重型機(jī)械變速箱油溫過(guò)高的原因分析及解決措施

向權(quán)力

重型機(jī)械變速箱油溫過(guò)高的原因分析及解決措施

向權(quán)力

（陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西 西安 710119）

實(shí)踐表明，不同潤(rùn)滑油在不同的溫度范圍內(nèi)會(huì)發(fā)揮其最佳的潤(rùn)滑性能。但如果溫度長(zhǎng)時(shí)間超出這個(gè)范圍，會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油高溫氧化變質(zhì)喪失潤(rùn)滑作用。文章通過(guò)理論分析和試驗(yàn)論證了造成變速箱油溫高的原因，給出降低油溫的技術(shù)手段，對(duì)潤(rùn)滑油的正確使用和延長(zhǎng)變速器壽命具有指導(dǎo)意義。

變速箱；油溫；飛濺潤(rùn)滑；熱功率

引言

重型機(jī)械變速器作為商用車的重要組成部分，其性能的穩(wěn)定直接影響整車的使用效率。研究發(fā)現(xiàn)，變速箱的工作效率低下甚至零部件損壞，除了零部件結(jié)構(gòu)自身原因外，還與箱體工作狀態(tài)下的內(nèi)部發(fā)熱狀態(tài)有關(guān)[1]。變速箱產(chǎn)生的熱源直接影響潤(rùn)滑油溫度，長(zhǎng)時(shí)間高溫作用使得潤(rùn)滑油粘度發(fā)生變化，影響摩擦副的油膜厚度，導(dǎo)致變速箱各零件的損壞失效，嚴(yán)重影響變速箱的傳遞效率、使用壽命和可靠性。

本文通過(guò)對(duì)一種重型機(jī)械變速器的熱功率進(jìn)行分析，總結(jié)出幾種造成變速器油溫升高的因素，提出了對(duì)應(yīng)的解決辦法，并通過(guò)臺(tái)架及道路測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)避免因潤(rùn)滑油及零件過(guò)熱而失效具有參考意義。

1 機(jī)械變速器系統(tǒng)組成及熱傳遞路線

1.輸入軸 2.離合器殼 3.變速器殼體 4.右中間軸 5.輸出軸 6.軸承 7.左中間軸 8.掛檔滑套（同步器） 9.潤(rùn)滑油 10.左中間軸齒輪 11.主軸齒輪 12.右中間軸齒輪

機(jī)械變速器是通過(guò)潤(rùn)滑油降低嚙合齒輪、同步器及軸承件的磨損，并通過(guò)潤(rùn)滑油的流動(dòng)性帶走由于摩擦產(chǎn)生的熱量和磨屑。所以。潤(rùn)滑系統(tǒng)及潤(rùn)滑油對(duì)變速器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要的作用。以市場(chǎng)上常見(jiàn)的某雙中間軸機(jī)械變速器為例，其系統(tǒng)的主要組成，如圖1所示。

變速器采用飛濺潤(rùn)滑，即通過(guò)在變速器殼體3內(nèi)部注入一定量的潤(rùn)滑油9，左中間軸4上的齒輪10和主軸齒輪11嚙合，在嚙合齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)（旋轉(zhuǎn)方向如圖1所示），會(huì)通過(guò)齒輪嚙合將潤(rùn)滑油甩到變速器內(nèi)部的各個(gè)地方，同時(shí)由于潤(rùn)滑油具有一定的粘度，通過(guò)齒輪嚙合時(shí)會(huì)帶走一部分潤(rùn)滑油到右中間軸4上的齒輪12，從而完成齒輪之間的潤(rùn)滑油覆蓋。變速器在工作時(shí)，由于存在功率損失，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，是引起變速器內(nèi)部溫升的熱源。這些熱源包括中間軸齒輪與主軸齒輪嚙合的摩擦熱、軸承摩擦熱以及齒輪在嚙合時(shí)的攪油損失，由于商用車變速器常用轉(zhuǎn)速低于2000r/min，因此可以忽略風(fēng)阻損失[2]。根據(jù)熱傳遞理論[3]，齒輪嚙合產(chǎn)生的熱量以熱對(duì)流的方式傳遞給潤(rùn)滑油；由于軸承是固定到箱體上，因此軸承摩擦產(chǎn)生的熱量一部分通過(guò)熱對(duì)流方式部分傳給潤(rùn)滑油，另一部分通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳遞給箱體。齒輪嚙合時(shí)的攪油產(chǎn)熱則直接被潤(rùn)滑油吸收。潤(rùn)滑油的熱量通過(guò)變速箱殼體內(nèi)壁的熱對(duì)流、殼體內(nèi)壁與外壁的熱傳導(dǎo)、殼體外壁與空氣的熱對(duì)流等方式，傳遞到大氣中。變速器的熱量傳遞路線如圖2所示。

