變速器冷卻潤滑需求分析及流量分配優化

馬星宇，朱佳興，趙 亮，臺格潤，全 東

變速器冷卻潤滑需求分析及流量分配優化

馬星宇，朱佳興，趙 亮，臺格潤，全 東

（陜西法士特齒輪有限責任公司 智能傳動研究所，陜西 西安 710077）

文章在變速器產品正向開發設計過程中，考慮變速器機械本體中軸承和離合器等部分組件的散熱需求的情況，提出了變速器內不同形狀潤滑油道過流截面當量液流長度和當量液流直徑的等效計算方法，并以此作為仿真模型的參數設定基礎，通過AMESim仿真軟件對變速器液壓潤滑系統中的冷卻潤滑流量進行仿真，分別計算了變速器最大功率、最大轉速、最大扭矩工況下的流量分配狀態，通過不斷的迭代計算確定了最終的流量分配方案。

流量分配；過流截面；當量液流長度；當量液流直徑；潤滑需求

變速器液壓潤滑系統主要為工作部件提供冷卻和潤滑，以保證工作部件可以在使用壽命內正常工作，冷卻潤滑流量分配的均衡與否將影響整個變速器總成是否在生命周期內會發生提前失效。冷卻潤滑分析是個系統的分析工程，需要考慮潤滑系統中各油道的相互影響，且需保證變速器所有工作工況中流量均分配合理。本文提出了變速器內部關鍵部件的需求計算方法以及油道二維化簡化方法，并通過AMESim進行了多油道惡劣工況下的流量分配求解，提出優化后流量分配方案，為液力自動變速器潤滑油路的正向設計提供有利參考。

1 冷卻潤滑需求計算

不同零部件由于工作工況、自身材料及物理特性的不同，其對于冷卻潤滑的需求也不同，因此，要想確定變速器的潤滑總需求，需要先確定各關鍵潤滑部件的潤滑需求。軸承、齒輪、離合器摩擦片是液力自動變速器中易發生較大功率損耗的主要部件。液力自動變速器油液（Automatic Transmission Fluid, ATF）先經過軸承、齒輪再通過旋轉離心作用，從離合器齒轂上的過流孔飛濺到離合器摩擦片上，離合器為最大的功率損耗部件，因此，需優先考慮較大功率損耗部件的潤滑需求，在該條件滿足的情況下再考慮其他部件的潤滑需求，離合器的潤滑需求通過式（1）進行計算：

式中，為離合器潤滑需求最小流量，L/min；為摩擦面數；為摩擦片面積，mm2；為單位面積潤滑流量需求最小流量，mL·cm-2/min。

軸承潤滑需求通過式（2）和式（3）進行計算，根據現有參數，對變速器的最大功率、最高轉速、最大扭矩這三種極限工況進行了計算，通過計算結果發現，最大扭矩工況（轉速為1 400 r/min）下對應的軸承潤滑需求最高，表明該工況下軸承的工作狀態最為惡劣，應優先滿足該工況下軸承的冷卻潤滑流量。

式中，0為由轉速引起摩擦損失的摩擦系數；為工作溫度下的油液運動粘度，mm2?s-1；為工作轉速，r?min-1；M為軸承等效直徑，mm；1為由扭矩引起摩擦損失的摩擦系數；1為設計載荷，N；為軸向力或者徑向力，N。

將各部分非圓形截面油道根據式（4）、式（5）進行當量油道直徑和當量油道長度的等效計算：

式中，H為當量液流直徑，mm；為油道截面積，mm2；為周長，mm。

式中，H為油道當量液流長度，mm；為免計算參考值，具體參照表1。

表1 免計算k值與油道進出口數的關系

出油口數K值 進油口數 12345678 148121620242832 2816243240485664 31224364860728496 4163248648096112128 520406080100120140160 624487296120144168192 7285684112140168196224 8326496128160192224256 93672108144180216252288 104080120160200240280320 114488132176220264308352 124896144192240288336384

2 仿真模型的搭建與計算

根據式（4）和式（5）的計算結果，在AMESim中搭建整箱冷卻潤滑模型，如圖1所示。液壓管道的子模型參數設置為HL0003，該子模型使用雷諾系數和相對粗糙度考慮管道摩擦，通過使用有效體積模量，并考慮液體的可壓縮性和管道壁面隨壓力的膨脹，可以較準確地模擬管道中液流狀態，內部參數可計算液流阻力，外部參數可計算輸出流量和壓力值。通過HR237漸進收縮的子模型參數可模擬漸變流量進出口截面的液流狀態，通過HRORG11子模型可計算通過層流孔板的流量。該模型共計一百多個管道模型，經過校核驗證較為準確地反映變速器潤滑油路的流量分布狀態。

