基于ug的拉威娜式行星齿轮机构的建模与仿真.doc

摘 要自动变速技术是汽车传动技术发展过程中一项十分重要的发明。AT 的致命弱点是效率不够高，其效率明显低于手动变速器。本论文以提高AT 的效率为出发点，具体研究内容如下：比较不同结构型式行星齿轮机构的特点，基于它们各自的优缺点，选用拉威娜式自动变速器作为研究对象。对自动变速器的齿轮参数进行了优化，使行星排的效率得到明显的提高。关键词：自动变速器，行星齿轮机构，效率，优化 ABSTRACTAutomatic transmission is a very important Invention in the development of transmission technology for vehicle. The fatal weakness of AT is the low efficiency which is obviously lower than manual transmission. According to improve efficiency of AT, This paper involves followed contents:The structure and characteristic of different kinds of planetary gear train is briefly analyzed, based on this, Ravigneavx AT is selected as the research object.Automatic transmission gear of the parameters are optimized. Efficiency of AT is improved obviously.Keywords: Automatic transmission, Planetary gear train, Efficiency, Optimization目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 课题的来源及意义11.2 自动变速器的应用现状及发展动向11.3 行星齿轮传动的应用现状与发展趋势21.3.1 国外的发展现状21.3.2 国内的发展现状31.4 行星齿轮自动变速器的概述31.5 行星齿轮机构的类型及特点31.6 论文的主要研究内容4第2章 行星齿轮机构的工作原理与功率流程52.1 行星齿轮变速机构52.1.1 辛普森式行星齿轮机构52.1.2 拉威娜式行星齿轮机构62.2 拉威娜式行星齿轮变速器72.2.1 拉威娜行星齿轮机构的结构72.2.2 拉威娜式行星齿轮变速器4个档位工作原理、动力传递路线及传动比计算82.3本章小结11第3章 行星齿轮机构的传动效率分析与计算123.1 斜齿轮传动基本啮合效率的计算式123.2 各档位传动效率分析143.2.1减速传动 一、二档时的效率143.2.2 加速传动 四档时的效率153.2.3 直接档的传动效率分析与计算153.3 减速传动与加速传动效率的比较153.4 本章小结16第4章 行星齿轮变速器的参数优化174.1 确定目标函数174.2 设计变量的选取184.3 优化软件184.4 优化结果194.5 本章小结19结 论21致 谢22参考文献23附录125附录2296第1章 绪 论1.1 课题的来源及意义在汽车传动技术发展过程中，自动变速技术是一项十分重要的发明，至今已有半个多世纪。现代自动变速器主要采用液力变矩器与行星齿轮式变速箱组成的液力机械自动变速器（AT）。它能够使汽车自动地根据外界负荷情况选择合适的传动比，档冲击小、传动平稳。同时，简化了手动操作，使驾驶更加轻松自如，由于具有上述优点，长期以来一直是汽车自动变速传动系统的主要型式。它是自动变速传动技术中发展最为成熟、应用最为广泛的结构形式。AT 传动比的改变主要由行星齿轮式变速机构来完成。然而，液力机械自动变速传动系统存在着效率不够高的问题，是它的致命弱点。本论文将以此为出发点，就自动变速器传动部分的行星齿轮机构效率进行研究，国内外的一些学者专家已在此方面做过工作，本文借鉴其中比较先进的一种计算行星齿轮机构效率的方法，针对4AT 各档位的效率进行了详细的分析计算，以期得到比较精确的计算行星齿轮机构效率的规律性公式，并对行星排的齿轮参数进行优化，以得到使自动变速器效率最高的行星机构的合理设计。