王雨晨

(合肥財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

汽車變速箱互鎖閥是為了在汽車行進(jìn)過(guò)程中防止檔位自動(dòng)換擋或者脫檔,因此變速箱互鎖閥在汽車正常行駛過(guò)程中扮演著重要的角色。石油壓裂車自身重量大、車身長(zhǎng)、安全性要求高,底盤互鎖閥就顯得很重了。壓裂車在進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)經(jīng)常會(huì)使用底盤取力,通常情況下底盤取力時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載率都會(huì)在60%以上,這就導(dǎo)致了底盤變速箱油溫過(guò)高(180℃以上)從而引起互鎖閥O形圈失效,導(dǎo)致車輛安全性降低。因此對(duì)底盤變速箱油溫研究這一問(wèn)題就顯得尤為重要。劉顯玉[1]認(rèn)為造成變速箱油溫過(guò)高的原因可能有如下幾個(gè)方面:變速箱的油位過(guò)高、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液過(guò)熱、所使用的液壓油型號(hào)不匹配、車輛過(guò)載等;莫小強(qiáng)[2]認(rèn)為造成變速箱油溫高的原因可能有以下幾個(gè)方面:油位過(guò)低或過(guò)高;車輛過(guò)載、油中混入空氣或起泡沫、車輛過(guò)載、冷卻劑不足、離合器打滑等;張宗獻(xiàn)[3]認(rèn)為致使汽車變速箱動(dòng)態(tài)過(guò)程油溫偏高的主要原因有:潤(rùn)滑液力傳動(dòng)油散熱器物理性阻塞、變速箱內(nèi)油壓不足或內(nèi)泄、離合器機(jī)械式損壞、液力距減壓閥彈簧機(jī)械折斷;張溫舫[4]認(rèn)為造成變速箱油溫過(guò)高的原因如下:系統(tǒng)進(jìn)油壓力不足、散熱器散熱不良、傳動(dòng)油位或使用標(biāo)號(hào)不當(dāng)、超負(fù)荷運(yùn)行;結(jié)合上述分析,本文認(rèn)為影響底盤變速箱油溫偏高的主要原因是底盤負(fù)載率偏高導(dǎo)致的,提出的解決方案是為底盤變速箱加裝一套風(fēng)冷裝置,通過(guò)底盤電瓶箱為風(fēng)冷裝置提供能量,在底盤變速箱長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)載運(yùn)行時(shí),打開(kāi)風(fēng)冷裝置為底盤變速箱潤(rùn)滑油散熱來(lái)降低底盤變速箱潤(rùn)滑油油溫。

1 重型汽車底盤變速箱組成及工作原理

重型汽車底盤變速箱是通過(guò)變速箱內(nèi)潤(rùn)滑油的定向流動(dòng)性帶走齒輪副轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦及軸承組轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量,潤(rùn)滑油對(duì)底盤變速箱也起到了一定的降溫作用,因此變速箱的潤(rùn)滑系統(tǒng)及潤(rùn)滑油的選型對(duì)底盤變速箱的性能至關(guān)重要。

某重型商用車底盤變速箱齒輪組潤(rùn)滑方式采用齒輪副自發(fā)飛濺式潤(rùn)滑。在某重型商用車底盤變速箱殼體3內(nèi)注入一定量的潤(rùn)滑油9,用于對(duì)該變速箱內(nèi)的齒輪副10,11,12進(jìn)行運(yùn)動(dòng)潤(rùn)滑以及流動(dòng)散熱,某重型商用車底盤變速箱齒輪組右中軸4上的右中間軸齒輪12與主軸齒輪11嚙合,兩個(gè)齒輪在嚙合運(yùn)動(dòng)時(shí),由于旋轉(zhuǎn)會(huì)將變速箱殼體3內(nèi)的潤(rùn)滑油9甩濺到殼體內(nèi)部上。基于潤(rùn)滑油物理特性,使其在正常工作溫度下具有粘性,通過(guò)齒輪副之間的轉(zhuǎn)動(dòng)及嚙合時(shí)會(huì)帶走一部分潤(rùn)滑油9到左中間軸齒輪10上使?jié)櫥蛯?duì)變速箱殼體內(nèi)所有零件進(jìn)行全角度動(dòng)態(tài)浸潤(rùn)。變速箱在工作時(shí),由于機(jī)械傳動(dòng)效率的存在,會(huì)在變速箱殼體內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱,這是導(dǎo)致變速箱升溫的一個(gè)主要原因。這些熱量主要是由左中間軸齒輪10和右中間軸齒輪12與主軸齒輪11嚙合傳動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量、軸承6的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦產(chǎn)生熱量以及各個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌潤(rùn)滑油產(chǎn)生的熱量組成。研究的重型底盤在底盤取力時(shí)變速箱中輸出軸最高轉(zhuǎn)速在1900r/min,因此可以忽略風(fēng)阻損失[1]。

