由此可见，行星轮系可获得的传动比之大。一般地说，在传递功率与传动比相同的情况下，行星轮系减速器的体积是定轴轮系减速器的15%～60%，重量是定轴轮子减速器的20%～50%。故齿轮1、2、2′、3和齿轮4组成差动轮系。差动轮系可实现运动分解的特性，在汽车、拖拉机及机床传动中得到广泛应用。......
2023-06-25
简述轮系及其应用
【摘要】：而仅由一对齿轮组成的齿轮机构则可认为是最简单的轮系。4）实现换向传动图6-82变速传动图6-83二级行星轮系变速器在主动轴转向不变的条件下，利用轮系可改变从动轴的转向。齿轮1、2、3及行星架H组成一差动轮系。图6-86汽车后桥上的差动轮系在该差动轮系中，z1＝z3，n H＝n4，因此因该轮系有两个自由度，若仅由发动机输入一个运动时，将无确定解。
1.轮系及其分类
在实际机械中，为了满足不同的工作需要，仅用一对齿轮组成的齿轮机构往往是不够的。例如，在机床中，为了使主轴获得多级转速；在钟表中为了使时针、分针和秒针的转速具有一定的比例关系；在汽车后轮的传动中，为了根据汽车转弯半径的不同，使两个后轮获得不同的转速，等等，就都需要由一系列齿轮所组成的齿轮机构来传动。这种由一系列的齿轮所组成的齿轮传动系统称为齿轮系，简称轮系。而仅由一对齿轮组成的齿轮机构则可认为是最简单的轮系。
图6-76 定轴轮系
通常根据轮系运转时，其各个齿轮的轴线相对于机架的位置是否都是固定的，而将轮系分为三大类。
1）定轴轮系
如果在轮系运转时，其各个齿轮的轴线相对于机架的位置都是固定的，这种轮系就称为定轴轮系（或普通轮系），如图6-76所示。
2）周转轮系
如果在轮系运转时，其中至少有一个齿轮轴线的位置并不固定，而是绕着其他齿轮的固定轴线回转，则这种轮系称为周转轮系，如图6-77所示。在此轮系中，齿轮1和内齿轮3都是绕着固定轴线OO回转的，称为太阳轮。齿轮2用回转副与构件H相连，而构件H是绕固定轴线OO回转的。所以当轮系运转时，齿轮2一方面绕着自己的轴线O1O1做自转，另一方面又随着构件H一起绕着固定轴线OO做公转，就像行星的运动一样，故称齿轮2为行星轮。而装有行星轮的构件H称为行星架（转臂或系杆）。在周转轮系中，一般都以太阳轮和行星架作为运动的输入与输出构件，故又称它们为周转轮系的基本构件。基本构件都围绕着同一固定轴线回转。
由上所述可见，一个周转轮系必有一个行星架、铰接在行星架上的若干个行星轮和与行星轮相啮合的太阳轮。
周转轮系还可根据其自由度的数目，做进一步的划分。若自由度为2［图6-77（a）］，则称其为差动轮系，为了确定差动轮系的运动，需要给定轮系两个独立的运动规律；若自由度为1［图6-77（b），其中太阳轮3为固定轮］，则称其为行星轮系，为了确定行星轮系的运动，只需给定轮系一个独立的运动规律就可以了。
此外，周转轮系还常根据其基本构件的不同来加以划分。设轮系中的太阳轮以K表示，行星架以H表示，则图6-77所示轮系称为2K-H型周转轮系，图6-78所示轮系称为3K型周转轮系，因其基本构件是三个太阳轮1、3及4，而行星架H只起支持行星轮2和2′的作用。在实际机械中采用最多的是2K-H型周转轮系。
图6-77 周转轮系
（a）差动轮系；（b）行星轮系
图6-78 3K型周转轮系
3）复合轮系
在实际机械中所用的轮系，往往既包含定轴轮系部分，又包含周转轮系部分［图6-79（a）］，或者是由几部分周转轮系组成的［图6-79（b）］，这种轮系称为复合轮系。
图6-79 复合轮系
（a）定轴轮系和周转轮系的组合；（b）两个周转轮系的组合
2.轮系的功用
在各种机械中轮系的应用十分广泛，其功用大致可以归纳为以下几个方面：
1）实现分路传动
利用轮系可以使一个主动轴带动若干个从动轴同时旋转。例如，图6-80所示为某航空发动机附件传动系统的运动示意图，它通过轮系把发动机主轴的运动分成六路传出，带动各附件同时工作。
2）获得较大的传动比
当两轴之间需要较大的传动比时，若仅用一对齿轮传动，必将使两轮的尺寸相差悬殊，外廓尺寸庞大，如图6-81中虚线所示，所以一对齿轮的传动比一般不大于8。当需要较大的传动比时，就应采用轮系来实现，如图6-81中实线所示。特别是采用周转轮系，可用很少的齿轮，紧凑的结构，得到很大的传动比。
图6-80 某航空发动机附件传动系统的运动示意图
图6-81 获得较大的传动比
3）实现变速传动