分析變速器在不同輸入轉速及不同功率工況下的流量分布規律，設定分析工況，具體參數如表2、表3所示。

圖1 AMESim油道仿真模型的搭建

表2 某發動機外特性數據

轉速/(r.min-1)扭矩/(Nm)功率/kW 1 8003 130590 1 7003 330593 1 6003 381566 1 5003 488548 1 4003 528517 1 3003 514478 1 2003 469436 1 1003 234373 1 0002 870301 9002 528238 8002 177182

表3 某發動機分析工況

工況輸入功率/kW輸入轉速/(r. min-1)流量/(L/min)(80%油泵效率) 一18280064.2 二3011 00080.3 三4361 20096.3 四5171 400112.4 五5661 600128.5

以變速器中的不同類型軸承、制動器、離合器為分析對象，計算結果如圖2所示。其中，Q為球軸承；TL為推力軸承；GZ為滾針軸承；Z為圓錐滾子軸承；B為制動離合器；C為離合器；數字代號為組別，如：GZ1代表第一組滾針軸承。

3 分析與優化

通過圖2計算結果可以發現，離合器C1、C2，軸承GZ2、Q、Z、TL等在不同轉速工況下的實際流量均大于需求流量，其中C2的實際流量遠大于需求流量。制動離合器B2在各轉速工況下的實際流量均小于需求流量，冷卻潤滑不足，滾針軸承GZ1在1 200 r/min和1 400 r/min時，處于欠潤滑狀態，其中在1 400 r/min時欠潤滑狀態更明顯，根據式（2）和式（3），摩擦扭矩產生的熱量相對于部件轉動攪油產生的熱量更高，分析工況四1 400 r/min時全功率輸出條件下對應的發動機輸出扭矩為3 528 Nm，為最大扭矩，因此，該工況下的流量需求最大。

圖3 優化后B2及GZ1的冷卻潤滑流量分配情況

針對滾針軸承GZ1/2、制動離合器B2冷卻潤滑流量分配不足的情況，通過增加去往欠潤滑零部件的油孔直徑或數量，且減小共用油路的過潤滑零部件如離合器C2孔徑的方式，來實現油路的優化合理分配，計算得到圖3，此時各油路的流量分配較為均衡。

4 試驗驗證

為了驗證各油道分配流量的合理性，搭建了基于變速器整箱的臺架試驗，如圖4所示，臺架驗證結果如圖5所示。

圖4 臺架搭建及驗證

由于殼體內部油路復雜難以直接檢測零部件的冷卻潤滑流量，因此通過對關鍵零件的溫升數據進行檢測，來間接反映冷卻潤滑效果。如圖3所示，優化后各部件的溫升水平維持在水準線以內，則優化方法合理可靠。

圖5 臺架試驗驗證結果

5 結論

本文針對變速器冷卻潤滑系統的正向設計難題，提出了潤滑需求計算方法，變速器油道簡化方法，通過一維仿真的方法實現了冷卻潤滑流量分配的優化，并通過試驗進行了驗證，涉及內容具體如下：

1）針對變速器易高溫燒損的關鍵部件，如：離合器、軸承，按照變速器最惡劣工況需求考慮，進行冷卻潤滑需求計算，為冷卻潤滑流量分配的合理性提供評判依據；

2）提出了將變速器內部非規則潤滑油道等效轉化圓截面油道的方法，如：徑向間隙過流、軸向間隙過流、矩形截面過流、多進口/多出口油槽式過流等，均可通過等效過流截面轉化為便于仿真計算的圓截面油道；

3）搭建了針對變速器冷卻潤滑系統的AME- Sim仿真模型，計算了變速器最惡劣工作工況下的流量分配情況，并針對流量不足的部位進行了迭代計算，直到實際到達各潤滑部件的流量滿足功能需求，并通過臺架試驗驗證了分析方法的可靠性，為變速器冷卻潤滑系統正向設計提供參考和依據。

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Analysis of Transmission Cooling and Lubrication Demand and Optimization of Flow Distribution

MA Xingyu, ZHU Jiaxing, ZHAO Liang, TAI Gerun, QUAN Dong

( Intelligent Transmission Research Institute, Shaanxi Fast Gear Company Limited, Xi′an 710077, China )

This article proposes an equivalent calculation method for the equivalent liquid flow length and equivalent liquid flow diameter of different shapes of lubricating oil passages in the transmission during the forward development and design process of transmission products, taking into account the heat dissipation requirements of some components such as bearings and clutches in the mechanical body of the transmission. This is used as the basis for setting parameters in the simulation model, the cooling lubrication flow rate in the hydraulic lubrication system of the transmission is simulated using AMESim simulation software, and the flow distribution status under the maximum power, maximum speed, and maximum torque conditions of the transmission is calculated.The final flow distribution plan is determined through continuous iterative calculations.

Flow distribution; Overflow cross-section; Equivalent liquid flow length; Equivalent liquid flow diameter; Lubrication requirements

U463.212

A

1671-7988(2023)20-77-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.015

馬星宇（1993－），男，工程師，研究方向為AT變速箱結構設計及冷卻潤滑分析，E-mail:maxingyu@fastgroup.cn。