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一、簡單行星輪系轉(zhuǎn)矩關(guān)系
簡單行星輪系(Planetary Gear Set)由太陽輪(Sun Gear)、行星架(Planet Carrier)、齒圈(Ring Gear)和行星輪(Planet Gear)構(gòu)成,太陽輪S、齒圈R和行星架C有共同的回轉(zhuǎn)中心,為行星輪系3個(gè)基本傳動(dòng)構(gòu)件,如下圖:
設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩由行星架C輸入,F(xiàn)C為輸入轉(zhuǎn)矩在行星架上行星輪P的回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的作用力,F(xiàn)S、FR分別為太陽輪S和齒圈R受到的外部阻力矩作用于行星輪P節(jié)圓上的反力, rS、rR分別為太陽輪S、齒圈R的節(jié)圓半徑(到共
2、同回轉(zhuǎn)中心),rC為行星架上行星輪P的回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)到共同回轉(zhuǎn)中心的半徑,rP為行星輪P的節(jié)圓半徑,TS、TC、TR分別為太陽輪S、行星架C、齒圈R對行星輪P的作用力點(diǎn)對共同回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)矩。ZS、ZR分別為太陽輪S和齒圈R的齒數(shù),因兩齒輪齒數(shù)比等于其節(jié)圓半徑比,故有:ZR∕ZS=rR∕rS,設(shè)α= ZR∕ZS=rR∕rS,(α>1,稱為行星輪系結(jié)構(gòu)參數(shù))
忽略輪系各轉(zhuǎn)軸內(nèi)摩擦力及各齒輪嚙合摩擦力,根據(jù)作用力與反作用力定理及行星輪P平面力系平衡條件有:
FC=-(FR+FS) (1) TC=-(TR+TS) (2)
FR=FS (3) FC=-2FR=-2
3、FS (4)
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(事實(shí)上,由于行星輪P與太陽輪S及齒圈R是通過輪齒接觸傳力,而與行星架C是通過轉(zhuǎn)軸連接,因此當(dāng)太陽輪S或齒圈R作為主動(dòng)構(gòu)件,行星架C作為從動(dòng)構(gòu)件時(shí),(3)、(4)式的受力關(guān)系仍然成立。(1)、(2)式當(dāng)然更是成立。)
即FS∕FR∕FC =1∕1∕-2 (5)
由rS、rR、rC的幾何關(guān)系可知:
rS∕rR∕rC =1∕α∕(1+α)2 (6)
因: TS=FSrS TR=FRrR TC=FCrC
將(5)(6)得:
TS∕TR∕TC=1∕α∕-(1+α) (7)
驗(yàn)證(2):
TC=FCrC=-2FR(rP+rS)
4、
TR+TS=FRrR+FSrS= FR(2rP+rS)+FRrS=2FR(rP+rS)
式(7)就是簡單行星輪系太陽輪S、行星架C、齒圈R之間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系。
如3個(gè)基本傳動(dòng)構(gòu)件相互間無內(nèi)鎖止力矩,則無論3個(gè)基本傳動(dòng)構(gòu)件及行星輪P的轉(zhuǎn)速如何,其轉(zhuǎn)矩關(guān)系都滿足式(7),但當(dāng)某構(gòu)件制動(dòng)時(shí),因轉(zhuǎn)速為0,功率將全部傳到阻力矩小的(或者說是打滑的)一側(cè)。這是因?yàn)楣β?轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速單位換算系數(shù)。此時(shí)已知輸出構(gòu)件的負(fù)載力矩后,即可用其求得輸入構(gòu)件的動(dòng)力力矩和另一構(gòu)件上所需的制動(dòng)力矩。
如任兩個(gè)基本傳動(dòng)構(gòu)件相互間有內(nèi)鎖止力矩,則(1)、(2)式仍成立,但由于構(gòu)件除受動(dòng)力力矩和負(fù)載力矩作用外,還受到內(nèi)鎖止力
