雙中間軸變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

陳 亮，張正學(xué)，袁 哲

（1.吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.吉林大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室管理處， 吉林 長(zhǎng)春 130012；3.一汽奔騰轎車有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012）

隨著商用車技術(shù)的不斷進(jìn)步、政策法規(guī)及市場(chǎng)需求的不斷變化，用戶對(duì)變速器的輕量化、高效率、高可靠等性能要求持續(xù)提高[1]。在重型變速器方面，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品普遍為多擋位主副箱雙中間軸的結(jié)構(gòu)形式，其采用的傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式存在諸多弊端，如加油量大、潤(rùn)滑不充分等引起箱體發(fā)熱、傳動(dòng)效率低、齒輪易發(fā)生點(diǎn)蝕等故障。本文以某雙中間軸變速器為例，依據(jù)潤(rùn)滑原理增設(shè)強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)并進(jìn)行油路的設(shè)計(jì)和分析計(jì)算，通過(guò)綜合建立并實(shí)施油泵流量與輸出壓力、強(qiáng)制潤(rùn)滑噴油孔流量、變速器潤(rùn)滑油量測(cè)定實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法，全面、系統(tǒng)地對(duì)強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，并分析了各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)潤(rùn)滑、降本減重、增效可靠的目標(biāo)。

1 變速器潤(rùn)滑原理

1.1 變速器的潤(rùn)滑方式

優(yōu)良的潤(rùn)滑性能是保證變速器正常工作的必備條件，與工業(yè)變速器多采用潤(rùn)滑脂不同，汽車變速器均采用更容易形成支撐油膜的液態(tài)潤(rùn)滑油，其主要功能是減少運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦和磨損、冷卻散熱、除塵清潔、減振降噪等。變速器的齒輪類型、各擋速比、齒輪材料和表面質(zhì)量、工作溫度以及負(fù)載特性等因素影響潤(rùn)滑油選擇，在重型變速器中，普遍采用重負(fù)荷車輛齒輪油（GL-5）。

軸承和齒輪是變速器傳遞動(dòng)力的核心零部件，通常采用浸油、飛濺和導(dǎo)油槽組合的傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式。動(dòng)態(tài)情況下，被潤(rùn)滑油浸潤(rùn)的齒輪、軸承、同步器部分自然滿足潤(rùn)滑條件，對(duì)于非浸潤(rùn)部位，則需通過(guò)齒輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)將潤(rùn)滑油甩至殼體腔內(nèi)，并用導(dǎo)油槽將油排至較難甩到油的部位，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑[2]。

1.2 影響潤(rùn)滑油量的因素

傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式所需潤(rùn)滑油量大，存在攪油損失多、局部高溫、散熱慢等問(wèn)題，同時(shí)，高溫造成潤(rùn)滑油粘度下降、潤(rùn)滑油膜變薄和齒面點(diǎn)蝕，影響變速器工作的可靠性。為改善傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式的弊端，通常采用增設(shè)包括潤(rùn)滑油泵、吸油管和噴油管結(jié)構(gòu)在內(nèi)的強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)，將油泵轉(zhuǎn)子與中間軸相連，其輸入轉(zhuǎn)速與環(huán)境溫度影響油泵實(shí)際排量；與油泵輸出口相連的噴油管結(jié)構(gòu)形狀與各噴油孔大小影響各噴油量實(shí)際出油量。其中，在設(shè)計(jì)噴油管結(jié)構(gòu)形狀時(shí)，油管截面面積應(yīng)盡量一致，連接處平緩圓滑，避免彎曲引起管路抵抗；減少接口，防止限流和漏油；避免油泵位置過(guò)高，降低油泵內(nèi)部吸油腔與潤(rùn)滑油空氣分離壓力差，減少異常振動(dòng)和噪聲。

