客車機(jī)械式變速器潤(rùn)滑及溫升測(cè)試系統(tǒng)研究

葉 明，李 思，楊周倫

(重慶理工大學(xué) a.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.車輛工程學(xué)院， 重慶 400054)

變速器是車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)車輛工作性能有較大的影響。變速器性能不僅取決于其結(jié)構(gòu)形式，與其發(fā)熱、潤(rùn)滑及散熱參數(shù)也有密切關(guān)系[1]。潤(rùn)滑是利用潤(rùn)滑油減少摩擦副之間的摩擦和降低溫度，減輕表面破壞的措施[2]。合理地選擇和設(shè)計(jì)整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)可有效降低潤(rùn)滑系摩擦阻力，減少表面磨損和維持油溫，使變速器具有良好的潤(rùn)滑狀況和工作性能，進(jìn)而保證變速器高效運(yùn)轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)其使用壽命。

在高溫環(huán)境下，潤(rùn)滑油的黏度減小，潤(rùn)滑油膜容易破裂，摩擦增大，容易造成齒輪和軸承的膠合失效。高溫還會(huì)引起齒輪和軸的熱應(yīng)力變形，從而影響整個(gè)變速器傳遞的可靠性及運(yùn)行效率。而潤(rùn)滑油工作溫度過低對(duì)變速器工作性能有不利影響，因此有必要對(duì)整個(gè)變速器進(jìn)行潤(rùn)滑及熱平衡分析[3]?，F(xiàn)階段有效的方法包括建模分析方法和試驗(yàn)分析方法。

變速器實(shí)際運(yùn)行過程中的潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)一直是較難解決的問題。對(duì)于如何解決變速器在使用過程中存在的潤(rùn)滑問題，開展試驗(yàn)研究是一種有效的方法[3]。目前國(guó)外已有變速器潤(rùn)滑測(cè)試試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，包括SMT及日本某些公司也已出臺(tái)相關(guān)的試驗(yàn)臺(tái)架及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)自2010年開始頒布變速器溫升及潤(rùn)滑試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

本文依照相關(guān)試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合廠家對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)的具體需求，設(shè)計(jì)了溫升及潤(rùn)滑測(cè)試系統(tǒng)，完成了試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)控軟、硬件的設(shè)計(jì)與開發(fā)，并以一款變速器為對(duì)象展開試驗(yàn)，驗(yàn)證其測(cè)控系統(tǒng)功能。

1 變速器潤(rùn)滑及熱平衡分析

車用變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)傳熱分析方法主要有熱網(wǎng)絡(luò)法、有限元程序方法及差分方法等，本文利用熱網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行潤(rùn)滑及熱平衡分析。在建模仿真過程中，變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)被劃分為多個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)能量守恒原理有平衡方程：

Qin=ΔQ+Qout

(1)

即每個(gè)物體輸入熱量等于內(nèi)能增量和物體導(dǎo)出的熱量之和。對(duì)劃分的每個(gè)節(jié)點(diǎn)做熱平衡方程，對(duì)于節(jié)點(diǎn)i有：

(2)

根據(jù)分割的節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)的平衡方程可以用矩陣來表示，即：

(3)

式中：Rn×n為關(guān)于熱阻的系數(shù)矩陣；T為節(jié)點(diǎn)溫度向量，T=(T1,T2,…,TN)T；Q為熱源向量，Q=(Q1,Q2，…,Qn)T,n為節(jié)點(diǎn)數(shù)。式(4)為節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)溫度平衡方程，對(duì)其求解可得到工作系統(tǒng)的瞬態(tài)溫度隨時(shí)間的響應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)趨于工作穩(wěn)定時(shí)，各節(jié)點(diǎn)的內(nèi)能為零，有ΔT=0，因此系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度平衡方程應(yīng)為

(4)

根據(jù)穩(wěn)態(tài)溫度平衡方程可求得系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度，即潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)良好的情況下，變速器在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)達(dá)到溫度平衡。如圖1所示，進(jìn)行熱平衡分析并繪制熱網(wǎng)格在水平工況高速無負(fù)荷狀態(tài)下的仿真圖，仿真結(jié)果證明潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，最終達(dá)到溫度平衡。

圖1 高速小負(fù)荷工況下潤(rùn)滑油溫度趨勢(shì)

圖2所示為變速器在正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況下時(shí)潤(rùn)滑油的工作原理。