正常行駛的載重汽車存在一個(gè)自然風(fēng)冷的現(xiàn)象且底盤發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載率并不是長(zhǎng)時(shí)間維持在一個(gè)較高的狀態(tài),因此載重汽車在正常行駛中不會(huì)出現(xiàn)互鎖閥O形圈損壞。壓裂車施工作業(yè)時(shí)底盤車是不運(yùn)動(dòng)的,在使用底盤取力通常負(fù)載率較高(60%以上),底盤變速箱的油溫很容易超過(guò)互鎖閥的正常使用溫度120℃,導(dǎo)致互鎖閥失效?；谏鲜鰡?wèn)題,本文提出了一種采用潤(rùn)滑油外循環(huán)式風(fēng)冷方式對(duì)其變速箱降溫,得到了很好的效果。

圖1 某變速箱結(jié)構(gòu)示意圖

2 底盤變速箱傳熱原理

2.1 齒輪嚙合過(guò)程中的摩擦功率計(jì)算

齒輪嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦功率損失最終將轉(zhuǎn)化為熱量傳遞到潤(rùn)滑油中,使?jié)櫥偷臏囟壬摺?/p>

某重型商用車底盤變速箱齒輪組齒輪在配合齒嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦功率發(fā)生損耗,即齒輪副表面單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量可由式(1)表示:

Ps=f×Fn×vs

(1)

式(1)中:Ps為齒輪摩擦功率損失,KW;f為瞬態(tài)滑移摩擦系數(shù);Fn為齒面法向載荷,N;vs為齒輪嚙合點(diǎn)出瞬時(shí)滑動(dòng)速度,m/s。齒面法向載荷Fn:

(2)

vs=1.0472×10-4n1(1+z2/z1)s

(3)

式(3)中:n1為主齒轉(zhuǎn)速,r/min;z1為主動(dòng)齒輪齒數(shù);z2為從動(dòng)齒輪齒數(shù);s為嚙合齒輪節(jié)距,m。

忽略變速箱齒輪自身的加工誤差以及設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)變速箱熱源的影響。代表當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)保持輸出轉(zhuǎn)速不變時(shí),變速箱產(chǎn)生的輸入扭矩及輸入功率直接影響了變速箱內(nèi)的熱量產(chǎn)出。在計(jì)算齒輪嚙合產(chǎn)生的摩擦功率時(shí),由于齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)潤(rùn)滑油會(huì)在齒側(cè)間隙處形成一層油膜。嚴(yán)格意義上講,由于潤(rùn)滑油膜的存在計(jì)算的齒輪嚙合的摩擦功率并不完全等于實(shí)際的摩擦功率。

2.2 變速箱軸承的摩擦功率計(jì)算

所設(shè)計(jì)的齒輪箱由10個(gè)支座組成,所有支座都是由深溝滾珠支座構(gòu)成。從接觸方式上來(lái)看,深溝球軸承是點(diǎn)線接觸型的,其導(dǎo)線與摩擦副的接觸所引起的摩擦功耗就是摩擦副的熱功耗。在齒輪箱的熱分配中,它所產(chǎn)生的熱在齒輪箱總的熱分配中所占的比例很大,是齒輪箱熱分配系統(tǒng)中不可忽視的一個(gè)重要熱源。齒輪箱軸承的摩擦熱能是由于滾動(dòng)摩擦力矩M1而產(chǎn)生的。軸承滾動(dòng)摩擦力矩計(jì)算公式為:

M1=f1×P×dm

(4)

式(4)中:M1為摩擦力矩,Nm;f1為摩擦系數(shù);P為當(dāng)量動(dòng)載荷;dm為軸承的公稱直徑,mm。

P=fp×X×Fr

(5)

式(5)中:fp為當(dāng)量摩擦系數(shù);X為徑向載荷系數(shù);Fr為軸承徑向載荷。

Fr=T1/r

(6)

軸承滾動(dòng)摩擦力矩M1為:

(7)

