基于等效杠杆法的行星轮系实验装置研究

沈国盛，郑尧军

(浙江经济职业技术学院，浙江 杭州 310018)

基于等效杠杆法的行星轮系实验装置研究

沈国盛，郑尧军

(浙江经济职业技术学院，浙江 杭州 310018)

行星轮系结构复杂多变，在转动过程中既有自转，又有公转，因此在理论设计中，目前比较科学的方法是使用等效杠杆法。而由于行星轮系变化多端，如何在实际教学中通过实验装置演示等效杠杆法进行辅助教学是难点。本研究的杠杆法实验装置是将等效杠杆法的理论转化为可实际操作的辅助实验教学装置，为行星轮系学习打好基础，为后续行星轮系的两排、三排及以上结构知识的融会贯通做好准备。

等效杠杆法；行星轮系；实验装置

0 引言

根据乘联会的统计，2016年新能源汽车总体增速放缓，但国内混动车型的累计销量已经达到了6.27万辆，普通油电混动车型的销量首次大幅超过了插电式混合动力汽车，增长十分迅猛。比起插电式混合动力汽车，少了很多政策上的优惠与支持，不被政策青睐的普通混动车型一路走高，实现了“逆袭”。这种消费者用真金白银“投票”的市场选择与政策“钦定”推广之间的背离现象，值得深入思考。现代混合动力的发展，离不开其核心动力分流装置——行星轮系。

1 行星轮系教学现状分析

随着我国汽车工业的迅速发展, 自动变速器在轿车上的使用越来越广泛。行星齿轮组作为自动变速器的重要组成部件其运动比较复杂, 直观上很难理解, 不像机械式变速器只是简单的齿轮结合与分离,还需要了解其设计组成原理, 理解各个离合器、制动器和单向离合器位置的布置。传统的行星齿轮组分析方法有相对速度法、速度图解法和力矩法[1]。这些方法在分析二自由度行星齿轮传动时比较简单,但分析三自由度行星齿轮传动时就比较困难。

在众多新能源汽车解决方案中，综合传统燃油汽车和纯电动汽车优点的HEV，基本不改变现有汽车产业结构，不改变现有能源体系及用户使用习惯，成为目前最具现实开发意义及产业化前景的节能环保汽车。从混合动力电动汽车需求考虑,混联型驱动系统充分发挥了串联型和并联型的优点,能够使发动机、发电机、电动机/发电机实现优化匹配。对行星齿轮机构的3个基本构件(行星轮系)与发动机、电动机/发电机及发电机组成的6种连接方式进行定量分析比较,确定最佳形式,并确定最佳传动系统方案，从而在结构上保证了在复杂工况下系统的最优工作状态,所以更容易实现动力性、经济性和排放的控制目标。国外成熟车企混合动力汽车销量已经超过400万辆，而国内依然在零点起步；混合动力技术仍是丰田的核心技术，THS核心是双电机动力分流装置PSD(Power Split Device),PSD的核心就是行星轮系。THS混动系统的核心——动力分流装置是一个拉威娜式的双排行星齿轮组，在自动变速箱中运用十分广泛。

图1 单排单行星齿轮组的等效杠杆图

因此，无论在现有成熟的自动变速器技术还是混合动力新能源汽车技术中，行星轮系的应用无处不在，这就要求我们在相应的课程教学中不断地结合最新的科技前沿进行跟踪教学。目前，在行星轮系设计上通用一种简便的计算自动变速器行星齿轮组扭矩和转速的方法，就是等效杠杆模拟法(简称等效杠杆法)。

2 研究内容

本研究建立了一种简洁快速的计算行星齿轮组扭矩和转速的方法——等效杠杆法, 它将复杂的行星齿轮组结构转化成简单的等效杠杆图, 使得受力分析和运动分析简单直观, 同时可以快速地判断出自动变速器各换挡执行元件的工作状态, 有助于深入地了解自动变速器的工作原理[2]。由于单个行星排由太阳轮、行星轮、齿圈及行星架构成。根据其结构特点, 将一个行星排等效为一个垂直杠杆和三个支点,三个支点分别代表太阳轮S 、行星架PC 和齿圈R，单排单行星齿轮组的等效杠杆图如图1所示。等效杠杆法的优点是可以清晰地表示行星齿轮组各组件的旋转方向和受力方向，如图2所示。

