n1n1n1n1n1n1n2n2n1n1行星架齿圈太阳轮R｝1α-1｝｝αn2n2n2n2n1n1n1n3n1小太阳轮大太阳轮行星架齿圈111111111111111111α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1ααααααααααα如右图所示。在竖直线段RCS上过S点右向水平做矢量n1（n1为太阳轮转速，n1＞0顺转）；连接R点（齿圈制动，n2=0）与n1端点连线与过C点n3线相交；n3为输出元件行星架转速。根据相似三角形原理，可以计算出传动比i=n1/n3=1+α＞2即该单排行星齿轮机构转向相同，减速增矩。行星齿轮变速装置16（2）齿圈输入，太阳轮制动，行星架输出1）转矩传动分析1图3-6齿圈输入，太阳轮制动，行星架输出传动图与结构简图如图3-6所示，当齿圈输入顺时针旋转时，使行星齿轮也顺时针旋转（两齿轮內啮合），因太阳轮制动，使行星轮必绕太阳轮顺时针转动，行星轮在行星架上自转，它必须带着行星架绕太阳轮旋转，于是行星架便被动顺时针旋转而输出动力。行星齿轮变速装置172）传动比计算①用运动方程计算传动比该行星齿轮机构运动方程n1+αn2－(1+α)n3=0中，由于太阳轮制动n1=0，该方程变为αn2－(1+α)n3=0得n2/n3=（1+α）/α即传动比i=n2/n3=（1+α）/α＞1即该单排行星齿轮机构转向相同，减速增矩。行星齿轮变速装置18②用矢量图法计算传动比1α-1｝｝S1S2S2S2S2S2S2S1S1S1S1S1RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCSSSSSSSSSSSSSSn3n3n3n3n3n3n3n3n3n2n2n2n2n2n2n2n1n1n1n1n1n1n1n2n2n1n1行星架齿圈太阳轮R｝1α-1｝｝αn2n2n2n2n1n1n1n3n1小太阳轮大太阳轮行星架齿圈111111111111111111α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1ααααααααααα右图为齿圈输入，太阳轮制动，行星架输出矢量图。根据相似三角形原理，可以计算出传动比i=n2/n3=（1+α）/α＞1即该单排行星齿轮机构转向相同，减速增矩。行星齿轮变速装置19（3）、行星架输入，太阳轮制动，齿圈输出1）转矩传动分析3图3-8行星架输入，太阳轮制动，齿圈输出传动图与结构简图如图3-8所示，当行星架输入顺时针旋转时，行星架必带着行星轮一齐顺时针旋转，因太阳轮制动，因此太阳轮的轮齿必给行星轮轮齿一个反作用力，行星轮必顺时针旋转，行星轮顺时针旋转时，其轮齿必给齿圈轮齿一个推力，齿圈在行星轮齿作用下，必克服其运动阻力而顺时针旋转输出。行星轮既自转又绕太阳轮公转。行星齿轮变速装置202）传动比计算①用运动方程计算传动比该行星齿轮机构运动方程n1+αn2－(1+α)n3=0中，由于太阳轮制动n1=0，该方程变为αn2－(1+α)n3=0得n3/n2=α/（1+α）传动比i=n3/n2=α/（1+α）＜1即该单排行星齿轮机构转向相同、增速减矩。行星齿轮变速装置21②用矢量图法计算传动比1α-1｝｝S1S2S2S2S2S2S2S1S1S1S1S1RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCSSSSSSSSSSSSSSn3n3n3n3n3n3n3n3n3n2n2n2n2n2n2n2n1n1n1n1n1n1n1n2n2n1n1行星架齿圈太阳轮R｝1α-1｝｝αn2n2n2n2n1n1n1n3n1小太阳轮大太阳轮行星架齿圈111111111111111111α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1ααααααααααα右图为行星架输入，太阳轮制动，齿圈输出矢量图。根据相似三角形原理，可以计算出传动比i=n3/n2=α/（1+α）＜1即该单排行星齿轮机构转向相同、增速减矩。行星齿轮变速装置22（4）、太阳轮输入，行星架制动，齿圈输出1）转矩传动分析5图3-10太阳轮输入，行星架制动，齿圈输出传动图与结构简图图3-10所示，当太阳轮输入顺时针旋转时，使行星轮逆时针旋转（两齿轮外啮合），因行星架制动，所以行星轮必在行星架上逆时针自转，行星轮逆时针旋转必给齿圈轮齿一个作用力，齿圈在行星轮齿作用下逆时针旋转而输出转矩（两齿轮外啮合）。行星齿轮变速装置232）传动比计算①用运动方程计算传动比该行星齿轮机构运动方程n1+αn2－(1+α)n3=0中，由于行星架制动n3=0，该运动方程变为n1+αn2=0得n1/n2=-α即传动比i=n1/n2=-α，因传动比的绝对值大于1，为减速运动，负号表示转向相反，即该单排行星齿轮机构转向相反，减速增矩。行星齿轮变速装置24②用矢量图法计算传动比1α-1｝｝S1S2S2S2S2S2S2S1S1S1S1S1RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCSSSSSSSSSSSSSSn3n3n3n3n3n3n3n3n3n2n2n2n2n2n2n2n1n1n1n1n1n1n1n2n2n1n1行星架齿圈太阳轮R｝1α-1｝｝αn2n2n2n2n1n1n1n3n1小太阳轮大太阳轮行星架齿圈111111111111111111α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1α-1ααααααααααα右图为太阳轮输入，行星架制动，齿圈输出的矢量图。从矢量图中可以看出齿圈输出与太阳轮输入转向相反。根据相似三角形原理，可以计算出传动比i=n1/n2=-α，因传动比的绝对值大于1，为减速运动，负号表示转向相反，该单排行星齿轮机构转向相反，减速增矩。行星齿轮变速装置25（5）行星排成一整体输出若三元件中的任两元件被连接在一起，则第三元件必然与这两者以相同的转速、相同的方向转动。行星齿轮变速装置261）转矩传动分析图3-12行星架与齿圈相连，行星排成一体输出图与结构简图若把行星架与齿圈相连，则行星架与齿圈便不可能有相对运动，而行星轮与齿圈相啮合，于是行星轮便不会相对行星架运动。又因太阳轮齿与行星轮齿相啮合，所以太阳轮也不连自连，使整个行星排连成一体。同理，太阳轮与行星架相连，或太阳轮与齿圈连成一体，行星排均成一体输出。如图3-12所示。行星齿轮变速装置272）传动比计算①用运动方程计算传动比该行星齿轮机构运动方程n1+αn2－(1+α)n3=0中，由于将行星架与齿圈连成一体n1=n2，该运动方程变为n2+αn2－(1+α)n3=0得n2/n3=1即传动比i=n2