拉維娜式行星齒輪結構動力傳動的教學探索

【摘 要】介紹拉維娜式（Ravigneavx）行星齒輪結構和工作原理，在實踐課程中，學生能參考自動變速器實物，確定齒輪元件與執行元件的裝配關系，分析自動變速器各擋位的動力傳動線路，明確各元件的運動狀態，根據拉維娜式行星結構運動方程式，掌握傳動比的計算方法，并能對有故障的自動變速器車輛分析原因，排除故障。

【關鍵詞】拉維娜式行星齒輪 結構 教學

【中圖分類號】G【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2012）11C-0188-03

隨著汽車技術的不斷發展，人們對汽車安全性、舒適性的要求也越來越高，因此配置自動變速器的汽車也更廣泛。汽車維修人員必須認識自動變速器的結構，掌握其運動規律，并能針對故障癥狀，分析故障原因，確定故障部位，做到有目的維修，減少返工率，節省費用，提高工作效率。而對于教學效果要達到企業的要求，必須理論聯系實際，結合案例分析，讓學生更好地理解理論知識，激發學習興趣。拉維娜行星齒輪結構廣泛應用于自動變速器傳動系統，這種結構具有部件少、尺寸小、傳動比范圍大、靈活多變等特點，可以構成變速器有4個前進擋，另外與辛普森行星齒輪結構組合，變速器可具有5個以上的前進擋，以滿足汽車節能、環保的要求。以下以01M、01V自動變速器為例，介紹拉維娜行星機構的運動規律，分析各擋位的動力傳動線路，以用于實踐課程的教學。

一、基礎知識

拉維娜行星齒輪結構是一個復合式的機構，它由一個單行星輪式行星排和一個雙行星輪式行星排組合而成，前面單行星排由大太陽輪、大行星齒輪、行星架和齒圈組成，后面雙行星排由小太陽輪、小行星齒輪、大行星齒輪、行星架和齒圈組成，兩個行星排共用齒圈和行星架，機構只有4個獨立元件，即大太陽輪、小太陽輪、齒圈和行星架。在行星排中，為了組成具有一定傳動比的機構，必須將太陽輪、齒圈和行星架3個基本元件中的1個加以固定，或將某兩個元件連接在一起，使行星排變為只有1個自由度的機構，才能獲得確定的傳動比，進行動力傳遞。

如果主動件是大太陽輪，從動件是齒圈，行星架固定，則動力傳遞過程為大太陽輪—大行星齒輪—齒圈。如果主動件是小太陽輪，從動件是齒圈，則動力傳遞過程為小太陽輪—小行星齒輪—大行星齒輪—齒圈。

二、運動方程式

設小太陽輪、大太陽輪、齒圈的齒數分別為Z1、Z2、Z3，對應小太陽輪、大太陽輪、齒圈、行星架的轉速為n1、n2、n3、n4，齒圈與小太陽輪的齒數之比為α1= Z3/Z1，齒圈與大太陽輪的齒數之比為α2=Z3/Z2，單行星排運動方程為：

n2+α2×n3=（1+α2）n4 （1）

雙行星排運動方程為：

n1-α1×n3=（1-α1）n4（2）

由方程式中可以看出，3個基本元件中，選取其中兩個分別作為主動件和從動件，只要第三個基本元件有確定的轉速（0或某一數值），即可計算出該機構的傳動比。

三、01M自動變速器動力傳動分析

01M型變速器的行星齒輪結構采用拉維娜式，離合器共三個，分別為前進擋離合器C1、高速擋離合器C3、倒擋離合器C2；單向離合器一個F；制動器兩個，分別為低速/倒擋制動器B1、2/4擋制動器B2；小太陽輪、大太陽輪、齒圈的齒數分別為Z1=21，Z2=24，Z3=57，α1=57/21=2.714，

α2=57/24=2.375，元件工作情況如表1。

（一）D1擋

離合器C1接合，單向離合器F參與工作，渦輪驅動變速器輸入軸順時針運動—C1接合—小太陽輪順時針轉動—短行星輪反時針自轉—長行星輪順時針自轉—在剛起步時，車速為零，行星架有反時針轉動的趨勢，此時單向離合器F反時針鎖止行星架—齒圈順時針轉動—主減速器輸出。

根據雙行星排運動方程為：n1-α1×n3=（1-α1）n4，其中n4=0，求得傳動比i1=n1/n3=α1=Z3/Z1=2.714。

當汽車滑行時，齒圈反向驅動變速器，齒圈通過長行星架產生一個順時針的力矩，單向離合器F脫離鎖止，行星架也順時針轉動，行星排不能傳遞動力，無法實現發動機制動。為了使發動機能產生制動，可將擋桿掛入2或L位，制動器B1工作，可以固定行星架，在汽車滑行時，行星機構反向帶動發動機，利用發動機怠速運轉阻力實現制動作用。

