低溫條件下大功率分動(dòng)器潤(rùn)滑系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

張 磊，趙焱明，慕連好，單紅波，張軍偉

(1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所， 北京 100076; 2.火箭軍駐濟(jì)南地區(qū)軍代室， 濟(jì)南 250000)

大功率分動(dòng)器為滿足某多軸超重型底盤具有高機(jī)動(dòng)性、高越野性的使用特點(diǎn)，其最大扭矩達(dá)到35 000 N·m，最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。而隨整車的工作環(huán)境溫度變化，要求大功率分動(dòng)器能夠在-40～45 ℃的超寬溫度范圍內(nèi)完成各項(xiàng)工作。其中最為嚴(yán)苛的要求是大功率分動(dòng)器能夠不經(jīng)預(yù)熱完成停車取力。此時(shí)對(duì)應(yīng)分動(dòng)器取力器的輸出轉(zhuǎn)速1 600 r/min，轉(zhuǎn)矩500 N·m。由于低溫條件下，潤(rùn)滑油的粘度過(guò)大，位于分動(dòng)器輸入軸的齒輪泵供油困難。雖然此時(shí)對(duì)應(yīng)輸入軸的轉(zhuǎn)矩不大，但輸入轉(zhuǎn)速很高，如果軸承得不到及時(shí)潤(rùn)滑，極有可能發(fā)生燒蝕。因此低溫條件下潤(rùn)滑散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，成為影響大功率分動(dòng)器乃至整個(gè)多軸超重型底盤滿足戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵要素。

以往對(duì)潤(rùn)滑散熱系統(tǒng)的研究主要解決高溫條件下潤(rùn)滑散熱的匹配問(wèn)題，而涉及極限低溫環(huán)境的研究則較為有限。研究根據(jù)以往分動(dòng)器低溫環(huán)境試驗(yàn)暴露的問(wèn)題，針對(duì)低溫環(huán)境下大功率分動(dòng)器不經(jīng)預(yù)熱而直接完成停車取力的技術(shù)要求，對(duì)低溫取力工況下軸承的發(fā)熱量、潤(rùn)滑流量需求、低溫潤(rùn)滑油的選擇和散熱系統(tǒng)匹配等問(wèn)題開展研究，對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)提出改進(jìn)方案，通過(guò)FlowMaster建立液壓系統(tǒng)模型，對(duì)低溫工況下潤(rùn)滑系統(tǒng)改進(jìn)方案對(duì)流量分配的影響進(jìn)行仿真。最后，通過(guò)模擬低溫環(huán)境臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)大功率分動(dòng)器潤(rùn)滑系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)考核驗(yàn)證。

1 大功率分動(dòng)器低溫環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 以往大功率分動(dòng)器低溫試驗(yàn)問(wèn)題分析

由于某多軸超重型底盤的要求搭載的大功率分動(dòng)器能夠在-40 ℃的極限低溫環(huán)境下，不經(jīng)預(yù)熱完成停車取力工作，因此根據(jù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求，在2015年對(duì)某款在用的大功率分動(dòng)器隨多軸超重型底盤進(jìn)行了低溫試驗(yàn)。

模擬分動(dòng)器低溫取力試驗(yàn)工況：分動(dòng)器在低溫倉(cāng)-40 ℃環(huán)境下貯藏24 h，試驗(yàn)開始前已經(jīng)將分動(dòng)器的常溫用潤(rùn)滑油80W-90更換為低溫潤(rùn)滑油75W-90。試驗(yàn)開始后，分動(dòng)器靜止?fàn)顟B(tài)下行車檔掛空檔，同時(shí)掛取力檔，以轉(zhuǎn)速1 600 r/min，無(wú)載條件下(低溫環(huán)境倉(cāng)內(nèi)，不能連接取力器，取力器為空轉(zhuǎn))，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)30 min。

