行星齿轮机构在汽车中的应用

陈历焘，朱新明



行星齿轮机构在汽车中的应用

陈历焘，朱新明

（比亚迪汽车工业有限公司，广东 深圳 518118）

行星齿轮机构以其突出的优点在汽车上得到深度应用并且正在拓展其在汽车上的应用范围。文章基于行星齿轮机构的基本结构，分析和总结了普通单排单级行星齿轮机构和普通单排双级行星齿轮机构的转速特性并总结了行星齿轮机构在汽车类产品的应用，同时针对性地作相应介绍和应用分析总结。

行星齿轮机构；变速器；差速器；减速器；应用

前言

相对于普通定轴轮系齿轮而言，作为周转轮系的行星齿轮机构具有传动效率高，结构紧凑，重量轻体积小，传动平稳可靠、抗冲击和振动的能力较强等一系列优点从而使行星齿轮机构在汽车上有深度应用并且发挥了巨大的作用，例如液力自动变速器、混合动力变速器、行星差速器、行星主减速器、行星轮边减速器以及汽车后视镜电动调节机构的减速机构等均有应用行星机构。

1 行星齿轮机构的基本原理

2 行星齿轮机构在汽车上的应用

2.1 液力自动变速器

行星齿轮自动变速器的变速器系统大多由多排行星齿轮扩展演变而来[1]。Allison公司T系列型号变速器均采用三排单级行星结构。ZF变速器公司8HP采用四排单级行星结构。福特和通用联合开发的10R80型号变速器采用4排单级行星结构[2]，请见图1。

图1 福特通用10R80动力路线流图

使用行星机构的自动变速器具有换挡平顺，轴向空间尺寸小，耐久可靠等优点。

2.2 混合动力变速器

汽车新能源产业革命目前正在如火如荼地进行，以普锐斯为代表混合动力汽车以其卓越的燃油经济性能成为其中最佳代表之一。基于行星机构的三个基本元件可以支持一个以上的动力源同时连接到这三个元件之中并进行耦合。丰田第四代THS-Ⅳ采用单排行星机构[3]，请见图2。

中国科力远所设计生产的CHS混合动力变速器使用拉维娜行星结构，将双电机分别连接到大太阳轮和小太阳轮上，发动机直接连接到行星架上。

图2 丰田THS-Ⅳ原理简图

除此之外，还有通用等诸多汽车制造商采用行星机构耦合的混动变速器。此种变速器搭载的车辆具有平顺性好，燃油经济性高等优点。

2.3 行星差速器

图3 行星差速器原理简图

动力经齿轮减速器从动齿轮输入其后依次经差速器壳、行星齿轮轴、行星齿轮、半轴齿轮、半轴输出给驱动车轮。当两侧车轮以相同的转速转动时，行星齿轮绕半轴轴线转动—公转。若两侧车轮阻力不同，则行星齿轮在作上述公转运动的同时，还绕自身轴线转动—自转，因而，两半轴齿轮带动两侧车轮以不同转速转动。请见图3。

2.4 行星结构主减速器

通用Voltec Gen2混动变速器共使用了三组行星齿轮机构，除承担动力耦合作用的两组行星齿轮之外，其集成在该前置变速器内部的主减速器同样也采用行星机构来减速，请见下图4。动力从耦合装置输出部分输入到主减速器输入齿轮，该输入齿轮与太阳轮直接连接。齿圈保持固定，动力经降速增扭后从行星架输出到差速器。作为减速机构的行星机构结构比较小巧，从而利于变速器的设计和发动机舱的布置。

图4 Voltec Gen行星减速器简图

2.5 行星结构轮边减速器

在汽车两侧驱动轮的近旁装有带行星齿轮机构来完成减速作用的减速器，称之为轮边减速器。在传动内燃机车辆如越野汽车、大型货车或某些特种车辆上，轮边减速器一般是充当主减速器之后的第二减速器。在大型矿用自卸车等车辆上，轮边减速器是唯一的减速器。电机输出的动力由轮边减速器降速增扭并将增大的扭矩传递给车轮驱动车辆前进。

国内外轮边减速器多为一级行星齿轮减速器[4]、二级行星齿轮减速器[5]及三级行星齿轮减速器[6]。在一级行星齿轮减速器中，太阳轮作为输入，齿圈固定，行星架输出到车轮。在二级和三级行星齿轮减速器中，动力从前一排行星机构太阳轮输入，从行星架输出到下一排行星机构的太阳轮，行星架同样作为输出。下图5为轮边二级行星减速器简图，下图6为轮边三级行星减速器简图。

图5 轮边二级行星减速器简图

图6 轮边三级行星齿轮减速器简图

日本精工株式会社(NSK)研发了全球首款配备了机械变速器的轮毂电机[7]，如今该产品已引起市场关注，甚至有可能成为下一代驱动系统。该产品由两个独立的电机和一个特制的变速箱构成，变速箱则包含两个行星齿轮机构，由其向两个车轮输出较高的驱动扭矩，并达到最大车速，该产品所采用的电机能被安装到16英寸的车轮内。

行星机构减速器具有承载能力强，结构紧凑，传动比大，传动效率高等优点。

图7 日本精工带变速箱功能轮毂电机概念图

3 总结

行星齿轮机构在汽车上的运用非常广泛，从大型的核心零部件到小型辅助零部件，从传统的零部件到新型的零部件，从特种车辆应用到普通乘用车应用。在电动汽车产业革命来临之时，它又以其突出的特点再次拓展出新的应用，体现其强大的生命。它对汽车系统有着非常重要的作用。

[1] 张海涛,王恰锋,刘晓光.浅谈自动变速器发展史[J].科技信息, 2008, 3(4):190-191.

[2] Gregory Daniel Goleski, Rochester Hills,MI(US);Reid AlanBaldwin, Howell,MI(US)Multi-speed transmission database: U.S.Patent 8545 362B1 [P]. 2013-10-1.

[3] AkitakaIchikawa, YoshimitsuYokouchi, Shinichiro, Kimura.Power transmission device for Vehicle: U.S.Patent 9132932[P]. 2015-9-15.

[4] 吴小君,汪韶杰,李旗号.一种带湿式制动功能的轮边减速器设计与分析[J].机械工程与自动化,2013,8:33-35.

[5] 王锋.浅谈大型矿用电动轮自卸车国产化轮边减速器的技术及应用[J].施工技术,2016,4(21):51-52.

[6] 何娟.多级行星传动构型与效率分析及在轮边减速器中的应用[D].湘潭:湘潭大学,2013.

[7] 盖世汽车网,日本精工研发出全球首款带变速箱的轮毂电机, http://gasgoo.com/news/detail.aspx？articled=70010827.[EB].

Application of Planetary Gear Set in Vehicle

Chen Litao, Zhu Xinming

( BYD Auto Industry Company Limited, No.3009, BYD Road, Pingshan District, Guangdong Shenzhen 518118 )

Theplanetary gear set has a wildly range of usages in vehicle for its extraordinary advantagesand extends its usage. We studied the theory of planetary gear set and summarize the applications in vehicle.

planetary gear set;transmission; differential;reduction;application

A

1671-7988(2018)24-189-03

U463

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1671-7988(2018)24-189-03

U463

陈历焘，本科，工程师，就职于比亚迪汽车工业有限公司，主要研究电驱控制系统及电驱减速器等。朱新明，本科，工程师，就职于比亚迪汽车工业有限公司，主要研究自动变速器、混合动力变速器以及纯电动减速器和变速器等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.068