2 強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

2.1 強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)建模

雙中間軸變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，應(yīng)用Creo Parametric軟件在現(xiàn)有某雙中間軸變速器內(nèi)部開(kāi)展強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)建模，如圖1(a)所示，將油泵安裝在主箱左下中間軸前端，由中間軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)油泵工作，油泵通過(guò)吸油管與變速器底部的濾清器相連，油泵的輸出端連接有導(dǎo)油管，將潤(rùn)滑油導(dǎo)至噴油管，噴油管對(duì)應(yīng)擋位齒輪嚙合處設(shè)噴油孔，將潤(rùn)滑油噴至潤(rùn)滑部位。為保證變速器主箱內(nèi)空間位置較高的右上中間軸后軸承的潤(rùn)滑，在該處增設(shè)一根導(dǎo)油管和噴油管；為保證副箱中間軸左后軸承的潤(rùn)滑，如圖1(b)所示，在后殼體處設(shè)置擋油板和油孔，由噴油管噴出的潤(rùn)滑油經(jīng)擋油板與后殼體之間形成的儲(chǔ)油槽，流入后殼體油孔，再流入軸承端蓋與后殼體形成的空腔內(nèi)，潤(rùn)滑該軸承。在吸油管的進(jìn)油口處設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)，通過(guò)安裝在濾網(wǎng)處的磁鐵吸附鐵屑，以清潔潤(rùn)滑油。

圖1 雙中間軸變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 潤(rùn)滑油路設(shè)計(jì)與仿真分析

油泵轉(zhuǎn)子因與主箱左下中間軸前端相連，轉(zhuǎn)速與其轉(zhuǎn)速相同，即

式中，np為油泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ninput為變速器輸入轉(zhuǎn)速；Zmc為中間軸減速齒輪齒數(shù)；Zic為一軸輸入齒輪齒數(shù)。結(jié)合該變速器工作條件，油泵的基本參數(shù)如表1所示。

表1 油泵基本參數(shù)

依據(jù)變速器使用條件，潤(rùn)滑系統(tǒng)總流量按變速器正常工作溫度（80 ℃）的怠速工況，轉(zhuǎn)速為550 r/min時(shí)的油泵流量，即4 L/min；溢流閥開(kāi)啟壓力為0.5 MPa等條件計(jì)算。根據(jù)被潤(rùn)滑軸承和齒輪副需要，設(shè)定各噴油孔空間位置及大小，將副箱低檔齒輪副對(duì)應(yīng)的噴油孔孔徑設(shè)置為Φ4 mm，其余孔徑設(shè)置為Φ2 mm，中間軸前軸承處設(shè)置為周向均布的4×Φ2 mm，應(yīng)用AMESim液壓模塊按照?qǐng)D1(c)結(jié)構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑油分配情況進(jìn)行仿真計(jì)算[3-4]，得到理論狀態(tài)下的各噴油孔處分配的噴油量數(shù)值，如表2所示。

表2 各噴油孔處孔徑及流量計(jì)算結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)及分析

基于前文所述的強(qiáng)制潤(rùn)滑虛擬油路設(shè)計(jì)及分析計(jì)算，設(shè)置油泵流量與輸出壓力實(shí)驗(yàn)、強(qiáng)制潤(rùn)滑噴油孔流量實(shí)驗(yàn)、變速器潤(rùn)滑油量測(cè)定實(shí)驗(yàn)，為研究分析油泵在使用中的實(shí)際性能，搭建如圖2所示的油泵測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

圖2 油泵測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)臺(tái)

3.1 油泵流量與輸出壓力實(shí)驗(yàn)

為研究濾網(wǎng)對(duì)油泵流量的影響，常溫（25 ℃）時(shí)，將油泵安裝在測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，將進(jìn)油管安裝在油泵進(jìn)油孔處，分別在進(jìn)油管帶過(guò)濾網(wǎng)和不帶過(guò)濾網(wǎng)的兩種情況下，在油泵轉(zhuǎn)子處輸入500～ 2100 r/min的轉(zhuǎn)速，以200 r/min為間隔，在油泵輸出端分別測(cè)試并記錄油泵的流量和輸出壓力。由圖3所示的測(cè)試結(jié)果可知，安裝過(guò)濾網(wǎng)對(duì)油泵流量影響較小，輸出壓力降低約0.1 MPa。

