汽车轮系介绍：探索桑塔纳2000型轿车变速器结构

任务介绍

图5-36所示为桑塔纳2000型轿车变速器的结构。当驾驶员操纵变速杆，通过拨叉使相应挡位齿轮啮合后，动力便从输入轴依次经过相关齿轮传送到输出轴，使输出轴以不同转速旋转。为了获得不同传动比或转速及改变转向，而采用一系列互相啮合的齿轮将主动轴和从动轴连接起来的传动系统称为轮系，以实现变速、分路传动、运动分解与合成等功能。

图5-36　桑塔纳2000型轿车变速器的结构

1—输入轴；2—输出轴

学习目标

1.掌握轮系的类型及应用。

2.应会轮系的传动比计算。

相关知识

根据轮系运转时齿轮的轴线位置相对于机架是否固定，分为定轴轮系和周转轮系两大类。轮系运动时，所有齿轮轴线都固定的轮系，称为定轴轮系，如图5-37所示。

轮系运动时，至少有一个齿轮的轴线可以绕另一个齿轮的轴线转动，这样的轮系称为周转轮系。周转轮系包括行星轮系和差动轮系两种。图5-38所示为行星轮系，轮2轴线可动称为行星轮，它既绕本身的轴线自转，又绕O1或OH公转。轮1与轮3的轴线固定不动，称为太阳轮。

图5-37　定轴轮系

图5-38　行星轮系

一、定轴轮系

定轴轮系分为两大类：一类是所有齿轮的轴线都相互平行，称为平行轴定轴轮系（又称平面定轴轮系）；另一类轮系中有相交或交错的轴线，称为非平行轴定轴轮系（又称空间定轴轮系）。

轮系中，输入轴与输出轴的角速度或转速之比，称为轮系传动比。

计算传动比时，不仅要计算其数值大小，还要确定输入轴与输出轴的转向关系。对于平行轴定轴轮系，其转向关系用正、负号表示：转向相同用正号，相反用负号。对于非平行轴定轴轮系，各轮转动方向用箭头表示。

1.平行轴定轴轮系

图5-37所示为各轴线平行的定轴轮系，输入轴与主动首轮1固连，输出轴与从动末轮5固连，所以该轮系传动比，就是输入轴与输出轴的转速比，其传动比i求法如下：

1）由图5-37所示轮系机构运动简图，可知齿轮动力传递线为

上式括号内是一对啮合齿轮，其中轮1、2′、3′、4为主动轮，2、3、4、5为从动轮；以“—”所连两轮表示啮合，以“=”所连两轮同轴运转，它们的转速相等。

2）传动比i的大小为

上式表明，该定轴轮系的传动比等于各对啮合齿轮传动比的连乘积，也等于各对啮合齿轮中各从动轮齿数的连乘积与各主动轮齿数的连乘积之比，其正负号取决于轮系中外啮合齿轮的对数。

当外啮合齿轮为偶数对时，传动比为正号，表示轮系的首轮与末轮的转向相同；当外啮合齿轮为奇数对时，传动比为负号，表示首轮与末轮的转向相反。式中第二个等号右边的指数3为该齿轮系中外啮合齿轮的对数，传动比i为负值，表示轮1与轮5的转向相反。

齿轮系首轮与末轮的相对转向，也可用画箭头的方法来确定和验证，如图5-37所示。由图5-37中可以看出，轮1和轮5的转向相反。

从式中还可看出，分子、分母中均有齿轮4的齿数z4，这是因为齿轮4在与齿轮3′啮合时是从动轮，但在与齿轮5啮合时又为主动轮，所以可在等式右边分子分母中互消去z4。

这说明齿轮4的齿数不影响轮系传动比的大小。但齿轮4的加入，改变了传动比的正负号，即改变了齿轮系从动轮的转向，这种齿轮称为惰轮。

总结：在平行轴定轴齿轮系中，若首轮轮1的转速为n1，末轮轮k转速为nk，则此齿轮系的传动比为

式中：m——齿轮系中从轮1到轮k间，外啮合齿轮的对数。

下面举例说明平行轴定轴轮系传动比的计算方法。

例5-1　在图5-37所示的齿轮系中，已知z1=20，z2=40，z2'=30，z3=60，z3'=25，z4=30，z5=50，均为标准齿轮传动。若已知轮1的转速n1=1440r/min，试求轮5的转速。