圖2 變速器熱量傳遞路線圖

2 變速器熱功率分析

根據(jù)1中的理論分析，分別從齒輪副嚙合、軸承摩擦和攪油損失進(jìn)行熱功率分析。

2.1 齒輪副嚙合熱功率

漸開(kāi)線齒輪副在嚙合時(shí)的摩擦功率損失主要是滑動(dòng)摩擦功率損失。根據(jù)動(dòng)力學(xué)功率計(jì)算公式可知：

其中：—瞬態(tài)滑移摩擦系數(shù)；F—齒面法向載荷，N；v—嚙合點(diǎn)處的瞬時(shí)滑移速度，m/s；

P—滑動(dòng)摩擦功率損失，kW；1—主動(dòng)齒輪齒數(shù)；2—被動(dòng)齒輪齒數(shù)；—齒輪嚙合節(jié)點(diǎn)間距離

齒面法向載荷F為：

其中：1—主動(dòng)齒輪的輸入扭矩，N.m；1—主動(dòng)齒輪分度圓半徑，m

—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；e—發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率；eq—發(fā)動(dòng)機(jī)有效輸出扭矩，N.m

1—主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速，大小取決于發(fā)動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)速及變速箱齒數(shù)比，r/min。

這里我們忽略齒輪本身的設(shè)計(jì)參數(shù)，主要考慮外界因素。由此可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)速不變的條件下，變速器輸入扭矩和輸入功率將直接影響齒輪副嚙合時(shí)的摩擦功率損失。

在計(jì)算齒輪嚙合的摩擦功率時(shí)，潤(rùn)滑油的作用是形成油膜阻止齒輪副直接接觸，直接作用是降低摩擦功率，因此，理論上講，齒輪油的粘度對(duì)齒輪摩擦功率有直接影響。

2.2 軸承摩擦熱功率

根據(jù)圖1所示的雙中間軸變速器結(jié)構(gòu)，可以知道，這種結(jié)構(gòu)的輸入輸出軸軸承不受力，只有中間軸軸承受力，本例中，共有6個(gè)軸承承受徑向載荷，軸承采用圓柱滾子軸承，只承受徑向力，引起軸承的摩擦功率主要是軸承內(nèi)部的滾動(dòng)摩擦力矩1所產(chǎn)生的。根據(jù)公式：

當(dāng)量動(dòng)載荷P的計(jì)算公式一般為：

而軸承徑向載荷：

因此：軸承滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生的力矩：

根據(jù)軸承摩擦熱的經(jīng)驗(yàn)公式：

其中：d—軸承公稱直徑，mm；f—當(dāng)量摩擦系數(shù)；—徑向載荷系數(shù)

n—軸承轉(zhuǎn)速，取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

可見(jiàn)，在軸承滿足變速器設(shè)計(jì)的條件下，結(jié)合公式（4）和（5）可知，其摩擦功率的大小取決于發(fā)動(dòng)機(jī)輸入扭矩和轉(zhuǎn)速。

2.3 攪油損失

根據(jù)霍曉強(qiáng)、吳傳虎等人對(duì)單齒輪箱攪油損失的研究[4]，結(jié)合對(duì)變速箱進(jìn)行的效率實(shí)驗(yàn)，攪油損失取決于變速箱的輸入轉(zhuǎn)速和浸油深度。但是當(dāng)高轉(zhuǎn)速高功率時(shí)，實(shí)際上車速也很高，此時(shí)外部空氣流動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致散熱很快，因此熱平衡溫度不一定會(huì)升高。所以，攪油損失的主要因素為潤(rùn)滑油及浸油深度。

