張偉峰，張 濤

（長安大學 工程機械學院，陜西 西安710054）

0 引言

隨著機械的發(fā)展，變速器越來越普遍使用。但國內(nèi)變速器的研究都是針對單一動力源的變速器。單一動力源的變速器，驅(qū)動無需合成，只需設(shè)計帶系或齒輪系等進行變速，設(shè)計思路簡單但可靠性低。例如郜振海和李麗艷設(shè)計研究了小轎車機械式變速器[1]；唐志榮等對間接式無級變速器設(shè)計開發(fā)與性能驗證[2]；華南理工大學廣東省汽車工程重點實驗室對一種純電動汽車動力換擋式機械變速器的研究[3]。此外對于差動機構(gòu)，國內(nèi)外也皆是將差動機構(gòu)放置于單一速度下應用，并未分析差動機構(gòu)在變速條件下的運用。例如將差動機構(gòu)應用于機器人的運動合成[4]、火炮補彈系統(tǒng)[5]。本文將差動機構(gòu)放置于雙動力源環(huán)境下，提出新型差動機構(gòu)變速器。運用差動機構(gòu)合成運動的功能，將兩個動力源的速度合成為一個輸出速度。借助雙動力源轉(zhuǎn)速的不同，從而得到不同輸出速度，實現(xiàn)變速。這種變速器因其雙動力源，則可靠性增倍，避免因驅(qū)動損壞而造成的經(jīng)濟損失；因差動機構(gòu)的合成功能，則變速器在變速時運行依然平穩(wěn)。

1 新型差動輪系變速器的機構(gòu)

圖1是本文所介紹的變速器的簡易機構(gòu)圖（只為介紹差動機構(gòu)，不作為實物參考）。需要補充說明的是1，6是一個零件，稱內(nèi)外齒圈，外齒由6表示，內(nèi)齒由1表示；同理內(nèi)外齒圈4，8中，外齒由8表示，內(nèi)齒由4表示。圖中齒輪2代表三個分布在內(nèi)齒圈1的齒輪（為星形排布），并于內(nèi)齒圈1內(nèi)嚙合，其余兩個未畫出。齒輪3，4的狀態(tài)與齒輪2，1相似，不再贅述。齒輪2，3兩兩外嚙合，是錯位分布，圖中用“//”，表示其錯位嚙合。H 為機架，也是輸出軸。5，7 齒輪分別與外齒圈8，6形成外嚙合，傳動比大小使用者可根據(jù)實際情況自行安排，本文不作敘述。

圖1 差動輪系變速器簡易機構(gòu)

2 新型差動輪系變速器的機構(gòu)的特點

設(shè)計的差動機構(gòu)有2個動力源，如圖1中M1與M2所示。通過改變2臺交流電動機的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速大小，即可使輸出軸H由不同的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)方向。具體細節(jié)見2.2節(jié)。

與常見的變速機構(gòu)相比，本文所提供的裝置在變速時，不再需要滑移齒輪，相對穩(wěn)定性較好。而且每對齒輪時刻處于嚙合狀態(tài)，因此在變速過程中，不會有中斷出現(xiàn)，變速穩(wěn)定，可靠性高。

2.1 新型差動輪系變速器的理論基礎(chǔ)

圖2所示的是2K-H（NGW）[6]型差動輪系。本文所提出的新型差動輪系變速器便是在此基礎(chǔ)上改進而成。

圖2 NGW型差動輪系

NGW中轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系滿足下式：

在此基礎(chǔ)上推導本文所提出的差動輪系變速器的轉(zhuǎn)速關(guān)系式：

在不計嚙合損失和摩擦損失的條件下，其扭矩滿足：

由此就推導出其轉(zhuǎn)速關(guān)系式（4）和扭矩關(guān)系式（5）。根據(jù)這兩個式子，就可將此變速器應用于實際問題。

本文主要是新型差動輪系變速器的機構(gòu)研究，因此不考慮其振動與偏移。并且此處齒輪的選取，內(nèi)外齒圈1，6與內(nèi)外齒圈4.8相同，齒輪2與齒輪3相同。

2.2 不同狀態(tài)下變速器的運動情況分析

由于兩個動力源的轉(zhuǎn)速大小和轉(zhuǎn)速方向的有多種組合方式，因此n1、n4轉(zhuǎn)速的組合方式也有多種。以下分析在n1、n4的不同組合方式下，變速器的運動情況。

