乘用車(chē)變速箱潤(rùn)滑系統(tǒng)及開(kāi)發(fā)試驗(yàn)

郭必勝

上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心 上海 201800

引言

通常，除少量特殊部位（一般是自密封良好的軸承）采用油脂潤(rùn)滑，變速箱內(nèi)部絕大部分零件采用的是油潤(rùn)滑。油潤(rùn)滑兼具潤(rùn)滑、散熱、去污等多種功能，且易于更換，最為適應(yīng)變速箱的工作特點(diǎn)。從潤(rùn)滑油的驅(qū)動(dòng)源動(dòng)力來(lái)說(shuō)，潤(rùn)滑系統(tǒng)一般是分為強(qiáng)制潤(rùn)滑和飛濺式潤(rùn)滑兩類(lèi)，也有部分是兩者綜合（比如大部分強(qiáng)制噴油結(jié)合局部飛濺）。強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)中，油液由油泵驅(qū)動(dòng)，通過(guò)固定油路（殼體內(nèi)部加工孔道）及獨(dú)立管道到達(dá)潤(rùn)滑需求部位。飛濺式潤(rùn)滑系統(tǒng)中，油液主要由低位齒輪（這些齒輪較大程度的浸沒(méi)在油中）轉(zhuǎn)動(dòng)而帶起，從空中直接到達(dá)目標(biāo)位置或者先到達(dá)殼體內(nèi)壁，然后通過(guò)集油通道自然流動(dòng)至潤(rùn)滑需求部位。當(dāng)前，傳統(tǒng)自動(dòng)變速箱（AT）、無(wú)級(jí)變速箱（CVT）及濕式雙離合變速箱（WDCT）多采用強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)，控制系統(tǒng)（控制離合器、液力變矩器、鋼帶及撥叉等）的液壓回路可以與潤(rùn)滑回路融合。對(duì)于手動(dòng)變速箱（MT/AMT）及干式雙離合變速箱（DDCT），考慮到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，多采用飛濺式潤(rùn)滑方式。

1 典型的變速箱飛濺式潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及開(kāi)發(fā)試驗(yàn)方法

1.1 飛濺式潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，當(dāng)前MT（DDCT的齒輪箱與MT基本一樣）主要有兩軸式結(jié)構(gòu)和三軸式結(jié)構(gòu)。兩軸式包含一根輸入軸和一根中間軸，三軸式包含一根輸入軸和兩根中間軸。兩軸式與三軸式變速箱內(nèi)部軸系布置有明顯差別，對(duì)應(yīng)其潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也有明顯區(qū)別。

（1）圖1為一種典型的兩軸式變速箱潤(rùn)滑回路結(jié)構(gòu)。主要回路由近端（潤(rùn)滑目標(biāo)位置在主減大齒輪側(cè)）回路和遠(yuǎn)端回路（潤(rùn)滑目標(biāo)位置在遠(yuǎn)離主減大齒輪側(cè)）組成。這種結(jié)構(gòu)中，油液飛濺的動(dòng)力源主要包括主減大齒輪、一擋從動(dòng)齒（二擋從動(dòng)齒也有輔助作用）。由于主減大齒輪、一擋從動(dòng)齒位于同側(cè)，近端回路主要是油液飛濺——?dú)んw內(nèi)壁——導(dǎo)油嘴——傳動(dòng)軸，遠(yuǎn)端回路則是油液飛濺——導(dǎo)游槽——?dú)んw內(nèi)壁油道——導(dǎo)油嘴——傳動(dòng)軸。導(dǎo)游槽起到關(guān)鍵作用，把潤(rùn)滑油從近端運(yùn)輸?shù)竭h(yuǎn)端，并且通過(guò)開(kāi)溢流口的方式來(lái)保證中間位置的潤(rùn)滑。

圖1 兩軸式MT變速箱潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）圖2則為一種三軸式DDCT變速箱齒輪箱潤(rùn)滑回路結(jié)構(gòu)。與兩軸式相比，最大的區(qū)別是由單側(cè)甩油改成了雙側(cè)甩油。其中主減大齒輪主要負(fù)責(zé)軸系的近端部位供油，一擋從動(dòng)齒則承擔(dān)軸系遠(yuǎn)端供油，去掉了導(dǎo)游槽這種長(zhǎng)途運(yùn)輸潤(rùn)滑油的專(zhuān)用部件。

圖2 三軸式MT變速箱潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 飛濺式潤(rùn)滑系統(tǒng)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)

在新變速箱開(kāi)發(fā)過(guò)程中，潤(rùn)滑試驗(yàn)一般是所有開(kāi)發(fā)試驗(yàn)的第一個(gè)。如果潤(rùn)滑性能有明顯缺陷，耐久試驗(yàn)沒(méi)有開(kāi)展的必要。對(duì)于飛濺式潤(rùn)滑系統(tǒng)，其潤(rùn)滑試驗(yàn)當(dāng)前主要有以下幾種方式，實(shí)際工作中往往根據(jù)具體情況采用多種方式相結(jié)合。