3 變速箱油溫過(guò)高的原因及解決措施

3.1 變速箱齒輪油選擇不合適

當(dāng)潤(rùn)滑油的粘度過(guò)高時(shí)，會(huì)造成攪油損失加大，傳動(dòng)效率下降，轉(zhuǎn)化為熱量造成油溫升高；而粘度過(guò)低時(shí)，由于無(wú)法形成潤(rùn)滑油膜，造成摩擦力增大，從而導(dǎo)致油溫升高。對(duì)于環(huán)境溫度不超過(guò)40攝氏度的地方，建議潤(rùn)滑油粘度等級(jí)為80W-90或者85W-90。通過(guò)使用合成型潤(rùn)滑油，可以滿足降低粘度的同事不影響油膜，從而降低攪油損失。另外過(guò)多的加油量會(huì)增加攪油損失，對(duì)于有加油量控制裝置的變速器，按要求加注到刻度線即可。

3.2 大功率超速運(yùn)轉(zhuǎn)

圖3 變速箱加裝冷卻系統(tǒng)的油溫曲線

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率或者扭矩比較大，而變速器的尺寸并沒(méi)有明顯變化時(shí)，由于變速器的傳遞效率沒(méi)有提高，根據(jù)熱平衡理論，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)已接近額定功率或者額定扭矩的轉(zhuǎn)速工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比小功率、小扭矩發(fā)動(dòng)機(jī)更高的熱量，而在變速器散熱條件不變時(shí)，則導(dǎo)致變速器油溫迅速升高。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率大于400馬力，或者扭矩大于2200N.m時(shí)，建議變速器增加額外的潤(rùn)滑油冷卻裝置，以降低潤(rùn)滑油的工作溫度。通過(guò)云南地區(qū)實(shí)車路試，如圖3所示，惡劣工況下，變速箱增加冷卻系統(tǒng)后，平均溫度下降了約48.9%。

3.3 變速箱散熱面積不足

根據(jù)熱傳遞路徑，當(dāng)變速器殼體的散熱面積過(guò)小無(wú)法保證及時(shí)散熱，也會(huì)造成油溫升高。通過(guò)加筋的方式增加殼體的散熱面積。如圖4所示。在殼體周圍增加加強(qiáng)筋后，解決了變速器油溫過(guò)高的問(wèn)題。

圖4 殼體加散熱筋效果圖

[1] 周浩.微型汽車變速箱熱平衡分析研究[D].武漢:武漢理工大學(xué), 2013.

[2] 吳昌林,余聯(lián)慶,方曉初.汽車變速箱的熱網(wǎng)絡(luò)分析[J].華中理工大學(xué)學(xué)報(bào),1998,26(4):63-66.

[3] 劉敏麗.流體流動(dòng)與傳熱[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2011.

[4] 霍曉強(qiáng),吳傳虎.齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)攪油損失的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械傳動(dòng), 2007,31(1):63-65.

Analysis and Solution for Excessive Oil Temperature of Heavy Manual Transmission

Xiang Quanli

( Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Research Institute, Shaanxi Xi'an 710119 )

Practice has shown that different lubricants will perform their best performance in different temperature ranges. However, if the temperature exceeds this range for a long time, it will cause the lubricating oil to deteriorate and oxidize and deteriorate. Through theoretical analysis and test, this paper demonstrates the reasons for the high temperature of the transmission oil and gives the technical methods to reduce the oil temperature. It has guiding significance for the use of lubricating oil correctly and extending the life of the transmission.

Transmission; oil temperature; Splash lubrication; Thermal power

U262

B

1671-7988(2019)18-157-03

U262

B

1671-7988(2019)18-157-03

向權(quán)力，工學(xué)碩士，就職于陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院。目前主要從事商用車變速箱的設(shè)計(jì)、匹配應(yīng)用及潤(rùn)滑方面的工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.052