變速器攪油阻力矩預(yù)測方法

章剛，韋博

(陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西西安 710119)

0 引言

汽車變速器在工作時需要良好潤滑，不帶強(qiáng)制潤滑系統(tǒng)的機(jī)械變速器，如中輕型箱型一般靠浸滑齒輪旋轉(zhuǎn)來飛濺潤滑，因此潤滑油注入量少，將影響潤滑功能和使用壽命;但加注太多潤滑油,又會導(dǎo)致攪油損失變大，進(jìn)而引起傳動效率低,溫升異?；虻∷偾脫舢愴懙萅VH問題；針對換擋性能，攪油產(chǎn)生的阻力矩作為拖曳阻力矩主要部分，也將會嚴(yán)重影響換擋沖量、二次載荷等。因此在設(shè)計(jì)變速器時較準(zhǔn)確預(yù)測給定潤滑油量或油面位置下的攪油阻力矩，對完成變速器性能分析優(yōu)化具有重要意義[1]。

齒輪攪油阻力矩產(chǎn)生的功率損失為變速器空載功率損失的主要部分，量級上大于軸承損失與齒輪嚙合摩擦功耗，是齒輪工業(yè)界近年越來越關(guān)注的重點(diǎn)問題。張佩等人[2]在國內(nèi)外大量研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種多功能齒輪攪油功率損耗實(shí)驗(yàn)裝置，用于研究不同齒形齒輪的攪油損失，并通過設(shè)定非標(biāo)準(zhǔn)齒輪比例參數(shù)，得到齒輪結(jié)合形狀對攪油損失產(chǎn)生的影響程度。梁文宏等[3]引入流體力學(xué)兩項(xiàng)流等理論，對單個斜齒輪攪油功率損失進(jìn)行了基于Fluent軟件的有限元數(shù)值估算，對于齒輪系攪油損失則需要進(jìn)一步研究。工程計(jì)算方面文獻(xiàn)[4]中提出按英國BS ISO/TR 14179-1-2001標(biāo)準(zhǔn)考慮潤滑油黏度、元件直徑、齒輪浸油因數(shù)和排列系數(shù)的影響后的齒輪攪油損失計(jì)算方法，該方法適用于工業(yè)齒輪箱，但能否運(yùn)用于擋位更多更復(fù)雜的商用車變速器攪油阻力矩預(yù)測有待商榷。

文中從齒輪攪油功能原理出發(fā)，結(jié)合工程上基于大量試驗(yàn)的攪油損失半經(jīng)驗(yàn)公式，建立計(jì)算變速器攪油阻力矩的計(jì)算方法，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比確認(rèn)了預(yù)測結(jié)果的可信度。

1 攪油阻力矩理論計(jì)算

變速器齒輪浸入潤滑油中，如圖1所示，某變速器常嚙合齒輪浸入油中，當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時，由于潤滑油的黏性和壓力，會受到油液阻礙齒輪旋轉(zhuǎn)的阻力，齒輪軸心O即受到攪油阻力矩。

圖1 某變速器常嚙合齒輪浸油圖示

根據(jù)流體力學(xué)知識可知，攪油阻力矩大小與齒輪轉(zhuǎn)速ω、加油量即齒輪浸油深度h、輪齒外形尺寸如節(jié)圓半徑Rp、潤滑油密度ρ、運(yùn)動黏度υ等有關(guān)。對齒輪旋轉(zhuǎn)帶動油液運(yùn)動飛濺的過程進(jìn)行微觀分析，如圖2所示，以齒輪表面dSm面積上dl長度范圍內(nèi)的油液為對象，其在dl的運(yùn)動距離內(nèi)，速度由0變?yōu)関0，則由動能定理可知：

(1)

圖2 齒面油液力學(xué)分析

宏觀上油液受推力的反力，即齒輪受到阻力對應(yīng)Rp半徑上阻力矩M為：

(2)