解：

此定轴轮系各轮轴线相互平行，且齿轮4为惰轮，轮系中有3对外啮合齿轮，有

负号表示轮1和轮5的转向相反。

2.非平行轴定轴轮系

图5-39所示为非平行轴定轴轮系，其传动比的大小仍可用平行轴定轴轮系的传动比计算公式计算，但因各轴线并不全部相互平行，故不能用（-1）m来确定主动轮与从动轮的转向，必须用画箭头的方式在图上标注出各轮的转向。

一对互相啮合的锥齿轮传动时，在其节点处的圆周速度是相同的，所以标志两者转向的箭头不是同时指向啮合点，就是同时背离啮合点。

下面举例说明非平行轴定轴轮系传动比的计算方法。

例5-2　在图5-39所示的轮系中，设已知z1=16，z2=32，z2'=20，z3=40，z3'=2，z4=40，均为标准齿轮传动。已知轮 1的转速n1=1000r/min，试求轮4的转速及转动方向。

图5-39　非平行轴定轴轮系

解：

由公式得

蜗轮4的转向用右手定则判定，应该逆时针转动。

二、行星轮系

在图5-40（a）所示的行星齿轮系中，行星轮z2既绕本身的轴线自转，又绕O1或OH公转，因此不能直接用定轴轮系传动比计算公式求解行星轮系的传动比，而通常采用反转法来间接求解其传动比。

假定行星轮系各齿轮和行星架H的转速分别为n1、n2、n3、nH。现在整个行星齿轮系上加上一个与行星架转速大小相等、方向相反的公共转速（-nH）将行星齿轮系转化成一假想的定轴齿轮系，如图5-40（b）所示。再用定轴轮系的传动比计算公式，求解行星轮系传动比。

图5-40　行星轮系

由相对运动原理可知，对整个行星轮系加上一个公共转速（-nH）后，该轮系中各构件之间的相对运动规律并不改变，但转速发生了变化，其变化结果如下。

齿轮1的转速为。

齿轮2的转速为。

齿轮3的转速为。

行星架H的转速为nH→0→（nH-nH）。

既然该齿轮系的反转机构是定轴齿轮系，则在图5-40（b）所示反转机构中，轮1和3间的传动比可表达为

式中：——反转机构中轮1与轮3相对于行星架H的传动比。其中“-1”号表示在反转机构中有一对外啮合齿轮传动。传动比为负说明轮1与轮3在反转机构中的转向相反。

一般情况下，若某单级行星轮系由多个齿轮构成，则传动比求法为

1）求传动比大小：

2）确定传动比符号。标出反转机构中各个齿轮的转向，确定传动比符号。当1轮与k轮的转向相同时，取“+”号，反之取“-”号。

下面举例说明行星轮系传动比的计算方法。

例5-3　在图5-41所示的轮系中，已知z1=100，z2=101，z2'=100，z3=99，均为标准齿轮传动。试求iH1。

解：(www.xing528.com)

由公式得

例5-4　在图5-42所示的轮系中，已知z1=40，z2=40，z3=40，均为标准齿轮传动。试求。

解：

由公式得

其“-”号表示轮1与轮3在反转机构中的转向相反。

图5-41　轮系实例（一）

图5-42　轮系实例（二）

三、轮系的作用

轮系广泛用于各种机械设备中，下面介绍其作用。

1.传递相距较远的两轴间的运动和动力

当两轴间的距离较大时，用轮系传动，可减小齿轮尺寸，节约材料，且制造、安装都很方便，如图5-43所示。

2.可获得较大的传动比

一般一对定轴齿轮的传动比不宜大于5～7，故当需要获得较大的传动比时，可用几个齿轮组成行星轮系来达到目的，这样不仅外廓尺寸小，而且小齿轮不易损坏。

3.可实现变速传动

汽车、机床、起重设备等多种机器设备都需要变速传动。在主动轴转速不变的条件下，通过轮系，从动轴可获得多种转速，进而实现变速传动。图5-44所示为汽车变速器，通过不同齿轮的啮合可以获得不同的输出轴转速。