圖2 水平工況變速器潤(rùn)滑油工作原理

變速器實(shí)際工作情況較為復(fù)雜，變速器處于爬坡、下坡或做前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油受力作用大，大部分的油面處于直徑較大的齒輪部位，油面形成假平衡狀態(tài)。當(dāng)變速器向左右方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油會(huì)隨著偏轉(zhuǎn)而浸到油面齒輪的旋轉(zhuǎn)方向。車輛在實(shí)際運(yùn)行工況中會(huì)出現(xiàn)爬坡時(shí)高速擋齒輪空轉(zhuǎn)、下坡時(shí)低速擋齒輪空轉(zhuǎn)的問題，如圖3、4所示。

圖3 爬坡時(shí)變速器內(nèi)潤(rùn)滑油狀況

圖4 下坡時(shí)變速器內(nèi)潤(rùn)滑油狀況

由于以上問題的存在，很難分析不同行駛工況下變速器潤(rùn)滑油的工作狀態(tài)，這使得設(shè)計(jì)潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)變得較為困難，難以通過軟件進(jìn)行潤(rùn)滑建模及熱平衡仿真，并使得仿真結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果存在較大出入。因此，需要進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M變速器的各種工作工況，測(cè)量關(guān)鍵部位的溫度，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析各部位的潤(rùn)滑狀況，從而進(jìn)一步改進(jìn)和完善變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為保證變速器在各種道路工況下運(yùn)行良好，需要針對(duì)不同工況對(duì)變速器的油溫及潤(rùn)滑性能進(jìn)行一系列的試驗(yàn)，驗(yàn)證潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理[4-11]。

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括四大部分：傾角控制平臺(tái)系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和試驗(yàn)管理系統(tǒng)[12]。為減小強(qiáng)電對(duì)弱電的干擾，便于試驗(yàn)臺(tái)各部件的合理布局，采用分體獨(dú)立式布局結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)系統(tǒng)整體布局結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)整體布局結(jié)構(gòu)

3 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)整套測(cè)控系統(tǒng)硬件包括上位機(jī)系統(tǒng)及下位機(jī)系統(tǒng)。上位機(jī)系統(tǒng)以工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)(IPC)為控制平臺(tái)，利用計(jì)算機(jī)良好的擴(kuò)展能力。下位機(jī)系統(tǒng)采用可編程的控制器(PLC)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)及變頻器、電機(jī)的控制，并為整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)提供狀態(tài)監(jiān)控與報(bào)警功能等。圖6為測(cè)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)架。測(cè)控系統(tǒng)選擇西門子推出的S7-200 SMART PLC作為試驗(yàn)臺(tái)下位機(jī)；試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)選用QABP180M2A；驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用ABB-QABP(變頻調(diào)速電機(jī))180系列變頻電機(jī)；傾角傳感器選用BWM426；編碼器選用倍加福編碼器RHI58；溫度信號(hào)的采集選用 Pt100型電阻溫度傳感器；測(cè)控系統(tǒng)選用SINAMICS V90伺服驅(qū)動(dòng)與SIMOTICS S-1FL6伺服電機(jī)配套形成的伺服系統(tǒng)；選用IBM40滾珠絲桿電動(dòng)缸；測(cè)控系統(tǒng)上位機(jī)硬件選用研華IPC-610L工控機(jī)。

圖6 測(cè)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)架

3.2 測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)系統(tǒng)在試驗(yàn)過程中需要通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析與輸出及備份。試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)控軟件以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)。為使上位機(jī)LabVIEW程序?qū)LC實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，采用西門子S7-200 PC-ACCESS OPC軟件實(shí)現(xiàn)PLC程序中控制節(jié)點(diǎn)的綁定。 測(cè)控系統(tǒng)的控制流程如圖7所示。測(cè)控系統(tǒng)功能模塊如圖8所示。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)的流程

圖8 測(cè)控系統(tǒng)功能模塊

4 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的變速器潤(rùn)滑及溫升測(cè)試系統(tǒng)是否滿足要求，選用廠商提供的型號(hào)為5S600的商用車變速器進(jìn)行測(cè)試。選取多個(gè)工況，測(cè)試結(jié)果以EXCEL報(bào)表形式呈現(xiàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可自動(dòng)存儲(chǔ)在報(bào)表中。

