8×8輪式車分動(dòng)器的熱平衡研究

唐 鏡，丁秀娟，馮 宇，梁文姣，劉啟佳

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

某8×8輪式車試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)車輛行駛1 h后分動(dòng)器機(jī)油溫度達(dá)到了120～125℃，已經(jīng)超過(guò)機(jī)油正常使用溫度(不超過(guò)120℃)，且潤(rùn)滑散熱系統(tǒng)尚未達(dá)到熱平衡狀態(tài).本研究就此技術(shù)問(wèn)題從試驗(yàn)和理論兩個(gè)方面進(jìn)行了研究.

1 某8×8輪式車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

該車采用了商用高壓共軌電控發(fā)動(dòng)機(jī)、商用客車的變速器、工程機(jī)械用的二擋分動(dòng)器、手自一體的AMT變速自動(dòng)操縱、非承載式專用車橋和輪邊減速器.該車為全封閉承載式車身，動(dòng)力艙右前置，發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器布置在動(dòng)力艙內(nèi)，可整體吊裝.其傳動(dòng)鏈布置見(jiàn)圖1，圖中虛線框內(nèi)的所有動(dòng)力傳動(dòng)部件布置在輪式車體內(nèi).

分動(dòng)器位于動(dòng)力艙外，由原來(lái)的立式布置改為臥式安裝，對(duì)溢油口和通氣口的位置進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整.其輸入軸上配有內(nèi)嚙合齒輪泵(簡(jiǎn)稱潤(rùn)滑泵)，泵后連接N200取力器(取力器可提供2000 N·m動(dòng)力，帶動(dòng)功能設(shè)備)，通過(guò)車內(nèi)氣源可控制通斷.根據(jù)產(chǎn)品使用要求，外接10 kW的散熱器.分動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，在車內(nèi)臥式安裝見(jiàn)圖3，主要參數(shù)見(jiàn)表1.

圖1 某型8×8傳動(dòng)框圖

圖2 分動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 分動(dòng)器臥式安裝圖

表1 分動(dòng)器主要參數(shù)表

2 分動(dòng)器熱平衡問(wèn)題及原因分析

試驗(yàn)考核中，在約30℃的環(huán)境條件下，樣車以50 km/h平均速度 (該車最大車速為100 km/h)行駛約1 h后，分動(dòng)器內(nèi)機(jī)油溫度達(dá)到了120～125℃，且散熱系統(tǒng)尚未達(dá)到熱平衡.該輪式車設(shè)計(jì)要求在環(huán)境溫度為55℃時(shí)，車輛能夠正常行駛，機(jī)油散熱系統(tǒng)在機(jī)油正常使用溫度下達(dá)到熱平衡狀態(tài).

2.1 分動(dòng)器過(guò)熱問(wèn)題的失效樹(shù)(FTA)分析

分動(dòng)器配有潤(rùn)滑泵.從潤(rùn)滑泵泵出的油量進(jìn)入10 kW散熱器進(jìn)行換熱，換熱冷卻后的機(jī)油回到分動(dòng)器內(nèi).根據(jù)分動(dòng)器潤(rùn)滑和散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從3個(gè)方面進(jìn)行分析和試驗(yàn)驗(yàn)證 (見(jiàn)圖4).

圖4 過(guò)熱問(wèn)題失效樹(shù)分析

2.2 分動(dòng)器散熱量校核計(jì)算［1-4］

根據(jù)文獻(xiàn)［1］～文獻(xiàn)［4］中對(duì)分動(dòng)器和變速箱的散熱校核計(jì)算的公式對(duì)該分動(dòng)器的散熱量進(jìn)行校核.

分動(dòng)器散熱計(jì)算的工況，設(shè)定在發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)工作狀況下進(jìn)行.

1)功率傳遞效率產(chǎn)生的散熱量Q1.

