重型汽車變速器潤滑系統(tǒng)熱平衡仿真與實(shí)驗(yàn)

阮登芳 劉 波 陳志約 張緒勇 張 勇

1.重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400030

2.綦江齒輪傳動有限公司，重慶，401421

重型汽車變速器潤滑系統(tǒng)熱平衡仿真與實(shí)驗(yàn)

阮登芳1劉 波1陳志約2張緒勇2張 勇2

1.重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400030

2.綦江齒輪傳動有限公司，重慶，401421

在分析重型汽車變速器內(nèi)元件的產(chǎn)熱量與傳熱過程的基礎(chǔ)上，建立了基于AMEsim軟件的某重型汽車變速器潤滑系統(tǒng)熱平衡仿真模型，完成了不同工況條件下潤滑系統(tǒng)的熱平衡仿真與直接擋空載條件下的試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：變速器在高速小負(fù)荷和高速大負(fù)荷工況下工作時(shí)，潤滑油液的平衡溫度均遠(yuǎn)低于變速器能正常工作的極限溫度；在1擋大負(fù)荷條件下運(yùn)行時(shí)，潤滑油液溫度上升較快，在約30min時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最高溫度；直接擋空載條件下潤滑油平衡溫度的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果較一致，相對誤差小于2%。

重型汽車；變速器；熱平衡；潤滑

0 引言

重型汽車變速器結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞載荷大，由于存在齒輪嚙合摩擦損失、各種軸承摩擦損失、齒輪攪油損失等，故工作中將產(chǎn)生較多的熱量，除少部分通過部件表面的對流和變速器箱體的導(dǎo)熱逸散外，大部分產(chǎn)熱量將被潤滑油吸收。如果潤滑系統(tǒng)散熱能力不足，不能及時(shí)地將熱量帶走，就會引起潤滑油的溫度升高。過高的溫度將使?jié)櫥偷酿ざ认陆担瑵櫥湍ず穸葴p小，甚至導(dǎo)致齒輪表面膠合破壞、軸承的燒傷咬死等。同時(shí)，潤滑油溫度過高也會引起變速器內(nèi)部元件溫度過高，使各零部件配合間隙減小，應(yīng)力急劇增大，從而損壞零件，或因零件溫升不均勻?qū)е聼釕?yīng)力過大而損壞零件。相反地，如果潤滑系統(tǒng)的散熱能力過強(qiáng)，潤滑油溫度過低，對變速器的工作性能也有不利的影響。因此，為了保證變速器在各種工況下都能正常工作，要求變速器潤滑油溫度保持在適宜的范圍內(nèi)。以往對車用變速器潤滑系統(tǒng)的傳熱分析主要采用熱網(wǎng)絡(luò)法［1－2］、有限元程序方法［3］及差分方法［4］，以上方法雖能較準(zhǔn)確預(yù)測變速器的溫度分布，但未考慮潤滑油流動對系統(tǒng)傳熱的影響。傳動潤滑系統(tǒng)潤滑油的流動與傳熱過程相互影響，緊密聯(lián)系，形成一個耦合系統(tǒng)。運(yùn)用AMEsim建立的潤滑系統(tǒng)模型能將變速器潤滑系統(tǒng)潤滑油的流動與傳熱過程進(jìn)行耦合分析，且其模塊化建模的特點(diǎn)能使分析過程方便快捷。本文以液壓系統(tǒng)分析軟件AMEsim為研究平臺，建立了某重型汽車變速器的潤滑系統(tǒng)熱平衡分析仿真模型，獲得了變速器潤滑油在不同工況下的溫度分布，并通過試驗(yàn)測試驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

1 變速器潤滑系統(tǒng)熱平衡仿真分析

重型汽車變速器一般采用斜齒輪和行星齒輪傳動系統(tǒng)，擋位多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要潤滑的部位多，常采用壓力潤滑與飛濺潤滑相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)對齒輪表面、軸承和同步器等運(yùn)動件的潤滑。圖1為某重型汽車16擋變速器潤滑系統(tǒng)簡圖。系統(tǒng)為獨(dú)立的閉式循環(huán)系統(tǒng)，來自機(jī)油泵的壓力油分兩路對各運(yùn)動副進(jìn)行潤滑，一路進(jìn)入潤滑油管，噴油潤滑主變速箱內(nèi)的部分齒輪、中間軸及輸出軸上的部分軸承；另一路則進(jìn)入主油道，壓力潤滑大部分軸承、行星排和同步器中的運(yùn)動件。變速器主要參數(shù)如下：匹配發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速分別為2110N·m和1400r／min，最大功率及轉(zhuǎn)速分別為338kW和1900r／min，潤滑油為SAE80W／90，工作時(shí)潤滑油溫度不超過120℃。