图2 等效杠杆法的受力分析

行星齿轮组各组件的受力方向, 其扭矩计算公式为：

TR·ZS-TS·ZR=0

(1)

式中:TR、TC、TS分别为齿圈、行星架和太阳轮的扭矩。

根据行星齿轮组各组件的受力分析, 由力学平衡原理得：

TR+TC+TS=0

(2)

利用等效杠杆法对行星齿轮组各组件进行运动分析,已知太阳轮为输入件, 行星架固定, 齿圈为输出件, 则等效杠杆法分析的行星齿轮组各组件的转速方向及对应关系如图3所示[3]。

图3 等效杠杆法转速分析

图3比较直观地表示行星齿轮组各组件的旋转方向, 齿圈和行星轮与太阳轮旋转方向相反, 分布于行星架的同一侧。

本研究的主要内容包括：①单排行星轮系原型选择，②等效杠杆法实验装置比例的设计， ③动态实验演示中固定点与受力点变化时，杠杆长度的变化，④结构优化。

3 设计思路简介

利用等效杠杆法的原理：将一个行星齿轮组简化为具有三个支点的等效杠杆, 三个支点分别代表太阳轮、齿圈和行星架。用垂直布置的杠杆系等效代替行星齿轮组, 等效杠杆上的各点可以等效为行星齿组的各个旋转件, 行星齿轮组的输入、输出和各组件的扭矩在等效杠杆系中用水平力表示[4]。

制作中，首先设计等效杠杆法的行星轮系原型，根据相应的数据设计实验装置的总体框架大小，按杠杆法的要求布置各支点、受力点的位置，选择合适的材料对支点和受力点进行活动的调节。装置的关键是随着支点、受力点的变化，杠杆长度在实时变化，实验装置在任何位置下实现杠杆长度的相应位置非常关键。

对制作好的实验装置，按照实验的要求进行标注，完成相应的使用说明书，学生即可利用线下实验装置进行自主学习。实验装置的设计结合自动变速器技术与最新的混合动力技术中对动力分流装置的分析，为混合动力车的核心动力分流技术分解学习做准备，拓展大学生的线上学习视野和线下动手能力。

在设计单排行星齿轮组实验装置的基础上，可以拓展为二排、三排等行星齿轮组的等效杠杆法实验装置。

4 结语

通过本课题的研究，拓展汽车学院学生的新技术视野，培育学生的创新精神、挑战意识和团队合作意识，提升专业综合素质，更好地为汽车行业的发展服务。

将理论学习与科研成果进行实际生产转化的过程，需要一定的理论基础和扎实的实践动手制作能力。职业院校自动变速器类、行星轮系类、混合动力分流技术教学中涉及行星轮系传动的分析都可以用本实验装置简单、快速地完成教学。

[1]冯樱. 运用杠杆法计算汽车行星齿轮变速器的传动比[J].湖北汽车工业学院学报，2008.9.

[2]何国旗，谭放鸣，等. 利用等效杠杆法分析自动变速器行星齿轮传动[J]. 机械传动, 2006.3.

[3]许爱芬，贾巨民，刘宁.基于改进杠杆法的行星变速机构传动方案研究[J]. 军事交通学院学报, 2014.7.

[4]李明圣. 杠杆法在复合轮系教学上的应用[J].装备制造技术，2012.11，P175-177.

(编辑 文新梅)

Research on Planetary Gear Train Experiment Device Based on Equivalent Lever Method

SHEN Guosheng, ZHENG Yaojun

(Zhejiang Technical Institute of Economics, Hangzhou 310018, China)

The structure of planetary gear is complex and varied, and the running process of which has rotation and revolution. So in the theoretical design, the current relative scientific method is to use the equivalent lever method. Because the planetary gears are changing, in the actual teaching, how to demonstrate the equivalent lever through the experiment device is the difficulty. In this study, the experiment device with lever method is to shift the equivalent lever method theory into the auxiliary experiment teaching device with practical operation, to lay the foundation for the study of the planetary gear train, and get ready for the follow-up two rows, three rows and above of planetary gear train.

equivalent lever method; planetary gear train; experiment device

2017-3-21

沈国盛(1984—)。助理工程师。研究方向：汽车实训管理与研究。

TH132.4

A

1672-0601(2017)05-0082-03