考慮可靠性及效率性能的變速器齒輪潤滑油選擇方法

鐘振遠(yuǎn) 劉學(xué)武 王 榮 張倍堅

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院動力總成研發(fā)中心 廣東廣州 511434)

在機(jī)械設(shè)備中，潤滑油不僅有著減小摩擦、降低磨損的作用，同時還有冷卻、吸振等功能，其合理選擇對于機(jī)械設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)及運(yùn)轉(zhuǎn)壽命起著關(guān)鍵作用。對于變速器而言，潤滑油還對齒輪接觸強(qiáng)度有著一定的影響[1-3]。研究表明，為保證齒輪接觸壽命，需要在合理的范圍內(nèi)選擇較大黏度的潤滑油。由于潤滑油關(guān)系著變速器的可靠、耐久等重要性能，因此涉及潤滑油的驗(yàn)證試驗(yàn)較多，周期長，從而使得變速器開發(fā)過程中一般較少對潤滑油進(jìn)行多備選驗(yàn)證，其選擇主要依靠供應(yīng)商推薦。部分學(xué)者對潤滑油選擇方法進(jìn)行了研究[4-5],但也主要以保證齒輪強(qiáng)度為基礎(chǔ)。工程實(shí)際中，選擇的潤滑油的動力黏度一般偏大，因此會導(dǎo)致齒輪攪油扭矩?fù)p失的增加。

隨著我國排放法規(guī)日趨嚴(yán)苛，傳統(tǒng)車的油耗水平越來越受關(guān)注，齒輪箱作為車輛動力傳遞的關(guān)鍵系統(tǒng)，其傳遞效率對整車油耗有著重要影響[6-7]。研究表明潤滑油黏度的降低對齒輪箱效率的提升有向好的影響[8-9]。但潤滑油黏度的降低有可能會導(dǎo)致齒輪接觸疲勞強(qiáng)度不足，使得輪齒齒面膠合、點(diǎn)蝕，進(jìn)一步導(dǎo)致異響等NVH問題。齒輪接觸疲勞強(qiáng)度作為齒輪箱的關(guān)鍵可靠度指標(biāo)必須得到保證，在此基礎(chǔ)上，如何合理地選擇潤滑油的黏度指標(biāo)成為變速器研發(fā)人員關(guān)心的工作內(nèi)容，因此綜合考慮齒輪扭矩?fù)p失及齒輪接觸強(qiáng)度可靠性兩方面的影響必將成為潤滑油油品選擇及開發(fā)的方向。

本文作者分析了潤滑油黏度對齒輪接觸強(qiáng)度以及齒輪效率傳遞效率的影響，提出了綜合考慮齒輪可靠性及效率性能的潤滑油選擇方法，并通過一款正在開發(fā)的變速器的臺架試驗(yàn)對該方法的選擇結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 齒輪接觸強(qiáng)度

根據(jù)ISO 6336[10]或GB 3480[11]計算齒面接觸應(yīng)力，其基本公式為

(1)

式中：σH為齒面接觸應(yīng)力；σH0為接觸應(yīng)力基本值；σHP為許用接觸應(yīng)力；KA為使用系數(shù)；KV為動載系數(shù)；KHα為齒間載荷分配系數(shù)；KHβ為齒向載荷分布系數(shù)。

(2)

式中：d1為主動齒輪分度圓直徑；bw為工作齒寬；Ft為齒輪接觸端面內(nèi)分度圓處名義切向力；u為速比；ZH為節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)；ZE為彈性系數(shù)；Zε為重合度系數(shù)；Zβ為螺旋角系數(shù)。以上系數(shù)可查文獻(xiàn)[8]中圖表得到。

(3)

式中：σlim為齒輪接觸疲勞極限；SHmin為接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)；ZL為潤滑油系數(shù)；Zv為速度系數(shù)；ZW為齒面工作硬化系數(shù)；Zx為接觸強(qiáng)度計算尺寸系數(shù)。

以上參數(shù)可查文獻(xiàn)[8-9]中圖表得到。其中潤滑油系數(shù)ZL也可由公式計算得到

(4)