1）n1=n4且旋向相同

此時H軸的轉(zhuǎn)速最大即：n1=n4=nH。此時內(nèi)外齒圈 1，4、齒輪 2，3、軸 H 同步旋轉(zhuǎn)，齒輪 1，4 與齒輪2，3之間沒有相對運動，而且齒輪2，3之間也沒有相對運動。齒輪2，3在這種情況下可以看作自鎖機構(gòu)。

2）n1>n4且旋向相同

此時H軸的轉(zhuǎn)速計算可以根據(jù)式（4）計算。內(nèi)外齒圈 1，4、齒輪 2，3、軸 H 旋轉(zhuǎn)運動，齒輪 2，3 在公轉(zhuǎn)的同時，兩者之間也進行外嚙合的旋轉(zhuǎn)運動。這種情況下齒輪2，3機構(gòu)作為合成器使用，在齒圈1，4中起緩沖使用。

3）n1≠0，n4＝ 0

此時H軸的轉(zhuǎn)速由式（4）可以計算得到。此時齒圈1，4、齒輪2，3的運動狀態(tài)與2）相同，但速度有變化。讀者若是有興趣可根據(jù)《機械設(shè)計》[7]或式（1），（2）進行計算比對。

此時H軸的轉(zhuǎn)速由式（4）可以計算得到，但需要注意的是帶入n4的數(shù)值時，應為負數(shù)。此時齒圈1，4的運動狀態(tài)與3）類似。

此時H軸的轉(zhuǎn)速為0，是一種空載狀態(tài)。此時和：n1=n4＝0的輸出狀態(tài)相同，但不同的是，齒圈1，4之間有相對轉(zhuǎn)動。而齒輪2，3只是自轉(zhuǎn)不再進行公轉(zhuǎn)，此時齒輪2，3的只是傳遞的運動。

以上為輸出軸H與n1的旋向相同的狀態(tài)，若是希望達到H反向旋轉(zhuǎn)并有不同轉(zhuǎn)速，只需要，并且控制其旋向即可。

3 運用Matlab進行仿真

圖3 nH的四維速度圖

根據(jù)圖3可以直觀地看出，其輸出速度nH和輸入速度 n1，n4，和齒數(shù)比值=m之間的關(guān)系。定性分析：當m為定值時，輸出軸轉(zhuǎn)速nH隨著輸入速度n1，n4的增大而增大。定量分析：由式（4）進行精確計算。

4 設(shè)計實例

要求設(shè)計轉(zhuǎn)速大小為100 r/min，200 r/min，300 r/min的一種變速器，并且速度方向可以變化。

設(shè)計過程如下：

（1）為使機構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性，設(shè)計時盡可能選取對稱結(jié)構(gòu)。

（2）計算轉(zhuǎn)速：根據(jù)式（4）和設(shè)計的速度要求，則有

最大轉(zhuǎn)速：n1+n4=2×300＝600 r/min

中間轉(zhuǎn)速：n1+n4=2×200＝400 r/min

最小轉(zhuǎn)速：n1+n4=2×100＝200 r/min

因此可以設(shè)計：n1＝ 400 r/min；n2＝ 200 r/min

（3）粗選齒輪5與齒輪8，齒輪7與齒輪6之間的傳動比為1.5，此時交流電動機M1的轉(zhuǎn)速為600 r/min，M2的轉(zhuǎn)速為 300 r/min。

（4）結(jié)果分析：

M1，M2正轉(zhuǎn)時，nH=300 r/min；M1正轉(zhuǎn)，M2不轉(zhuǎn)時，nH=200 r/min；M1正轉(zhuǎn)，M2反轉(zhuǎn)時，nH=100 r/min；反方向時，只需將M1，M2方向調(diào)整即可。因此設(shè)計滿足要求。

以上所設(shè)計的新型差動機構(gòu)減速器，不僅滿足多級速度的平穩(wěn)更換，而且更是提高了結(jié)構(gòu)的可靠性。現(xiàn)在已投入使用，并且對實際應用已經(jīng)測試。結(jié)果表明，在多級調(diào)速的過程中，機構(gòu)運行的非常平穩(wěn)；并且當突然關(guān)閉一個動力源時，機構(gòu)依然平穩(wěn)的運行，其可靠性得以驗證。

5 結(jié)束語

本文在NGW型差動機構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種新型的差動機構(gòu)，擁有多級變速的功能，使用者可以通過改變輸入轉(zhuǎn)速的大小、方向，以獲得滿意的輸出狀態(tài)。而且當使用者變速時，機構(gòu)之間的沖擊力幾乎可以忽略，變速非常平穩(wěn)。此外本機構(gòu)也可作為部分機構(gòu)嵌入到另外的不同機構(gòu)中，也會得到不同的效果。