近日，中国地质大学（武汉）beat365官方网站杨文剑教授团队在《机械工程学报》发表了题为“基于连杆运动链转化的行星轮系拓扑综合及构型设计”的论文。建立了多达9杆的1～3自由度行星轮系分类数据库，开发了系统的自动变速器机构创新设计方法，研发出了新型6挡自动变速器机构。
由于具有紧促、大范围变速、差速驱动、传动效率高等优点，行星轮系广泛用于各种机械传动系统，如车辆变速器、风力发电机等。行星轮系的拓扑构型对于机械传动系统的性能至关重要。拓扑综合能够获得所有可行的行星轮系拓扑构型，研究行星轮系的拓扑综合是设计具有优异性能的新型机械传动系统的重要基础。
不同于现有方法，该研究另辟蹊径，提出一种转化法实现行星轮系的拓扑综合，将已有的平面连杆运动链拓扑图直接转化得到行星轮系拓扑图。所提出的行星轮系拓扑综合方法具有以下优点：第一，综合方法简单，不涉及复杂的运算；第二，综合过程中仅产生极少数同构的行星轮系，仅需要判别由同一个运动链拓扑图转化得到的行星轮系拓扑图是否同构，显著提高了综合效率；第三，综合得到的行星轮系不含任何刚性子链，无需进行刚性子链判别。
图1 克莱斯勒公司生产的6挡自动变速器45RFE及其机构简图
定义了转化点和转化单元的概念，从图库中筛选出了满足规则的连杆运动链拓扑图，根据所研究的转化原则将其直接转化得到行星轮系拓扑图。开发了行星轮系拓扑综合软件，自动综合得到了多达9杆的1至3自由度的行星轮系，并建立了行星轮系分类数据库。
图2 行星轮系拓扑图自动综合软件
确定了满足自动变速器设计约束的行星轮系，根据杠杆法研究了行星轮系功能图中换挡控制元件(离合器和制动器)的排布方式，开发了系统的自动变速器机构创新设计方法，研发出了新型6挡自动变速器机构，并开展了运动分析、传动效率分析及仿真。
图3 新型6挡自动变速器机构及其三维模型
图4 自动变速器机构处于各挡位时的构件转速曲线
平面连杆机构与行星轮系在结构特点、运动方式、所能实现的功能等各个方面都差别极大。因此，在过去的几十年，平面连杆机构与行星轮系的构型综合属于机构学领域中两个独立的研究方向。该研究提出一种转化法，使得已极为成熟的平面连杆运动链拓扑综合理论能够应用于行星轮系的拓扑综合，将极大地促进行星轮系拓扑综合理论的发展。此外，研发出的新型6挡自动变速器机构对于规避国外已有变速器专利的垄断，促进具有自主知识产权且性能优异的汽车变速器的研发具有重要意义。
论文第一作者为中国地质大学（武汉）beat365官方网站杨文剑教授，通讯作者为中国地质大学（武汉）beat365官方网站甘金强副教授，研究得到了国家自然科学基金(52205036, 52175035)、广东省基础与应用基础研究基金(2023A1515011522)资助。
论文引用：杨文剑, 李永涛, 甘金强, 丁华锋, 基于连杆运动链转化的行星轮系拓扑综合及构型设计. 机械工程学报, 2025, 61 (11): 86-105.