在主动轴转速不变的条件下，利用轮系可使从动轴得到若干种转速，这种传动称为变速传动。如图6-82所示，齿轮1′及2′固定在主动轴I上，而齿轮1、2为一整体（称为双联齿轮），与从动轴Ⅱ用导向键相连，可在轴Ⅱ上滑动，当分别使齿轮1与1′或2与2′啮合时，轴Ⅱ可得到两种不同的传动比。
变速传动也可以利用周转轮系来实现，图6-83所示为二级行星轮系变速器，其工作原理是分别固定不同的太阳轮3或6而得到不同的传动比。与定轴轮系变速器比较，此种变速器虽较复杂，但操纵方便，可在运动中变速，有过载保护作用，过载时摩擦制动器打滑。目前在小轿车、工程机械等中应用较普遍。
4）实现换向传动
图6-82 变速传动
图6-83 二级行星轮系变速器
在主动轴转向不变的条件下，利用轮系可改变从动轴的转向。图6-84所示为车床上走刀丝杠的三星轮换向机构。齿轮2、3铰接在刚性构件a上，构件a可绕轮4的轴线回转。在图6-84（a）所示位置时，主动轮1的运动经中间轮2及3传给从动轮4，从动轮4与主动轮1的转向相反；如转动构件a处于图6-84（b）所示的位置时，则齿轮2不参与传动，这时主动轮的运动只经过中间轮3而传给从动轮4，故从动轮4与主动轮1的转向相同。
5）用作运动的合成
因差动轮系有两个自由度，所以必须给定三个基本构件中任意两个的运动后，第三个基本构件的运动才能确定。这就是说，第三个基本构件的运动为另两个基本构件的运动的合成。如图6-85所示，差动轮系就常用作运动的合成，在该轮系中z1＝z3，故
图6-84 车床上走刀丝杠的三星轮换向机构
（a）从动轮4与主动轮1的转向相反；（b）从动轮4与主动轮1的转向相同
或
上式说明，行星架的转速是轮1、3转速的合成，故此种轮系可用作和差运算。差动轮系可作运动合成的这种性能，在机床、计算机、补偿调节装置等得到了广泛的应用。
图6-85 差动轮系
6）用作运动的分解
差动轮系不仅能做运动的合成，还可做运动的分解，即将一个主动转动按可变的比例分解为两个从动转动。现以汽车后桥上的差速器为例来说明。
如图6-86所示，发动机通过传动轴驱动齿轮5，齿轮4上固连着行星架H，其上装有行星轮2。齿轮1、2、3及行星架H组成一差动轮系。
图6-86 汽车后桥上的差动轮系
在该差动轮系中，z1＝z3，n H＝n4，因此
因该轮系有两个自由度，若仅由发动机输入一个运动时，将无确定解。
如设车轮和地面不打滑，当汽车沿直线行驶时，其两后轮的转速应相等（n1＝n3）；而当汽车转弯时，由于两后轮所走的路径不相等，则两后轮的转速应不相等（n1≠n3）。在汽车后桥上采用差动轮系的目的，就是当汽车以不同状态行驶时，两后轮能自动改变转速，以减小轮胎和地面之间的滑动。
今设汽车在向左转弯行驶，汽车的两前轮在转向机构（图6-87所示的梯形机构ABCD）的作用下，其轴线与汽车两后轮的轴线汇交于点P，这时整个汽车可看作是绕着点P回转。在不打滑的条件下，两后轮的转速应与弯道半径成正比，即
式中 r——弯道平均半径；
L——后轮距之半。
这是一个附加约束条件，使两后轮有确定运动，联解式（a）和式（b）就可求得两后轮的转速。
7）在尺寸及质量较小的条件下实现大功率传动
在机械制造业中，特别是在飞行器中，日益期望在尺寸小、质量轻的条件下实现大功率传动，这种要求采用周转轮系可以较好地得到满足。
图6-87 汽车转向机构
首先用作动力传动的周转轮系都采用具有多个行星轮的结构（图6-88），各行星轮均匀地分布在太阳轮的四周。这样既可用几个行星轮来共同分担载荷，以减小齿轮尺寸；同时又可使各个啮合处的径向分力和行星轮公转所产生的离心惯性力各自得以平衡，以减小主轴承内的作用力，增加运转的平稳性。
此外，在动力传动用的行星减速器中，几乎都有内啮合，这样就提高了空间的利用率。兼之其输入轴和输出轴在同一轴线上，径向尺寸非常紧凑，这对于飞行器特别重要，故在航空发动机的主减速器中，获得了普遍的采用。图6-89所示为某涡轮螺旋桨发动机主减速器的传动简图，其右部是差动轮系，左部是定轴轮系，整个为一个自由度的封闭式行星轮系。它有4个行星轮2，6个中介轮2′（图中均只画了一个）。动力自太阳轮1输入后，分两路从行星架H和内齿轮3输往左部，最后汇合到一起输往螺旋桨。由于采用多个行星轮，加上动力分路传递（所谓功率分流），所以在较小的外廓尺寸下（径向外廓尺寸约为ϕ430 mm），传递功率达2 850 kW。整个轮系的减速比i1H＝11.45。
目前，我国已制定有行星减速器的标准系列。
图6-88 多个行星轮的结构
图6-89 某涡轮螺旋桨发动机主减速器的传动简图
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