式中:P1為輸入軸的傳動(dòng)功率，取240 kW;η為傳動(dòng)效率，η=η1×η2×η3，η1為1對(duì)圓柱齒輪嚙合效率，η1=0.98;η2為軸承摩擦所損耗的效率，1個(gè)滾子軸承的傳動(dòng)效率為η2=0.98;η3為潤(rùn)滑油飛濺和攪動(dòng)所損耗的效率，η3=1－φ3，當(dāng)齒輪浸入油池中的深度不大于2倍齒高時(shí)，1個(gè)齒輪的φ3值為:

式中:v為齒輪節(jié)圓圓周線速度，m/s;b為齒輪寬度，mm;r為潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)粘度，該值為17 mm2/s;Z為主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪的齒輪總齒數(shù)，為50;1個(gè)齒輪的φ3=0.002.

則Q1=9.965 kW.

2)原箱體在外露狀態(tài)下表面散熱量Q2.

式中:K為傳熱系數(shù)，該殼體為鑄鋼件，取8.7～17.5 W/(m2·℃);在輪式車內(nèi)系數(shù)可取為10W/(m2·℃);

S為箱體表面積，約為1.5 m2;T2為潤(rùn)滑油允許最高溫度，為 120℃;T1為環(huán)境溫度，為55℃;

通過(guò)計(jì)算Q2=0.975 kW.

通過(guò)理論核算分動(dòng)器需要散熱的熱量約為9 kW.在該型輪式車輛上，分動(dòng)器散熱系統(tǒng)采用10 kW散熱器是符合設(shè)計(jì)要求的.

2.3 分動(dòng)器機(jī)油散熱系統(tǒng)性能的單參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)研究

在確定分動(dòng)器所需散熱量后，分動(dòng)器的熱平衡問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為分動(dòng)器機(jī)油散熱系統(tǒng)性能匹配問(wèn)題，其主要影響因素有:機(jī)油散熱器性能、潤(rùn)滑機(jī)油油量、冷卻管路布置、潤(rùn)滑油泵能力.對(duì)此逐一進(jìn)行單參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)研究.

2.3.1 分動(dòng)器機(jī)油散熱器性能測(cè)試對(duì)比

該車動(dòng)力傳動(dòng)散熱系統(tǒng)為整體集成式，變速器散熱器和分動(dòng)器散熱器位置相鄰，進(jìn)油口和回油口的接口完全一致，分動(dòng)器散熱器容量為10 kW，變速器散熱器容量為13 kW，變速器散熱量比分動(dòng)器的散熱器散熱容量大.為了驗(yàn)證該分動(dòng)器的散熱器散熱能力，將分動(dòng)器的進(jìn)回油接口與變速器的進(jìn)回油接口互換，分動(dòng)器加油量為8 L.

散熱容量提高30%，車輛以速度85 km/h的持續(xù)行駛50 min后，分動(dòng)器油溫升到125℃，對(duì)降低油溫?zé)o明顯改變，溫升對(duì)比情況如圖5所示.

圖5 增加散熱能力30%的分動(dòng)器溫升試驗(yàn)對(duì)比

2.3.2 分動(dòng)器潤(rùn)滑機(jī)油油量與攪油損失的試驗(yàn)研究

將分動(dòng)器油溫、油壓傳感器安裝在進(jìn)油管路上，進(jìn)行不同機(jī)油量對(duì)分動(dòng)器油液循環(huán)的影響試驗(yàn).試驗(yàn)證明，在分動(dòng)器原加油量6 L(分動(dòng)器加油至溢油孔位置，為6 L油)的基礎(chǔ)上增加2 L機(jī)油，對(duì)于分動(dòng)器油液的冷卻循環(huán)效果有改善，驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示.

增加油量后油壓峰值顯示為0.02 MPa，此時(shí)的傳感器測(cè)試油溫比分動(dòng)器殼體油溫仍然低30℃左右，表明管路內(nèi)的流量仍然很小.

圖6 不同加油量對(duì)分動(dòng)器油溫的影響

2.3.3 散熱系統(tǒng)管路損失研究

分動(dòng)器散熱系統(tǒng)示意如圖7所示.散熱器進(jìn)油歷程主要分為2段，第1段為潤(rùn)滑泵從分動(dòng)器殼體吸油進(jìn)潤(rùn)滑泵，第二段管路為潤(rùn)滑泵出口到散熱器進(jìn)口.

圖7 分動(dòng)器散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1)潤(rùn)滑油泵吸油管路.