1.2 自动变速器的应用现状及发展动向自动变速器主要有液力机械式自动变速器AT（Automatic Transmission）、机械式自动变速器AMT（Automated Mechanical Transmission）和无级式自动变速器CVT（Continuously Variable Transmission）三种型式。目前在轿车上普遍采用的主流型式是液力机械式自动变速器AT。它能将发动机的机械能平稳地传给车轮，以其良好的乘坐舒适性、方便的操作性、优越的动力性、良好的安全性奠定了它在汽车工业的主导地位。近年来，国内的各汽车厂家也已认识到AT 在轿车上装备率不断提高的必然趋势，已经开始在轿车上安装AT。与手动变速相比，AT 自动变速系统主要有如下优点：1）消除了驾驶员换档技术的差异性。2）乘坐舒适性好，可以得到很平稳的换档过程。3）操作方便，可减轻驾驶员疲劳并提高行车安全性。4）减少了污染。AT 自动变速器的应用，可使发动机经常处于经济转速区域内运转，也就是在较小污染排放的转速范围内工作，从而降低了排放污染。5）改善了车辆动力性能。AT 自动变速器起步加速性可得到很大的提高，也可以得到很好的加速性能，提高行驶平均速度。还能防止因汽车过载而造成的发动机熄火。6）零件使用寿命长。AT 自动变速器采用液力元件，可消除或减弱在动力传动装置中的动载荷；同时，自动换档避免了粗暴手动换档所产生的冲击与动载荷。7）改善了车辆通过性。由于AT 是液力传动，加以自动换档控制，显著改善了车辆的通过性，使车辆能以较高平均车速通过雪地、松软路面。随着对AT 研究和实践的不断深入，各种新结构、新技术的不断引入，人们对AT 的认识也发生了许多变化。目前，AT 的发展主要有以下动向：1）变矩器的高效率化2）多档位化3）变矩器闭锁离合器的滑摩控制4）换档点控制的智能化5）换档过渡过程的高品质化6）保留手动模式1.3 行星齿轮传动的应用现状与发展趋势1.3.1 国外的发展现状随着近代工业技术的高度发展，对齿轮传动的承载能力、可靠性、效率、圆周速度、体积和重量等技术和经济指标提出愈来愈高的要求。渐开线行星齿轮传动就是近40 年来为满足这种需要而发展起来的新型齿轮传动形式之一。由于行星齿轮传动具有功率分流和动轴线的运动特点，因此行星齿轮传动被人们广泛用来代替普通齿轮传动作为减速、升速和变速装置。尤其是在那些普通齿轮传动难以满足要求的场合，如要求重量最轻、结构最紧凑的航空和某些运输机械；对需要差速机构的车辆传动等，行星齿轮传动更能发挥其无可比拟的特长。世界上一些工业发达的国家，如德国、日、英、美等，对行星齿轮传动的研究、生产和应用十分重视，在结构、品种、传递功率、扭矩、速度等方面的发展处于领先地位。1.3.2 国内的发展现状国内在渐开线行星齿轮传动方面的研究和生产，已有一定基础。但大部分局限于中小功率范围，主要用在矿山机械、起重运输、轻工化工、小型船舶、工程机械、鼓风机等设备上。目前，我国行星齿轮减速器的生产，除小规模由专业工厂生产外，一般的大中型企业多为本厂产品配套，生产品种和规格在逐年发展中。大规格低速重载行星齿轮传动的研制工作在我国正在开展，并已先后研制成功输出轴转矩为200 KNm400 KNm 的产品。如用于大型胶带输送机的NGW153型双排直齿行星减速器，用于矿井提升机的XL-30 型行星减速器等。双排直齿行星减速器是我国自行设计的，由于结构上的特点，作为大型传动的一种类型，将会得到应有的发展。行星齿轮机构的传动效率是评价传动性能优劣的重要指标之一。研究和确定行星齿轮机构的传动效率，对于合理地选择其传动型式和正确地设计和应用都具有重要意义。1.4 行星齿轮自动变速器的概述液力变矩器虽然能在一定范围内自动的、无级的改变转矩比，但是由于存在着变矩能力与效率之间的矛盾，目前应用的液力变矩器系数都不够大，其转矩比在13 的范围内，难以满足汽车使用要求。为了加大变矩范围，并获得倒档和空档，在高级小轿车和超重型自卸汽车上采用液力变矩器与行星齿轮式变速箱组成的液力自动变速器。由于采用行星齿轮式变速箱进行传动和变速，具有体积小、操纵容易、变速比大等优点，故被广泛地应用于液力自动变速器上。行星齿轮变速箱由行星齿轮机构和换档操纵机构两部分组成。行星齿轮机构的作用是改变传动比和传动方向，即构成不同的档位。换档操纵机构则是实现档位的变换。此外，在汽车自动变速器中也采用双行星机构，该机构中有两个相互啮合的行星轮。因其结构较复杂，传动效率也略低，所以只有少数变速器采用。