葉 明，李 思，楊周倫

(重慶理工大學(xué) a.汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室; b.車輛工程學(xué)院， 重慶 400054)

變速器是車輛傳動系統(tǒng)的重要組成部分，對車輛工作性能有較大的影響。變速器性能不僅取決于其結(jié)構(gòu)形式，與其發(fā)熱、潤滑及散熱參數(shù)也有密切關(guān)系[1]。潤滑是利用潤滑油減少摩擦副之間的摩擦和降低溫度，減輕表面破壞的措施[2]。合理地選擇和設(shè)計整個潤滑系統(tǒng)可有效降低潤滑系摩擦阻力，減少表面磨損和維持油溫，使變速器具有良好的潤滑狀況和工作性能，進而保證變速器高效運轉(zhuǎn)，延長其使用壽命。

在高溫環(huán)境下，潤滑油的黏度減小，潤滑油膜容易破裂，摩擦增大，容易造成齒輪和軸承的膠合失效。高溫還會引起齒輪和軸的熱應(yīng)力變形，從而影響整個變速器傳遞的可靠性及運行效率。而潤滑油工作溫度過低對變速器工作性能有不利影響，因此有必要對整個變速器進行潤滑及熱平衡分析[3]。現(xiàn)階段有效的方法包括建模分析方法和試驗分析方法。

變速器實際運行過程中的潤滑性能評價一直是較難解決的問題。對于如何解決變速器在使用過程中存在的潤滑問題，開展試驗研究是一種有效的方法[3]。目前國外已有變速器潤滑測試試驗的標準，包括SMT及日本某些公司也已出臺相關(guān)的試驗臺架及測試標準。國內(nèi)自2010年開始頒布變速器溫升及潤滑試驗的國家標準。

本文依照相關(guān)試驗國家標準，結(jié)合廠家對于試驗臺的具體需求，設(shè)計了溫升及潤滑測試系統(tǒng)，完成了試驗系統(tǒng)測控軟、硬件的設(shè)計與開發(fā)，并以一款變速器為對象展開試驗，驗證其測控系統(tǒng)功能。

1 變速器潤滑及熱平衡分析

車用變速器潤滑系統(tǒng)傳熱分析方法主要有熱網(wǎng)絡(luò)法、有限元程序方法及差分方法等，本文利用熱網(wǎng)絡(luò)法進行潤滑及熱平衡分析。在建模仿真過程中，變速器潤滑系統(tǒng)被劃分為多個節(jié)點，根據(jù)能量守恒原理有平衡方程：

Qin=ΔQ+Qout

(1)

即每個物體輸入熱量等于內(nèi)能增量和物體導(dǎo)出的熱量之和。對劃分的每個節(jié)點做熱平衡方程，對于節(jié)點i有：

(2)

根據(jù)分割的節(jié)點，各節(jié)點的平衡方程可以用矩陣來表示，即：

(3)

式中：Rn×n為關(guān)于熱阻的系數(shù)矩陣；T為節(jié)點溫度向量，T=(T1,T2,…,TN)T；Q為熱源向量，Q=(Q1,Q2，…,Qn)T,n為節(jié)點數(shù)。式(4)為節(jié)點的瞬態(tài)溫度平衡方程，對其求解可得到工作系統(tǒng)的瞬態(tài)溫度隨時間的響應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)趨于工作穩(wěn)定時，各節(jié)點的內(nèi)能為零，有ΔT=0，因此系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的溫度平衡方程應(yīng)為

(4)

根據(jù)穩(wěn)態(tài)溫度平衡方程可求得系統(tǒng)各節(jié)點穩(wěn)態(tài)時的溫度，即潤滑系統(tǒng)設(shè)計良好的情況下，變速器在實際運行過程中會達到溫度平衡。如圖1所示，進行熱平衡分析并繪制熱網(wǎng)格在水平工況高速無負荷狀態(tài)下的仿真圖，仿真結(jié)果證明潤滑系統(tǒng)設(shè)計合理，最終達到溫度平衡。

圖1 高速小負荷工況下潤滑油溫度趨勢

圖2所示為變速器在正常運轉(zhuǎn)工況下時潤滑油的工作原理。

圖2 水平工況變速器潤滑油工作原理

變速器實際工作情況較為復(fù)雜，變速器處于爬坡、下坡或做前后運動時，潤滑油受力作用大，大部分的油面處于直徑較大的齒輪部位，油面形成假平衡狀態(tài)。當(dāng)變速器向左右方向運動時，潤滑油會隨著偏轉(zhuǎn)而浸到油面齒輪的旋轉(zhuǎn)方向。車輛在實際運行工況中會出現(xiàn)爬坡時高速擋齒輪空轉(zhuǎn)、下坡時低速擋齒輪空轉(zhuǎn)的問題，如圖3、4所示。