根據(jù)軸承的摩擦熱經(jīng)驗(yàn)公式[3]:

Q=1.05×10-4M1nz

(8)

式(8)中:Q為摩擦熱,J;nz為軸承轉(zhuǎn)速大小依據(jù)發(fā)動(dòng)起轉(zhuǎn)速,r/min。

2.3 攪油功率損失計(jì)算

齒輪圓周面功率損失計(jì)算公式[4]:

(9)

輪齒側(cè)面功率損失為:

當(dāng)齒輪周圍潤(rùn)滑油為層流時(shí):

(10)

當(dāng)齒輪周圍潤(rùn)滑油為紊流時(shí):

(11)

而兩齒間的渦流損耗,主要是因?yàn)楫?dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),油液在兩齒間的間隙中流動(dòng),而間隙中的油液流動(dòng)方向與周邊油液流動(dòng)方向不同,從而導(dǎo)致了兩齒間的渦流損耗。渦流損耗的大小與齒輪箱的油液浸入深度和最初的油液粘度有關(guān)。其計(jì)算公式如式(12):

(12)

齒輪副產(chǎn)生的的攪油熱功率為:

QM=PM=P1+P2+P3

(13)

式(13)中:DP為齒頂圓直徑,m;w為齒輪角速度,m/s;ψ為齒輪浸入潤(rùn)滑油角度;S為齒輪浸入面積,m2;ro為齒頂圓半徑,m;r1為齒頂圓半徑,m;∪為潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s;ρ為潤(rùn)滑油密度,kg/m2。

3 重型底盤變速箱油溫計(jì)算

型汽車底盤變速箱齒輪嚙合摩擦生熱和軸承摩擦生熱都是以對(duì)流換熱的方式被傳遞到潤(rùn)滑油中的,潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)箱體與外界空氣進(jìn)行熱量交換,最終達(dá)到了變速箱的散熱。

3.1 傳熱理論

對(duì)流換熱采用冷卻定律表達(dá):

q=h(T-Tc)

(14)

式(14)中:q為對(duì)流熱流密度,W/m2;h為對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·℃);T為固體溫度,℃;Tc為流體溫度,℃。

3.2 變速箱與周圍空氣換熱分析

壓裂車正常工作時(shí)是處于靜止?fàn)顟B(tài)的,對(duì)其變速箱進(jìn)行改裝后,底盤變速箱的散熱不僅有與空氣的對(duì)流換熱,還有流經(jīng)空冷散熱器中的強(qiáng)空冷散熱,變速箱的結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu),本文將變速箱模型簡(jiǎn)化為一個(gè)軸對(duì)稱模型來(lái)研究變速箱內(nèi)潤(rùn)滑油的溫度值,根據(jù)上述簡(jiǎn)化壓裂車底盤變速箱的熱流交換模型如下圖2所示。

圖2 變速箱換熱模型

變速箱的前端與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出端相連,由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)溫度相對(duì)較高當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)合面處溫度不變此時(shí)假設(shè)此處不發(fā)生熱量交換,將發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的結(jié)合面處定義為絕熱邊界條件,底盤變速箱其他部分變速箱均與空氣直接接觸因此本文定義為正常的空冷邊界條件,由于改進(jìn)后的變速箱增加了一套風(fēng)冷裝置潤(rùn)滑油進(jìn)入空冷散熱器后與空氣發(fā)生強(qiáng)對(duì)流換熱,本文將此過(guò)程定義為強(qiáng)對(duì)流換熱邊界,對(duì)流換熱系數(shù)通過(guò)熱力學(xué)方程以及變速箱潤(rùn)滑油溫實(shí)測(cè)值進(jìn)行反向推導(dǎo)得出相對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)。

齒輪潤(rùn)滑油溫度場(chǎng)控制方程:

(15)

式(15)中:ρ為潤(rùn)滑油密度,kg/m2;c為潤(rùn)滑油的比熱容,J/(kg·℃);

采用ADI差分算法對(duì)傳熱方程進(jìn)行求解,交替方向隱式格式法將時(shí)間步分前后兩個(gè)半時(shí)間步,在前半步x方向隱式、y方向顯式,后半時(shí)間步反過(guò)來(lái),求解時(shí)前半時(shí)間步長(zhǎng)采用三對(duì)角追趕法,后半時(shí)間步長(zhǎng)采用高斯塞德?tīng)柕?。交替方向的隱式差分格式屬于混合格式,它對(duì)偏微分方程的解有很好的穩(wěn)定性,而且在計(jì)算的速度方面,它要比Crank-Nicolson更好,它是一種在傳熱方程中表變化的比較理想的差分格式。

