双中间轴变速器润滑系统设计与实验研究

2023-03-17张正学

汽车实用技术 2023年5期

陈亮，张正学，袁哲

（1.吉林大学机械与航空航天工程学院，吉林长春 130022；2.吉林大学实验室管理处，吉林长春 130012；3.一汽奔腾轿车有限公司，吉林长春 130012）

随着商用车技术的不断进步、政策法规及市场需求的不断变化，用户对变速器的轻量化、高效率、高可靠等性能要求持续提高[1]。在重型变速器方面，国内市场上的主流产品普遍为多挡位主副箱双中间轴的结构形式，其采用的传统润滑方式存在诸多弊端，如加油量大、润滑不充分等引起箱体发热、传动效率低、齿轮易发生点蚀等故障。本文以某双中间轴变速器为例，依据润滑原理增设强制润滑系统并进行油路的设计和分析计算，通过综合建立并实施油泵流量与输出压力、强制润滑喷油孔流量、变速器润滑油量测定实验及实验技术方法，全面、系统地对强制润滑系统性能进行评估，验证了设计的正确性，并分析了各项实验结果，实现精准润滑、降本减重、增效可靠的目标。

1 变速器润滑原理

1.1 变速器的润滑方式

优良的润滑性能是保证变速器正常工作的必备条件，与工业变速器多采用润滑脂不同，汽车变速器均采用更容易形成支撑油膜的液态润滑油，其主要功能是减少运动副之间的摩擦和磨损、冷却散热、除尘清洁、减振降噪等。变速器的齿轮类型、各挡速比、齿轮材料和表面质量、工作温度以及负载特性等因素影响润滑油选择，在重型变速器中，普遍采用重负荷车辆齿轮油（GL-5）。

轴承和齿轮是变速器传递动力的核心零部件，通常采用浸油、飞溅和导油槽组合的传统润滑方式。动态情况下，被润滑油浸润的齿轮、轴承、同步器部分自然满足润滑条件，对于非浸润部位，则需通过齿轮高速转动将润滑油甩至壳体腔内，并用导油槽将油排至较难甩到油的部位，实现润滑[2]。

1.2 影响润滑油量的因素

传统润滑方式所需润滑油量大，存在搅油损失多、局部高温、散热慢等问题，同时，高温造成润滑油粘度下降、润滑油膜变薄和齿面点蚀，影响变速器工作的可靠性。为改善传统润滑方式的弊端，通常采用增设包括润滑油泵、吸油管和喷油管结构在内的强制润滑系统，将油泵转子与中间轴相连，其输入转速与环境温度影响油泵实际排量；与油泵输出口相连的喷油管结构形状与各喷油孔大小影响各喷油量实际出油量。其中，在设计喷油管结构形状时，油管截面面积应尽量一致，连接处平缓圆滑，避免弯曲引起管路抵抗；减少接口，防止限流和漏油；避免油泵位置过高，降低油泵内部吸油腔与润滑油空气分离压力差，减少异常振动和噪声。

2 强制润滑系统设计与分析

2.1 强制润滑系统建模

双中间轴变速器润滑系统结构如图1所示，应用Creo Parametric软件在现有某双中间轴变速器内部开展强制润滑系统建模，如图1(a)所示，将油泵安装在主箱左下中间轴前端，由中间轴的旋转带动油泵工作，油泵通过吸油管与变速器底部的滤清器相连，油泵的输出端连接有导油管，将润滑油导至喷油管，喷油管对应挡位齿轮啮合处设喷油孔，将润滑油喷至润滑部位。为保证变速器主箱内空间位置较高的右上中间轴后轴承的润滑，在该处增设一根导油管和喷油管；为保证副箱中间轴左后轴承的润滑，如图1(b)所示，在后壳体处设置挡油板和油孔，由喷油管喷出的润滑油经挡油板与后壳体之间形成的储油槽，流入后壳体油孔，再流入轴承端盖与后壳体形成的空腔内，润滑该轴承。在吸油管的进油口处设置过滤网，通过安装在滤网处的磁铁吸附铁屑，以清洁润滑油。