圖1 某重型汽車16擋變速器潤滑系統(tǒng)簡圖

1.1 系統(tǒng)的產(chǎn)熱量分析

系統(tǒng)的產(chǎn)熱量主要來自各運(yùn)動副的摩擦損失，包括齒輪嚙合損失、軸承摩擦損失和齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)中的攪油損失及風(fēng)阻損失。由于重型汽車車速較低，由齒輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動引起的齒面和箱體內(nèi)油氣混合物間的相互摩擦而產(chǎn)生的熱量較小，風(fēng)阻損失占系統(tǒng)總產(chǎn)熱量的比例較小［5］，故可忽略不計(jì)。

1.1.1 齒輪嚙合過程中的產(chǎn)熱量

1.1.2 軸承的產(chǎn)熱量

軸承的產(chǎn)熱來自于軸承在運(yùn)動過程中的摩擦功率損失，與摩擦轉(zhuǎn)矩和軸的轉(zhuǎn)速有關(guān)。工程計(jì)算中常用Palmgren公式［2］計(jì)算軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩，即

式中，M0為與軸承類型、轉(zhuǎn)速和潤滑方式有關(guān)的摩擦轉(zhuǎn)矩；M1為與軸承負(fù)荷有關(guān)的摩擦轉(zhuǎn)矩；dm為軸承平均直徑；f0為與軸承類型和潤滑方式有關(guān)的系數(shù)；n、ν分別為軸承轉(zhuǎn)速（r／min）和潤滑油的運(yùn)動黏度（mm2／s）；p1為確定軸承摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算負(fù)荷；f1為與軸承類型和負(fù)荷有關(guān)的系數(shù)。

1.1.3 齒輪的攪油產(chǎn)熱量

國內(nèi)外學(xué)者對齒輪攪油產(chǎn)熱量的估算已進(jìn)行了比較全面的研究［11－16］，其中，計(jì)算精度較高，適用范圍與重型車變速器相吻合的是由Seetharaman等［13］提出的公式。Seetharaman等將齒輪攪油損失分為由旋轉(zhuǎn)阻力矩所引起的功率損失和由齒輪嚙合處的泵吸效應(yīng)所引起的功率損失，即

假定摩擦功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱，則軸承的產(chǎn)熱量為

式中，Pdp、Pdf、Prf分別為旋轉(zhuǎn)過程中齒輪周面所引起的功率損失、齒輪側(cè)面所引起的功率損失和油液在齒廓中隨著齒輪一起旋轉(zhuǎn)引起的功率損失；ρ為潤滑油的密度；ω為齒輪的旋轉(zhuǎn)角速度；r0、rr、S分別為齒頂圓半徑、齒根圓半徑和齒頂圓面積；θ、z0分別為輪齒浸入油液部分所對應(yīng)的中心角和浸入油液中的輪齒數(shù)目；AC為齒廓面積；l1、l2為與速度相關(guān)的系數(shù)；Re為臨界雷諾數(shù)。

1.1.4 行星排產(chǎn)熱量

目前對行星排的產(chǎn)熱量計(jì)算尚無準(zhǔn)確的計(jì)算公式，一般通過傳動效率來估算，即

式中，Pp為行星排損失功率；Pt為行星排傳遞功率；η為行星排的傳動效率。

1.2 系統(tǒng)散熱及熱平衡分析

熱量的傳遞途徑主要有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種情況。齒輪箱溫度較低，故忽略箱體的熱輻射；由于箱體內(nèi)除去齒輪傳動件外空間較小，故可近似認(rèn)為箱體內(nèi)各零部件之間及與油氣混合物之間不存在熱對流，零部件與潤滑油液的溫度同步變化。各熱源的產(chǎn)熱量除少部分通過與箱體接觸部件以熱傳導(dǎo)方式傳遞到外界環(huán)境中外，大部分進(jìn)入到潤滑油中通過油液和箱體內(nèi)壁的對流換熱、箱體壁的熱傳導(dǎo)、箱體外壁與空氣的對流換熱方式傳遞到大氣中。根據(jù)牛頓冷卻公式可計(jì)算箱體表面的散熱量，即

式中，K為綜合傳熱系數(shù)；S′為散熱面積；t0、ta分別為油液溫度和外界環(huán)境溫度；ho為變速箱內(nèi)潤滑油與內(nèi)壁面的換熱系數(shù)；δ為箱體的平均壁厚；λ為箱體材料的導(dǎo)熱系數(shù)；ha為箱體外壁與空氣的對流換熱系數(shù)。

ho、ha分別由以下公式計(jì)算［1］：

式中，Reo為油液流動雷諾數(shù)，計(jì)算時(shí)速度取大齒輪分度圓切線速度；Rea為箱體周圍空氣流動雷諾數(shù)；Pro、Pra分別為油液和空氣的普朗特?cái)?shù)；λo、λa分別為油液和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；lo、la分別為箱體內(nèi)外壁的特征尺寸。

