南京工业大学动力换挡变速器精讲

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；
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。
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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。
在档位数相同的条件下，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。 少自由度的空转离合器增加，产生离合器空转损失大。 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。 机械与动力工程学院
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接合离合器X，空转离合 器Ф摩擦片相对转速nфx
对相对空转转速nфx的分析：
i ni n (1 ) i i i

(1) 除与输入轴转速ni，接合离合器X时的传动比iχ 、接合离合 器φ时的传动比iφ有关外，还与iiφ有关，也就是与离合器φ 的 位置有关；
(2) 变速箱最高档工作时ix最小，这时最低档的iφ 最大；如果这 时最低档的离合器φ 靠近输入轴( iiφ 较小)，则该离合器的相 对转速最大，因此离合器应布置在低速轴上。 (3) 与iφ、iχ 的符号有关，即与变速箱是变速机构还是换向机构 有关。当X和φ 同为前进或倒退档离合器时， iφ 、iχ同号,反之 为异号。
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பைடு நூலகம்
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，空转离合器Ф摩擦片相对转速nфx
n ni no
ni i no ii o no ni
接合离合器X ，变速 箱的传动比为

ni i no
i ii io ii io
若接合离合器Ф ，变速箱的传动比为
图 6-2 W90-30型 装 载 机 变 速 箱
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R档
F档
I档
III 档
图 6-2 W90-30型 装 载 机 变 速 箱
II 档
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定轴式动力换档变速箱
缺点：
1、在机器工作时，处于分离状态的离合器摩擦片之间 有相对运动，由于都是湿式离合器，摩擦片之间的油 膜会消耗一定的能量； 2、由于离合器在变速箱中要占相当大的空间，定轴式 动力换档变速箱的体积受离合器尺寸的影响较大； 3、动力换档变速箱的换档过程通常要操纵多个离合器， 所以换档控制系统比较复杂。
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二、行星变速箱的传动分析
分析行星式变速箱，首先应根据行星变速箱的实物结
构图，画出其传动简图。
行星变速箱组成分析
分 析 内 容
自由度分析
档位数分析
转速分析 转矩分析
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1、行星变速箱的组成
行星式变速箱是由若干个行星排组合而成。根据传动 简图，首先分析，该变速箱是单一行星机构，还是由若干 行星机构串联而成。
串联的标志：
相邻的两个行星排 之间只有一个基本 元件相连接，则可 以把它分为两组行 星传动机构研究。 图 6-9 DZ161 铲运机变速箱简图
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2、自由度分析
行星式变速箱中，结构上成一体的构件看作一个旋 转构件。每个旋转构件只有一个自由度，每个行星排有 一个转速方程（约束方程）。因此，每组行星机构的自 由度为：
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。
图 6-9 DZ161 铲运机变速箱简图
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上节课内容总结 第一节 定轴式动力换档变速箱
1、定轴式动力换挡变速箱的结构原理。 两自由度 三自由度 按自由度分为 四自由度 3、磨擦离合器的布置位置选择
2 N p N x (1 o i ) 0.05 N x
行星排的效率为

Ni N p Ni Nx 1 0.03 Ni Nx 1 0.05 Ni
对单行星传动 ：

Ni N p Ni Ni N p Ni
对双行星传动 ：
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力矩法求效率 ： 齿轮传动机构无转速损失，其功率损失体现 在力矩损失上，因此可以通过力矩的关系求效率 。 如果不考虑功率损失，传动效率为100%，则 输入功率等于输出功率，即： 理论力传动比 ni Mo M i ni M o no i no Mi 考虑功率损失，传动效率为实际输出功率与 输入功率之比，即： 实际 实际力传动比 输出 A A A ˆ Mo M o no M o M i i 力矩 Mo M i ni ni no i
行星排功率损失 ： 对单行星传动 ： 对双行星传动 ：
N p N x (1 p ) N p N x (1 o i ) 0.03 N x
N p N x (1 ) 0.05 N x
2 o i
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N p N x (1 o i ) 0.03 N x
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二、传动简图设计 按自由度分为
两自由度 三自由度 四自由度
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三自由度
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四自由度
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变速箱有确定运动的条件是只有一个自由度，每操纵 一个操作件，系统便减少一个自由度，二自由度变速箱有 几个操作件就可实现几个档位。 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。
Y=m–n
式中：m—行星 机构旋转构件数 (不计行星轮)； n—行星机构行 星排数。
Y=5–3
图 6-9 DZ161 铲运机变速箱简图 机械与动力工程学院
3、档位数分析
机构具 有确定运动的条件是只有一个自由度，每操 纵一个操作件（闭合一个制动器或接合一个离合器）系 统便减少一个自由度。所以，二自由度变速箱有几个操 作件就可以实现几个档位。 自由度越多，在同 样行星排时可实现 的档位数也越多、 结构也越紧凑。
第六章 动力换挡变速器
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第五章 动力换档变速箱
1、定轴式动力换档变速箱
主 要 内 容
2、行星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
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动力换档变速箱
1、特点：
采用换挡离合器将变速箱中的某两个换档元件结合， 或采用制动器将某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。
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传动 方案
行星架被动为减速
大 减 小 减
行星架主动为增速
大 增 小 增
行星架固定为逆转
减 速 增 速
传动 简图
1
传动比
1

