行星齿轮（变速箱原理）

行星齿轮是指除了能像定轴齿轮那样围绕着自己的转动轴转动之外，它们的转动轴还随着行星架绕其它齿轮的轴线转动的齿轮系统。绕自己轴线的转动称为“自转”，绕其它齿轮轴线的转动称为“公转”，就象太阳系中的行星那样，因此得名。

简介

行星齿轮是指转动轴线不固定，且安装在一个可以转动的支架（蓝色）上（图中黑色部分是壳体，黄色表示轴承）。行星齿轮（绿色）除了能像定轴齿轮那样围绕着自己的转动轴（B-B）转动之外，它们的转动轴还随着蓝色的支架（称为行星架）绕其它齿轮的轴线（A-A）转动。绕自己轴线的转动称为“自转”，绕其它齿轮轴线的转动称为'公转'，就象太阳系中的行星那样，因此得名。

行星齿轮机构按行星架上安装的行星齿轮的组数不同，分为单行星排和双行星排。

图1.定轴齿轮

行星齿轮传动与普通齿轮传动相比，具有许多独特优点。最显著的特点是在传递动力时可以进行功率分流，并且输入轴和输出轴处在同一水平线上。所以行星齿轮传动现已被广泛应用于各种机械传动系统中的减速器、增速器和变速装置。尤其是因其具有“高载荷、大传动比”的特点而在飞行器和车辆(特别是重型车辆)中得到大量应用。 [1]  行星齿轮在发动机的扭矩传递上也发挥了很大的作用。由于发动机的转速扭矩等特性与路面行驶需求大相径庭，要把发动机的功率适当地分配到驱动轮，可以利用行星齿轮的上述特性来进行转换。汽车中的自动变速器，也是利用行星齿轮的这些特性，通过离合器和制动器改变各个构件的相对运动关系而获得不同的传动比。

但是由于行星齿轮的结构和工作状态复杂，其振动和噪声问题也比较突出 ，极易发生轮齿疲劳点蚀、齿根裂纹乃至轮齿或轴断裂等失效现象，从而影响到设备的运行精度、传递效率和使用寿命。

图2.双排行星齿轮

结构组成

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。

简单的行星齿轮机构中，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。

图3.行星齿轮构造示意图

工作原理及特征

传动组合

在包含行星齿轮的齿轮系统中，传动原理与定州齿轮不同。由于存在行星架，因此可以有三条转动轴允许动力输入/输出，还可以用离合器或制动器之类的手段，在需要的时候限制其中一条轴的转动，只剩下两条轴进行传动。因此，互相啮合的齿轮之间的关系可以有多种组合：

（1）动力从太阳轮输入，从外齿圈输出，行星架通过机构锁死；

（2）动力从太阳轮输入，从行星架输出，外齿圈锁死；

（3）动力从行星架输入，从太阳轮输出，外齿圈锁死；

图4.行星齿轮传动

（4）动力从行星架输入，从外齿圈输出，太阳轮锁死；

（5）动力从外齿圈输入，从行星架输出，太阳轮锁死；

（6）动力从外齿圈输入，从太阳轮输出，行星架锁死；

（7）两股动力分别从太阳轮和外齿圈输入，合成后从行星架输出；

（8）两股动力分别从行星架和太阳轮输入，合成后从外齿圈输出；

（9）两股动力分别从行星架和外齿圈输入，合成后从太阳轮输出；

（10）动力从太阳轮输入，分两路从外齿圈和行星架输出；

（11）动力从行星架输入，分两路从太阳轮和外齿圈输出；

（12）动力外齿圈输入，分两路从太阳轮和行星架输出。

运动特征

按以上的组合方式，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。）

（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。

特点类型

行星齿轮在结构方面存在以下特点：

（1）太阳轮、行星架和齿圈都是同心的，即围绕公共轴线旋转。这能够取消诸如手动变速器所使用的中间轴和中间齿轮；

（2）所有齿轮始终相互啮合，换挡时无需滑移齿轮，因此摩擦磨损小，寿命较长；

（3）结构简单、紧凑，其载荷被分配到数量众多的齿上，强度大；

（4）可获得多个传动比。

应用

行星齿轮系在各种机械中得到了广泛的应用，主要有以下几个方面：

图5.大传动比行星轮系

（1）实现大传动比的减速传动

右图所示的行星齿轮系中，若各轮的齿数分别为z1=100，z2=101，z2’=100，z3=99，则输入构件H对输出构件1的传动比 =100。可见，根据需要行星齿轮系可获得很大的传动比。

（2）实现结构紧凑的大功率传动

行星齿轮系可以采用几个均匀分布的行星轮同时传递运动和动力。这些行星轮因公转而产生的离心惯性力和齿廓间反作用力的径向分力可互相平衡，故主轴受力小，传递功率大。另外由于它采用内啮合齿轮，充分利用了传动的空间，且输入输出轴在一条直线上，所以整个轮系的空间尺寸要比相同条件下的普通定轴齿轮系小得多。这种轮系特别适合于飞行器。

图6.加法机构

（3）实现运动的合成

运动的合成是将两个输入运动合为一个输出运动。差动轮系的自由度等于2，当给定任意两个构件的确定运动后，另一构件的运动才能确定。利用差动轮系的这一特点可以实现运动的合成。

最简单的运动合成轮系如右图所示，行星架H的转速是轮1与轮3转速的合成。因此这种轮系可用作加法机构。当行星架H、太阳轮1或3为原动件时，该轮系又可用作减速机构。

差动轮系可进行运动合成的这种特性被广泛应用于机床、计算机构及补偿调整装置中。

图7.汽车后桥差速器

（4）实现运动的分解

差动轮系还可以将一个原动构件的转动分解为另外两个从动基本构件的不同转动。左图所示为汽车后桥差速器简图，图中构件5、4组成定轴轮系，轮4固连着行星架H，H上装有行星轮2和2’。齿轮1、2、2’、3及行星架H组成一差动轮系，它可将发动机传给齿轮5的运动分解为太阳轮1、3的不同运动。 [2]