匯流行星排包箱溫度特性試驗研究

張金石，王立勇，唐長亮，陳 濤

（北京信息科技大學現(xiàn)代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

匯流行星排是綜合傳動裝置的關鍵部件，運行工況惡劣、故障頻發(fā)，嚴重制約傳動裝置的使用壽命和可靠性。通常情況下，匯流行星排在失效之前并無明顯前兆。由于是轉向功能的匯流裝置，當發(fā)生嚴重故障時會造成車輛無法轉向或轉向失靈，這在車輛的使用過程中非常危險。

匯流行星排包箱中有很多相對滑動的金屬接觸面，如匯流排齒輪、軸承等?；ハ嘟佑|的金屬在相對滑動時會產生摩擦熱，而影響機械零件的性能和壽命。此外摩擦熱量的不斷產生，會使包箱內溫度不斷升高，當達到某個臨界值時會加劇潤滑油的變化，當潤滑系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重問題時，會導致匯流行星排包箱內齒輪燒毀等不可控的嚴重后果。通過控制轉速和負載功率運行參數(shù)以及改變油品工作環(huán)境，測得在不同運行工況下的包箱溫度。分析運行參數(shù)，油品環(huán)境對匯流行星排包箱溫度的影響。

1 匯流行星排試驗臺

匯流行星排試驗臺主要由驅動電機、匯流行星排包廂、冷水機、電渦流測功機，潤滑泵站，轉矩轉速傳感器組成（圖1）。

圖1 試驗臺結構實物圖

試驗臺采用西門子1PH8電機作為匯流行星排的驅動設備。電機與轉矩轉速傳感器相連，電機作為動力源輸出轉速和轉矩。測功機選用湘儀GW160型電渦流測功機，通過調節(jié)勵磁電流對匯流行星排輸出軸的進行加載。測功機是根據作用力矩與反作用力矩大小相等、方向相反的原理來測量扭矩，因此所測扭矩可以通過作用在測功器上的旋轉力矩（即制動器外殼反力矩）來指示。

泵站為匯流行星排提供潤滑油并進行循環(huán)，潤滑油液經冷卻器進行冷卻，冷卻循環(huán)介質為純凈水，冷水機為電渦流測功機和冷卻器進行冷卻。電渦流測功機通過設定負載功率來模擬匯流行星排工作的負載，對輸出軸產生阻力矩進行加載，轉矩轉速傳感器用來測定匯流行星排包箱兩端輸入輸出的轉速轉矩。

2 試驗方案

2.1 傳感器布置

根據匯流行星排工作狀態(tài)和工作環(huán)境，采用接觸式測溫法。接觸式測溫采用電阻式溫度傳感器，結構簡單可靠，可直接反映被測對象真實溫度，可對被測對象任何部位多點集中測量。

匯流行星排臺架中測量油壓、油溫、流量、轉速、轉矩等物理參數(shù)的傳感器精度要求各不相同，根據各傳感器的工作環(huán)境，經濟適用，響應速度等要求選擇。離合器包箱內溫度變化幅度較小，使用PT100溫度傳感器，操縱控制流量和潤滑流量均使用液體渦輪流量計監(jiān)測，輸入輸出轉速、轉矩傳感器相同，使用湘儀JC2C型傳感器。

由于匯流排工作處于旋轉狀態(tài)，傳感器不易固定且不能與摩擦面直接接觸，綜合考慮采用將溫度傳感器粘貼在包箱內壁和軸承座的方法。下箱體溫度傳感器布置位置如圖2所示。

溫度傳感器布置實物如圖3、圖4所示，圖3和圖4為下箱體溫度測點 T1，T2，T3，T4，T5 的布置，圖5為上箱體溫度測點T6和T7的布置位置。

圖2 溫度傳感器布置示意圖

圖3 溫度測點T3位置

圖4 溫度測點T1、T2、T4、T5位置

圖5 溫度點T6，T7位置

2.2 試驗過程

試驗持續(xù)時間 4 d，每天 8 h。（1～3）d，用清潔油品潤滑匯流行星排包箱，分別改變驅動電機的轉速及測功機的加載功率。第四天，用重度污染油品潤滑匯流行星排包廂，并改變電機轉速和加載功率。記錄潤滑油在每個工況試驗時的溫度。

水溫控制要求滿足冷卻系統(tǒng)的制冷要求，加載功率不能超過當前轉速下電機最大轉速的輸出值，通過計算及試驗測試的方法，得到試驗加載的最大功率。

3 試驗結果及討論

3.1 清潔油品試驗溫度變化情況

匯流行星排包箱溫度隨輸入轉速和負載功率變化的規(guī)律，如圖6，圖7和圖8所示。

如圖6～圖8所示，在進行清潔油品的污染度試驗中，最開始的時候各測試點的溫度隨輸入轉速和加載功率的增加而升高，隨著時間的延長，系統(tǒng)產生的熱量與系統(tǒng)散失的熱量趨于動態(tài)平衡，導致溫度不再明顯升降。但溫度會隨著輸入轉速和負載功率的改變而上下波動，如圖7中，在（250～350）min，負載功率基本保持不變，輸入轉速下降，溫度下降。圖8中，在（350～450）min，輸入轉速基本保持不變，溫度隨負載功率的上升而升高。

圖6 第一天溫度、轉速、負載與時間的變化關系

圖7 第二天溫度、轉速、負載與時間的變化關系

圖8 第三天溫度、轉速、負載與時間的變化關系

匯流排溫度變化的熱量來自于匯流排齒輪、軸承的摩擦生熱，轉速越高、負載越大，匯流排的摩擦功率越大，隨著時間的積累，產生的摩擦熱也就越多，大于系統(tǒng)散熱，進而導致溫升；反之，則導致溫度降低。

3.2 重度污染油品試驗溫度變化情況

由圖9可見，采用重度污染油品時，隨著運行時間的延長，匯流排各個測點的溫度變化規(guī)律與清潔油品時的變化情況較為類似，均是隨著時間、轉速和負載的增加而上升，溫度變化在（30～70）℃，與油品的關系不大。主要與負載和轉速有關。

3.3 從做功和能量守恒的角度分析

轉速越高，負載越大，導致摩擦頻率加快，接觸面的摩擦力增加。使得由于摩擦產生的熱量增加，從而導致包箱的溫度隨轉速和負載的增加而升高。

從能量守恒的角度，在實際機械做功系統(tǒng)中，總有一部分機械能轉化為熱能。而隨著輸入轉速的增加，系統(tǒng)輸入的機械能增加，導致整個機械系統(tǒng)的總能量增加，從而熱能增加。即表現(xiàn)出溫度的升高。

4 結論

（1）隨著轉速、負載功率的增加，包箱溫度均為上升趨勢；當轉速、負載降低后，溫度上升趨勢減緩。

（2）包箱溫度的變化與油品的關系不大，主要與負載、轉速以及運行時間有關。

圖9 溫度、轉速、負載與時間的變化關系