（1）主觀觀測(cè)。比如齒面的潤(rùn)滑，1st齒這種低檔位，尺寸大的齒輪可以通過(guò)直接浸油得到潤(rùn)滑，5th齒這種高檔位，尺寸小的齒輪則需要通過(guò)飛濺潤(rùn)滑。油液飛濺不便于直接量化測(cè)量，一般是觀測(cè)后給出經(jīng)驗(yàn)判斷。還有位置偏高遠(yuǎn)離潤(rùn)滑動(dòng)力源的部位，其潤(rùn)滑量需求可能不高，那么主觀觀測(cè)分辨有油還是無(wú)油即可做出判斷。以往，主觀觀測(cè)多采用金屬殼體開(kāi)窗貼透明片，隨著材料和工藝的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)可以應(yīng)用全透明殼體。如采用高性能PC（聚碳酸酯）板，配合合適的工藝，制成的殼體可以裝配全部軸系并在無(wú)負(fù)載的情況下高速運(yùn)轉(zhuǎn)，滿(mǎn)足潤(rùn)滑試驗(yàn)的絕大部分工況要求。通過(guò)主觀觀測(cè)，大部分運(yùn)轉(zhuǎn)部件的潤(rùn)滑情況可以得到基本的判斷。

（2）局部流量測(cè)試。由于結(jié)構(gòu)原因，有些部位不能直接觀測(cè)，比如圖2上軸中的齒輪滾針軸承。其潤(rùn)滑途徑是通過(guò)導(dǎo)油嘴1和導(dǎo)油嘴3統(tǒng)一進(jìn)油然后內(nèi)部分配。由于位置不同，各滾針軸承之間得到的潤(rùn)滑油量可能相差懸殊，因此有必要進(jìn)行定量測(cè)量。一種可行的測(cè)量方法是在變速箱總成臺(tái)架試驗(yàn)中直接測(cè)量導(dǎo)油嘴進(jìn)油總量結(jié)合單軸內(nèi)部流量分配試驗(yàn)。比如應(yīng)用堵頭臨時(shí)堵塞導(dǎo)油嘴3，同時(shí)在殼體打孔將潤(rùn)滑油引出測(cè)量則得到進(jìn)入該導(dǎo)油嘴流量，然后在一個(gè)以單軸為試驗(yàn)對(duì)象的零件試驗(yàn)臺(tái)上以導(dǎo)油嘴流量作為邊界輸入條件，最后得到每個(gè)滾針軸承的潤(rùn)滑油量。軸承潤(rùn)滑油量與設(shè)計(jì)要求流量比較即可進(jìn)行性能判斷。

（3）局部溫度測(cè)試。潤(rùn)滑不良會(huì)導(dǎo)致摩擦生熱量劇增，因而會(huì)使局部溫度快速上升，故局部溫度監(jiān)測(cè)也是對(duì)于潤(rùn)滑性能開(kāi)發(fā)的一種輔助手段。如傳動(dòng)軸兩端的錐軸承，當(dāng)主觀觀測(cè)發(fā)現(xiàn)有少量潤(rùn)滑油但不能準(zhǔn)確量化流量，僅憑經(jīng)驗(yàn)判斷就會(huì)比較困難，此時(shí)附加監(jiān)測(cè)局部溫度則可以提供有效信息。一般經(jīng)驗(yàn)，軸承持續(xù)工作三到五小時(shí)且局部溫度穩(wěn)定，則基本可以認(rèn)為潤(rùn)滑合格。

2 典型的變速箱強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及開(kāi)發(fā)試驗(yàn)方法

2.1 強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)

傳統(tǒng)自動(dòng)變速箱（AT）、無(wú)級(jí)變速箱（CVT）及濕式雙離合變速箱（WDCT）有濕式離合器，需采用強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)。圖3是一種典型的強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要由過(guò)濾系統(tǒng)、油泵、封閉油路、流量分配閥、噴油嘴等組成，潤(rùn)滑油如箭頭所示在系統(tǒng)中流動(dòng)。飛濺式潤(rùn)滑系統(tǒng)由于甩油的驅(qū)動(dòng)齒輪受轉(zhuǎn)速影響明顯，因此高速與低速的潤(rùn)滑性能往往差距很大，潤(rùn)滑性能穩(wěn)定性不佳；強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)則由于有了油泵這個(gè)穩(wěn)定的動(dòng)力源，配合閥體作為主動(dòng)調(diào)節(jié)手段，可以保證潤(rùn)滑對(duì)象得到穩(wěn)定的潤(rùn)滑流量。

圖3 一種典型的強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)