轴Ⅰ为输入轴，轴Ⅲ为输出轴，4、6均为滑移齿轮，通过改变齿轮4及齿轮6在轴上的位置，可使输出轴Ⅲ得到4种不同的转速。

图5-43　远距离两轴间的传动

图5-44　汽车变速器

变速原理如下。

低速挡：齿轮5和6啮合，齿轮3、4及同步器A、B均脱离；此时i>1。

中速挡：齿轮3和4啮合，齿轮5、6及同步器A、B均脱离；此时i>1。

高速挡：同步器A、B接合，齿轮3、4及齿轮5和6均脱离；i=1。

倒车挡：齿轮6和8啮合，齿轮3、4、5、6及同步器A、B均脱离，此时齿轮8为惰轮，改变了输出轴Ⅲ的方向；i<0。

4.齿轮的变向传动

在轮系中引入惰轮（它同时与主、从动轮啮合），可方便地实现变向要求。图5-45所示为三星轮换向机构。互相啮合的齿轮2和齿轮3浮套在三角形构件a的两个轴上。构件a可通过手柄使之绕轮4的轴转动。如果通过手柄转动齿轮2和齿轮3分别位于如图5-45（a）和（b）所示位置，不需改变主动轮1的转向，就可使从动轮的转向发生改变。图5-45中齿轮2、3就是惰轮。在轮系中增加一对外啮合齿轮或减少一对外啮合齿轮都可改变从动轮（末轮）的转动方向，汽车倒车就是用这种方法实现的。

5.运动合成、分解

图5-46所示为船用航向指示器传动装置，它是运动合成的实例。

太阳轮1的传动由右舷发动机通过定轴轮系4—1'传过来；太阳轮3的传动由左舷发动机通过定轴轮系5—3'传过来。当两发动机转速相同时，航向指针不变，船舶直线行驶。当两发动机的转速不同时，船舶航向发生变化，转速差越大，指针M偏转越大，即航向转角越大，航向变化越大。

图5-47所示为汽车差速器，它是运动分解的实例。

图5-45　三星轮换向机构

图5-46　船用航向指示器传动装置

图5-47　汽车差速器

当汽车直线行驶时，左、右两轮转速相同，行星轮不发生自转，齿轮1、2、3作为一个整体，随齿轮4一起转动，此时n1=n3=n4。

当汽车转弯时，为了保证两车轮与地面做纯滚动，显然左、右两车轮行走的距离应不相同，即要求左、右轮的转速也不相同。此时，可通过差速器（1、2、3）轮和（1、2′、3）轮将发动机传到齿轮5的转速分配给后面的左、右轮，实现运动分解。

四、轮系在汽车自动变速器中的应用

自动变速器利用行星齿轮机构进行变速，它能根据加速踏板踩下程度和车速变化自动地进行变速，驾驶员只需操纵加速踏板即可控制车速。汽车上常用的自动变速器有液力自动变速器、液压传动自动变速器、电力传动自动变速器、有级式机械自动变速器和无级式机械自动变速器等。其中，最常见的是液力自动变速器。

任务小结

1）定轴轮系：轮系运动时，所有齿轮轴线都固定的轮系。

2）周转轮系：轮系运动时，至少有一个齿轮的轴线可以绕另一个齿轮的轴线转动的轮系。

3）轮系传动比：轮系中，输入轴与输出轴的角速度或转速之比。

4）平行轴定轴轮系传动比i的大小：

5）非平行轴定轴轮系传动比大小：可用平行轴定轴轮系的传动比计算公式计算，但因各轴线并不全部相互平行，故不能用（-1）m来确定主动轮与从动轮的转向，必须用画箭头的方式在图上标注出各轮的转向。

6）轮系的作用：传递相距较远的两轴间的运动和动力；可获得较大的传动比；可实现变速传动；齿轮的变向传动；运动的合成、分解。

拓展提高

组合轮系

定轴轮系和行星轮系组合成的轮系称为组合轮系，如图5-48所示。

因为组合轮系由运动性质不同的轮系组成，所以计算其传动比时，必须先将轮系分解成行星轮系和定轴轮系，然后分别按反转轮系传动比和定轴轮系传动比列计算公式，最后联立求解。

组合轮系分解方法是，先找出各行星轮系，余下的便是定轴轮系。如图5-48所示的组合轮系，按行星轮轴线可转的特征，找到由行星架H支承的行星轮3，以行星轮3为核心，与其相啮合的有太阳轮2′和4。

图5-48　组合轮系

例5-5　在图5-48所示的齿轮系中，已知z1=20，z2=40，z2'=20，z3=30，z4=60，均为标准齿轮传动。试求i1H。

解：

1）分析轮系。由图5-48可知，该轮系为一平行轴定轴轮系与简单行星轮系组成的组合轮系，其中行星轮系为2′—3—4—H，定轴轮系为1—2。

2）分析轮系中各轮之间的内在关系，由图5-48中可知：

3）分别计算各轮系传动比。

① 定轴齿轮系为

② 行星齿轮系为

③ 联立求解。联立式①、②，代入n4=0，n2=n2′得