1.22~1.67
1 1
0.18~0.4
1
0.6~0.82


1

2.5~5.5
-1.5~-4.5
-0.22~-0.67
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⑥许多常用的行星传动形式效率较高。 机械与动力工程学院
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
行星架围绕太阳轮（齿圈）的轴线转 动，同时太阳轮、齿圈和行星轮相对行星 架在做啮合转动。如果把行星架作为参照 物，即将其视为定轴，那么成为定轴轮系， 支承在行星架上的太阳轮、齿圈和行星轮 的啮合转动为相对运动；如果各齿轮间没 有相对啮合转动，只随行星架一起转动， 其为牵连运动。行星排的运动是复合运动。
由此可得，对于变速机构Dmax=5.5，换向机构Dmax=3.5。
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第二节 行星式动力换档变速箱原理
特点：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。
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行星架
齿圈
行星齿轮
太阳轮
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盘式制动器
带式制动器
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2、离合器的摩擦转矩
离合器Ф接合时的工作转矩为
M m i i M i
从减小传递扭矩的要求出发，离合器应尽可能的布置 在变速箱的高速轴上。 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。
nt n j nq n j

Zq Zt

— 行星排的特性参数 行星排的特性系数，
1.5 4.5
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nt nq (1 )n j 0
单行星轮行星排取“＋”号， 双行星轮行星排取“－”号。
1、三元一次线性方程， 一个行星排有两个自由度。 2、方程三个系数之和为零， nt=nq=nj为方程的解。
2、传动方案
（1）离合器所传递的磨擦扭矩； （2）空转离合器片间相对转速
第二节 行星式动力换档变速箱原理 行星排运动学方程 nt nq (1 )n j 0
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2.单排行星动力学分析
由 Pt P j Pq 0
Pt Pq
Mq Pq Rq Pt Rq Mt Pt Rt
M q Rq Z q 得 Mt Rt Zt
又由
Mt M j M q 0
M j Mt Mq Mt (1 )
得单行星排转矩关系式： 单排双行星排转矩关系式：
Mj Mt Mq 1 (1 )
Mj Mt Mq 1 (1 )
自由度增多，档位 数增多，换档操作 件也增多。
图 6-9 DZ161 铲运机变速箱简图
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根据自由度计算公 式 ：
Y=m–n
对两自由度变速箱的行星排数n为：
n = m – Y= m – 2
在m个旋转构件中，除掉一个主动件和一个被动件， 剩下的可以作为制动操纵件的构件数b也为：
b=m–2
因此，对于两自由度变速箱，制动操纵件数等于行 星排数，每个行星排可以布置一个制动操纵件，因此， 对一般两自由度行星变速箱来讲，有几个行星排就有几 个非直接档。
两自由度变速箱中，任意两个旋转构件通过离合器 结合在一起，就能将整个行星机构闭锁成直接传动。当 行星变速箱中有闭锁离合器时，可以得到直接档。 图 6-9 DZ161 铲运机变速箱简图 机械与动力工程学院
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3、二自由度变速箱的变速范围D
当iΦ=imax，iX=imin时 ，iΦ/iX 值最大。 定义变速箱的变速范围D
x
imax D imin
( Mm n )max Mi maxni max ( D 1)
通常应满足以下条件：
Mmmax 1.5Mimax；nmax 3nimax
三、磨擦离合器的布置位置选择
涉及到两个参数，一个 是离合器所传递的磨擦 扭矩， 一个是空转离合 器的片间相对转速。 变速箱传动比确定的 条件下，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。 实验表明，离合器分离时两摩擦片之间的相对转速不宜 过大，过大了不仅会造成能耗增大，而且还可能使摩擦片 产生振动。推荐分离时离合器两摩擦片平均作用半径处的 相对速度小于50m/s。
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3.行星传动的效率计算 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
N x M t (nt n j ) M q (nq n j )
4、行星变速箱转速分析
目的：求各档传动比和各旋转构件（包括行星轮）在 不同档位时的转速。
设变 速 箱 有n个行星排，共3n个基本元件。