試驗(yàn)過(guò)程中暴露的問(wèn)題：分動(dòng)器以1 600 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)5 min，分動(dòng)器取力輸出突然停止，輸入軸也同時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察到有藍(lán)煙，試驗(yàn)中止。分解檢查發(fā)現(xiàn)，分動(dòng)器輸入軸和高低檔齒輪嚴(yán)重?zé)g，已無(wú)法拆卸；同時(shí)分動(dòng)器輸入軸支撐軸承燒蝕，分動(dòng)器殼體損壞，如圖1所示。

分析定位為試驗(yàn)過(guò)程中分動(dòng)器輸入軸配合的高低檔滾針軸承和前端支撐軸承，因潤(rùn)滑不足燒蝕損壞。

基于上述問(wèn)題，對(duì)低溫工況下軸承的熱平衡流量需求、低溫潤(rùn)滑油的選擇和潤(rùn)滑系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析，提出潤(rùn)滑系統(tǒng)的改進(jìn)方案，進(jìn)行分動(dòng)器模擬低溫臺(tái)架試驗(yàn)。

1.2 大功率分動(dòng)器低溫環(huán)境下的風(fēng)險(xiǎn)要素識(shí)別

1) 分動(dòng)器潤(rùn)滑系統(tǒng)

大功率分動(dòng)器原潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖，如圖2。

在潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，齒輪泵通過(guò)外置的油管從油底殼吸油，通過(guò)流向控制閥實(shí)現(xiàn)行車和倒車工況的供油需求，潤(rùn)滑油經(jīng)油散器對(duì)各潤(rùn)滑點(diǎn)主動(dòng)潤(rùn)滑。

大功率分動(dòng)器的傳動(dòng)原理圖，如圖3。在停車取力工況下，分動(dòng)器只有齒輪泵和輸入軸運(yùn)轉(zhuǎn)，而輸入軸的前后支撐軸承和高低檔動(dòng)靜壓軸承有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但不受力。

取力工況下，分動(dòng)器輸入軸內(nèi)的潤(rùn)滑油管為高低檔齒輪下的動(dòng)靜壓軸承和前支撐軸承提供潤(rùn)滑油，而后軸承則通過(guò)小油池進(jìn)行飛濺潤(rùn)滑。

從分動(dòng)器低溫?fù)p壞的情況分析，由于齒輪泵的低溫下的泵油量不足，導(dǎo)致輸入軸的前支撐軸承和高低檔動(dòng)靜壓軸承燒蝕、燒結(jié)。

2) 分動(dòng)器低溫取力工況風(fēng)險(xiǎn)分析

某多軸超重型底盤用分動(dòng)器在低溫工況下的使用風(fēng)險(xiǎn)，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

① 工程機(jī)械用大功率分動(dòng)器必須經(jīng)行駛熱車后，才能進(jìn)行取力，而行車過(guò)程中輸出軸齒輪與差速器攪油會(huì)產(chǎn)生較大的熱能，使?jié)櫥蜏囟壬?，粘度有所降低，從而便于油泵及時(shí)供油；而某多軸超重型底盤用大功率分動(dòng)器，要求分動(dòng)器不經(jīng)熱車便立刻進(jìn)行取力，主傳動(dòng)齒輪均不轉(zhuǎn)動(dòng)，也不會(huì)攪油，油溫升高慢，油液粘度大，齒輪泵供油困難[1]。

② 某多軸超重型底盤用分動(dòng)器功率達(dá)到500 kW,單純依靠自然風(fēng)冷無(wú)法滿足高溫環(huán)境下的熱平衡需求，因此匹配外置的風(fēng)冷散熱器。但在低溫環(huán)境下，散熱器內(nèi)的潤(rùn)滑油粘度大，使得潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力增大，很難形成潤(rùn)滑回路為各潤(rùn)滑點(diǎn)供油[2-3]。