5、矩作用,3個(gè)基本傳動(dòng)構(gòu)件之間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系不再滿足式(7),兩從動(dòng)構(gòu)件轉(zhuǎn)矩分配將取決于它們受到的外部阻力矩,所需內(nèi)鎖止力矩取決于它們受到的外部阻力矩差值和α。
當(dāng)其用作開放式差速器時(shí),只要恰當(dāng)設(shè)計(jì)太陽輪S和齒圈R的齒數(shù)比,就可實(shí)現(xiàn)將發(fā)動(dòng)機(jī)由行星架C輸入的轉(zhuǎn)矩按比例分配給太陽輪S和齒圈R,三菱二代超選中差將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩按33:67分配給前后橋即是應(yīng)用的此原理。傘齒輪開放式差速器實(shí)質(zhì)上是太陽輪S和齒圈R的齒數(shù)相同,即α=1的特殊簡單行星輪系,故TS=TR=-TC∕2。
豐田普銳斯混動(dòng)二代ECVT內(nèi)燃機(jī)曲軸固接行星架C,行駛電動(dòng)機(jī)MG2和終傳固接齒圈R,發(fā)電機(jī)兼內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)電機(jī)MG1固接太陽輪S,內(nèi)
6、燃機(jī)轉(zhuǎn)矩按28:72分配給太陽輪(MG1)和齒圈(MG2)。MG2、MG1和內(nèi)燃機(jī)都可單獨(dú)或聯(lián)合輸出動(dòng)力力矩,也可單獨(dú)或聯(lián)合作為負(fù)載。
二、簡單行星輪系轉(zhuǎn)速關(guān)系
設(shè)nS、nR、nC分別為太陽輪S、齒圈R和行星架C的轉(zhuǎn)速,如將整個(gè)輪系看作在以-nC轉(zhuǎn)動(dòng),則可認(rèn)為行星架C沒有轉(zhuǎn)動(dòng),行星輪系等效于定軸輪系,故有:
(nS-nC)∕(nR-nC)=-α
變形得:
nS+αnR-(1+α)nC=0 (8)
式(8)稱為行星輪系轉(zhuǎn)速特征方程。
從式(7)和(8)亦可看出行星輪系3個(gè)基本傳動(dòng)構(gòu)件之間的轉(zhuǎn)矩比值與轉(zhuǎn)速比值互為倒數(shù),這與普通定軸輪系傳動(dòng)比的性質(zhì)是相同的。其原因是當(dāng)忽略輪系
7、傳動(dòng)各種摩擦損耗(即假設(shè)輪系傳動(dòng)效率為100%)時(shí),傳動(dòng)輪系輸入與輸出功率守恒,因此式(8)也可通過式(7)和輪系傳動(dòng)功率守恒:TSnS+TRnR +TCnC=0推出。
分別令式(8)中的nR、nS、nC為0(即分別制動(dòng)齒圈、太陽輪、行星架)及令nR、nS、nC分別兩兩相等(即任兩件鎖定)可得下表中的傳動(dòng)比(架速最慢,齒圈速次慢,太陽輪速最快)。
表3-3 簡單行星輪系8種傳動(dòng)組合
方式
1
2
3
4
5
6
7
8
齒圈
固定
固定
輸入
輸出
輸出
輸入
任兩件鎖定
無約束
太陽輪
輸入
輸出
固定
固
8、定
輸入
輸出
行星架
輸出
輸入
輸出
輸入
固定
固定
傳動(dòng)比(入速/出速)
減速
(1+α)
加速
1/ (1+α)
減速
(1+α) /α
加速
α/ (1+α)
減速反轉(zhuǎn)
-α
加速反轉(zhuǎn)
-1/α
直接檔
1
空檔
UD
三、常見行星輪系轉(zhuǎn)速關(guān)系
雙行星輪行星輪系轉(zhuǎn)速特征方程:
(nS-nC)∕(nR-nC)=α
變形得:nS-αnR-(1-α)nC=0
標(biāo)準(zhǔn)辛普森行星輪系轉(zhuǎn)速特征方程組(6變量4等式):
nS1+α1nR1-(1+α1)nC1=0
nS2+α2nR2-(1+α2)nC2=0
nS1=nS2
nC1=nR2 (輸出)
標(biāo)準(zhǔn)拉維娜行星輪系轉(zhuǎn)速特征方程(6變量4等式):
nS1+α1nR1-(1+α1)nC1=0
nS2-α2nR2 -(1-α2)nC2=0
nC1=nC2
nR1=nR2 (輸出)
ZS1(RS1)> ZS2(RS2),α1 < α2
傘齒輪開放式差速器轉(zhuǎn)速特征方程:
α=1,故nS+nR=2nC。
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