本試驗(yàn)臺(tái)可測(cè)6個(gè)潤(rùn)滑油溫度平衡點(diǎn)，且均為高速無負(fù)荷試驗(yàn)，能按照需求設(shè)置試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。圖10是水平路面正常油位情況，變速器設(shè)置為前進(jìn)擋的第5檔，傳動(dòng)比為1，輸入轉(zhuǎn)速為2 800 r/min。實(shí)際輸入與輸出轉(zhuǎn)速有微小的偏差，但在試驗(yàn)允許偏差范圍之內(nèi)。試驗(yàn)過程中，變速器的內(nèi)部溫度情況由測(cè)點(diǎn)1表示，試驗(yàn)時(shí)的室內(nèi)溫度由測(cè)點(diǎn)6表示。試驗(yàn)耗時(shí)3 h 54 min，油溫穩(wěn)定在98.3 ℃。試驗(yàn)中變速器的油溫溫差穩(wěn)定在10 min內(nèi)小于1 ℃時(shí)，表示變速器的油溫達(dá)到平衡。然后分別進(jìn)行商用變速器5S600在上坡35%、下坡35%路面上的溫升試驗(yàn)。溫升試驗(yàn)結(jié)果顯示：在下坡坡度35%正常油位，設(shè)置變速器在前進(jìn)擋第5擋，傳動(dòng)比設(shè)置為1,轉(zhuǎn)速設(shè)置在2 600 r/min；試驗(yàn)耗時(shí)3 h 50 min，變速器油溫穩(wěn)定在106.26 ℃。同樣，商用變速器5S600在上坡坡度35%路面，商用變速器正常油位，試驗(yàn)設(shè)置擋位、傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)速與下坡時(shí)一致。結(jié)果顯示試驗(yàn)耗時(shí)3 h 3 min后油溫趨于穩(wěn)定。

根據(jù)QC/T 29063.3與QC/T 29063.4，試驗(yàn)過程中變速器總成最高穩(wěn)定油溫與環(huán)境空氣溫度相差應(yīng)在100 ℃以內(nèi)，且溫度-時(shí)間曲線應(yīng)平滑而沒有較大波折，變速器總成臺(tái)架試驗(yàn)的油溫極限值為130 ℃，試驗(yàn)環(huán)境溫度應(yīng)在35℃之內(nèi)。

在該溫升與潤(rùn)滑試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)過程中，以每10 min間隔內(nèi)的溫差是否小于1 ℃為標(biāo)準(zhǔn)來衡量溫度是否達(dá)到熱平衡。潤(rùn)滑油油溫10 min間隔的溫差小于1 ℃時(shí)視為溫度平衡，試驗(yàn)結(jié)束。

本次坡度試驗(yàn)中，測(cè)試結(jié)果顯示被測(cè)的變速器在3種工況下的油溫均保持平衡，其熱平衡溫度保持穩(wěn)定，溫升及潤(rùn)滑性能合格，但是平衡溫度均較高，這是由于變速器有一對(duì)錐齒輪，改變了變速器的輸出方向。

圖9 5S600上坡35%路面測(cè)控系統(tǒng)主界面

圖10 5S600水平路面變速器油溫趨勢(shì)

圖11 5S600下坡35%路面變速器油溫趨勢(shì)

圖12 5S600上坡35%路面變速器油溫趨勢(shì)

通過對(duì)圖10～12的分析可知：變速器在水平路面油溫較低，在上坡及下坡路面潤(rùn)滑油溫度較高，這一結(jié)果表示的溫度變化符合變速器潤(rùn)滑油的變化規(guī)律。從圖11～12中可以看出：試驗(yàn)臺(tái)正在進(jìn)行5S600上坡35%路面變速器溫升試驗(yàn)，設(shè)置試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為2 600 r/min，X軸方向坡度為35%，Y軸方向坡度為0%，試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)軟件控制試驗(yàn)臺(tái)在X軸方向坡度為35.1%，Y軸方向坡度為-0.1%，轉(zhuǎn)速為2 600.8 r/min，測(cè)控系統(tǒng)軟件符合設(shè)計(jì)之初提出的控制與測(cè)試要求。

5 結(jié)束語

本文利用熱網(wǎng)絡(luò)法，通過構(gòu)建變速器的熱網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)整個(gè)變速器的溫度分布。結(jié)合廠家對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的具體需求，設(shè)計(jì)了溫升及潤(rùn)滑測(cè)試系統(tǒng)，完成了對(duì)系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計(jì)與開發(fā)，并以一款變速器為對(duì)象展開試驗(yàn)，驗(yàn)證了測(cè)控系統(tǒng)功能。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：被測(cè)的變速器在上坡、下坡和水平路面時(shí)油溫均保持平衡，其熱平衡溫度保持了穩(wěn)定，溫升及潤(rùn)滑性能合格，但是平衡溫度均較高。這是由于變速器有一對(duì)錐齒輪，改變了變速器的輸出方向。該系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)、控制試驗(yàn)過程，且具備顯示、存儲(chǔ)與打印的功能。試驗(yàn)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)易流暢，且測(cè)控系統(tǒng)安裝有集散控制接口，方便升級(jí)換代，能滿足企業(yè)提出的測(cè)控要求。

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