從傳動(dòng)布置方案和使用工況分析發(fā)現(xiàn)，在低溫取力工況下，由于潤(rùn)滑油粘度過(guò)大，齒輪泵供油困難，而容易造成輸入軸前后軸承以及輸入軸高低檔齒輪下方動(dòng)靜壓軸承損壞。由于不可能改變低溫取力的使用要求，因此只能通過(guò)精確計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)軸承的發(fā)熱量，選擇適應(yīng)于低溫的分動(dòng)器潤(rùn)滑油，根據(jù)潤(rùn)滑散熱系統(tǒng)匹配分析的結(jié)果，改進(jìn)潤(rùn)滑系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)。另外，由于輸入軸高低檔齒輪下方的動(dòng)靜壓軸承對(duì)潤(rùn)滑流量需求偏高，在低溫潤(rùn)滑流量偏低的條件下，無(wú)法形成潤(rùn)滑油膜，因此在改進(jìn)設(shè)計(jì)中將其更換為帶保持架的滾針軸承[4]。

2 低溫環(huán)境下潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 低溫工況下的軸承發(fā)熱量計(jì)算

1) 軸承發(fā)熱功率計(jì)算

軸承的發(fā)熱功率損失與載荷是否有關(guān)，分為負(fù)荷軸承功率損失和軸承風(fēng)阻與攪油功率損失[5]。

TVL=TVLP1+TVLP2+TVL0

式中：TVL為總的軸承損耗轉(zhuǎn)矩(N·m)；TVLP1、TVLP2為負(fù)荷軸承損耗轉(zhuǎn)矩(N·m)；TVL0為軸承攪油損耗轉(zhuǎn)矩(N·m)；ωi為旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)；ni為轉(zhuǎn)速速度(r/min)。

低溫取力工況下，存在風(fēng)險(xiǎn)的輸入軸前后軸承和滾針軸承均不受載，處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，TVLP1、TVLP2幾乎為零，主要考慮軸承的攪油損耗轉(zhuǎn)矩。

軸承的攪油功率損失同軸承的設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑形式、潤(rùn)滑油粘度，以及軸承的轉(zhuǎn)速有關(guān)。

式中：f0為軸承損耗系數(shù)；υoil為在工作溫度下潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)粘度(mm2/s)；dm為軸承當(dāng)量直徑(mm)。

2) 軸承熱平衡流量估算

軸承熱平衡流量需求，與發(fā)熱功率、潤(rùn)滑油比熱、密度、溫降均有關(guān)，計(jì)算流量需求

式中:Voil為潤(rùn)滑流量(L/min)；ρoil為潤(rùn)滑油密度(kg/m3)；coil為潤(rùn)滑介質(zhì)比熱容，對(duì)應(yīng)分動(dòng)器齒輪油1.7～2.1 kJ/(kg·℃)。Δθoil為液壓油散熱器中溫差的近似值(℃)；ΔHoil為散熱功率(W)。

3) 低溫取力工況軸承熱負(fù)荷計(jì)算

取力工況下對(duì)應(yīng)存在使用風(fēng)險(xiǎn)的一軸前后支撐軸承和高低檔滾針軸承的熱負(fù)荷計(jì)算參數(shù)，見(jiàn)表1。

對(duì)應(yīng)低溫取力工況各軸承的熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表2。

表1 分動(dòng)箱軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 低溫取力分動(dòng)器軸承熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果分析看，高低檔下的滾針軸承損耗扭矩最大，發(fā)熱功率最高，流量需求也是最大，因此需要增加滾針潤(rùn)滑油路的管徑，減小流阻；同時(shí)，為保證輸入軸前后軸承潤(rùn)滑，將前后軸承設(shè)計(jì)為單獨(dú)的強(qiáng)制潤(rùn)滑油路，并增加小油池設(shè)計(jì)。