1.5 行星齿轮机构的类型及特点行星齿轮机构可以能按不同的方式进行分类：1）按齿轮的啮合方式不同，行星齿轮机构可以分为内啮合式和外啮合式两种。外啮合式行星齿轮机构体积大，传动效率低，在汽车上已被淘汰；内啮合式行星齿轮机构结构紧凑，传动效率高，因而在自动变速器中基本上都采用这种结构。2）按齿轮的排数不同，行星齿轮机构可以分为单排和多排两种。多排行星齿轮机构是由几个单排行星齿轮机构组成的。在汽车自动变速器中通常采用由2 个或3 个单排行星齿轮机构组成的多排行齿轮机构。3）按太阳轮和齿圈之间行星齿轮组数的不同，行星齿轮机构可以分为单行星齿轮式和双行星齿轮式两种。双行星齿轮机构在太阳轮和齿圈之间有两组互相啮合的行星齿轮，其中外面一组行星齿轮和齿圈啮合，里面一组行星齿轮和太阳轮啮合。它与单行星齿轮机构在其他条件相同的情况下相比，齿圈可以反向传动。用行星齿轮机构作为变速机构，由于有多个行星齿轮同时传递动力，而且常采用内啮合式，充分利用了齿圈中部的空间，故与普通齿轮变速机构相比，在传递同样功率的条件下，可以大大减小变速机构的尺寸和重量，并可实现同向、同轴减速传动；另外，由于采用常啮合传动，动力不间断，加速性好，工作也更可靠。1.6 论文的主要研究内容本论文主要进行以下方面的研究工作：1）确定出本文采用的自动变速器类型，并分析其各个档位的动力传递路线，计算传动比。2）把液力机械自动变速器在不同档位时行星排的效率分为行星排啮合效率和轴承效率两个部分，推导了齿轮啮合效率计算公式。最后得出了各个档位时整个行星排总效率的计算公式。3）对各个档位的效率进行了计算，对变速器各个档位的效率进行了比较分析，得出了新的结论。4）根据标准行驶工况计算了变速器不同档位的使用频度，将其与各档传动效率进行加权得到综合传动效率。以这个综合效率最高为目标，在不改变液力变矩器和变速器速比的条件下，对AT 行星排的齿轮参数进行了优化，使行星排的综合传动效率得到明显的提高。第2章 行星齿轮机构的工作原理与功率流程行星齿轮机构可为汽车提供降速档、超速档、直接档、倒档和空档。因为其齿轮是常啮合的，所以不象一般的手动变速器那样通过齿轮的接合或脱离实现换档，而是采用离合器和制动器来固定或释放行星齿轮机构的不同元件，从而改变汽车的行驶方向和传动比10。单排行星齿轮机构所提供的适用传动比的级数有限。为了增加适用传动比的级数，可以增加行星齿轮机构。一般具有三或四个前进档的自动变速器至少需要两排行星齿轮机构。2.1 行星齿轮变速机构在自动变速器中，两排或多排行星齿轮机构联接在一起，用以提供满足汽车行驶需要的多种传动比。复合式行星齿轮机构一般有两种型式。一种是两排行星齿轮机构共用一个太阳轮的辛普森（Simpson）式行星齿轮机构；另一种是拉威娜（Ravigneavx）式行星齿轮机构，它有两个太阳轮，两排行星齿轮共用一个齿圈。有些变速器配备一套附加的单排行星齿轮机构，用以提供所需的超速档。2.1.1 辛普森式行星齿轮机构辛普森式行星齿轮机构是一种十分著名的双排行星齿轮机构，如图所示。它是由两个内啮合式单排行星齿轮机构组合而成的，其结构特点是：前后两个行星排的太阳轮连接为一个整体，称为前后太阳轮组件；前一个行星排的行星架和后一个行星排的齿圈连接为另一个整体，称为前行星架和后齿圈组件；输出轴通常与前行星架和后齿圈组件连接。经过上述的组合后，该机构成为一种具有4 个独立元件的行星齿轮机构。这4 个独立元件是：前齿圈、前后太阳轮组件，后行星架，前行星架和后齿圈组件。此机构前后行星排的尺寸或者齿轮的齿数不必一定相同。其尺寸和齿数决定了整个机构所实现的实际传动比。辛普森式行星齿轮变速器是由辛普森式行星齿轮机构和相应的换档执行元件组成的，目前大部分轿车自动变速器都采用这种行星齿轮变速器。这种行星齿轮机构可以提供：空档、第一降速档、第二降速档、直接档和倒档。根据前进档的档数不同，可将辛普森式行星齿轮变速器分为辛普森式3 档行星齿轮变速器和辛普森式4 档行星齿轮变速器两种。2.1.2 拉威娜式行星齿轮机构象辛普森式齿轮机构一样，拉威娜式行星齿轮机构也可以提供降速前进档、直接档、超速档和倒档。它由一个单行星轮式行星排和一个双行星轮式行星排组合而成，如图所示。后太阳轮和长行星轮、行星架、齿圈共同组成一个单行星轮式行星排；前太阳轮、短行星轮、长行星轮、行星架和齿圈共同组成一个双行星轮式行星排。两个行星排共用一个齿圈和一个行星架。因此它只有4 个独立元件，即前太阳轮、后太阳轮、行星架和齿圈。