假定與箱體接觸物體的表面溫度在整個熱交換過程中保持不變，且存在連續(xù)的箱體內(nèi)部熱生成率，則與箱體壁面相接觸的元件的傳導(dǎo)傳熱量可由以下公式［17］計(jì)算：

式中，A為元件與箱體壁相接觸的表面積；qs為熱生成率；α為導(dǎo)溫系數(shù)。

變速器在某一工況下運(yùn)行一段時(shí)間后，其內(nèi)部熱源的產(chǎn)熱量與箱體的散熱量將達(dá)到平衡，其熱平衡方程為［17］

式中，Q為系統(tǒng)的總產(chǎn)熱量；Qocm為潤滑油和箱體內(nèi)零部件所吸收的熱量，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)其值為零。

1.3 潤滑系統(tǒng)熱平衡仿真

變速器潤滑系統(tǒng)熱平衡仿真采用AMEsim液壓仿真軟件。該軟件采用面向?qū)ο蟮某绦蚓幾g手段，將計(jì)算源代碼封裝在各個模塊中，建模時(shí)根據(jù)實(shí)際需要調(diào)用不同的子模塊，并將各模塊連接成為完整的草圖。草圖繪制過程中需要遵循因果關(guān)系原則，即容性元件與阻性元件相互鑲嵌連接，其中容性元件指容積腔和直管等，阻性元件指以局部壓力損失為主的部件。然后按變速箱潤滑系統(tǒng)元件的實(shí)際尺寸、油液特性等輸入各模塊所需參數(shù)及編輯相應(yīng)的產(chǎn)熱量計(jì)算公式，最終完成的變速器潤滑系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。其中，系統(tǒng)產(chǎn)熱量采用信號控制元件輸入，箱體與外界的換熱量通過油箱模型輸入。

圖2 變速器潤滑系統(tǒng)熱平衡仿真模型

2 仿真結(jié)果與分析

計(jì)算工況為以下三種典型工況：低速大負(fù)荷、高速小負(fù)荷和高速大負(fù)荷（接近最大功率點(diǎn)）。另外，為了采用試驗(yàn)方法驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，計(jì)算了直接擋空載條件下潤滑油的溫度變化及平衡溫度。低速大負(fù)荷工況下變速器在1擋工作，變速器輸入軸轉(zhuǎn)矩為2210N·m，轉(zhuǎn)速為1400 r／min；高速小負(fù)荷工況下變速器在15擋工作，變速器輸入軸轉(zhuǎn)矩為1200N·m，轉(zhuǎn)速為1800r／min；高速大負(fù)荷工況下變速器在15擋工作，變速器輸入軸轉(zhuǎn)矩為1600N·m，轉(zhuǎn)速為1800r／min；在直接擋時(shí)變速器輸入軸轉(zhuǎn)速為2000r／min，無外加載荷。計(jì)算初始溫度為25℃。

圖3所示為變速器在低速大負(fù)荷條件下工作時(shí)潤滑油溫度隨時(shí)間變化的曲線。從圖3中可以看出，變速器潤滑油溫度隨時(shí)間的增加而上升，在約1800s（30min）時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最高溫度120℃，但此時(shí)潤滑油溫度仍未達(dá)到平衡。根據(jù)該變速器的實(shí)際工作情況，在1擋大負(fù)荷情況下工作時(shí)間短，一般不超過10min，工作機(jī)會也少，因此不會出現(xiàn)因潤滑油工作溫度過高而影響變速器正常工作的情況。

圖3 低速大負(fù)荷工況下潤滑油溫度隨時(shí)間的變化曲線

圖4所示為變速器在高速小負(fù)荷條件下工作時(shí)潤滑油溫度隨時(shí)間變化的曲線。經(jīng)過大約8000s后潤滑油溫度達(dá)到平衡，平衡溫度為70℃，遠(yuǎn)低于變速器的正常工作最高溫度。

圖4 高速小負(fù)荷工況下潤滑油溫度隨時(shí)間的變化曲線

圖5所示為變速器在高速大負(fù)荷工況下工作時(shí)潤滑油的溫度變化情況。從圖5中可以看出，潤滑油溫度在大約8500s后達(dá)到平衡，平衡溫度為84℃，仍遠(yuǎn)低于變速器的正常工作最高溫度。