潤(rùn)滑開(kāi)發(fā)試驗(yàn)需要回答兩個(gè)問(wèn)題：多少油量合適？關(guān)鍵位置噴油量是否符合要求？對(duì)于強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)，潤(rùn)滑性能主要由油泵性能以及閥體分配性能決定。系統(tǒng)內(nèi)部油液流動(dòng)為壓力驅(qū)動(dòng)，因此在試驗(yàn)過(guò)程中，監(jiān)控對(duì)象為主油路壓力和關(guān)鍵位置的壓力。主油路壓力代表油泵的性能，局部壓力代表局部位置的潤(rùn)滑量。一般試驗(yàn)方案包括兩部分：

（1）確定總油量

總油量的判斷標(biāo)準(zhǔn)是保證油泵在所有工況下都能正常工作，輸出足夠的壓力，那么油泵就不能吸入空氣。實(shí)際試驗(yàn)中，油泵吸入空氣往往發(fā)生在各種極限姿態(tài)下，這些極限姿態(tài)對(duì)應(yīng)于整車(chē)行駛過(guò)程中的各種大加速度的工況，比如全油門(mén)起步及緊急制動(dòng)可以用變速箱沿輸入軸旋轉(zhuǎn)一定角度來(lái)模擬，急轉(zhuǎn)彎則用變速箱側(cè)傾一定角度來(lái)模擬。圖4為一種可以使變速箱多向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。在正常姿態(tài)下，測(cè)量到的各工況下（轉(zhuǎn)速、擋位等）的主油路壓力P0作為參考值，實(shí)際姿態(tài)下的實(shí)測(cè)壓力通過(guò)與P0進(jìn)行比較來(lái)判斷油泵是否吸入空氣。一般油泵吸入空氣會(huì)導(dǎo)致壓力明顯不足或者明顯振蕩（參見(jiàn)圖5），油液中也會(huì)產(chǎn)生明顯的泡沫。

圖4 一種可以多向旋轉(zhuǎn)的潤(rùn)滑試驗(yàn)臺(tái)

圖5 油泵正常壓力波動(dòng)與吸入空氣導(dǎo)致的壓力波動(dòng)

（2）關(guān)鍵零件的潤(rùn)滑

限于結(jié)構(gòu)，變速箱內(nèi)部油道的油量一般不易直接測(cè)量。圖6為一種濕式雙離合變速箱潤(rùn)滑傳動(dòng)齒的噴油管。每個(gè)噴管對(duì)應(yīng)潤(rùn)滑一對(duì)傳動(dòng)齒。在變速箱總成試驗(yàn)中，每個(gè)分管的噴油量不能直接測(cè)量（測(cè)量裝置的布置非常困難），但根據(jù)流體力學(xué)原理，噴油管?chē)姵龅挠土恐苯佑扇肟趬毫Q定，因此通過(guò)測(cè)量實(shí)際工作中的入口壓力Pin，再將噴油管單獨(dú)置于一液壓回路中，控制入口壓力使其與Pin一致，由于噴油管完全暴露在外，則每個(gè)噴管的噴油量可以直接測(cè)量（只需量杯與秒表即可）得到。

直接測(cè)量潤(rùn)滑油量，適用于那些有明確潤(rùn)滑需求量的部件（一般此部分工作直接由零部件供應(yīng)商完成）。對(duì)于有些發(fā)熱量極大的部件，比如濕式離合器及CVT變速箱中的鋼帶，其失效模式之一是溫度急劇上升，潤(rùn)滑油更大的程度是起到冷卻換熱的作用，因此判斷局部潤(rùn)滑性能最有效的判斷指標(biāo)是零件本體的表面溫度。由于本體在快速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，表面溫度測(cè)量不易，同時(shí)與零件換熱后的油溫（位于換熱表面附近）與該零件的實(shí)際溫度有強(qiáng)相關(guān)性，因此一般采用零件換熱表面附近的油溫作為最終判斷指標(biāo)。如某CVT變速箱的鋼帶，要求其特征位置（發(fā)熱最劇烈的鋼帶摩擦面）5mm距離內(nèi)的油溫低于130℃。

圖6 一種強(qiáng)制潤(rùn)滑傳動(dòng)齒的噴油管

3 結(jié)束語(yǔ)

乘用車(chē)變速箱種類(lèi)多，結(jié)構(gòu)差異大，上述的潤(rùn)滑系統(tǒng)分類(lèi)只是框架性的，設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)在每個(gè)變速箱都可能不同，潤(rùn)滑性能開(kāi)發(fā)試驗(yàn)也要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)采用合適的方法。另外，相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，比如強(qiáng)度更高的透明材料，效果更好的高速攝影技術(shù)，也可以幫助提升開(kāi)發(fā)試驗(yàn)質(zhì)量。總之，潤(rùn)滑試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的目標(biāo)是快速、準(zhǔn)確、充分的評(píng)價(jià)潤(rùn)滑系統(tǒng)性能，沒(méi)有一定之規(guī)，需要工程師根據(jù)潤(rùn)滑系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)、當(dāng)前技術(shù)手段、可操作性，試驗(yàn)成本等綜合制定。