分動(dòng)器為臥式安裝，輸入、輸出和中間軸上的齒輪均存在攪油損失，再加注核準(zhǔn)的機(jī)油量，分動(dòng)器潤(rùn)滑泵吸油口距離差速器總成端面間隙約為10～20 mm.差速器總成高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，該吸油管路吸入了高速甩油的泡沫，減少了吸油量，直接影響到冷卻系統(tǒng)的散熱能力.

在分動(dòng)器底部增加擋油板結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明:增加擋油板的分動(dòng)器建立了潤(rùn)滑油壓，峰值壓力為0.28 MPa，低壓不小于0.06 MPa，機(jī)油流量增大效果明顯，一定程度上緩解了分動(dòng)器油溫升高的問(wèn)題，如圖8所示.但是，該車以60 km/h的速度行駛90 min后，油溫仍有升高的趨勢(shì)，沒(méi)有達(dá)到熱平衡狀態(tài).

2)潤(rùn)滑油泵流量的工況標(biāo)定.

分動(dòng)器潤(rùn)滑油泵給散熱器提供的流量為10 L/min(轉(zhuǎn)速為2000 r/min).該分動(dòng)器的潤(rùn)滑泵吸油后，通過(guò)兩個(gè)φ6 mm油口進(jìn)行分流，一路對(duì)箱體內(nèi)部齒輪和軸承進(jìn)行強(qiáng)制潤(rùn)滑，一路進(jìn)入散熱器冷卻.在臺(tái)架試驗(yàn)中對(duì)分動(dòng)器油泵出油口流量進(jìn)行了測(cè)試，把潤(rùn)滑泵出油口連接油管(接入散熱器油路)直接接入到外部試驗(yàn)用油箱里，管路阻力可以忽略不計(jì)，測(cè)試結(jié)果如圖9所示，此時(shí)給散熱器提供的流量與該分動(dòng)器的設(shè)計(jì)值基本吻合，內(nèi)外流量分配比例為4∶10.

圖9 分動(dòng)器潤(rùn)滑油泵進(jìn)出油口流量對(duì)比

由于分動(dòng)器潤(rùn)滑油泵的兩個(gè)分流油口沒(méi)有定量分流，機(jī)油便會(huì)流向阻力小的管路.在輪式車上，分動(dòng)器散熱器集成于冷卻系統(tǒng)中，位于車體頂部，管路總阻力值達(dá)到0.2 MPa以上.而分動(dòng)器內(nèi)部潤(rùn)滑油路阻力小，相對(duì)于散熱系統(tǒng)阻力可以忽略不計(jì)，這樣流入散熱器的機(jī)油流量不能達(dá)到臺(tái)架試驗(yàn)出油流量，不能滿足分動(dòng)器散熱冷卻的需要.

3 解決措施

通過(guò)單參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)研究證明，分動(dòng)器過(guò)熱，不能達(dá)到熱平衡問(wèn)題的主要因素為潤(rùn)滑泵泵入散熱器機(jī)油流量不能達(dá)到設(shè)計(jì)值，不能滿足分動(dòng)器散熱要求.為此采取以下兩個(gè)改進(jìn)措施，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.

3.1 采用齒輪外嚙合泵保證機(jī)油流量

3.1.1 外嚙合齒輪泵的參數(shù)匹配

在分動(dòng)器油道孔徑無(wú)法進(jìn)行調(diào)整的前提下，分動(dòng)器取力器外接一個(gè)外嚙合齒輪泵用于機(jī)油冷卻回路.在分動(dòng)器殼體底端增加一個(gè)吸油口，通過(guò)外接油泵直接吸油，與原潤(rùn)滑泵吸油互不干涉.原潤(rùn)滑泵出油口與原內(nèi)部潤(rùn)滑口接通，使原潤(rùn)滑泵所泵機(jī)油全部回到分動(dòng)器內(nèi)進(jìn)行潤(rùn)滑.