圖5 高速大負(fù)荷工況下潤滑油溫度隨時(shí)間的變化曲線

圖6所示為變速器在直接擋空載條件下工作時(shí)潤滑油溫度的變化情況。從圖6中可以看出，大約在經(jīng)過14 400s（約4h）以后，潤滑油的工作溫度達(dá)到平衡，為107℃。

圖6 直接擋空載工況下潤滑油溫度隨時(shí)間的變化曲線

3 仿真結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，利用變速器專用試驗(yàn)臺進(jìn)行了直接擋空載條件下的潤滑系統(tǒng)熱平衡測試。試驗(yàn)臺主要實(shí)驗(yàn)儀器包括變頻電機(jī)、離合器、轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、潤滑油溫度傳感器及計(jì)算機(jī)測試控制系統(tǒng)等，如圖7所示。

圖7 變速器熱平衡測試試驗(yàn)臺

測量時(shí)，將變速器水平安裝于試驗(yàn)臺上，加入SAE80W／90潤滑油到正常加油量，一軸輸入轉(zhuǎn)速為2000r／min，無負(fù)載輸出，室內(nèi)溫度約25℃。經(jīng)過約4h的運(yùn)轉(zhuǎn)，潤滑油溫度在109℃時(shí)達(dá)到平衡，測量結(jié)果與仿真結(jié)果如圖8所示。從圖8中可知，實(shí)驗(yàn)測得的潤滑油平衡溫度與仿真結(jié)果接近，相對誤差小于2%；實(shí)驗(yàn)曲線在初始階段隨時(shí)間上升較快，隨后變化平緩。其原因是仿真計(jì)算中假設(shè)了零部件的溫度與潤滑油的溫度同步變化，實(shí)際上除產(chǎn)熱部件以外，大部分零件的溫度在初始階段均低于潤滑油的溫度，因此，在相同產(chǎn)熱量條件下，仿真計(jì)算結(jié)果小于實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，隨著時(shí)間的增加，變速器零部件的溫度逐漸上升到接近于潤滑油的溫度，從而使仿真結(jié)果逐漸靠近實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。

圖8 直接擋空載工況下潤滑油溫度實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與仿真結(jié)果比較

4 結(jié)論

（1）變速器在高速小負(fù)荷和高速大負(fù)荷工況下工作時(shí)，潤滑油的平衡溫度分別為70℃和84℃，均在變速器的正常工作溫度范圍內(nèi)。

（2）變速器在1擋大負(fù)荷條件下運(yùn)行時(shí)，潤滑油溫度上升較快，在約30min時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最高溫度120℃，因此，變速器不宜長時(shí)間在1擋大負(fù)荷條件下工作，否則需采取相應(yīng)的冷卻措施，如在變速器外部加裝冷卻風(fēng)扇、肋化箱體表面等，以確保潤滑油溫在適宜的范圍內(nèi)。

（3）直接擋空載條件下潤滑油平衡溫度的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與仿真結(jié)果較一致，相對誤差小于2%，表明利用AMEsim軟件研究變速器潤滑系統(tǒng)的熱平衡問題是可行的，建模過程中對變速器內(nèi)部元件的產(chǎn)熱量估算及傳熱分析是合理的。

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Simulation and Experiment on Heat Balance Process in Lubrication System of a Heavy－duty Automobile Transmission

Ruan Dengfang1Liu Bo1Chen Zhiyue2Zhang Xuyong2Zhang Yong2
1.The State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing，400030
2.Qijiang Gear Company，Chongqing，401421

On the basis of analyses on the power losses and the heat transfer in lubrication system of a heavy－duty automobile transmission，a heat balance simulation model for the lubrication system was established with the software AMEsim and then the simulations were completed under several operation conditions.In order to verify the simulation model，an experiment was conducted at no－load and in direct drive.The results show that the balance temperature at high－speed and light－load or high－speed and high－load is much lower than the highest temperature at which the transmission can operate normally；the temperature of the lubricating oil goes up very quickly and reaches the limiting value in about 30minutes at high load and in first gear；the simulation results of the balance temperature are coincide well with the experimental ones at no－load and in direct drive，and the relative error is less than 2%.

heavy－duty automobile；transmission；heat balance；lubrication

U463

1004—132X（2011）10—1242—05

2010—07—19

重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（2008AB6096，2008AA6024）

（編輯 袁興玲）

阮登芳，女，1963年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授、博士。主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒、排放及其噪聲控制。發(fā)表論文30余篇。劉 波，男，1984年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。陳志約，男，1970年生。綦江齒輪傳動有限公司產(chǎn)品開發(fā)部高級工程師。張緒勇，男，1968年生。綦江齒輪傳動有限公司產(chǎn)品開發(fā)部高級工程師。張 勇，男，1980年生。綦江齒輪傳動有限公司產(chǎn)品開發(fā)部工程師。