2.2 低溫潤(rùn)滑油品的選擇

75W-90是分動(dòng)器低溫潤(rùn)滑油的推薦油品，目前市場(chǎng)上常用的包括LS 75W/90(對(duì)應(yīng)傾點(diǎn)-39 ℃)、FLuid MBT75W/90(對(duì)應(yīng)傾點(diǎn)-45 ℃)、Mobile 1 SHC 75W-90(對(duì)應(yīng)傾點(diǎn)-54 ℃)。綜合分動(dòng)器低溫使用工況要求和油品公司的建議，選取Mobile 1 SHC 75W-90作為大功率分動(dòng)器低溫用油，其對(duì)應(yīng)的傾點(diǎn)溫度更低，油品流動(dòng)性更強(qiáng)，黏溫曲線如圖4所示。

各項(xiàng)性能參數(shù)見(jiàn)表3。

參數(shù)數(shù)值cST@40 ℃100cST@100 ℃15.2粘度指數(shù)ASTM D2270159傾點(diǎn),℃(ASTM D97)-54閃點(diǎn),℃(ASTM D92)179密度@15.6℃ g/ml0.859

2.3 低溫取力工況潤(rùn)滑油路改進(jìn)設(shè)計(jì)

除了基于低溫取力工況熱平衡流量對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的改進(jìn)要求外，低溫工況下外置散熱器的流阻過(guò)大，也是導(dǎo)致流量小的重要原因，因此改進(jìn)設(shè)計(jì)中在旁通閥與溢流閥之間，增加了強(qiáng)制潤(rùn)滑油管與用于集油的油道。改進(jìn)后的分動(dòng)器潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理示意，如圖5所示。

齒輪泵從油底殼吸油后，通過(guò)流向控制閥滿足兩個(gè)旋向(車輛前進(jìn)和倒退)的供油。進(jìn)入節(jié)點(diǎn)1后，在系統(tǒng)壓力正常條件下，潤(rùn)滑油主要經(jīng)散熱器后進(jìn)入節(jié)點(diǎn)3，保證各軸承的強(qiáng)制潤(rùn)滑。在常溫條件下，1 600 r/min輸入轉(zhuǎn)速時(shí)節(jié)點(diǎn)1的壓力為0.3 MPa，而節(jié)點(diǎn)3處的壓力為0.05 MPa；而當(dāng)散熱器主油路阻力增大時(shí)，旁通閥在0.2～0.3 MPa壓力下，閥芯開啟；如果主油路壓力極限增加，達(dá)到0.5～0.6 MPa時(shí)溢流閥開啟[6-7]。

為保證極限溫度下，分動(dòng)器各強(qiáng)制潤(rùn)滑點(diǎn)和潤(rùn)滑油路改進(jìn)設(shè)計(jì)能夠滿足各工況要求，采用FlowMaster液壓仿真分析軟件建立液壓模型[8]，對(duì)各潤(rùn)滑點(diǎn)的流量進(jìn)行匹配，如圖6所示。

在-40 ℃極限低溫條件下，取力工況對(duì)應(yīng)的分動(dòng)器各潤(rùn)滑點(diǎn)液壓仿真計(jì)算結(jié)果，如表4所示。

表4 -40 ℃潤(rùn)滑系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果

分析仿真計(jì)算結(jié)果，各軸承分配流量與設(shè)計(jì)需求流量趨勢(shì)相當(dāng)。其中，輸入軸的前后軸承熱平衡流量與需求流量基本一致，雖然滾針軸承的流量無(wú)法達(dá)到熱平衡流量的需求，但依舊經(jīng)驗(yàn)滿足最低潤(rùn)滑流量需求。潤(rùn)滑系統(tǒng)的實(shí)際流量和各軸承是否會(huì)發(fā)生燒蝕，還需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)。

