液力機(jī)械綜合傳動裝置低溫阻力矩特性研究與驗(yàn)證

徐保榮,張金豹,姚李剛,鄒天剛,萬麗

(1.63966部隊(duì),北京 100072;2.中國北方車輛研究所 車輛傳動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100072;3.32212部隊(duì),北京 100093)

0 引言

為保證裝甲車輛的環(huán)境適應(yīng)性[1],需要進(jìn)行大量相關(guān)裝甲車輛的低溫測試,在動力方面如燃料、電池等[2-5]。在動力傳遞方面,液力機(jī)械綜合傳動裝置是現(xiàn)階段裝甲車輛的主要傳動形式,其在正常工作溫度區(qū)間的優(yōu)良傳動性能已經(jīng)過大量的工程驗(yàn)證。但在低溫環(huán)境下的起動特性仍不清晰,需要對液力機(jī)械綜合傳動裝置的低溫阻力矩特性進(jìn)行規(guī)律總結(jié),進(jìn)而為其與發(fā)動機(jī)在低溫下的特性匹配和優(yōu)化提供技術(shù)支撐,實(shí)現(xiàn)裝甲車輛的快速起動和任務(wù)完成。徐保榮等[6]和王凱等[7]對傳動油溫分別為17 ℃、30 ℃、50 ℃和100 ℃下的液力機(jī)械綜合傳動裝置起動扭矩進(jìn)行測試,結(jié)果表明傳動油溫的變化和各類油泵的功率消耗是決定綜合傳動裝置起動扭矩大小的關(guān)鍵因素。

經(jīng)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明,液力機(jī)械綜合傳動裝置在正常工作溫度時,輸入扭矩隨著輸入轉(zhuǎn)速的升高而升高[8]。為提高傳遞效率,降低運(yùn)行阻力矩,目前已針對關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)件的阻力矩特性如齒輪的攪油損失[9-10]、軸承的摩擦力矩[11-12]、濕式離合器帶排力矩[13-14]等進(jìn)行了大量研究。低溫環(huán)境下,影響液力機(jī)械綜合傳動裝置阻力矩變化最為顯著的因素之一就是油液的物理性質(zhì)[15-16],因?yàn)榈蜏貢r潤滑油可能為非牛頓流體狀態(tài)。非牛頓流體特性主要體現(xiàn)在剪切應(yīng)力與剪切速率之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系,表觀黏度是剪切速率的函數(shù)。與牛頓流體相比,非牛頓流體具有不同的特性,譬如黏彈性流體的Weissenberg效應(yīng)[17]。近年非牛頓流體數(shù)值模擬取得很大進(jìn)展,但仍然有很多挑戰(zhàn)性的問題存在,例如非牛頓流體的多相流和湍流等[18]。格子玻爾茲曼方法已成為模擬各種物理現(xiàn)象的有力工具,并顯示出廣泛的發(fā)展前景[19-20]。

綜上所述,本文首先對液力機(jī)械綜合傳動裝置的工作原理及低溫工況下的試驗(yàn)測試方案進(jìn)行說明;隨后對其在低溫工況下的阻力矩進(jìn)行分析,得到液力機(jī)械綜合傳動裝置阻力矩隨溫度和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律;然后通過基于格子玻爾茲曼方法的XFlow仿真軟件實(shí)現(xiàn)液力機(jī)械綜合傳動裝置內(nèi)部的流場狀態(tài)分析;最后通過對潤滑油液特性分析和單個旋轉(zhuǎn)件的攪油阻力矩試驗(yàn),驗(yàn)證了液力機(jī)械綜合傳動裝置阻力矩隨溫度和轉(zhuǎn)速變化規(guī)律的正確性。

1 液力機(jī)械綜合傳動裝置工作原理

綜合傳動裝置是機(jī)電液一體化的復(fù)雜系統(tǒng),如圖1[21]所示,由前傳動、液力變矩器、行星變速機(jī)構(gòu)、左/右匯流排、液壓操縱系統(tǒng)等20個部件組成。其工作原理如下：動力由前傳動輸入,一路功率流經(jīng)液力變矩器,從渦輪軸傳至行星變速機(jī)構(gòu),再經(jīng)主軸傳至兩側(cè)匯流排進(jìn)行動力輸出;另一路功率流(轉(zhuǎn)向流)由前傳動帶動聯(lián)體泵馬達(dá),再由泵馬達(dá)傳至兩側(cè)匯流排中的太陽輪。直駛時,與匯流排中太陽輪相連的零軸制動,動力經(jīng)液力減速器至兩側(cè)匯流排從而輸出驅(qū)動力。

