行星齿轮结构和工作原理.doc

行星齿轮机构和工作原理
授课题目
§3-3 行星齿轮机构和工作原理
授课类型
理论课
首次授课时间
2009年9 月4日
学时
2
教学目标
知识目标：⒈了解行星齿轮机构的组成；
⒉掌握单排行星齿轮的工作原理并总结出行星齿轮机构基本特征。
能力目标：⒈通过掌握简单的行星齿轮机构的工作原理，为下面学习各种自动变速器的工作原理准备；
⒉锻炼学生们分析问题、思考问题的能力。
情感目标：为学生树立自信心，激发出学生的学习动力。
重点与难点
教学重点：⒈单排行星齿轮的基本特征；
⒉单排行星齿轮机构的特性方程。
教学难点：单排行星齿轮的工作原理。
教学手段与方法
⒈采用兴趣激励法使学生始终处于自动学习状态；
⒉采用师生互动法使学生通过自己的讲述知识点，掌握重点和难点；⒊通过挂图并结合单排行星齿轮模型进行讲授，检测教学效果。
§3-3 行星齿轮机构和工作原理
Ⅰ 授课思路：在初步了解行星齿轮机构的组成的基础上，通过单排行星齿轮机构一般运动规律的特性方程结合力和反作用力的作用原理使学生掌握单排行星齿轮的工作原理。拓展学生的能力，使学生概括出单排行星齿轮的基本特征。
Ⅱ 过程设计：
1．提问问题，复习上次课内容（约3min）
⑴ 导轮单向离合器有哪几种？（楔块式、滚柱式）
⑵ 锁止离合器的作用？（提高传动效率，使液力变矩器有液力传动变为机械传动）
2．导入新课（约1min）
自动变速器是怎样实现自动换挡的呢？这就是我们这节课讲的主要内容
3．新课内容：具体内容见“授课内容”（约73min）
4．本次课内容小结（约2min）
5．布置作业（约1min）
Ⅲ 讲解要点：单排行星齿轮的工作原理和单排行星齿轮的基本特征这一主线进行讲解。
Ⅳ 授课内容：
一、 简单的行星齿轮机构的特点
行星齿轮机构的组成：
简单（单排）的行星齿轮机构是变速机构的基础，通常自动变速器的变速机构都由两排或三排以上行星齿轮机构组成。简单行星齿轮机构包括一个太阳轮、若干个行星齿轮和一个齿轮圈，其中行星齿轮由行星架的固定轴支承，允许行星轮在支承轴上转动。行星齿轮和相邻的太阳轮、齿圈总是处于常啮合状态，通常都采用斜齿轮以提高工作的平稳性（如图l所示）。

如图2表示了简单行星齿轮机构，位于行星齿轮机构中心的是太阳轮，太阳轮和行星轮常啮合，两个外齿轮啮合旋转方向相反。正如太阳位于太阳系的中心一样，太阳轮也因其位置而得名。行星轮除了可以绕行星架支承轴旋转外，在有些工况下，还会在行星架的带动下，围绕太阳轮的中心轴线旋转，这就像地球的自转和绕着太阳的公转一样，当出现这种情况时，就称为行星齿轮机构作用的传动方式。在整个行星齿轮机构中，如行星轮的自转存在，而行星架则固定不动，这种方式类似平行轴式的传动称为定轴传动。齿圈是内齿轮，它和行星轮常啮合，是内齿和外齿轮啮合，两者间旋转方向相同。行星齿轮的个数取决于变速器的设计负荷，通常有三个或四个，个数愈多承担负荷愈大。
简单的行星齿轮机构通常称为三构件机构，三个构件分别指太阳轮、行星架和齿圈。这三构件如果要确定相互间的运动关系，一般情况下首先需要固定其中的一个构件，然后确定谁是主动件，并确定主动件的转速和旋转方向，结果被动件的转速、旋转方向就确定了。
二、 单排行星齿轮机构的工作原理
根据能量守恒定律，三个元件上输入和输出的功率的代数和应等于零，从而得到单排行星齿轮机构一般运动规律的特性方程。
特性方程：n1+an2-(1+a)n3=0
n1——太阳轮转速，n2——齿圈转速，n3——行星架转速，a——齿圈与太阳轮齿数比。
由特性方程可以看出，由于单排行星齿轮机构具有两个自由度，在太阳轮、环形内齿圈和行星架三个机构中，任选两个分别作为主动件和从动件，而使另一个元件固定不动，或使其运动受一定的约束（即该元件的转速为某定值），则机构只有一个自由度，整个轮系以一定的传动比传递动力。下面分别讨论三种情况。
1、齿圈固定，太阳轮为主动件且顺时针转动，而行星架则为被动件。太阳轮顺时针转动时，太阳轮轮齿必给行星轮齿A一个推力F1，则行星轮应为逆时针转动，但由于齿圈固定，所以齿圈轮齿必给行星轮齿B一个反作用力F2,行星轮在F1和 F2合力作用下必绕太阳轮顺时针旋转，结果行星轮不仅存在逆时针自转，并且在行星架的带动下，绕太阳轮中心轴线顺时针公转。在这种状态下，就出现了行星齿轮机构作用的传动方式，而且被动件行星架的旋转方向与主动件同方向。在这里，太阳轮是主动件而且是小齿轮，被动件行星架没有具体齿数的传动关系，因此定义行星架的当量齿数等于太阳轮和齿圈齿数之和。这样，太阳轮带动行星架转动仍属于小齿轮带动最大的齿轮，是一种减速运动且有最大的传动比。因为此时n2=0，故传动比i13=n1∕n3=1+a。（如图3）