行星齿轮都可以在各自的轴上转动，所有的行星齿轮轴均固定于两组行星齿轮共用的行星架上。拉威娜式行星齿轮机构有一些胜过辛普森式齿轮机构的优点。其结构很紧凑、尺寸较小、传动比变化范围大（前进档的传动比的范围在4.01.0 之间）、可以灵活多变。而且由于相互啮合的齿数较多，故可以传递较大的转矩。它的缺点是结构很复杂，其工作原理更难理解，应用不是很广泛。针对以上两种行星机构的优缺点，本论文将选用拉威娜式行星齿轮变速器作为研究对象。2.2 拉威娜式行星齿轮变速器自上世纪70年代开始应用于许多轿车自动变速器，特别是前轮驱动轿车的自动变速器，如奥迪、大众、福特、马自达等车型。设双行星轮式行星排太阳轮齿数为z1,齿圈齿数为z2,行星齿轮机构参数=z2/z1。根据分析，双行星轮式行星排的运动特性方程为n1-n2=(1-)n3式中 n1太阳轮转速; n2齿圈转速； n3行星架转速。拉威娜式行星齿轮机构的传动比可以通过解由单行星轮式行星排的特性方程（n1+n2=(1+)n3）与双行星轮式行星排的特性方程（n1-n2=(1-)n3）组成的联立方程组来得到。根据前进挡的档数不同，也可将拉威娜式行星齿轮变速器分为拉威娜式3档行星齿轮变速器和拉威娜式4档行星齿轮变速器两种。拉威娜式3档行星齿轮变速器在拉威娜式行星齿轮机构中设置了5个换挡元件使之成为一个具有3个前进档和1个倒档的3档行星齿轮变速器。拉威娜式4档行星齿轮变速机构在拉威娜式3档行星齿轮变速机构的基础上增加了一个超速档离合器C4。2.2.1 拉威娜行星齿轮机构的结构拉威娜式行星齿轮机构由于元件配置比较灵活，在行星齿轮机构结构不做大的改变的前提下，可以通过换挡执行元件的不同组合方式，获得3或4个前进挡的传动比。因此在变速器中得到了广泛的应用。拉威娜式行星齿轮机构的结构如图所示结构特点：在一个行星架上是安装了互相啮合的两套行星齿轮即长行星轮和短行星轮。短行星轮分别和小太阳轮和长行星轮啮合，长行星轮与短行星轮和大太阳轮以及齿圈啮合。行星齿轮的大小太阳轮都可以作为动力输入元件。2.2.2 拉威娜式行星齿轮变速器4个档位工作原理、动力传递路线及传动比计算1档：当操作手柄位于前进档D位置而行星齿轮变速器处于1档时，前进离合器C3接合，输入轴经前进离合器C3和后太阳轮连接，使后太阳轮朝顺时针方向转动，并通过短行星轮和长行星轮带动齿圈朝顺时针方向转动。由于齿圈通过输出轴和驱动轮连接，在汽车起步行驶时转速很低，长行星轮在带动齿圈朝顺时针方向转动的同时，对行星架产生一个逆时针方向的力矩，而行星架在1档单向离合器F1逆时针方向的锁止作用下固定不动，从而使发动机动力经输入轴、后太阳轮、短行星轮、长行星轮传给齿圈和输出轴。设齿圈与前后太阳轮的齿数比分别为1和2，根据特性方程组可以得到1档的传动比为i1=2。当汽车滑行，输出轴反向驱动行星齿轮变速器时，齿圈通过长行星轮对行星架产生一个顺时针方向的力矩，此时1档单向离合器F1脱离锁止状态，使行星架朝顺时针方向自由转动，行星齿轮因此失去传递动力的能力，无法实现发动机制动。为了使1档能产生发动机制动作用，可将操作手柄拨入前进抵挡位置。这样在1档时，前进离合器C3和抵挡及倒档离合器B2同时工作，行星架由抵挡及抵挡离合器B2固定，此时动力传递路线及传动比和1档时完全相同2档：此时前进离合器C3和2档制动器B1一起工作。发动机动力经输入轴和前进离合器C3传至后太阳轮，使后太阳轮朝顺时针方向转动，并通过短行星轮带动长行星轮朝顺时针方向转动。由于前太阳轮被2档制动器B1固定，因此长行星轮在做顺时针自转时，还将朝顺时针方向做公转，从而带动齿圈和输出轴以快转速朝顺时针方向转动。此时发动机动力是由后太阳轮经短行星轮、长行星轮传至前行星排，再由前行星排传至齿圈和输出轴。根据特性方程组分析可知2档的传动比为i2=(1+2)/（1+1）该档位具有反向传递动力的能力，在汽车滑行时能产生发动机制动作用。3档：3档时，前进离合器C3和前进单向离合器F2及超速档离合器C4同时接合，使输入轴同时和前后太阳轮连接。由于前后太阳轮成为一个整体，两者以相同转速岁输入轴转动，因此短行星轮和长行星轮不能做自转，只能同前后太阳轮一起公转，同时带动行星架以相同转速随后太阳轮转动，从而导致齿圈及前后行星排所有元件作为一个整体，一同转动。发动机动力由前后太阳轮经前后行星排传至齿圈和输出轴，此时传动比i3等于1，因此3档是直接档。在3档状态下，该行星齿轮变速器也有反向传递动力的能力，汽车滑行时会产生发动机制动的作用。