圖3 油泵流量與輸出壓力隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

為研究溫度對(duì)油泵流量的影響，將實(shí)驗(yàn)溫度分別設(shè)置為低溫（–10 ℃）、常溫（25 ℃）和變速器正常運(yùn)轉(zhuǎn)溫度（80 ℃），測(cè)試油泵流量隨轉(zhuǎn)速變化情況，如圖4所示，可知：

圖4 不同溫度條件下油泵流量隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

1）在常溫和變速器正常運(yùn)轉(zhuǎn)溫度時(shí)，油泵流量隨轉(zhuǎn)速增加而增加，大致為線性變化；

2）在低溫時(shí)，油泵輸出油量很少，且隨轉(zhuǎn)速變化無(wú)明顯規(guī)律。

3.2 強(qiáng)制潤(rùn)滑噴油孔流量實(shí)驗(yàn)

將強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)的噴油管連接至油泵出油口處，分別在25 ℃和80 ℃溫度條件下，收集并測(cè)量在不同轉(zhuǎn)速條件下各噴油孔處（油孔編號(hào)同表2）的噴油量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同溫度條件下各噴油孔處噴油量隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，各噴油孔的實(shí)際流量滿足設(shè)計(jì)要求；對(duì)于相同轉(zhuǎn)速條件下，對(duì)于孔徑相同的油孔，位置越靠后噴油量越少，因此，驗(yàn)證了理論計(jì)算時(shí)在對(duì)潤(rùn)滑油量需求較大、且處于噴油管末端的油孔處，需要采用增大孔徑的優(yōu)化方式。將仿真得到的理論值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，如表3所示，可知：

表3 各油孔噴油量理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

1）各油孔噴油量理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值變化趨勢(shì)大致相同；

2）噴油孔位置越靠后端，理論計(jì)算絕對(duì)誤差逐漸減小，但基本控制在0.1 L/min以內(nèi)；

3）在孔徑變化處，計(jì)算值的絕對(duì)誤差稍大；在噴油孔末端附近的計(jì)算值相對(duì)誤差稍大。

3.3 變速器潤(rùn)滑油量測(cè)定實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)及分析結(jié)論，對(duì)增設(shè)該強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)的變速器進(jìn)行潤(rùn)滑油量測(cè)試，測(cè)定加油量。實(shí)驗(yàn)步驟：1）在殼體上設(shè)置若干觀察窗，安裝有機(jī)玻璃板并密封；2）在常溫條件下測(cè)定基準(zhǔn)油位，油面高度隨加油量的增減基本成線性變化關(guān)系，分別在最低和最高擋位、油溫及轉(zhuǎn)速條件下，按照10%、5%、2%的幅度依次增減油量，觀察各俯仰、側(cè)傾角度情況下齒面、軸承、油封、同步器等處的潤(rùn)滑情況，確定最少、最大加油量和基準(zhǔn)加油量。經(jīng)以上實(shí)驗(yàn)步驟，測(cè)定該變速器加油量為15 L，與未安裝強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)變速器的加油量17.4 L相比，減少加油量2.4 L，降幅達(dá)13.8%。

4 結(jié)論

1）應(yīng)用AMESim軟件可對(duì)強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)噴油的油量分配、油孔大小進(jìn)行仿真計(jì)算，為變速器強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定參考；

2）通過(guò)綜合建立并實(shí)施油泵流量與輸出壓 力、強(qiáng)制潤(rùn)滑噴油孔流量、變速器潤(rùn)滑油量測(cè)定實(shí)驗(yàn)和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法，能夠全面、系統(tǒng)地對(duì)強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估；

3）以某雙中間軸變速器為例，通過(guò)增設(shè)強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)并優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法完成驗(yàn)證，減少潤(rùn)滑油量2.4 L。