畢道坤，陸增俊，唐立國，唐榮江，顧昱彬

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司 商用車技術(shù)中心，廣西 柳州 545005；2.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541010）

整車經(jīng)濟(jì)性是商用車產(chǎn)品競爭力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，后橋傳遞效率是整車經(jīng)濟(jì)性的重要影響因素之一。機(jī)械損失和液力損失同時(shí)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(jīng)濟(jì)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(fù)荷損失，一般受轉(zhuǎn)速、加油量、油液黏度（與油液品質(zhì)及油溫相關(guān)）、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(zhuǎn)速等因素出發(fā)，國內(nèi)外諸多學(xué)者均進(jìn)行了研究。Valeriy 等［1］對(duì)齒輪傳動(dòng)無載荷功耗進(jìn)行了文獻(xiàn)整理并綜述，總結(jié)了多年以來出現(xiàn)過的有關(guān)攪油損失分析的半經(jīng)驗(yàn)公式。Gauthier 等［2］創(chuàng)新性地提出攪油損失研究不應(yīng)該局限于溫度、油液黏度等常規(guī)因素，也可能與潤滑油的空氣含量有關(guān)，甚至有可能與其他未知因素有關(guān)。梁文宏等［3］使用Fluent 對(duì)斜齒輪的攪油損失進(jìn)行了研究，通過比對(duì)不同參數(shù)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(zhuǎn)速下使用仿真工具推算。陳晟偉等［4］通過設(shè)計(jì)一種角度可變性齒輪箱攪油損失機(jī)使得測試機(jī)可以實(shí)現(xiàn)角度變換等功能，提高了實(shí)驗(yàn)便利性。故前人大多數(shù)文獻(xiàn)主要集中于對(duì)齒輪攪油的分析，對(duì)實(shí)際問題的解決方案研究較少或只是象征性提出意見。

現(xiàn)以某商用車后橋?yàn)檠芯繉?duì)象著重分析流場的影響。首先通過實(shí)驗(yàn)對(duì)后橋模型研究排除注油量影響，其次提出“內(nèi)置導(dǎo)流板”和“橋殼變形”兩個(gè)方案對(duì)后橋潤滑油液流場進(jìn)行優(yōu)化仿真。最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證方案的可行性和優(yōu)越性，使得理論分析和工程應(yīng)用較好地結(jié)合。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 差動(dòng)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(fù)荷損失、空轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速有關(guān)。工程上對(duì)于攪油損失的計(jì)算大多數(shù)依賴于實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式。在整個(gè)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(shù)的低轉(zhuǎn)速齒輪推導(dǎo)出攪油阻力矩的計(jì)算公式，即

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

李晏［6］以貨車變速箱為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算出攪油阻力矩Cm的表達(dá)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(shù)；Re為雷諾數(shù)；為攪油齒輪節(jié)圓直徑。

以上兩個(gè)計(jì)算模型均以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)而忽視齒輪齒形的影響。因此在實(shí)際應(yīng)用中并不可取。英國標(biāo)準(zhǔn)AGMAISO14179-1 主要適用于斜齒輪研究，國內(nèi)也存在一些相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)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(dòng)比）。當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的半經(jīng)驗(yàn)公式具體為通過定義影響因子后使用大數(shù)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，最后擬得各參數(shù)的指數(shù)項(xiàng)所得［7］：

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

1.2 攪油損失功率Pc

當(dāng)潤滑油為層流狀態(tài)Re≤6 000［8］時(shí)，

當(dāng)潤滑油為湍流狀態(tài)Re≥9 000 時(shí)，

1.3 CFD 理論基礎(chǔ)

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

式中：μt為渦流黏度；ρ為密度；μ為動(dòng)力黏度；k為剛度；γeff為分離誘導(dǎo)變換；Pk和Dk表示湍流方程中的產(chǎn)生項(xiàng)目和破壞項(xiàng)；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(yàn)

2.1 試驗(yàn)用后橋模型

以某商用車車后橋?yàn)樵囼?yàn)對(duì)象進(jìn)行研究。圖1所示為試驗(yàn)用車后橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)用后橋的具體參數(shù)見表1。

圖1 車后橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1 試驗(yàn)用商用車車后橋具體參數(shù)

2.2 注油量影響臺(tái)架驗(yàn)證

后橋傳遞效率在齒輪機(jī)械傳動(dòng)效率之外（主要零部件的設(shè)計(jì)制造決定），對(duì)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(tái)架試驗(yàn)研究注油量對(duì)攪油損失的影響。