图1 双中间轴变速器润滑系统结构

2.2 润滑油路设计与仿真分析

油泵转子因与主箱左下中间轴前端相连，转速与其转速相同，即

式中，np为油泵转子转速；ninput为变速器输入转速；Zmc为中间轴减速齿轮齿数；Zic为一轴输入齿轮齿数。结合该变速器工作条件，油泵的基本参数如表1所示。

表1 油泵基本参数

依据变速器使用条件，润滑系统总流量按变速器正常工作温度（80 ℃）的怠速工况，转速为550 r/min时的油泵流量，即4 L/min；溢流阀开启压力为0.5 MPa等条件计算。根据被润滑轴承和齿轮副需要，设定各喷油孔空间位置及大小，将副箱低档齿轮副对应的喷油孔孔径设置为Φ4 mm，其余孔径设置为Φ2 mm，中间轴前轴承处设置为周向均布的4×Φ2 mm，应用AMESim液压模块按照图1(c)结构对润滑油分配情况进行仿真计算[3-4]，得到理论状态下的各喷油孔处分配的喷油量数值，如表2所示。

表2 各喷油孔处孔径及流量计算结果

3 实验及分析

基于前文所述的强制润滑虚拟油路设计及分析计算，设置油泵流量与输出压力实验、强制润滑喷油孔流量实验、变速器润滑油量测定实验，为研究分析油泵在使用中的实际性能，搭建如图2所示的油泵测试实验台。

图2 油泵测试实验原理与实验台

3.1 油泵流量与输出压力实验

为研究滤网对油泵流量的影响，常温（25 ℃）时，将油泵安装在测试实验台上，将进油管安装在油泵进油孔处，分别在进油管带过滤网和不带过滤网的两种情况下，在油泵转子处输入500～ 2100 r/min的转速，以200 r/min为间隔，在油泵输出端分别测试并记录油泵的流量和输出压力。由图3所示的测试结果可知，安装过滤网对油泵流量影响较小，输出压力降低约0.1 MPa。

图3 油泵流量与输出压力随转速变化关系

为研究温度对油泵流量的影响，将实验温度分别设置为低温（–10 ℃）、常温（25 ℃）和变速器正常运转温度（80 ℃），测试油泵流量随转速变化情况，如图4所示，可知：

图4 不同温度条件下油泵流量随转速变化关系

1）在常温和变速器正常运转温度时，油泵流量随转速增加而增加，大致为线性变化；

2）在低温时，油泵输出油量很少，且随转速变化无明显规律。

3.2 强制润滑喷油孔流量实验

将强制润滑系统的喷油管连接至油泵出油口处，分别在25 ℃和80 ℃温度条件下，收集并测量在不同转速条件下各喷油孔处（油孔编号同表2）的喷油量，实验结果如图5所示。

图5 不同温度条件下各喷油孔处喷油量随转速变化关系

根据实验结果分析可知，各喷油孔的实际流量满足设计要求；对于相同转速条件下，对于孔径相同的油孔，位置越靠后喷油量越少，因此，验证了理论计算时在对润滑油量需求较大、且处于喷油管末端的油孔处，需要采用增大孔径的优化方式。将仿真得到的理论值与实验测量的实际值进行对比，如表3所示，可知：

表3 各油孔喷油量理论值与实测值对比

1）各油孔喷油量理论计算结果与实际测量值变化趋势大致相同；

2）喷油孔位置越靠后端，理论计算绝对误差逐渐减小，但基本控制在0.1 L/min以内；

3）在孔径变化处，计算值的绝对误差稍大；在喷油孔末端附近的计算值相对误差稍大。

3.3 变速器润滑油量测定实验

根据以上实验及分析结论，对增设该强制润滑系统的变速器进行润滑油量测试，测定加油量。实验步骤：1）在壳体上设置若干观察窗，安装有机玻璃板并密封；2）在常温条件下测定基准油位，油面高度随加油量的增减基本成线性变化关系，分别在最低和最高挡位、油温及转速条件下，按照10%、5%、2%的幅度依次增减油量，观察各俯仰、侧倾角度情况下齿面、轴承、油封、同步器等处的润滑情况，确定最少、最大加油量和基准加油量。经以上实验步骤，测定该变速器加油量为15 L，与未安装强制润滑系统变速器的加油量17.4 L相比，减少加油量2.4 L，降幅达13.8%。