2 綜合傳動低溫測試

2.1 低溫起動測試方案

由于目前并沒有專門針對液力機(jī)械綜合傳動裝置在低溫工況下進(jìn)行起動性能測試的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),因此只能參考其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探索性的試驗(yàn)。根據(jù)兵器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)WJ 20469—2018裝甲車輛臺架試驗(yàn)方法 低溫環(huán)境試驗(yàn)室 裝甲車輛低溫起動性能試驗(yàn)以及國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 5210—2003裝甲車輛綜合傳動裝置臺架試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì),如表1所示。該方案為空載試驗(yàn),采用5W-40型號潤滑油,預(yù)設(shè)溫度為油底殼溫度,輸入轉(zhuǎn)速設(shè)置分別設(shè)置為 200 r/min、500 r/min和800 r/min,其中200 r/min為發(fā)動機(jī)能夠起動的最低轉(zhuǎn)速,800 r/min為液力機(jī)械綜合傳動裝置的怠速,500 r/min為上述二者轉(zhuǎn)速的中間轉(zhuǎn)速,用以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)正確趨勢的表達(dá)。

表1 低溫起動方案設(shè)計(jì)Table 1 Cold starting scheme design

2.2 低溫起動測試數(shù)據(jù)

低溫實(shí)驗(yàn)室及測試的綜合傳動裝置如圖2所示。根據(jù)表1設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行試驗(yàn)測試,記錄的過程數(shù)據(jù)格式如圖3所示,其中穩(wěn)態(tài)阻力矩取其均值進(jìn)行記錄,結(jié)果如表1所示。

圖2 綜合傳動裝置低溫實(shí)驗(yàn)室Fig.2 Low Temperature Laboratory for the HMCTD

圖3 綜合傳動裝置低溫起動數(shù)據(jù)記錄Fig.3 Coldstarting data of the HMCTD

3 液力機(jī)械綜合傳動低溫起動特性分析

3.1 低溫起動特性分析

為便于觀察表1中測試結(jié)果的規(guī)律性,繪制不同溫度下轉(zhuǎn)速-扭矩的關(guān)系圖,如圖4所示。從圖4 中可以看到：當(dāng)溫度低于-20 ℃時,隨著轉(zhuǎn)速的升高,穩(wěn)態(tài)阻力矩呈現(xiàn)非線性快速下降;當(dāng)溫度高于 -20 ℃ 時,隨著轉(zhuǎn)速的升高,穩(wěn)態(tài)阻力矩呈現(xiàn)線性緩慢上升;在-20 ℃時,穩(wěn)態(tài)阻力矩則基本不隨轉(zhuǎn)速變化;不同溫度點(diǎn)隨轉(zhuǎn)速升高,穩(wěn)態(tài)阻力矩波動范圍都會變大?？紤]測試的不確定性,據(jù)上述觀察可以推斷應(yīng)該存在一處溫度區(qū)間,該溫度區(qū)間上下的綜合傳動裝置穩(wěn)態(tài)運(yùn)行阻力矩隨轉(zhuǎn)速具有不同的變化規(guī)律。該規(guī)律的探索有助于裝甲車輛在低溫環(huán)境下的快速起動控制策略的制定,提升裝甲車輛的機(jī)動性。

圖4 轉(zhuǎn)速-溫度-轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖Fig.4 Speed-Temperature-Torque relationship