經(jīng)分析計(jì)算，選用排量為6.4 ml/r的外嚙合齒輪泵，在1500 r/min時(shí)，流量能達(dá)到9.6 L/min，在2000 r/min時(shí)，流量達(dá)到12.8 L/min.通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)定改進(jìn)后的分動(dòng)器在不同轉(zhuǎn)速下外接油泵的流量如圖10所示.當(dāng)油泵轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)，油泵流量能達(dá)到12.8 L/min，滿足設(shè)計(jì)要求.

圖10 分動(dòng)器改造后油泵流量

3.1.2 外嚙合齒輪油泵的布置與控制

從圖11中可以看出，取力器是接到分動(dòng)器潤(rùn)滑泵后.該外接齒輪泵在倒擋行駛時(shí)，齒輪油泵可能會(huì)出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象.為了避免外接齒輪泵(該吸油口和出油口的承壓能力不一致)在倒擋行駛時(shí)出現(xiàn)吸空或損壞問(wèn)題，需要車輛掛倒擋行駛時(shí)，聯(lián)動(dòng)車內(nèi)氣源，控制取力器脫擋，外接齒輪油泵不工作.控制電路見(jiàn)圖12.

圖11 改進(jìn)后的分動(dòng)器散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2 通過(guò)隔艙化設(shè)計(jì)提高吸油效率

通過(guò)確認(rèn)分動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)吸油口距離分動(dòng)器中差速器總成輸出齒輪距離太近，約為10～20 mm，不利于油泵吸油.為了避免在吸油口處吸到高速機(jī)油泡沫，在輸出齒輪齒端甩油處增加隔艙化設(shè)計(jì)的擋油盤(pán)，如圖13所示.

3.3 樣車試驗(yàn)結(jié)果

安裝改進(jìn)后的分動(dòng)器樣車，在45℃的環(huán)境溫度下，以95 km/h的速度在8×8底盤(pán)測(cè)功機(jī)上持續(xù)行駛33 min后，分動(dòng)器外接油泵出口溫度試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示.從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，分動(dòng)器的機(jī)油溫度為80℃，達(dá)到平衡.通過(guò)測(cè)功機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，該輪式車在環(huán)境溫度升高10℃，分動(dòng)器潤(rùn)滑油熱平衡溫度將升高10℃左右.經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，預(yù)測(cè)環(huán)境溫度為55℃時(shí)，分動(dòng)器機(jī)油溫度在100℃內(nèi)能達(dá)到平衡.能夠滿足55℃高熱環(huán)境條件下的使用要求，分動(dòng)器熱平衡問(wèn)題得到有效解決.

圖12 取力器控制電路

圖13 分動(dòng)器增加齒輪擋板后實(shí)物圖

圖14 分動(dòng)器改造后分動(dòng)器油溫溫度

接著，樣車又在環(huán)境溫度處于35～40℃范圍內(nèi)的北京地區(qū)，進(jìn)行了4 h持續(xù)行駛 (速度為80～90 km/h)，分動(dòng)器油溫也基本保持在80℃左右.后續(xù)40000 km的行駛里程試驗(yàn)，分動(dòng)器油溫也基本保持在80℃左右.針對(duì)機(jī)油使用工況，有40℃的升溫空間.

4 結(jié)論

1)應(yīng)用試驗(yàn)和實(shí)際工況參數(shù)標(biāo)校的方法，對(duì)散熱器散熱能力、潤(rùn)滑泵實(shí)際有效流量、冷卻系統(tǒng)管路損失、分動(dòng)器攪油損失等主要影響因素進(jìn)行了分析與比較，結(jié)果表明分動(dòng)器過(guò)熱的原因是流向散熱的機(jī)油流量不能滿足分動(dòng)器的散熱要求.

2)對(duì)分動(dòng)器的潤(rùn)滑系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，即增加了外嚙合齒輪油泵和在輸出齒輪齒端處增加擋油盤(pán).改進(jìn)后的分動(dòng)器經(jīng)測(cè)功機(jī)試驗(yàn)和40000 km的行駛試驗(yàn)，結(jié)果表明分動(dòng)器的機(jī)油溫度由125℃降低到了約80℃，在45℃環(huán)境條件下達(dá)到了平衡，并判斷在55℃環(huán)境條件下，車輛正常行駛，分動(dòng)器機(jī)油溫度在100℃內(nèi)達(dá)到熱平衡.

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