4档：4档时，超速档离合器C4和2、4档制动器B1一起工作，使输入轴与行星架连接，同时前太阳轮被固定。发动机动力经高档离合器C4传至行星架，行星架带动长行星轮朝顺时针方向一边自转一边公转，并带动齿圈和输出轴朝顺时针方向转动，根据特性方程组分析可知其传动比为i4=1/（1+1）。由于其值小于1，所以4档为超速档。倒档：倒档时，倒档及直接档离合器C2和低档及倒档制动器B2同时工作，使输入轴同前太阳轮连接，同时低档及倒档制动器B2产生制动，将行星架固定。发动机动力经输入轴传给前太阳轮，使前太阳轮朝顺时针方向转动，并带动长行星轮朝逆时针方向转动。由于行星架固定不动，长行星轮只能作自转，从而带动齿圈和输出轴朝逆时针方向转动。此时的传动比iR=-1。在倒档时，该行星齿轮变速也能实现发动机制动作用。2.3本章小结1）分别分析了辛普森式行星齿轮机构和拉威娜式行星齿轮机构的结构及特点。在此基础上，本论文选定拉威娜式行星齿轮机构的自动变速器作为研究对象。2）分析了拉威娜式自动变速器的结构及特点及其工作原理，各个档位的动力传递路线，并分别计算了相应的传动比，为计算行星排的效率提供了基础。第3章 行星齿轮机构的传动效率分析与计算机械传动效率是衡量该种传动性能的一项重要指标。本文采用的01M型自动变速器可以提供四个前进档：即前进1 档、前进2档、直接档和超速档，还可以实现倒档功能。其中两个前进档是行星排输出轴转速低于输入轴转速的减速传动（即1 档和2 档），直接档是输入轴转速和输出轴转速相等的直接传动，超速档是输出轴转速高于输入轴转速的升速传动。下面就分为两种情况分析01M型自动变速器各个档位的效率，并给出行星排效率的计算式。在这里我先介绍一下斜齿轮传动基本啮合效率的计算式。3.1 斜齿轮传动基本啮合效率的计算式从端面看去，斜齿轮可视为由无数个无限薄的直齿轮连续转过一个相位角迭加而成。因此，采用端面参数时，一对斜齿轮间的基本啮合效率可由距基准面（设斜齿轮宽度方向上的中截面为基准面）任意距离的无限薄直齿轮的相应表达式通过积分而得到，以回避直接分析的困难。引用“啮入重合度”和“啮出重合度”分析斜齿轮轮齿间的基本啮合效率。斜齿轮轮齿间基本啮合效率的计算式相似于直齿轮。 内啮合传动在升速时基本啮合效率的计算式： 而且：齿轮的端面齿距 通常取0.060.100；A、R为齿轮内啮合的啮入和啮出重合度RgP、RP分别是外齿轮的基圆半径和节圆半径ZP、ZG分别是外齿轮和内齿轮的齿数；n、t分别是斜齿轮的法面和端面压力角；mn斜齿轮的模数；斜齿轮的螺旋角；ha*斜齿轮的法向齿顶高系数；RkP、RkG分别是内齿轮和外齿轮的齿顶圆半径；xnp、xnG分别是内齿轮和外齿轮的法面变位系数；同理，可以推导出内啮合斜齿轮传动在减速时基本啮合效率的计算式：其中，a(=A)和r(=R)分别为斜齿轮内啮合的啮入和啮出重合度。外啮合斜齿轮传动在升速时基本啮合效率的计算式：外啮合斜齿轮传动在减速时基本啮合效率的计算式：3.2 各档位传动效率分析3.2.1减速传动 一、二档时的效率对变速器中行星排的效率进行分析需要考虑几个方面：行星排各工作齿轮之间的啮合效率；工作轴承的效率；以及液力损失对效率的影响。这里我们经过计算得出小太阳轮与短行星轮之间的效率为1，短行星轮与长行星轮之间的效率为2，长行星轮与齿圈之间的效率为3，长行星轮与大太阳轮之间的效率为4，轴承之间的效率为轴=0.9577，液力损失的效率为液=0.9400,小太阳轮齿数Z1=23，短行星轮齿数Z2=16，长行星轮齿数Z3=17，齿圈齿数Z4=63，大太阳轮齿数Z5=29。带入3.1中的公式求出12341=1-0.6230.1（1/16-1/23）f(1)/15.15-0.619.65（0.25-0.23）sin20o+0.60.1f(1)=0.996同理可求得2=0.995 3=0.996 4=0.995轮齿间的啮合效率计算一档时，发动机动力经输入轴传给小太阳轮，行星架被固定，由短行星轮、长行星轮、齿圈传至输出轴完成动力传递。所以一档时的轮齿啮合效率为th=1+123I01+I0=0.9883I0=Z4/Z1=63/23=2.74二档时，发动机动力经输入轴传给小太阳轮，大太阳轮被固定，由短行星轮、长行星轮、齿圈传至输出轴完成动力传递。二档时的轮齿啮合效率为th=1+1234I01+I0=0.9799I0=(Z4/Z5+Z4/Z1)/(Z4/Z5+1)=(63/29+63/23)/(63/29+1)=1.593.2.2 加速传动 四档时的效率四档即超速档是行星排输出轴转速高于输入轴转速的升速传动。