3 大功率分動(dòng)器潤(rùn)滑散熱系統(tǒng)的低溫試驗(yàn)研究

3.1 大功率潤(rùn)滑散熱系統(tǒng)低溫試驗(yàn)方案

根據(jù)某多軸超重型底盤任務(wù)書和《大功率分動(dòng)器總成設(shè)計(jì)任務(wù)書》要求，參照GJB150.1—86《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法》[9]和GJB 150.4A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第4部分：低溫試驗(yàn)》[10]對(duì)大功率分動(dòng)器總成在低溫狀態(tài)下進(jìn)行模擬取力工況臺(tái)架試驗(yàn)。對(duì)應(yīng)的分動(dòng)器低溫環(huán)境試驗(yàn)布置，如圖7所示。為便于測(cè)試安裝傳感器，低溫試驗(yàn)分動(dòng)器定制了外置的測(cè)試閥塊，以測(cè)試潤(rùn)滑系統(tǒng)的流量和壓力[11]。

分動(dòng)器低溫取力工況過(guò)程試驗(yàn)：分動(dòng)器在低溫倉(cāng)-40 ℃環(huán)境下貯藏24小時(shí)。試驗(yàn)開始后，分動(dòng)器靜止?fàn)顟B(tài)下掛取力檔，行車檔掛空檔，考核低溫環(huán)境下?lián)Q擋機(jī)構(gòu)是否能夠正常工作，換擋供氣系統(tǒng)是否存在漏氣等問(wèn)題。啟動(dòng)輸入電機(jī)控制輸入轉(zhuǎn)矩，并迅速提升到710 r/min(模擬發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng))，保持3 min后，再迅速提升至1 600 r/min，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)30 min(模擬底盤連續(xù)取力工況)。

3.2 大功率分動(dòng)器潤(rùn)滑散熱系統(tǒng)低溫試驗(yàn)分析

大功率分動(dòng)器-40 ℃低溫工況下，模擬取力試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，如圖8所示。

分動(dòng)器在低溫取力工況下，進(jìn)入1 600 r/min前3 min時(shí)，分動(dòng)器的出口壓力(節(jié)點(diǎn)1)約在0.1 MPa，節(jié)點(diǎn)3的壓力為0.025 MPa。說(shuō)明潤(rùn)滑系統(tǒng)流量低于正常值，而后出口壓力(節(jié)點(diǎn)1)升高至0.35 MPa，而節(jié)點(diǎn)3的壓力升高至0.05 MPa，說(shuō)明此時(shí)旁通閥打開，主潤(rùn)滑油路的流量已趨于正常水平，能夠保證軸承的潤(rùn)滑需求。流量隨著油液循環(huán)油底殼溫度開始升高。但由于散熱器的流阻較大，流量無(wú)法達(dá)到常溫工況水平，因此出口壓力(節(jié)點(diǎn)1)的壓力在0.1～0.2 MPa變化。

經(jīng)30 min的運(yùn)行后，分動(dòng)器散熱器出口油溫由-20 ℃升高至10 ℃，油底殼溫度從-40 ℃升高至-10 ℃；分動(dòng)器的輸入扭矩從啟動(dòng)瞬時(shí)的最大扭矩約200 N·m，逐漸降低至約5 N·m，說(shuō)明取力工況運(yùn)轉(zhuǎn)已經(jīng)正常。雖然從流量的變化上來(lái)看，由于散熱阻力較大，主油路的流量和壓力沒(méi)能恢復(fù)正常，但是分動(dòng)器的軸承阻力和系統(tǒng)壓力已經(jīng)恢復(fù)正常，系統(tǒng)工作正常。同時(shí)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，大功率分動(dòng)器的換檔機(jī)構(gòu)和取力掛檔機(jī)構(gòu)在氣壓0.8 MPa，換擋操作正常，無(wú)漏氣等現(xiàn)象。證明改進(jìn)后的大功率分動(dòng)器能夠滿足整車對(duì)分動(dòng)器的低溫取力工況要求，潤(rùn)滑系統(tǒng)改進(jìn)措施有效。

4 結(jié)論

1) 改進(jìn)后的潤(rùn)滑散熱能夠滿足大功率分動(dòng)器的各項(xiàng)使用要求，提高了裝備的環(huán)境適應(yīng)性和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

2) 潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)方案對(duì)在低溫環(huán)境下的其他傳動(dòng)系統(tǒng)，也具有一定的借鑒意義。