風(fēng)冷裝置中的潤(rùn)滑油也按照此種方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分邊界定義來(lái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,風(fēng)冷裝置實(shí)際上相當(dāng)于增加了底盤變速箱潤(rùn)滑油的散熱面積以及局部增加了散熱系數(shù)。針對(duì)此現(xiàn)象,本文做了一定的變換,在對(duì)底盤變速箱潤(rùn)滑油溫度場(chǎng)進(jìn)行有限差分計(jì)算時(shí),將變速箱相應(yīng)尺寸按照風(fēng)冷裝置的相應(yīng)尺寸進(jìn)行擴(kuò)展,強(qiáng)對(duì)流邊界條件加在底盤變速箱相應(yīng)的位置處。對(duì)變換后的物理模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算求解底盤變速箱潤(rùn)滑油達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度值。

3.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果

加裝風(fēng)冷以后,在環(huán)境地表溫度為36℃的環(huán)境下,潤(rùn)滑油的傳熱系數(shù)為0.25W/m·K,潤(rùn)滑油的密度為850kg/m2,潤(rùn)滑油的比熱容為1.87KJ(kg·℃)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),變速箱與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)取值范圍在12-59W/(m2·℃)。

采用測(cè)溫槍每15min測(cè)量一次變速箱表面溫度,啟動(dòng)底盤車發(fā)動(dòng)機(jī)使底盤車發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載率達(dá)到80%左右,對(duì)底盤變速箱油溫進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn),測(cè)試時(shí)間6.5h,變速箱油溫達(dá)到穩(wěn)態(tài)。將測(cè)溫槍測(cè)試的變速箱表面溫度值作為變速箱內(nèi)潤(rùn)滑油溫度值。通過(guò)實(shí)測(cè)75min時(shí)的實(shí)測(cè)溫度值,可反算出空氣的對(duì)流換熱系數(shù)為46W/(m2·℃),

空冷散熱器的強(qiáng)對(duì)流換熱系數(shù)為1260W/(m2·℃),根據(jù)上述反算出的對(duì)流換熱系數(shù)值,將上述對(duì)流換熱系數(shù)值代入到變速箱潤(rùn)滑油溫度場(chǎng)方程中進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算,得出不同時(shí)刻變速箱潤(rùn)滑油的溫度值,實(shí)測(cè)值以及相對(duì)誤差。

加裝風(fēng)冷以后,對(duì)底盤變速箱油溫進(jìn)行理論數(shù)值計(jì)算,每間隔15min取一個(gè)數(shù)值點(diǎn),直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡,根據(jù)所取數(shù)值點(diǎn)繪制實(shí)測(cè)與數(shù)值理論計(jì)算溫度曲線,如下圖3所示。

通過(guò)上述實(shí)測(cè)值及理論計(jì)算值的對(duì)比,可以看出兩條曲線相對(duì)吻合,只有在剛開(kāi)始的時(shí)候有一定誤差,誤差值最大值在7%以內(nèi),有限差分模型滿足精度要求。初始階段相對(duì)誤差比較大,這是因?yàn)樵趧傞_(kāi)始的時(shí)候溫度以及散熱都還沒(méi)有達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),理論計(jì)算按照恒定的散熱功率進(jìn)行計(jì)算的,由于是通過(guò)一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行理論計(jì)算得出,可能具有一定的誤差。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),溫度值逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)相對(duì)誤差就會(huì)逐漸減小。

圖3 變速箱實(shí)測(cè)與理論計(jì)算油溫曲線

4 結(jié) 論

針對(duì)上述建立的變速箱潤(rùn)滑油溫度有限差分模型,研究了控制底盤變速箱油溫控制方法,可得出如下結(jié)論。

(1)底盤變速箱油溫在沒(méi)有加風(fēng)冷之前,底盤負(fù)載率在80%時(shí),平衡溫度高達(dá)180℃,此溫度嚴(yán)重影響了底盤的正常使用。

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及理論計(jì)算在加上風(fēng)冷裝置以后底盤變速箱油溫溫度降至110℃左右滿足底盤互鎖閥的使用要求。

(3)通過(guò)建立有限差分?jǐn)?shù)學(xué)模型可以得出所需的散熱功率,利于后續(xù)風(fēng)冷裝置的選型工作。