（二）D2擋

離合器C1接合，渦輪驅動變速器輸入軸順時針運動—C1接合—小太陽輪順時針轉動—短行星輪反時針自轉—長行星輪順時針自轉—2/4擋制動器B2制動，鎖止大太陽輪—齒圈順時針轉動—主減速器輸出。

單行星排運動方程為：

n2+α2×n3=（1+α2）n4 （1）

雙行星排運動方程為：

n1-α1×n3=（1-α1）n4 （2）

其中n2=0，求得傳動比i2=n1/ n3=（α1+α2）/（1+α2）=（2.714+2.375）/（1+2.735）=1.507。

在2擋，汽車滑行時，行星機構能反向傳遞動力，實現發動機制動作用。

（三）D3擋

離合器C1、C3接合—后行星排中，由于小太陽輪和行星架轉速相同，長、短行星輪不能自轉，只能同小太陽輪和行星架一起公轉—后行星排所有元件作為一個整體—動力傳給齒圈輸出。此時傳動比i3=1。

（四）D4擋

離合器C3接合，渦輪驅動變速器輸入軸順時針運動—C3接合—行星架順時針轉動—2/4擋制動器B2制動，固定大太陽輪—長行星輪順時針自轉—齒圈順時針轉動—主減速器輸出。

根據單行星排運動方程為：

n2+α2×n3=（1+α2）n4 （1）

其中n2=0，求得傳動比i4=n4/ n3=α2/（1+α2）=2.375/（1+2.735）=0.703。

（五）R擋

離合器C2接合，渦輪驅動變速器輸入軸順時針運動—C2接合—大太陽輪順時針轉動—長行星輪反時針自轉—制動器B1制動，鎖止行星架—齒圈反時針轉動—主減速器輸出。

根據式（1）

n2+α2×n3=（1+α2）n4

其中n4=0，求得傳動比i倒=n2/ n3=-α2=-2.375。

四、01V自動變速器動力傳動分析

01V是德國ZF公司生產的5檔手自一體自動變速箱，在國內保有量較多。行星齒輪機構采用了一組拉維娜式加另一組辛普森式的復合形式機構，共有四個離合器、三個制動器、一個單向離合器。

拉維娜式行星齒輪傳動與01M相似，不同的是位于后面的小太陽輪齒數比前面的大太陽輪齒數要多，與小太陽輪嚙合的是直徑小的長行星齒輪。現設辛普森式行星齒輪太陽輪、齒圈的齒數為Z4、Z5，對應太陽輪、齒圈、行星架的轉速為n5、n6、n7，現有Z1=38，Z2=34，Z3=98，Z4=32，Z5=76，因此α1=Z3/Z1=2.579，α2=Z3/Z2=

2.882，α3=Z5/Z4=2.375

辛普森單行星排運動方程為：

n5+α3×n6=（1+α3）n7 （3）

（一）D1擋

離合器A接合，單向離合器F1、制動器G工作。

拉維娜式行星排：渦輪驅動輸入軸順時針運動—A接合—小太陽輪順時針轉動—長行星輪反時針自轉—短行星輪順時針自轉—單向離合器F1反時針鎖止行星架—前齒圈順時針轉動—中間軸。

辛普森式行星排：中間軸—后齒圈—制動器G固定太陽輪，后行星架順時針轉動—輸出軸。

拉維娜行星排運動方程：

n1-α1×n3=（1-α1）n4（2）

辛普森行星排運動方程：

n5+α3×n6=（1+α3）n7 （3）

根據以上運動特性，式中n4=0，n5=0，n3=n6，求得傳動比i1=n1/n7=α1（1+α3）/α3=2.579（1+2.375）/2.375=3.665。

（二）D2擋

離合器A接合，制動器C、G工作。

拉維娜式行星排：輸入軸順時針轉動—A接合—小太陽輪順時針轉動—長行星輪反時針自轉—短行星輪順時針自轉—制動器C制動，固定大太陽輪—前齒圈順時針轉動—中間軸。

辛普森式行星排元件動作同D1擋。

拉維娜行星排運動方程：

n2+α2×n3=（1+α2）n4 （1）

n1-α1×n3=（1-α1）n4（2）

辛普森行星排運動方程：

n5+α3×n6=（1+α3）n7 （3）

根據以上運動特性，式中n2=0，n5=0，n3=n6，求得傳動比i2=n1/ n7=（α1+α2）（1+α3）/α3（1+α2）=（2.579+2.882）（1+2.375）/2.375（1+2.882）=1.999。