四档时，发动机动力经输入轴传给行星架，大太阳轮被固定，在传至齿圈，齿圈传至输出轴完成动力传递。4档时的轮齿啮合效率为th=34(1+I0) 1+34I0=0.9898I0=(Z4/Z5)/(1+Z4/Z5)=(63/29)/(1+63/29)=0.6853.2.3 直接档的传动效率分析与计算三档时，发动机动力由输入轴传给输出轴。三档时的轮齿啮合效率为th=1234I0=0.9826I0=13.3 减速传动与加速传动效率的比较经计算得出变速器分别在一档、二档、直接档和四档时行星排的传动效率，如表所示。一档二档三档四档啮合效率0.98830.97990.98260.9898轴承效率0.95770.95770.95770.9577液力损失0.94000.94000.94000.9400总效率0.88970.86820.88460.8918行星排各个档位的传动效率由计算结果可以看出：自动变速器在不同档位时的效率不相等。其行星排的啮合效率也不相等，超速档即四档时，啮合效率最高，其次是一档，然后是直接档，二档时行星排的啮合效率最低。行星齿轮机构传动效率的实验测量比较麻烦，为了验证计算结果的正确性，这里借用了由陈勇等人设计研制的实验仪器所测得的01M型自动变速器行星排各档的效率，引用一档和二档的实验结果进行分析，分别如图所示。 实验测得一档的效率 实验测得二档的效率图中，th 是啮合效率，双点划线所示为考虑搅油损失时的实验效率值，点划线为考虑搅油和轴承损失时的效率值，粗的黑线为实验测得的效率值。可以看出，一档的效率要高于二档时的效率，这与用本文所推导公式计算的结果一致，说明本文的计算结果是合理的。3.4 本章小结1）把拉威娜式自动变速器各个档位时的效率分为几个部分，分别进行了分析，得出了行星排啮合效率的计算式。最后得出了不同档位时整个行星排总效率的计算式。2）计算了不同档位时行星排的啮合效率，对变速器行星排升速传动和减速传动的效率进行了比较分析。结果显示：同一行星排的啮合效率和整体效率升速传动比减速传动时要高。第4章 行星齿轮变速器的参数优化本文以01M型变速器行星齿轮系传动效率最高为目标，建立其优化设计的数学模型。优化的同时还要保证汽车的最佳动力性和经济性，即在不改变变速器最大和最小传动比的条件下，对变速器行星排进行参数优化，以达到效率的加权最高值.4.1 确定目标函数本文要求多个档位的效率均达到最大值，因而可将各个目标函数加权线性综合为一个综合目标函数U，然后按此综合目标函数进行优化：U=（CiUi）式中：U 为综合目标函数；Ui 为各个单项函数；Ci 为加权系数，反映各个组成单项目标函数的相对重要程度。本文取目标函数为：U=C11+C22+C33+C44式中：C1、C2、C3、C4 在目标函数中反映驾驶过程中汽车各个档位的使用频度。1、2、3、4 分别为变速器工作在一档、二档、直接挡和四档时，行星排的传动效率。为了合理的选择各个档位的加权系数，本文采用标准行驶工况，如图所示，来确定车辆不同状态的使用频度，结果如表所示。城市标准行驶工况图状态一档二档三档四档频度10.122.2922.1611.14汽车各种状态使用频度本文主要对汽车各前进档即一档、二档、三档和四档进行优化，因此根据上表可以得出只考虑这四个档位时各自使用频度的百分比，如下表所示。档位一档二档三档四档频度（%）22.24.848.524.6汽车各前进档使用频度因此，目标函数中各加权系数分别取为：C1=0.222、C2=0.048、C3=0.485、C4=0.246所以，目标函数U=0.2220.8897+0.0480.8682+0.4850.8846+0.2460.8918=0.88764.2 设计变量的选取对目标函数影响较大的基本参数都可以取为设计变量，一般行星齿轮传动的设计参数为：模数m、齿数Zs、螺旋角以及变位系数x。而对于变速器而言，行星排齿轮的齿数和模数是固定的，因此这里不把齿数和模数选为设计变量。在渐开线齿轮传动的参数选择方面，变位系数的确定是一个重要内容。合理的选择齿轮的变位系数和螺旋角，可以提高齿轮传动的效率。因此，本文的优化取设计变量为前后太阳轮的变位系数x1、x2，长短行星轮的变位系数x3、x4，齿圈的变位系数x5 以及齿轮的螺旋角1。4.3 优化软件齿轮参数的优化设计通常是借助于软件来实现。一个设计软件的好坏直接关系到设计的成本和设计质量。