試驗(yàn)設(shè)置在90±10 ℃環(huán)境下進(jìn)行，輸入轉(zhuǎn)速設(shè)置為中等偏高轉(zhuǎn)速1 400 r/min，對(duì)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(yàn)結(jié)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(fā)現(xiàn)，在加注量為11.5 L和14 L 時(shí)，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(shí)的傳遞效率。且當(dāng)功率輸出為100%時(shí)，兩者接近相等。因此總體觀察可發(fā)現(xiàn)后橋的傳遞效率的變化并不明顯。因此注油量對(duì)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?yàn)樵紖⒖寄Ｐ瓦M(jìn)行建模和仿真。該商用車后橋模型如圖3 所示，建模時(shí)將包裹橋殼去除，方便觀察齒輪攪油情況。后橋具體參數(shù)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(nèi)置導(dǎo)流板存在，這導(dǎo)致被動(dòng)齒輪（大齒輪）轉(zhuǎn)動(dòng)攪油時(shí)，潤滑油四處飛濺，沒能按需導(dǎo)向所需區(qū)域潤滑；且正圓的橋殼在同樣液面高度下油量多，攪動(dòng)的油量越多，攪油損失也越大。因此，如何對(duì)后橋內(nèi)潤滑油進(jìn)行導(dǎo)向及減少攪動(dòng)油量是提升潤滑效率及降低攪油損失的重要手段［7］。

針對(duì)攪油損失的優(yōu)化提出了兩個(gè)方案：方案1采用內(nèi)置導(dǎo)流板，將小齒輪轉(zhuǎn)速設(shè)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(shù)小齒輪轉(zhuǎn)速設(shè)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(shè)置了相同的導(dǎo)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(nèi)置導(dǎo)流板”建模如圖4（a）所示，圖中所圈出紅圈為增設(shè)的導(dǎo)流板，導(dǎo)流板的位置設(shè)置在大齒輪的兩端。在大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)流板的設(shè)置可以較好地避免高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(shè)計(jì)是將流體導(dǎo)向并增加流向齒輪嚙合區(qū)域的流量。而由大齒輪在油攪動(dòng)過程中所獲得的部分動(dòng)力通過定向流所提供的“阻力”在小齒輪上得到恢復(fù)。

圖4 模型

3.2 仿真結(jié)果

通過CFD 仿真得到360°平均流體狀態(tài)圖，如圖5 所示，主要顯示了后橋內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板后和導(dǎo)流板前的流體分布情況［10］。

由圖5 可知，兩個(gè)方案的主軸右軸承和輸入軸軸承均被油侵。與基準(zhǔn)相比輪廓圖表明入口流量有所增加。與基準(zhǔn)相比，方案1 和方案2 的箱內(nèi)油液循環(huán)相對(duì)減少，導(dǎo)流板引導(dǎo)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(cè)面浸油量更小，說明“橋殼變形”方案的導(dǎo)流性能更好。這是因?yàn)椤皹驓ぷ冃巍笔菍⒘黧w導(dǎo)向并增加流向齒輪嚙合區(qū)域的流量。而由大齒輪在油攪動(dòng)過程中所獲得的部分動(dòng)力，通過定向流所提供的“阻力”在小齒輪上得到恢復(fù)，不產(chǎn)生能量。故與“內(nèi)置導(dǎo)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(yōu)化方案的效果均優(yōu)于原始模型。

圖5 360°平均流體狀態(tài)圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述的研究，對(duì)某商用車后橋進(jìn)行了實(shí)機(jī)試驗(yàn)測試，試驗(yàn)裝置如圖6 所示。

圖6 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)過程中溫度控制在80±3 ℃，將測試樣件按要求安裝在驅(qū)動(dòng)橋效率測試臺(tái)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(jìn)行計(jì)算，見表2。

表2 2 235 r/min 下功率損失

表2 中數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過橋殼變形后，后橋的傳動(dòng)效率均優(yōu)于原始模型。“內(nèi)置導(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)相比，方案1 和方案2 中靠近小齒輪進(jìn)口區(qū)域的油流量更大，且方案1 和方案2 中齒輪嚙合區(qū)域的油流量更大；與基準(zhǔn)相比，方案1 和方案2 的油底殼（油箱后蓋）附近區(qū)域的流體停滯情況相對(duì)較少。因此“橋殼變形”較“內(nèi)置導(dǎo)流板”對(duì)攪油損失的優(yōu)化效果更優(yōu)。

下面選取“橋殼變形”方案與原始模型進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比分析傳動(dòng)效率關(guān)系。控制轉(zhuǎn)速為1 465 r/min 和1 832 r/min，在80 km/h 和100 km/h 設(shè)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(dòng)效率并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(yōu)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(dòng)效率提高的程度更加明顯；而當(dāng)功率過大超過250 kW 后傳動(dòng)效率幾乎不提升。

圖7 優(yōu)化前后傳遞效率對(duì)比

5 結(jié)論

1）通過CFD 計(jì)算和試驗(yàn)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(yàn)中加注11.5 L 和14 L兩種情況，發(fā)現(xiàn)注油量影響大小可以忽略不計(jì)。

2）排除注油量影響后，通過設(shè)計(jì)“內(nèi)置導(dǎo)流板”和“橋殼變形”兩種方案對(duì)后橋流場進(jìn)行優(yōu)化，基于CFD 仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析出：“內(nèi)置導(dǎo)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(shè)置對(duì)比試驗(yàn)，分別設(shè)置近似的輸入扭矩進(jìn)行多組對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果證明優(yōu)化后的后橋傳遞效率提高約1%。