（三）D3擋

離合器A、F接合，制動器C工作。

拉維娜式行星排元件動作同D2擋。

辛普森式行星排：由于離合器F接合，后齒圈和太陽輪轉速相同，后辛普森式行星排所有元件作為一個整體—后行星架順時針轉動—輸出軸。

拉維娜行星排運動方程：

n2+α2×n3=（1+α2）n4 （1）

n1-α1×n3=（1-α1）n4 （2）

辛普森行星排運動方程：

n5+α3×n6=（1+α3）n7 （3）

根據以上運動特性，式中n2=0，n5=n6=n7=1，求得傳動比i3=n1/n7

=（α1+α2）/（1+α2）=（2.579+2.882）/（1+2.882）=1.407。

（四）D4擋

離合器A、E、F接合，由于拉維娜行星排和辛普森行星排傳動比都為1，所以i4=1。

（五）D5擋

離合器E、F接合，制動器C工作。

拉維娜式行星排：輸入軸順時針運動—離合器E接合—行星架順時針轉動—制動器C制動，固定大太陽輪—短行星輪順時針自轉—前齒圈順時針轉動—中間軸。

辛普森式行星排元件動作同D3擋。

根據單行星排運動方程為：

n2+α2×n3=（1+α2）n4 （1）

辛普森行星排傳動比為n5=n6=n7=1。

其中n2=0，n3=n7，求得傳動比i5=n4/n7=α2/（1+α2）=2.882/（1+2.882）=0.742。

（六）R擋

離合器B接合，制動器D、G工作。

拉維娜式行星排：離合器B接合，變速器輸入軸順時針運動—離合器B接合—大太陽輪順時針轉動—短行星輪反時針自轉—制動器D制動，鎖止行星架—前齒圈反時針轉動—中間軸。

辛普森式行星排：中間軸—后齒圈—制動器G固定太陽輪，后行星架反時針轉動—輸出軸。

拉維娜行星排運動方程：

n2+α2×n3=（1+α2）n4 （1）

辛普森行星排運動方程：

n5+α3×n6=（1+α3）n7 （3）

其中n4=0，n5=0，n3=n6求得傳動比i倒=n2/n7=-α2（1+α3）/α3=-2.882（1+2.375）/2.375==-4.096。

五、故障分析實例

（一）01M自動變速器高速加速緩慢

故障現象：某車行駛12萬公里后，當進行路試，發動機轉速達到2000r/min時，車速只有80km/h，繼續加速發動機噪聲很大，車速上升慢。

分析：對照01M自動變速器換擋圖，3000r/min對應車速為100km/h以上，初步判斷為4檔打滑。

排除：先檢查變速器油，發黑并伴有燒焦味道。拆檢變速器，發現超速離合器C3摩擦片有燒損，更換摩擦片和鋼片，并更換所有密封膠圈，裝復后試車，換擋正常。

（二）01V自動變速器掛倒速，反應遲緩

故障現象：某車裝用01V自動變速器，行駛里程15萬公里，當掛倒速，要等幾秒后才能行駛，感覺無力，而前進擋行駛正常。

分析：從前面01V變速器動力傳動可知，與倒擋相關的元件有離合器B、制動器D。

排除：拆檢變速器，發現倒速離合器B摩擦片有輕度燒損，再仔細檢查離合的鋁活塞在徑向有一道微小裂紋，更換摩擦片和活塞，并更換所有密封膠圈，裝復后試車，故障消失。

綜上所述，拉維娜行星齒輪是一個復合傳動結構，太陽輪、齒圈和行星架3個基本元件中，齒數依次為由小到大的關系，但行星架是沒有齒數的，為了方便計算，可以假設其齒數為太陽輪、齒圈的齒數之和。行星架上的行星輪只是改變基本元件的傳動方向，不會影響傳動比，執行元件的離合器將基本元件中的其中兩個進行動力傳遞；制動器將基本元件中的其中一個固定、另兩個元件中其中一個主動，一個從動，從而實行動力傳遞，改變傳動比。要計算某擋位的傳動比，必須確定主動件、從動件，還有參與工作的元件和工作狀態，列出運動方程，求出傳動比。讓學生結合多種自動變速器實物，確定太陽輪、齒圈的齒數，計算出各擋位傳動比，并與維修手冊給出的傳動比對照，確認結果是否正確，從而真正掌握動力傳遞原理。最后學生能對有故障的自動變速器進行分析，確定故障部位，為學生自主學習打下堅實基礎。

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[3]李玉茂.寶來、捷達轎車故障實例與分析[M].北京：機械工業出版社，2005

[4]王遂雙.汽車電子控制系統的原理與檢修[M].北京：北京理工大學出版社，2004

【作者簡介】嚴景明（1967- ），男，廣西電力職業技術學院工程師，大學本科學歷，工學學士學位，主要研究方向：汽車機械、電子領域的科研和教學工作；鄭軍龍（1978- ），男，講師，碩士，主要從事電力系統及其自動化領域、汽車電子領域的科研和教學工作。

（責編 丁 夢）