重型商用車后橋攪油損失分析和優化

畢道坤，陸增俊，唐立國，唐榮江，顧昱彬

（1.東風柳州汽車有限公司 商用車技術中心，廣西 柳州 545005；2.桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541010）

整車經濟性是商用車產品競爭力的重要評價指標，后橋傳遞效率是整車經濟性的重要影響因素之一。機械損失和液力損失同時影響車后橋傳遞效率，且在高速低扭矩工況下液力損失影響更加明顯。因此改善液力損失可有效提升車后橋傳遞效率，提高經濟性。液力損失受齒輪攪油損失影響較大，齒輪的攪油損失也稱無負荷損失，一般受轉速、加油量、油液黏度（與油液品質及油溫相關）、攪油流場的影響；攪油損失分析大多從油液本身的黏度、溫度和轉速等因素出發，國內外諸多學者均進行了研究。Valeriy 等［1］對齒輪傳動無載荷功耗進行了文獻整理并綜述，總結了多年以來出現過的有關攪油損失分析的半經驗公式。Gauthier 等［2］創新性地提出攪油損失研究不應該局限于溫度、油液黏度等常規因素，也可能與潤滑油的空氣含量有關，甚至有可能與其他未知因素有關。梁文宏等［3］使用Fluent 對斜齒輪的攪油損失進行了研究，通過比對不同參數的斜齒輪的三維攪油流場和攪油功率，證明攪油損失值可以在中低轉速下使用仿真工具推算。陳晟偉等［4］通過設計一種角度可變性齒輪箱攪油損失機使得測試機可以實現角度變換等功能，提高了實驗便利性。故前人大多數文獻主要集中于對齒輪攪油的分析，對實際問題的解決方案研究較少或只是象征性提出意見。

現以某商用車后橋為研究對象著重分析流場的影響。首先通過實驗對后橋模型研究排除注油量影響，其次提出“內置導流板”和“橋殼變形”兩個方案對后橋潤滑油液流場進行優化仿真。最后通過實驗對比驗證方案的可行性和優越性，使得理論分析和工程應用較好地結合。

1 基礎理論

1.1 差動齒輪攪油損失理論分析

齒輪攪油損失全稱為齒輪攪油功率損失，也稱為無負荷損失、空轉損失。攪油損失量的大小一般與潤滑油的黏度、油液溫度及齒輪的轉速有關。工程上對于攪油損失的計算大多數依賴于實驗經驗公式。在整個研究過程中，王飛等［5］把油液的黏度取200～2 000 cSt，通過在2～8 模數的低轉速齒輪推導出攪油阻力矩的計算公式，即

式中：ρ為潤滑油密度，kg/m3；ω為攪油齒輪轉速，rad/s；Cm為轉矩系數；Rp為當量半徑；b為低速齒輪齒數。

李晏［6］以貨車變速箱為實驗對象，通過實驗計算出攪油阻力矩Cm的表達式為

式中：h為浸油深度，m；V0為潤滑油體積，m3；Fr為弗勞德數；Re為雷諾數；為攪油齒輪節圓直徑。

以上兩個計算模型均以實驗為基礎而忽視齒輪齒形的影響。因此在實際應用中并不可取。英國標準AGMAISO14179-1 主要適用于斜齒輪研究，國內也存在一些相應的經驗公式［4］，如PJ=1.43e0.3v（v為車速，PJ為攪油損失）和PJ=0.001 43e0.0082n/ie（ie為傳動比）。當前被廣泛應用的半經驗公式具體為通過定義影響因子后使用大數量的實驗數據驗證，最后擬得各參數的指數項所得［7］：

式中：Sm為攪油齒輪浸油面積，m2；Dp為節圓直徑，m；Rec為臨界雷諾數。

1.2 攪油損失功率Pc

當潤滑油為層流狀態Re≤6 000［8］時，

當潤滑油為湍流狀態Re≥9 000 時，

1.3 CFD 理論基礎

在CFD 仿真過程中，為了對后橋流場和邊界層進行準確模擬，通常采用轉捩SST 模型。和k-ωSST 模型相比，轉捩SST 模型在k方程中耦合γ-Reθt模型進行轉捩修正，方程［9］如下：

式中：μt為渦流黏度；ρ為密度；μ為動力黏度；k為剛度；γeff為分離誘導變換；Pk和Dk表示湍流方程中的產生項目和破壞項；uj和xj分別表示速度和位移的分量；σk表示k的均值。

2 原始模型試驗

2.1 試驗用后橋模型

以某商用車車后橋為試驗對象進行研究。圖1所示為試驗用車后橋試驗模型，試驗用后橋的具體參數見表1。

圖1 車后橋試驗模型

表1 試驗用商用車車后橋具體參數

2.2 注油量影響臺架驗證

后橋傳遞效率在齒輪機械傳動效率之外（主要零部件的設計制造決定），對攪油損失影響最大，注油量和流場是攪油損失的主要影響因素。而注油量的影響仿真不易看出，故首先選取臺架試驗研究注油量對攪油損失的影響。

試驗設置在90±10 ℃環境下進行，輸入轉速設置為中等偏高轉速1 400 r/min，對比在不同載荷下注油量為11.5 L 和14 L 車橋的傳遞效率。試驗結果如圖2 所示。

圖2 不同加注量后橋傳遞效率圖

由圖2 的折線圖可以發現，在加注量為11.5 L和14 L 時，隨著輸出功率的不斷升高傳遞效率的提高逐步減緩，而注油量為11.5 L 的傳遞效率整體大于14 L 時的傳遞效率。且當功率輸出為100%時，兩者接近相等。因此總體觀察可發現后橋的傳遞效率的變化并不明顯。因此注油量對攪油損失大小的影響可以忽視。