【用挂图进行讲解，通过力的作用与反作用原理，让学生说出行星齿轮机构个组成部分的旋转方向，然后通过单排行星齿轮模型进行验证，并求出传动比。】
2、太阳轮固定，行星架为主动件且顺时针转动，齿圈为被动件。当行星架顺时转动时，势必造成行星轮的顺时针转动，但因太阳轮制动，太阳轮齿给行星轮齿 B齿一个反作用力F1,行星轮在F1的作用下顺时针旋转，其轮齿给齿圈轮齿A一个F2的推力，齿圈在F2的作用下顺时针旋转。在这里，主动件行星架的旋转方向和被动件齿圈相同。由于行星架是一个当量齿数最大齿轮，因此被动的齿圈以增速的方式输出，两者间传动比小于1。因为此时n1=0，故传动比i23=n3∕n2=a/(1+a)。（如图4）

【用挂图进行讲解，通过力的作用与反作用原理，让学生说出行星齿轮机构个组成部分的旋转方向，然后通过单排行星齿轮模型进行验证，并求出传动比。】
3、行星架固定，太阳轮为主动件且顺时针转动，而齿圈则作为被动件。由于行星架被固定，则机构就属于定轴传动，太阳轮顺时针转动，给行星轮齿A一个作用力F1，行星轮则逆时针转动，给齿圈轮齿B一个作用力F2，齿圈也逆时针旋转，结果齿圈的旋转方向和太阳轮相反。在定轴传动中，行星轮起了过渡轮的作用，改变了被动件齿圈的旋向。因为此时n3=0，故传动比i12=n1∕n2=-a。（如图5）

【用挂图进行讲解，该部分采用师生互动法，通过学生自己讲解，然后自己通过单排行星齿轮模型进行验证，并求出传动比。】
4、联锁行星齿轮机构的任意两个元件。若行星齿轮机构的太阳轮、行星架和环形内齿圈三者中，有任意两个机构被联锁成一体时，则各齿轮间均无相对运动，整个行星机构将成为一个整体而旋转，此时相当于直接传动。太阳轮与齿圈连成一体时，太阳轮的轮齿与齿圈的轮齿间便无任何相对运动，夹在太阳论与齿圈之间的行星轮也不会相对运动，因此太阳轮、齿圈和行星架便成为一体，传动比为1。（如图6）
【用挂图进行讲解，通过单排行星齿轮机构一般运动规律的特性方程求出传动比，然后通过单排行星齿轮模型进行验证。】
5、不固定任何元件。若行星齿轮机构的太阳轮、行星架和环形内齿圈三者中，无任何元件被固定，而无任意两个机构被联锁成一体，各构件将都可做自由运动，不受任何约束。当主动件转动时，从动件可以不动，这样可以不传递动力，从而得到空挡。
下面讨论齿圈的输出是增速或减速的问题。从结构图上已经可以看到，太阳轮的齿数小于齿圈的齿数，属于小齿轮带动大齿轮的传动关系，因此齿圈显然是减速状态，即两者间的传的比大于l。注意，由于行星轮是过渡轮，传动比的大小与行星轮的齿数多少无关。
三、行星齿轮机构基本特征
通过以上三种传动关系的分析，可以把简单行星齿轮机构的运动特征归纳成下列几点：
1、当行星架为主动件时，从动件超速运转。
2、当行星架为从动件时，行星架必然较主动件转速下降。
3、当行星架为固定时，主动件和从动件按相反方向旋转。
4、太阳轮为主动件时，从动件转速必然下降。
5、若行星架作为被动件，则它的旋转方向和主动件同向。
6、若行星架作为主动件，则被动件的旋转方向和它同向。
7、在简单行星齿轮机构中，太阳轮齿数最少，行星架的当量齿数最多．而齿圈齿数则介于中间。（注：行星架的当量齿数=太阳轮齿数十齿圈齿数。）
8、若行星齿轮机构中的任意两个元件同速同方向旋转，则第三元件的转速和方向必然与前两者相同，即机构锁止，成为直接档。（这是一个十分重要的特征，尽管上述的例子没有涉及。）
9、仅有一个主动件并且两个其它部件没被固定时，此时处于空挡。
图7 列出简单行星齿轮机构的三元件经组合后六种不同的运动状况。若假设太阳轮20齿，齿圈40齿，则行星架当量齿数为60齿。
以上叙述的简单行星齿轮机构运动关系是属于经常遇到的，在确定三者关系时，首先把其中一件固定，然后确定另外两者的主、被动关系。实际上简单行星齿轮机构还有一个很重要的特征，允许同时两件作为主动件输入，而被动件照样有唯一的输出，这是行星齿轮机构的一个十分重要的特征，而且在自动变速器上被广泛采用。
【画出如图7的表格，通过提问学生回答问题，从而自己概括出规律，然后再总结出行星齿轮机构基本特征。】
思考题、讨论题、作业
1．单排行星齿轮机构一般运动规律的特性方程？
2．简单行星齿轮机构的运动特征有哪些？
内容小结
1、单排行星齿轮的基本特征
2、单排行星齿轮机构一般运动规律的特性方程
3、单排行星齿轮的工作原理

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