圖3 爬坡時變速器內(nèi)潤滑油狀況

圖4 下坡時變速器內(nèi)潤滑油狀況

由于以上問題的存在，很難分析不同行駛工況下變速器潤滑油的工作狀態(tài)，這使得設(shè)計潤滑冷卻系統(tǒng)變得較為困難，難以通過軟件進行潤滑建模及熱平衡仿真，并使得仿真結(jié)果和實際試驗結(jié)果存在較大出入。因此，需要進行試驗?zāi)M變速器的各種工作工況，測量關(guān)鍵部位的溫度，利用試驗數(shù)據(jù)分析各部位的潤滑狀況，從而進一步改進和完善變速器潤滑系統(tǒng)的設(shè)計。

2 試驗系統(tǒng)總體設(shè)計

為保證變速器在各種道路工況下運行良好，需要針對不同工況對變速器的油溫及潤滑性能進行一系列的試驗，驗證潤滑系統(tǒng)設(shè)計是否合理[4-11]。

試驗系統(tǒng)主要包括四大部分：傾角控制平臺系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和試驗管理系統(tǒng)[12]。為減小強電對弱電的干擾，便于試驗臺各部件的合理布局，采用分體獨立式布局結(jié)構(gòu)。試驗系統(tǒng)整體布局結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 試驗系統(tǒng)整體布局結(jié)構(gòu)

3 測控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

試驗臺整套測控系統(tǒng)硬件包括上位機系統(tǒng)及下位機系統(tǒng)。上位機系統(tǒng)以工業(yè)控制的計算機(IPC)為控制平臺，利用計算機良好的擴展能力。下位機系統(tǒng)采用可編程的控制器(PLC)，實現(xiàn)整個試驗平臺的運動及變頻器、電機的控制，并為整個試驗系統(tǒng)提供狀態(tài)監(jiān)控與報警功能等。圖6為測控系統(tǒng)的硬件構(gòu)架。測控系統(tǒng)選擇西門子推出的S7-200 SMART PLC作為試驗臺下位機；試驗臺動力系統(tǒng)選用QABP180M2A；驅(qū)動電機選用ABB-QABP(變頻調(diào)速電機)180系列變頻電機；傾角傳感器選用BWM426；編碼器選用倍加福編碼器RHI58；溫度信號的采集選用 Pt100型電阻溫度傳感器；測控系統(tǒng)選用SINAMICS V90伺服驅(qū)動與SIMOTICS S-1FL6伺服電機配套形成的伺服系統(tǒng)；選用IBM40滾珠絲桿電動缸；測控系統(tǒng)上位機硬件選用研華IPC-610L工控機。

圖6 測控系統(tǒng)的硬件構(gòu)架

3.2 測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本試驗系統(tǒng)在試驗過程中需要通過計算機進行遠程控制，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的自動采集、分析與輸出及備份。試驗系統(tǒng)測控軟件以LabVIEW為開發(fā)平臺。為使上位機LabVIEW程序?qū)LC實現(xiàn)運動控制，采用西門子S7-200 PC-ACCESS OPC軟件實現(xiàn)PLC程序中控制節(jié)點的綁定。 測控系統(tǒng)的控制流程如圖7所示。測控系統(tǒng)功能模塊如圖8所示。

圖7 測試系統(tǒng)的流程

圖8 測控系統(tǒng)功能模塊

4 試驗結(jié)果及其分析

為驗證設(shè)計的變速器潤滑及溫升測試系統(tǒng)是否滿足要求，選用廠商提供的型號為5S600的商用車變速器進行測試。選取多個工況，測試結(jié)果以EXCEL報表形式呈現(xiàn)，試驗數(shù)據(jù)可自動存儲在報表中。

本試驗臺可測6個潤滑油溫度平衡點，且均為高速無負荷試驗，能按照需求設(shè)置試驗?zāi)Ｊ?。圖10是水平路面正常油位情況，變速器設(shè)置為前進擋的第5檔，傳動比為1，輸入轉(zhuǎn)速為2 800 r/min。實際輸入與輸出轉(zhuǎn)速有微小的偏差，但在試驗允許偏差范圍之內(nèi)。試驗過程中，變速器的內(nèi)部溫度情況由測點1表示，試驗時的室內(nèi)溫度由測點6表示。試驗耗時3 h 54 min，油溫穩(wěn)定在98.3 ℃。試驗中變速器的油溫溫差穩(wěn)定在10 min內(nèi)小于1 ℃時，表示變速器的油溫達到平衡。然后分別進行商用變速器5S600在上坡35%、下坡35%路面上的溫升試驗。溫升試驗結(jié)果顯示：在下坡坡度35%正常油位，設(shè)置變速器在前進擋第5擋，傳動比設(shè)置為1,轉(zhuǎn)速設(shè)置在2 600 r/min；試驗耗時3 h 50 min，變速器油溫穩(wěn)定在106.26 ℃。同樣，商用變速器5S600在上坡坡度35%路面，商用變速器正常油位，試驗設(shè)置擋位、傳動比和轉(zhuǎn)速與下坡時一致。結(jié)果顯示試驗耗時3 h 3 min后油溫趨于穩(wěn)定。

