工程机械设计_吴永平_第二篇工程机械底盘设计第五章动力换档变速箱 (1)

自由度增多，档位数增多， 换档操作件也增多。
4.转速分析
(1)列出n个转速方程(以单行星轮为例)
nt1 1 nq1 (1 1 )n j1 0 nt 2 2 nq 2 (1 2 )n j 2 0
ntn n nqn (1 n )n jn 0
例：设计具有六个非直接档的二自由度行星齿轮变速箱。
如果不采用串联方案
需要六个行星排和六个操作件。
（如有直接档，采用闭锁离合器，需六个行星排和六个操作件）

如果采用串联方案
把一个两档位和一个三档位的二自由度变速箱串联， 只需五个行星排和五个操作件。
（如有直接档，采用闭锁离合器，需四个行星排和五个操作件）
2.循环功率
应该指出：存在循环功率的方案，只要循环功率的数值与 传递功率数值相比很小，方案和其他方案相比又有某些显
著优点，例如结构布置方便，行星排特性参数合理，或者 该档位不常用等，仍可采用。
特
点：
只在内部循环往复，对外不表现。 与主功率同生同灭。 存在及大小仅取决于行星排结构。
危
害：
i o
no n o
接合离合器X ，变速箱的传动比为
i ni no
i ii io
若接合离合器Ф ，变速箱的传动比为
ii io
将以上各式代入（6-1）并整理得
i ni i ni ni n ni no ni io no (1 ) ii ii i ii i
⑥许多常用的行星传动形式效率较高。
一、行星传动的运动学、动力学分析
1. 单行星轮行星排的运动分析
nt n j nq n j

Zq Zt

行星排的特性系数， 1.5 4.5
nt nq (1 )n j 0
单行星轮行星排取“＋”号，
双行星轮行星排取“－”号。
第五章
动力换档变速箱
Speed Change Box
主 要 讲 授 内 容
1、定轴式动力换档变速箱 2、行Байду номын сангаас式动力换档变速箱原理
3、行星式动力换档变速箱结构设计
4、换档离合器、制动器设计 5、动力换档变速箱典型结构介绍 6、动力换档变速箱的液压控制系统
1、特点：
采用离合器将变速箱中的某两个换档元件 结合，或采用制动器将莫一换档元件制动实 现换档； 换档动作是通过液压系统借助发动机的动 力实现。 2、优点： 操纵轻便、换档快，易于实现自动化；动 力换档变速箱不会挂不上档；可实现带负荷 不停车换档，有效地提高了机器生产率。 3、分类： 定轴式和行星式两种类型。
Rt 2 Rx Z t Rt Rt Zq Rq
Rt Rx Rxmin
1.5 4.5
2．传动方案设计
1）单排行星传动方案
用一个行星排实现一个档位的传动比。 结构简单，啮合消耗功率少，应该为优先考虑的方案。
多自由度可以减少离合器数目，简化变速箱结构。但多
自由度挂档时参加传递动力的齿轮多，啮合效率低。
少自由度的空转离合器增加，产生离合器空转损失。 由于离合器的空转损失要比齿轮的啮合损失大，且多自 由度方案离合器总数也少，因此动力换档变速箱一般采用 多自由度方案。
三、换档离合器最高相对空转转速及传递转矩
使齿轮传动负荷增大，啮合损失增加，传动效率下降。 使某些零件负荷增大，导致机构尺寸、重量加大，成本
增加。
引起的机械能损失转换成热能，导致系统温度上升。
第三节
行星传动动力变速箱结构设计
一、传动简图设计
1.设计的基本要求