3.2 液力機(jī)械綜合傳動裝置流場分析

由于潤滑油液特性受低溫環(huán)境的影響最為顯著,首先利用Xflow軟件對綜合傳動裝置內(nèi)部進(jìn)行流場仿真。Xflow軟件基于格子波爾茲曼-大渦模擬無網(wǎng)格技術(shù)求解流場,通過粒子的方法對計(jì)算空間進(jìn)行離散,使其解決復(fù)雜幾何模型問題和移動邊界問題變得更為便捷。如圖5(a)～圖5(f)所示,為綜合傳動裝置起動過程不同時刻的潤滑油液分布情況。該仿真算例在90 ℃進(jìn)行,初始潤滑油液面高度與主軸等高,傳動裝置外部輸入轉(zhuǎn)速為2 200 r/min,設(shè)置6擋。圖6為-43 ℃時,綜合傳動裝置外部輸入轉(zhuǎn)速為800 r/min,空載工況下內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)流場分布。從圖5和圖6中可以看出,潤滑油液主要分布在液力變矩器等大型旋轉(zhuǎn)件附近,且低溫條件下潤滑油液分布范圍變小,飛濺程度降低。鑒于綜合傳動流場的復(fù)雜性,為驗(yàn)證圖4中所示的綜合傳動裝置低溫起動阻力矩規(guī)律,需深入探索不同溫度下油液特性及其對阻力矩的影響。

圖5 90 ℃、2 200 r/min時綜合傳動裝置的起動過程流場分析Fig.5 Flow field analysis of the HMCTD during the starting process at 90 ℃ and 2 200 r/min

圖6 -43 ℃、800 r/min時綜合傳動裝置的穩(wěn)態(tài)流場Fig.6 Stable flow field of the HMCTD at -43 ℃ and 800 r/min

4 低溫起動機(jī)理分析

為分析上述液力機(jī)械綜合傳動裝置的阻力矩機(jī)理,分別對潤滑油液特性和不同溫度下單個旋轉(zhuǎn)件的運(yùn)行阻力矩隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢進(jìn)行測試。

4.1 潤滑油液特性分析

對于牛頓流體,根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律有：

(1)

對于非牛頓流體,則有

(2)

式中：n為冪律流變指數(shù),為無量綱量,表征非牛頓流體的流動特性偏離牛頓流體的程度。

采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3219-2—2021,通過奧地利Anton Paar公司產(chǎn)MCR302 流變儀雙平板測試系統(tǒng)對5W-40油液進(jìn)行測試,如圖7所示。在不同溫度下,油液黏度隨剪切速率的變化規(guī)律如圖8所示,可以初步判斷5W-40油液在低于-20 ℃后逐漸呈現(xiàn)非牛頓流體特性,即為假塑性流體。5W-40潤滑油的運(yùn)動黏度和密度隨溫度的變化趨勢如圖9和圖10 所示。由圖9和圖10可以看出：潤滑油運(yùn)動黏度隨溫度降低呈指數(shù)趨勢急劇增加,導(dǎo)致流動性變差,易和機(jī)械旋轉(zhuǎn)件發(fā)生黏附;潤滑油密度隨溫度降低呈緩慢增加趨勢,質(zhì)量的增大進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)械旋轉(zhuǎn)件攪油扭矩的增加。

圖7 5W-40潤滑油液特性測試Fig.7 Testing of 5W-40 lubricating oil

圖8 5W-40潤滑油在不同溫度下的特性對比Fig.8 Comparison of the characteristics of the 5W-40 lubricating oil at different temperatures

圖9 5W-40潤滑油運(yùn)動黏度隨溫度變化趨勢Fig.9 Kinematic viscosity of the 5W-40 lubricating oil with temperature

圖10 5W-40潤滑油密度隨溫度變化趨勢Fig.10 Density of the 5W-40 lubricating oil with temperature

4.2 旋轉(zhuǎn)件低溫運(yùn)行阻力矩特性

旋轉(zhuǎn)件低溫測試試驗(yàn)臺如圖11所示,旋轉(zhuǎn)件順時針旋轉(zhuǎn),阻力矩測試結(jié)果如圖12所示。從圖12中可以看出：在溫度區(qū)間[-50 ℃,-10 ℃]和轉(zhuǎn)速區(qū)間[350 r/min,800 r/min]內(nèi),旋轉(zhuǎn)件阻力矩隨轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)升高-降低-升高的規(guī)律,且隨著溫度的降低,這種規(guī)律越來越明顯;而在0 ℃和23 ℃阻力矩則隨轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)緩慢單調(diào)遞增的規(guī)律。

圖11 旋轉(zhuǎn)件低溫阻力矩測試裝置Fig.11 Testing device for the resistance torque of the rotating part at low temperatures

圖12 旋轉(zhuǎn)件隨溫度的阻力矩特性Fig.12 Resistance torque characteristics of the rotating part at low temperatures