根據(jù)QC/T 29063.3與QC/T 29063.4，試驗過程中變速器總成最高穩(wěn)定油溫與環(huán)境空氣溫度相差應(yīng)在100 ℃以內(nèi)，且溫度-時間曲線應(yīng)平滑而沒有較大波折，變速器總成臺架試驗的油溫極限值為130 ℃，試驗環(huán)境溫度應(yīng)在35℃之內(nèi)。

在該溫升與潤滑試驗臺試驗過程中，以每10 min間隔內(nèi)的溫差是否小于1 ℃為標準來衡量溫度是否達到熱平衡。潤滑油油溫10 min間隔的溫差小于1 ℃時視為溫度平衡，試驗結(jié)束。

本次坡度試驗中，測試結(jié)果顯示被測的變速器在3種工況下的油溫均保持平衡，其熱平衡溫度保持穩(wěn)定，溫升及潤滑性能合格，但是平衡溫度均較高，這是由于變速器有一對錐齒輪，改變了變速器的輸出方向。

圖9 5S600上坡35%路面測控系統(tǒng)主界面

圖10 5S600水平路面變速器油溫趨勢

圖11 5S600下坡35%路面變速器油溫趨勢

圖12 5S600上坡35%路面變速器油溫趨勢

通過對圖10～12的分析可知：變速器在水平路面油溫較低，在上坡及下坡路面潤滑油溫度較高，這一結(jié)果表示的溫度變化符合變速器潤滑油的變化規(guī)律。從圖11～12中可以看出：試驗臺正在進行5S600上坡35%路面變速器溫升試驗，設(shè)置試驗轉(zhuǎn)速為2 600 r/min，X軸方向坡度為35%，Y軸方向坡度為0%，試驗臺測控系統(tǒng)軟件控制試驗臺在X軸方向坡度為35.1%，Y軸方向坡度為-0.1%，轉(zhuǎn)速為2 600.8 r/min，測控系統(tǒng)軟件符合設(shè)計之初提出的控制與測試要求。

5 結(jié)束語

本文利用熱網(wǎng)絡(luò)法，通過構(gòu)建變速器的熱網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測整個變速器的溫度分布。結(jié)合廠家對試驗臺的具體需求，設(shè)計了溫升及潤滑測試系統(tǒng)，完成了對系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計與開發(fā)，并以一款變速器為對象展開試驗，驗證了測控系統(tǒng)功能。

試驗結(jié)果顯示：被測的變速器在上坡、下坡和水平路面時油溫均保持平衡，其熱平衡溫度保持了穩(wěn)定，溫升及潤滑性能合格，但是平衡溫度均較高。這是由于變速器有一對錐齒輪，改變了變速器的輸出方向。該系統(tǒng)可監(jiān)測、控制試驗過程，且具備顯示、存儲與打印的功能。試驗系統(tǒng)操作簡易流暢，且測控系統(tǒng)安裝有集散控制接口，方便升級換代，能滿足企業(yè)提出的測控要求。

參考文獻：

[1] 陳昊.考慮潤滑的變速器齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2014.

[2] 原洋平.變速器總成潤滑探討[J].機械管理開發(fā)，2012(3)：47,49.

[3] 孫德志.重型車變速器潤滑試驗臺的研究[D].長春:吉林大學(xué),2006.

[4] 周延美.基于熱網(wǎng)絡(luò)法的汽車變速器熱平衡分析[J].機械傳動,2014(3):143-146.

[5] 阮登芳,劉波,陳志約,等.重型汽車變速器潤滑系統(tǒng)熱平衡仿真與實驗[J].中國機械工程,2011(10):1242-1246.

[6] QC/T 568—2010,汽車機械式變速器臺架試驗方法[S].

[7] QC/T 568.3—2010,汽車機械式變速器總成臺架試驗方法-中型[S].

[8] QC/T 568.4—2010,汽車機械式變速器總成臺架試驗方法-重型[S].

[9] QC/T 29063.2—2010,汽車機械式變速器總成技術(shù)條件第2 部分:輕型[S].

[10] QC/T 29063.3—2010,汽車機械式變速器總成技術(shù)條件第3部分:中型[S].

[11] QC/T 29063.4—2010,汽車機械式變速器總成技術(shù)條件第3部分:重型[S].

[12] 張志剛,石曉輝,劉栓起,等.自動離合器綜合性能試驗系統(tǒng)開發(fā)與試驗[J].機械設(shè)計,2015(7):25-31.