能以最少的行星排实现所需的档位数；
各行星排的特性参数α值恰当，使结构紧凑； 行星轮相对行星架的转速不得过高； 各操纵件的相对空转转速不能过高； 各档啮合传动效率高； 结构简单。
(2)列出连接方程
1 n1 nY 0 X 2 2 n X nY 0
( n (2nY ) nY2nY ) 0 X
(3)列出操纵方程
nZ 0 nZ nZ ' 0
例：如图所示，已知行星变速
箱α1、 α2、 α3、 α4，输入转
速ni=na。试求：当Φ 1、T3接合 时变速箱的传动比i和各旋转构 件的转速。
Ma M t1 1 1 2
1 2 M q1 Ma 1 1 2 2 (1 1 ) M j1 Ma 1 1 2
三、行星传动的功率流分析
1.功率流的传递
如果一个构件受力点的运动方向与该点的所受外力方向相
同，则此构件在该处输入功率；如果一个构件受力点的运动方 向与该点的所受外力方向相反，则此构件在该处输出功率。
4
na na ; n j4 1 3 1 3
5.各构件的转矩分析 列各行星排转矩关系方程、转矩连接方程并求解
M j1 M t1 M q1 1 1 (1 1 ) M j2 Mt 2 M q2 1 2 (1 2 )
M jn M tn M qn 1 n (1 n )
第一节
定轴式动力换档变速箱
一 、变速箱结构
定轴式动力换档变 速箱是将变速箱的换
档齿轮用离合器与其
轴连接起来，通过换 档离合器的分离、接
合实现换档的。
二、传动简图设计
R1 R2
i i
F1 F2
o
a)
o
o
b)
a）档位
档位 进1 进2 进3 进4 倒1 倒2 倒3 倒4 接合的离合器 F-1-L F-2-L F-1-H F-2-H R-1-L R-2-L R-1-H R-2-H 档位 进1 进2 进3 进4 倒1 倒2 倒3 倒4
换档离合器可以装在主动齿轮轴上，也能装在被动齿轮轴上。
在变速箱传动比确定的条件下，由于换档离合器的位置不同，
其闭合时的工作转矩不同，分离时的空转转速也不同。
1.二自由度变速箱中空转离合器片间的相对转速
接合离合器X，求空转离合器Ф摩擦片相对转速nфx
n ni no
ii
ni n i
2.离合器的工作转矩Mm 离合器Ф接合时的工作转矩为
M m ii M i
与相对转速nфx相乘，得
( M m n ) M i ni (1
x
i i
)
如果通过改变离合器的位置降低离合器Ф闭合时所传递的
转矩，但同时也增大了离合器Ф分离后的空转相对转速。
3.二自由度变速箱的变速范围D 当 i imax，i X imin 时 ，
啮合功率法 ：在行星传动中动力流分为两部分：一部分通过牵连运
动传递，这一部分没有齿轮啮合摩擦功率损失；另一部分通过相对运
动传递，这一部分通过齿轮啮合传递，有啮合功率损失。 啮合功率Nx
Nx=|Mt（nt-nj）|= | Mq（nq-nj）|
行星排啮合功率损失 ：
N p N x (1 p )
第二节
特点：
行星式动力换档变速箱原理
动力换档变速箱中有许多行星排，换档动作主要依靠
制动器制动各行星排的齿圈实现的。
盘式制动器
带式制动器
行星架
齿圈
行星齿轮
太阳轮
行星式动力换档变速箱优点：
①由于同时有几个齿轮传递动力，可以采用小模数齿轮；
②零件受力平衡，轴承、轴、壳体等受力较少，可以设计 得尺寸小，结构紧凑； ③结构刚度大，齿轮接触良好，使用寿命长； ④由于换档主要使用制动器，使用固定油缸和固定密封， 避免了大量的旋转油缸和旋转密封，操纵系统可靠性提高； ⑤由于制动器布置于变速箱的外周，尺寸大，容量大，而 且控制方便；
nt 2 n a ; n q 2
2
na ; n j 2 0 na 1 3
nt 2 nt 3 ni n a n j 2 n q 3 nt 4 0 n j 3 n j 4 n0
nt 3 na ; nq 3 0; n j 3 nt 4 0; nq 4 14
例：如图所示，已知行星变速箱α1、 α2、 输入转矩Mi=Ma。试求各旋转构件的转矩。 解：列出各行星排力矩平衡方程及转矩联接 方程 求解得：
M j1 M t1 M q1 1 1 (1 1 ) M j2 M t 2 M q2 1 2 (1 2 ) M t1 M t 2 M a M j1 M q 2 0


1

2.5~5.5
-1.5~-4.5
-0.22~-0.67
行星传动的闭锁: 在行星传动中如果某一行星排的太阳轮、 行星架、齿圈三个元件任意两个的转速相等，第三件的转速 也必然与前两个相等。 实际设计中，常利用这个方法(闭锁离合器)实现直接档。
2.单排行星传动转矩分析
由 Pt P j Pq 0 得
b）档位
接合的离合器 F1-L F2-L F1-H F2-H R1-L R2-L R1-H R2-H
自由度：所有离合器 分离的条件下，变速 箱独立旋转的轴数。
R1 R2
i i
F1 F2
a）四自由度
轴2； 轴1、3、4；
轴5、6；
轴7。 b）三自由度 轴1、2； 轴3； 轴4、5。
a) b)
o
o
o
在档位数、离合器数相同的条件下，自由度数越小，挂档接合离合器越少， 空转离合器越多；自由度数越大，挂档接合离合器越多，空转离合器越少。
1）当变速范围较大时，可采用多级二 自由度变速箱串联成多自由度变速 箱的办法解决。通常铲土运输机械 在相同档位时，倒退档速度比前进 档快，这时换向机构应该在前面。
2）如果换向机构的变速范围还比较大， 可以将其设计为两个自由度变速箱 的串联系统。 3）在对操作方便性影响不大的条件下， 可采用混合换档方案。即采用啮合 套与离合器混合换档的办法。啮合 套可以传递较大扭矩，也可以有较 高的相对空转转速。