随着优化设计的普及，用于优化设计的软件也越来越多、功能越来越强大。最初用Pspice 和Saber 来实现，但这种设计复杂且工作量大，后来有学者就在Matlab 中进行集成设计，使设计工作更趋向简单化。此外可用于齿轮优化设计的软件还有：Mathcad、频域仿真软件FREDOMSIM 和EDEN（Electrical Design Enviorment）等等。本课题采用辅助设计软件Matlab来对优化设计进行求解。用这款软件来进行参数优化真的非常容易，只需要知道你要优化的各种参数就可以了。而在这里我们所要知道的参数是齿数模数螺旋角(o)压力角(o)齿根圆直径(cm)齿顶圆直径(cm)变为系数(mm)短行星轮162252030.339.30.8长行星轮172252045.754.70.55大太阳轮292252059680.04小太阳轮232252032.541.50.05齿圈63225201441350.22根据软件所需要的参数我们已经给出了以上的参数，把这些参数输入软件，并在软件中规定出要优化的参数，即可得到我们需要的优化后的数值。4.4 优化结果本文优化的结果如表所示。大太阳轮长行星轮小太阳轮短行星轮齿圈变位系数mm0.0351940.0518690.0465760.0745410.196385螺旋角（o）23.163223.163223.163223.163223.1632优化结果优化前后各前进档的整体效率比较如表所示。一档二档三档四档综合原始值0.8897340.8681950.8845740.8918000.887596优化值0.8905160.8850360.9041740.8920110.898135优化前后效率比较从优化结果和原始值的比较可以看出：变速器在一档、二档和三档时行星排的总效率均得到提高，四档效率几乎不变，其中使用频度最高的三档效率增加最多。综合效率也得到了提高。4.5 本章小结本章用优化软件Matlab对AT 各个档位行星排的齿轮参数进行了参数优化。优化过程中考虑了各个档位的使用频度，并根据标准行驶工况计算出了各个频度的数值。结果显示：行星排一档、二档和三档时的总效率均得到提高，四档效率几乎不变，其中使用频度最高的三档效率增加了1.96%。加权综合效率也提高了1.05%。结 论AT 是自动变速传动技术中应用最为广泛的结构形式。在高级小轿车和超重型自卸汽车上采用液力变矩器与行星齿轮式变速箱组成的液力机械自动变速器。AT的致命弱点是效率低，本文以此为出发点，通过对拉威娜自动变速器的行星排进行分析，得出了效率计算的准确公式。取得的主要研究结果如下：1）比较辛普森式和拉威娜式行星齿轮机构的结构及特点，选定拉威娜式行星齿轮机构的自动变速器；分析了拉威娜式自动变速器的结构及特点，基于它的特点，确定选用01M拉威娜自动变速器作为研究对象。并分别分析了其工作原理及各个档位的动力传递路线，计算了其传动比。2）把01M型自动变速器行星排的效率分为齿轮啮合效率和轴承效率两个部分，推导了齿轮啮合效率的计算公式，最后得出了不同档位时整个行星排总效率的计算公式。对变速器行星排升速传动和减速传动的效率进行了计算比较，结果显示：同一行星排的整体效率升速传动比减速传动时要高。3）取变速器行星排的加权效率最高为目标函数，在不改变液力变矩器效率和变速器速比的条件下，采用广义简约梯度法对AT 各个档位行星排的齿轮参数进行了参数优化。优化过程中考虑了各个档位的使用频度，并根据标准行驶工况计算出了各个频度的数值。结果显示：行星排一档、二档和三档时的总效率均得到提高，四档效率几乎不变，其中使用频度最高的三档效率增加了1.96%。加权综合效率也提高了1.05%。致 谢本论文是在导师郭新华教授的悉心指导下得已完成的。从论文的选题、研究、撰写到定稿，无不渗透着导师的心血郭秦老师高尚的品德、渊博的学识、深邃的思想、严谨的治学态度、精益求精的工作作风、开拓的创新思维、教书育人的责任心都给我留下了深刻的印象，将使我受益匪浅，终生难忘。在论文完成之际，谨向导师新华教授致以最崇高的敬意和最衷心的感谢！祝愿恩师合家幸福，一生平安。在论文的完成过程中，郑德林教授于百忙之中给了我无微不至的关怀和指导。郑老师虚怀若谷、深刻睿智、平易近人，无时不给我深刻的启发，使我得以顺利完成论文，在此表示特别感谢。席振鹏老师对我的论文研究工作提出了许多宝贵意见，在此向他们表示衷心的感谢！陈建国师兄、葛寅山师弟对论文的研究工作也给予了很大的支持，在此向他们表示最诚挚的谢意！