式中：CZL為計算系數(shù),其取值參見文獻(xiàn)[11];ν40為潤滑油在40 ℃時的運(yùn)動黏度。

這樣就把與潤滑油相關(guān)的因素ZL考慮進(jìn)齒面接觸應(yīng)力的評價之中。

2 齒輪攪油扭矩?fù)p失

齒輪箱內(nèi)部齒輪傳遞動力時發(fā)生的扭矩?fù)p失主要分為2種類型：嚙合損失和非嚙合損失。嚙合損失是指發(fā)生在擋位齒輪傳遞動力時的齒輪摩擦而產(chǎn)生的損失。而潤滑油黏度的變化主要影響齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的非嚙合損失，主要為齒輪攪油損失，包括輪輻側(cè)面拖曳損失Ps及齒輪攪油損失Pt。關(guān)于齒輪攪油功率損失ISO TR 14179[12]推薦的計算公式為

(5)

(6)

式中:fg為齒輪浸油系數(shù)，根據(jù)齒輪浸入油液的深度h同齒輪直徑D的比值在[0,1]中取值；ν為齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)溫度下的潤滑油運(yùn)動黏度；n為齒輪轉(zhuǎn)速；D為齒輪頂圓直徑；Ag為軸系常數(shù)，一般取0.02；b為齒輪寬度；b為齒輪螺旋角；Rf為粗糙度系數(shù)，其取值一般由Dudley表選擇[10]，或由下式計算

(7)

式中：mn為齒輪法向模數(shù)。

但該公式在使用中與實(shí)際測試數(shù)據(jù)存在一定的偏差，章剛和韋博[13]基于齒輪攪油的基本阻力推導(dǎo)出的扭矩?fù)p失計算公式為

(8)

式中:ρ為潤滑油密度；ω為齒輪轉(zhuǎn)動角速度;Rp為齒輪節(jié)圓半徑；Cm為攪油損失系數(shù)；Sm為齒輪浸入潤滑油的面積，包括齒輪側(cè)面面積S1，輪齒齒頂和齒槽面積S2以及齒輪齒面面積S3，則有

(9)

式中:Ht為齒輪輪齒全高;b為齒寬;θ為浸入液面的齒輪外圓對應(yīng)的角度。

式(8)中的攪油損失系數(shù)Cm，一般是通過對試驗(yàn)方法得到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得出。CHANGENET 等[14]對不同齒輪形式、不同油品和不同運(yùn)行條件下的齒輪進(jìn)行試驗(yàn)研究后，運(yùn)用量綱分析和相似定理歸納出式(10)所示的攪油損失系數(shù)。這是目前通用性強(qiáng)、運(yùn)用廣泛的計算公式。

(10)

楊立昆等[15]認(rèn)為在不同的轉(zhuǎn)速下，潤滑油的動態(tài)液面會發(fā)生變化，液面的下降趨勢與齒輪轉(zhuǎn)速有密切的關(guān)系，因而在式(10)的基礎(chǔ)上提出了更為合理的修正公式，即

(11)

3 潤滑油綜合選擇方法

根據(jù)上文所述，潤滑油的選擇必須以滿足齒輪接觸強(qiáng)度為首要條件，同時期望齒輪攪油損失越小越好，因此在其他條件不變的情況下，潤滑油黏度需要滿足：

(12)

設(shè)Sc為齒輪接觸強(qiáng)度安全系數(shù)，則式(12)為

(13)

因此結(jié)合式(1)、(3)、(8)，式(13)可以寫為

(14)

依據(jù)式(14)可以得到滿足齒輪接觸強(qiáng)度要求且攪油損失最小的潤滑油動力黏度指標(biāo)，再據(jù)此選擇合適的潤滑油品。

以某款正在研發(fā)的手動齒輪箱齒輪潤滑油的選擇為研究對象，對文中提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)供應(yīng)商的經(jīng)驗(yàn)推薦，所需潤滑油的運(yùn)動黏度在100 ℃時應(yīng)為10～14 mm2/s，40 ℃時為70 mm2/s左右才能保證齒輪潤滑及耐久強(qiáng)度的需求。因此已量產(chǎn)手動變速器所使用的潤滑油采用了A款潤滑油，該潤滑油已通過企業(yè)內(nèi)部的手動變速器試驗(yàn)驗(yàn)證體系。另外兩款備選潤滑油為潤滑油B和潤滑油C,三款潤滑油的主要參數(shù)如表1所示。

表1 潤滑油參數(shù)

因變速器低擋位傳動速比大、扭矩大，其接觸強(qiáng)度對潤滑油的選擇較為敏感，因此選擇該變速器的一擋齒輪進(jìn)行研究，其齒輪參數(shù)如表2所示。齒輪材料為20CrMnTi，根據(jù)供應(yīng)商的材料測試數(shù)據(jù)其σHlim為1 560 N/mm2，齒輪加工等級為ISO 7級。

