行星齿轮传动变速箱动态特性仿真与试验研究

摘 要：本文针对行星齿轮传动变速箱动态特性仿真与试验研究做具体的分析探讨，希望通过本文的分析研究，给行业内人士以借鉴和启发。

关键词：行星变速箱;动态特性;传递效率

0 引言

行星齿轮变速器采用行星齿轮组来实现挡位的变化而进行变速，并且行星齿轮可以绕轴线旋转。每个行星齿轮组通过不同的输入、输出和锁紧来改变其传动比。每个行星齿轮组都有3种变化：第一种是由太阳轮输入动力，行星齿轮架输出锁紧齿圈;第二种是由行星齿轮架输入动力，齿圈输出锁紧太阳齿轮;第三种是由太阳轮输入动力，齿圈输出锁紧行星齿轮架，即产生倒挡。行星变速箱具有传动比切换方便的优点，但由于采用复杂的行星齿轮组来改变传动比，结构复杂以及高承载负荷导致其故障率较高。

1 行星变速箱动力学建模

行星齿轮式变速箱采用液压控制的多片湿式摩擦离合器和制动器换挡，无需切断动力即可换挡，操作力小，变速箱的转速和转矩由齿轮啮合提供，采用行星齿轮组来实现传动比的改变。行星齿轮组主要由太阳轮、行星齿轮、行星齿架、闭锁离合器、制动器和外齿圈组成。由于行星齿轮组具有多个部件，只要其中一个部件的旋转受到限制并且动力的输入和输出改变，传动比就改变，每个齿轮承受独立的转矩载荷;解析作用在行星齿轮箱中的每个元件上的力矩得到运动方程。

2 动力学仿真

2.1 变速箱模型

在ADAMS软件中建立行星变速箱的机械结构，包括行星排、传动轴和行星传动齿轮等部分。在Matlab中建立行星变速箱的控制模型，对变速箱进行联合仿真，分析行星变速箱各行星排的转速、转矩变化规律和传递效率。

2.2 前进1挡仿真结果

1挡运行时变速箱第三排行星齿轮转速和转矩的动力学仿真结果如下所：起步阶段，行星排传动机构的转速逐渐增加，经过0.18s后转速变化逐渐平稳，稳定后行星轮的转速最高约为1500r/min，太阳轮的转速最低约为400r/min;变速箱各部分的转矩在启动阶段有一个急速的上升，待各部分的转速稳定后，转矩也随之趋于稳定;之后转矩在200N·m以下小范围内波动，行星架转矩振荡最大，太阳轮的转矩振荡最小。该过程体现了将涡轮输入齿轮箱的转矩调节的过程。由于由发动机和变矩器输入的转矩也是波动变化，并且行星齿轮系的构件同时受到多个力，所以转矩在到达固定相位之后波动较大。根据变速箱各构件的联合仿真结果计算出转速和转矩的平均值以及传递效率。流经太阳轮的功率最小占21%，流经齿圈的功率最大占78.9%，第三排齿轮的传递效率为93.9%。根据仿真和计算得到的行星齿轮转速和转矩，利用节点分析法，得到行星变速箱在1挡下运行时的各个行星齿轮机构的功率流向为行星变速箱传动动力从输入轴输入，并通过行星架经由第二行星排传递到行星排三;输入到行星排三的动力通过两部分输出：一部分通过齿圈输出作为输入到行星排四，另一部分通过输出轴通过太阳轮输出;传递到行星排四的动力也经由太阳轮和齿圈输出，太阳轮用作行星排五的输入，并且太阳齿轮直接输出到输出轴;行星排五的动力由太阳轮输入。动力分别在行星排三和四中分配，并且输出轴的动力是行星排三、四和五的组合动力。工程车辆在1挡工作时，制动转矩最大值约为1000N·m，平均值为70N·m。

3 行星变速箱退化过程实验

行星变速箱的退化过程数据来自于一个全寿命退化实验该实验台由提供动力的三相异步电磁调速电机、提供负载的风冷磁粉制动器（负载大小由电流控制）、采集转速和转矩信号的转速转矩传感器、实验齿轮箱等主要部分组成。该实验齿轮箱为单级NGW-11型行星变速箱，传动比为12.5。实验过程中，在行星变速箱箱体上安装了4个振动加速度传感器。在全寿命退化过程实验中，行星变速箱的输入轴转速约为1000r/min，磁粉制动器的负载电流为1A（约为340N·m）。振動信号的采样频率（Fs）为20kHz，每次采集持续12s，每隔5min采样一次。在保证主要实验顺利完成的前提下，还不定期地采集了一些转速变化和负载变化情况下的振动信号。全寿命退化过程实验总共持续了1003h。太阳轮齿面的磨损程度最大;齿圈齿面的磨损程度最小;行星轮两侧齿面均有磨损，且与齿圈啮合的一面磨损程度比另一面更严重。笔者仅分析某传感器1#和3#的退化过程数据，且每间隔一个小时取一个数据组。行星变速箱全寿命退化过程中，传感器1#和3#振动信号的总RMS退化过程趋势呈现为3个阶段：a.第1阶段（约为0～817h），逐渐上升的平稳阶段，这一阶段RMS比较稳定，上下波动的幅度小，平均增长速度较慢;b.第2阶段（约为818～894h），快速上升阶段，这一阶段RMS的平均增长速度明显变大，甚至有突然跳跃式增长的现象;c.第3阶段（约为895～1003h），上下波动阶段，这一阶段RMS的平均值变化没有固定的模式，但是上下波动变化较快、幅度较大。

4 试验研究

试验台以某工程车辆的液力机械传动系统为基础。试验结果表明，换挡前后变速箱的速度变化较为平缓，说明在工程车辆运行过程中，采用新的动态换挡策略可以缩短换挡时间，提高变速箱的动态性能。因此，为了提高工程车辆的经济性和能效，驾驶员可以在工作时间允许的情况下选择最佳的经济换挡策略，试验结果验证了所建立的行星变速箱联合仿真模型中控制方法的可靠性。

5 结语

本文中通过理论分析与试验测试，着重研究了工作过程中变速箱行星齿轮传动动态性能的变化规律，为获取用于变速箱状态监测的信号提供数据支撑。

参考文献：

[1]OTTEWILLJR，RUSZCZYKA，BRODAD.Monitoringtoothpro-filefaultsinepicyclicgearboxesusingsynchronouslyaveragedmo-torcurrents：Mathematicalmodelingandexperimentalvalidation[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing，2017，84（01）：78-99.

[2]张鲁洋，秦波，尹恒.基于ELMD能量熵与AFSA-SVM的行星齿轮箱关键部件故障诊断研究[J].机械传动，2018，42（06）：164-170.

推荐访问:变速箱 行星 传动 齿轮 仿真