焉得谖草，言树之背，非常感谢我的爸爸妈妈，他们用温暖的双肩呵护我，给了我自由的成长空间，一直支持我的决定，我深深爱着他们。又是一个告别的季节，就要告别美好的校园生活，衷心祝愿母校哈尔滨工业大学华德应用技术学院的明天更加灿烂辉煌！毕国政 二八年十一月 于哈尔滨参考文献1 朱经昌，魏宸官，郑慕侨，等. 车辆液力传动（上、下）. 国防工业出版社，20022 林平. 新型汽车自动变速器结构、原理、检修. 福州：福建科学技术出版社，19973 李涵武. 汽车电器与电子技术.哈尔并工业大学出版社，20064 刘钊，黄宗益，李庆. 轿车用自动变速器的发展动态. 传动技术，2005（1）：1-86 饶振刚. 行星传动机构设计. 第二版. 国防工业出版社，20047 张秦岭，陆华忠，罗锡文. 汽车自动变速器原理与检修. 广东科技出版社，19998 马从谦. 渐开线行星齿轮传动设计. 机械工业出版社，19879 邓定瀛. 自动变速器原理与应用. 重庆：重庆大学出版社，200210 胡茂弘. 行星齿轮变速器的功率流与效率. 机械传动，1998（2）：13-1611 吴序堂. 齿轮啮合原理. 北京：机械工业出版社，200212 孙桓，陈作模. 机械原理. 北京：高等教育出版社，199613 张国瑞，张展. 行星传动技术. 上海：上海交通大学出版社，198914 李兴华，黄宗益. 轿车自动变速器机械传动部分基本分析方法. 上海汽车，1999，000（005）15 过学迅. 汽车自动变速器结构. 原理. 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Journal of Mechanical Design.附录1自动变速器具有操作容易、驾驶舒适、能减少驾驶者疲劳的优点，已成为现代轿车配置的一种发展方向。装有自动变速器的汽车能根据路面状况自动变速变矩，驾驶者可以全神贯注地注视路面交通而不会被换挡搞得手忙脚乱。 汽车自动变速器常见的有三种型式：分别是液力自动变速甜(AT)、机械无级自动变速器(CVT)、电控机械自动变速器(AMT)。目前轿车普遍使用的是AT，AT几乎成为自动变速器的代名词。 AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。其中液力变扭器是AT最重要的部件，它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，兼有传递扭矩和离合的作用。 自动变速器的挡位 一般来说，自动变速器的挡位分为P、R、N、D、2、1或L等。 P(Parking)：用作停车之用，它是利用机械装置去锁紧汽车的转动部分，使汽车不能移动。当汽车需要在一固定位置上停留一段较长时间，或在停*之后离开车辆前，应该拉好手制动及将拨杆推进“P”的位置上。要注意的是：车辆一定要在完全停止时才可使用P挡，要不然自动变速器机械部分会受到损坏。另外，自动变速轿车装置空挡启动开关，使得汽车只能在“P”或“N”挡才能启动发动机，以避免在其他挡位上误启动时使汽车突然前窜。R(Reverse)：倒挡，车辆倒后之用。通常要按下拨杆上的保险按钮，才可将拨杆移至“r”挡。要注意的是：当车辆尚未完全停定时，绝对不可以强行转至“r”挡，否则变速器会受到严重损坏。 N(Neutral)：空挡。将拨杆置于“N”挡上，发动机与变速器之间的动力已经切断分离。如短暂停留可将拨杆置于此挡并拉出手制动杆，右脚可移离刹车踏板稍作休息。 D(Drive)：前进挡，用在一般道路行驶。由于各国车型有不同的设计，所以“D”挡一般包括从1挡至高挡或者2挡至高挡，并会因车速及负荷的变化而自动换挡。将拨杆放置在“D”挡上，驾车者控制车速快慢只要控制好油门踏板就可以了。 2(Second Gear)：1挡为前进挡，但变速器只能在1挡、2挡之间变换，不会跳到3挡和4挡。将拨杆放置在2挡位，汽车会由1挡起步，当速度增加时会自动转1挡。2挡可以用作上、下斜坡之用，此挡段的好处是当上斜或落斜时，车辆会稳定地保持在1挡或2挡位置，不会因上斜的负荷或车速的不平衡、令变速器不停地转挡。在落斜坡时，利用发动机低转速的阻力作制动，也不会令车子越行越快。 1(First Gear)：1挡也是前进挡，但变速器只能在1挡内工作。不能变换到其他挡位。它用在严重交通堵塞的情况和斜度较大的斜坡上最能发挥功用。上斜坡或下斜坡时，可充分利用汽车发动机的扭力。1、液力变矩器液力变矩器位于自动变速器的最前端，安装在发