式中：齒輪浸入潤滑油的面積Sm包括2處齒輪側(cè)面積S1、輪齒齒頂和齒槽面積S2和輪齒齒面面積S3三部分，設(shè)齒全高為Ht，齒寬b，壓力角為α，齒輪節(jié)圓直徑Dp，浸入液面AB對應(yīng)的半角為θ，則Sm計(jì)算公式如式(3)所示(不考慮減重槽等增加面積)。此外，在知道浸入深度h及齒輪外形三維模型已有的情況下，可以用CAD軟件直接測量齒輪浸油面積Sm。

Sm=S1+S2+S3

(3)

顯然，式(2)未考慮齒輪高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，不規(guī)則變速器殼體空間內(nèi)潤滑的流場狀態(tài)，需要乘以攪油損失系數(shù)Cm修正以得到正確計(jì)算結(jié)果。

攪油損失系數(shù)一般是通過大量試驗(yàn)方法擬合得出，目前通用性強(qiáng)、運(yùn)用廣泛的是CHANGGENT等對不同齒輪形式、不同油品和不同運(yùn)行條件下試驗(yàn)研究后，運(yùn)用量綱分析和相似定理歸納出的攪油損失系數(shù)Cm，即式(4)[2,5-6]所示：

(4)

楊立昆等[7]認(rèn)為在不同轉(zhuǎn)速下潤滑油動態(tài)液面h會有變化，液面下降趨勢與齒輪轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。因此提出修正后能體現(xiàn)液面與轉(zhuǎn)速關(guān)系的更合理公式(5)。

(5)

綜合公式(2)—(5)，可得變速器齒輪攪油阻力矩Mf計(jì)算如下所示：

(6)

式中：Sm、Cm由公式(3)和(5)計(jì)算得到。

2 五擋變速器算例與試驗(yàn)對比

某五擋變速器加GL-4 85W/90潤滑油至觀察口時加油量為2.8 L，中間軸相關(guān)齒輪浸入油中如圖3所示。通過所有攪油齒輪的阻力矩疊加得到整個變速器的攪油阻力矩。

如表1所示，輸入轉(zhuǎn)速1 450 r/min、油溫60 ℃時相關(guān)參數(shù)代入公式(6)中，計(jì)算得到一軸處攪油阻力矩為3.65 N·m。

表1 變速器攪油阻力矩計(jì)算

如圖4所示，對變速器進(jìn)行攪油阻力臺架試驗(yàn)，變速器水平安裝(傾角為0°)，輸入轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后采集20 s(采樣率為1 Hz)扭矩、油溫、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，重復(fù)掛5擋、加油至觀察油孔(2.8 L)，當(dāng)變速器油溫達(dá)到(60±5) ℃時，使變速器輸入轉(zhuǎn)速3次。2臺測試結(jié)果如表2所示，一軸處攪油阻力矩均值為4.2 N·m。

與試驗(yàn)結(jié)果相比，變速器多排攪油齒輪累積得到的攪油阻力矩計(jì)算誤差僅為13%，考慮到軸承損失、空氣阻力等未考慮在內(nèi)，且試驗(yàn)存在一定測量誤差，認(rèn)為該計(jì)算結(jié)果是可信的，預(yù)測方法可行，對變速器傳動效率、換擋性能的計(jì)算分析具有重要意義。

圖4 攪油阻力臺架試驗(yàn)

表2 變速器攪油阻力矩測試結(jié)果N·m

3 結(jié)論

通過對變速器齒輪攪油力學(xué)進(jìn)行分析，建立了基于動能定理的攪油阻力矩計(jì)算公式(2)，隨后引入通用性好的流體力學(xué)攪油損失轉(zhuǎn)矩系數(shù)公式(5)加以修正；最后將預(yù)測公式(6)的理論計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對比，得到計(jì)算誤差僅為13%。結(jié)果表明：該計(jì)算方法可信，可用于變速器產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段換擋性能、傳遞效率等指標(biāo)優(yōu)化。后續(xù)需要以此為基礎(chǔ)，繼續(xù)研究不同溫度及潤滑油品黏度對攪油力矩的影響，以不斷優(yōu)化攪油阻力矩達(dá)到提升變速器換擋動態(tài)換擋性能為最終目的。