3 建模和仿真

3.1 建模方案

采用某商用車車后橋為原始參考模型進行建模和仿真。該商用車后橋模型如圖3 所示，建模時將包裹橋殼去除，方便觀察齒輪攪油情況。后橋具體參數見表1。

圖3 某商用車車后橋模型

通常情況橋殼采納正圓方案，考慮裝配加工的便利性一般無內置導流板存在，這導致被動齒輪（大齒輪）轉動攪油時，潤滑油四處飛濺，沒能按需導向所需區域潤滑；且正圓的橋殼在同樣液面高度下油量多，攪動的油量越多，攪油損失也越大。因此，如何對后橋內潤滑油進行導向及減少攪動油量是提升潤滑效率及降低攪油損失的重要手段［7］。

針對攪油損失的優化提出了兩個方案：方案1采用內置導流板，將小齒輪轉速設置為2 235 r/min，油位在主軸中心線以下88 mm。方案2 為橋殼變形，將分析參數小齒輪轉速設置為2 235 r/min，油位在主軸中心線以下118 mm。與方案1 相比，方案2設置了相同的導流板布置，但是使用了更低的油位（主軸線以下118 mm），油面高度比88 mm 油位低了30 mm。

方案1“內置導流板”建模如圖4（a）所示，圖中所圈出紅圈為增設的導流板，導流板的位置設置在大齒輪的兩端。在大齒輪轉動時，導流板的設置可以較好地避免高速轉動時油液四濺且可以順滑飛濺出的潤滑油的油路。

方案2“橋殼變形”的建模如圖4（b）所示，方案2的油底殼設計是將流體導向并增加流向齒輪嚙合區域的流量。而由大齒輪在油攪動過程中所獲得的部分動力通過定向流所提供的“阻力”在小齒輪上得到恢復。

圖4 模型

3.2 仿真結果

通過CFD 仿真得到360°平均流體狀態圖，如圖5 所示，主要顯示了后橋內增設導流板后和導流板前的流體分布情況［10］。

由圖5 可知，兩個方案的主軸右軸承和輸入軸軸承均被油侵。與基準相比輪廓圖表明入口流量有所增加。與基準相比，方案1 和方案2 的箱內油液循環相對減少，導流板引導流體流到軸承和齒輪上。且從圖中可以看出“橋殼變形”方案的側面浸油量更小，說明“橋殼變形”方案的導流性能更好。這是因為“橋殼變形”是將流體導向并增加流向齒輪嚙合區域的流量。而由大齒輪在油攪動過程中所獲得的部分動力，通過定向流所提供的“阻力”在小齒輪上得到恢復，不產生能量。故與“內置導流板”相比，“橋殼變形”在總體上減少了較多的攪拌功率損失。因此兩優化方案的效果均優于原始模型。

圖5 360°平均流體狀態圖

4 試驗驗證

基于上述的研究，對某商用車后橋進行了實機試驗測試，試驗裝置如圖6 所示。

圖6 試驗裝置

試驗過程中溫度控制在80±3 ℃，將測試樣件按要求安裝在驅動橋效率測試臺架上，按要求加入GL-5 85W/90 型輪齒油。首先控制潤滑油油量一定，得到其功率損失量進行計算，見表2。

表2 2 235 r/min 下功率損失

表2 中數據對比可以發現，經過橋殼變形后，后橋的傳動效率均優于原始模型。“內置導流板”方案的攪油損失降低了17.4%，“橋殼變形”方案的攪油損失降低22.1%。由此可明顯得出“橋殼變形”方案的效果更佳。這是由于潤滑油起到導流作用，均可同步提升后橋潤滑效率及車橋效率，其中攪油功率消耗最大可降低22.1%。與基準相比，方案1 和方案2 中靠近小齒輪進口區域的油流量更大，且方案1 和方案2 中齒輪嚙合區域的油流量更大；與基準相比，方案1 和方案2 的油底殼（油箱后蓋）附近區域的流體停滯情況相對較少。因此“橋殼變形”較“內置導流板”對攪油損失的優化效果更優。

下面選取“橋殼變形”方案與原始模型進行試驗，對比分析傳動效率關系。控制轉速為1 465 r/min 和1 832 r/min，在80 km/h 和100 km/h 設置多組近似的輸入扭矩，分別測試50、80、120、160、200、240、250 kW 功率下的傳動效率并記錄試驗數據，從而畫出不同功率下的傳遞效率圖，如圖7 所示。從圖7 中可以看出，優化后的車后橋傳遞效率提升約1%，并且在80 km/h 的情況下，傳動效率提高的程度更加明顯；而當功率過大超過250 kW 后傳動效率幾乎不提升。

圖7 優化前后傳遞效率對比

5 結論

1）通過CFD 計算和試驗的方法從攪油損失的角度分析汽車后橋的傳遞效率。油損失的主要影響因素為注油量和流場。試驗中加注11.5 L 和14 L兩種情況，發現注油量影響大小可以忽略不計。

2）排除注油量影響后，通過設計“內置導流板”和“橋殼變形”兩種方案對后橋流場進行優化，基于CFD 仿真和試驗相結合的方法分析出：“內置導流板”方案的攪油損失降低了17.4%，流體平均功率降低了69.5 W；“橋殼變形”方案的攪油損失降低22.1%，流體平均功率降低了88.3 W。且相較“橋殼變形”的效果更佳。

3）最后通過在“橋殼變形”和原始模型間設置對比試驗，分別設置近似的輸入扭矩進行多組對比試驗。結果證明優化后的后橋傳遞效率提高約1%。