如圖13～圖15所示,設(shè)置相同的液面高度,對23 ℃、-20 ℃和-40 ℃下不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)件流場進(jìn)行分析對比[22],得出如下結(jié)論：

圖13 23 ℃液面分布(運(yùn)動黏度63.5 mm2/s)Fig.13 Oil distribution at 23 ℃ with kinematic viscosity at 63.5 mm2/s

圖14 -20 ℃液面分布(運(yùn)動黏度286.2 mm2/s)Fig.14 Oil distribution at -20 ℃ with kinematic viscosity at 286.2 mm2/s

圖15 -40 ℃液面分布(運(yùn)動黏度704.3 mm2/s)Fig.15 Oil distribution at -40 ℃ with kinematic viscosityat 704.3 mm2/s

1)在不同溫度下轉(zhuǎn)速為100 r/min時,23 ℃時的油液由于黏度較低,重力影響明顯大于慣性力和附著力,僅少數(shù)流體完成整周的流動。隨著溫度的降低,潤滑油液黏度逐漸增加,更多的油液黏附在旋轉(zhuǎn)件上,導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)力矩增加。

2)在23 ℃時,隨著轉(zhuǎn)速的升高,旋轉(zhuǎn)件攪動的油液逐漸增多,開始形成飛濺。在-40 ℃時,由于潤滑油的附著力遠(yuǎn)高于重力和慣性力,導(dǎo)致潤滑油液纏繞在旋轉(zhuǎn)件上。-20 ℃時的流場,屬于牛頓流體向非牛頓流體的過渡階段,二者現(xiàn)象皆有。

通過不同溫度下液力機(jī)械綜合傳動裝置和單個旋轉(zhuǎn)件的阻力矩隨轉(zhuǎn)速的規(guī)律分析,可以看出潤滑油液隨溫度所表現(xiàn)出來的物理特性是影響綜合傳動裝置內(nèi)部旋轉(zhuǎn)件運(yùn)行阻力矩的主要因素,后續(xù)可以借助該規(guī)律進(jìn)行裝甲車輛的低溫起動控制以及潤滑油液的特性設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

本文通過對液力機(jī)械綜合傳動裝置在低溫環(huán)境下的阻力矩測試,得到主要結(jié)論如下：

1)在[-40 ℃,-20 ℃) 溫度區(qū)間內(nèi),綜合傳動裝置的阻力矩隨轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)非線性快速降低的趨勢;在(-20 ℃,20 ℃]溫度區(qū)間內(nèi),則呈現(xiàn)線性緩慢遞增的規(guī)律,而在-20 ℃時阻力矩隨轉(zhuǎn)速基本沒有變化。

2)通過90 ℃、輸入轉(zhuǎn)速2 200 r/min工況下綜合傳動裝置起動至穩(wěn)定狀態(tài)的內(nèi)部流場仿真,展示了潤滑油液分布的發(fā)展過程。與-43 ℃、輸入轉(zhuǎn)速800 r/min工況下穩(wěn)定流場分布進(jìn)行對比,可以看到低溫工況下潤滑油液分布范圍變小,飛濺程度降低。

3)5W-40 潤滑油液在低于-10 ℃時即開始逐漸呈現(xiàn)非牛頓流體特性,綜合傳動裝置和旋轉(zhuǎn)件所呈現(xiàn)的阻力矩與溫度和轉(zhuǎn)速的規(guī)律基本符合。

4)對旋轉(zhuǎn)件在不同溫度和轉(zhuǎn)速下的阻力矩進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)在溫度區(qū)間[-50 ℃,-10 ℃]和轉(zhuǎn)速區(qū)間[350 r/min,800 r/min]內(nèi)旋轉(zhuǎn)件阻力矩隨轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)升高-降低-升高的規(guī)律;而在0 ℃和 23 ℃ 溫度下,旋轉(zhuǎn)件阻力矩隨轉(zhuǎn)速的升高僅呈現(xiàn)單調(diào)升高的規(guī)律。

上述規(guī)律的發(fā)現(xiàn),在低溫工作環(huán)境下能夠?yàn)榘l(fā)動機(jī)和綜合傳動裝置的匹配優(yōu)化提供技術(shù)支撐,實(shí)現(xiàn)裝甲車輛的快速起動和任務(wù)完成。