表2 齒輪參數(shù)

利用文中方法分別計算2個擋位在3種潤滑油潤滑下齒輪接觸強(qiáng)度和齒輪扭矩?fù)p失，轉(zhuǎn)速為常用工況2 000 r/min，結(jié)果如表3所示。

表3 齒輪攪油功率損耗及接觸強(qiáng)度計算結(jié)果

可以看出，3種潤滑油中C所導(dǎo)致的扭矩?fù)p失最小，而對于齒輪接觸強(qiáng)度，由于潤滑油黏度降低，其接觸安全系數(shù)也呈下降趨勢。從計算結(jié)果看，在潤滑油C作用下齒輪的接觸安全系數(shù)小于1,不滿足強(qiáng)度需求。因此，綜合強(qiáng)度與效率的結(jié)果，潤滑油B為更為合適的選擇。而潤滑油B的動力黏度比供應(yīng)商推薦的更低，扭矩?fù)p失更小，對變速器傳遞效率的提升更為有利。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過變速器潤滑試驗(yàn)及油溫溫升試驗(yàn)確定其潤滑油加油量為1.7 L。在此條件下，采用同一批次的零部件裝配三臺試驗(yàn)樣機(jī)，分別加注A、B、C 3種備選潤滑油，在相同的試驗(yàn)環(huán)境及試驗(yàn)臺架上，運(yùn)行同一載荷譜對該變速器進(jìn)行耐久驗(yàn)證。試驗(yàn)臺架如圖1所示。

圖1 變速器耐久試驗(yàn)臺架Fig 1 Gearbox durability test rig

試驗(yàn)結(jié)束后，對變速器進(jìn)行拆解發(fā)現(xiàn)加注潤滑油A和潤滑油B的試驗(yàn)樣機(jī)的一擋主從動齒輪及其他各擋位齒輪齒面均未發(fā)生明顯的疲勞損傷，使用潤滑油B的變速器耐久試驗(yàn)后一擋齒輪拆解照片如圖2所示。

圖2 使用潤滑油B耐久試驗(yàn)后一擋主從動齒照片F(xiàn)ig 2 Pictures of the first gears after theduration test with lubricant B

而對于潤滑油C作用下的試驗(yàn)樣機(jī)，在拆解后發(fā)現(xiàn)一擋從動齒輪存在明顯的點(diǎn)蝕痕跡，最大點(diǎn)蝕面寬2.09 mm、長11.05 mm，如圖3所示，不滿足試驗(yàn)評價標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)定試驗(yàn)不通過。由此可以看出，在潤滑油C作用下，該變速器的齒輪接觸強(qiáng)度無法滿足要求。

圖3 使用潤滑油C耐久試驗(yàn)后一擋從動齒磨損照片F(xiàn)ig 3 Pictures of the worn wheel of first gear afterthe duration test with lubricant C

對該變速器選擇潤滑油A、B在潤滑油溫80 ℃下進(jìn)行一擋不同運(yùn)轉(zhuǎn)速度的拖曳力矩測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同潤滑油拖曳力矩測試結(jié)果Fig 4 Gearbox drag loss test results with different lubricant

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，使用潤滑油B能夠較大程度地降低變速器的拖曳扭矩，提高變速器功率傳遞效率。

綜上，利用文中的方法所選擇的潤滑油B能夠保證足夠的齒輪接觸強(qiáng)度，同時可以降低齒輪拖曳扭矩?fù)p耗，提高變速器傳遞效率，降低整車油耗。

5 結(jié)論

(1)提出基于齒輪強(qiáng)度可靠性和傳遞效率的潤滑油油品綜合選擇方法，該方法在兼顧齒輪接觸強(qiáng)度的情況下，可以盡可能地選擇低黏度的潤滑油以降低齒輪攪油而導(dǎo)致的扭矩?fù)p失，提高變速器功率傳遞效率。

(2)利用文中方法使用在研變速器的一擋齒輪參數(shù)進(jìn)行計算，給出了油品選擇建議。計算表明，相對于供應(yīng)商經(jīng)驗(yàn)推薦的潤滑油，利用該方法選擇的潤滑油動力黏度較低。

(3)通過某在研手動變速器進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，利用文中方法所選擇的潤滑油既保證了齒輪強(qiáng)度，又提升了效率，是合理可行的，能夠?yàn)辇X輪箱潤滑油選擇的工程實(shí)踐提供參考。