馬星宇，朱佳興，趙 亮，臺(tái)格潤(rùn)，全 東

變速器冷卻潤(rùn)滑需求分析及流量分配優(yōu)化

馬星宇，朱佳興，趙 亮，臺(tái)格潤(rùn)，全 東

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司 智能傳動(dòng)研究所，陜西 西安 710077）

文章在變速器產(chǎn)品正向開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，考慮變速器機(jī)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(nèi)不同形狀潤(rùn)滑油道過流截面當(dāng)量液流長(zhǎng)度和當(dāng)量液流直徑的等效計(jì)算方法，并以此作為仿真模型的參數(shù)設(shè)定基礎(chǔ)，通過AMESim仿真軟件對(duì)變速器液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)中的冷卻潤(rùn)滑流量進(jìn)行仿真，分別計(jì)算了變速器最大功率、最大轉(zhuǎn)速、最大扭矩工況下的流量分配狀態(tài)，通過不斷的迭代計(jì)算確定了最終的流量分配方案。

流量分配；過流截面；當(dāng)量液流長(zhǎng)度；當(dāng)量液流直徑；潤(rùn)滑需求

變速器液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)主要為工作部件提供冷卻和潤(rùn)滑，以保證工作部件可以在使用壽命內(nèi)正常工作，冷卻潤(rùn)滑流量分配的均衡與否將影響整個(gè)變速器總成是否在生命周期內(nèi)會(huì)發(fā)生提前失效。冷卻潤(rùn)滑分析是個(gè)系統(tǒng)的分析工程，需要考慮潤(rùn)滑系統(tǒng)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(nèi)部關(guān)鍵部件的需求計(jì)算方法以及油道二維化簡(jiǎn)化方法，并通過AMESim進(jìn)行了多油道惡劣工況下的流量分配求解，提出優(yōu)化后流量分配方案，為液力自動(dòng)變速器潤(rùn)滑油路的正向設(shè)計(jì)提供有利參考。

1 冷卻潤(rùn)滑需求計(jì)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(duì)于冷卻潤(rùn)滑的需求也不同，因此，要想確定變速器的潤(rùn)滑總需求，需要先確定各關(guān)鍵潤(rùn)滑部件的潤(rùn)滑需求。軸承、齒輪、離合器摩擦片是液力自動(dòng)變速器中易發(fā)生較大功率損耗的主要部件。液力自動(dòng)變速器油液（Automatic Transmission Fluid, ATF）先經(jīng)過軸承、齒輪再通過旋轉(zhuǎn)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(yōu)先考慮較大功率損耗部件的潤(rùn)滑需求，在該條件滿足的情況下再考慮其他部件的潤(rùn)滑需求，離合器的潤(rùn)滑需求通過式（1）進(jìn)行計(jì)算：

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

軸承潤(rùn)滑需求通過式（2）和式（3）進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)有參數(shù)，對(duì)變速器的最大功率、最高轉(zhuǎn)速、最大扭矩這三種極限工況進(jìn)行了計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最大扭矩工況（轉(zhuǎn)速為1 400 r/min）下對(duì)應(yīng)的軸承潤(rùn)滑需求最高，表明該工況下軸承的工作狀態(tài)最為惡劣，應(yīng)優(yōu)先滿足該工況下軸承的冷卻潤(rùn)滑流量。

式中，0為由轉(zhuǎn)速引起摩擦損失的摩擦系數(shù)；為工作溫度下的油液運(yùn)動(dòng)粘度，mm2?s-1；為工作轉(zhuǎn)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(shù)；1為設(shè)計(jì)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(jù)式（4）、式（5）進(jìn)行當(dāng)量油道直徑和當(dāng)量油道長(zhǎng)度的等效計(jì)算：

式中，H為當(dāng)量液流直徑，mm；為油道截面積，mm2；為周長(zhǎng)，mm。

式中，H為油道當(dāng)量液流長(zhǎng)度，mm；為免計(jì)算參考值，具體參照表1。

表1 免計(jì)算k值與油道進(jìn)出口數(shù)的關(guān)系

出油口數(shù)K值 進(jìn)油口數(shù) 12345678 148121620242832 2816243240485664 31224364860728496 4163248648096112128 520406080100120140160 624487296120144168192 7285684112140168196224 8326496128160192224256 93672108144180216252288 104080120160200240280320 114488132176220264308352 124896144192240288336384

2 仿真模型的搭建與計(jì)算

根據(jù)式（4）和式（5）的計(jì)算結(jié)果，在AMESim中搭建整箱冷卻潤(rùn)滑模型，如圖1所示。液壓管道的子模型參數(shù)設(shè)置為HL0003，該子模型使用雷諾系數(shù)和相對(duì)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(zhǔn)確地模擬管道中液流狀態(tài)，內(nèi)部參數(shù)可計(jì)算液流阻力，外部參數(shù)可計(jì)算輸出流量和壓力值。通過HR237漸進(jìn)收縮的子模型參數(shù)可模擬漸變流量進(jìn)出口截面的液流狀態(tài)，通過HRORG11子模型可計(jì)算通過層流孔板的流量。該模型共計(jì)一百多個(gè)管道模型，經(jīng)過校核驗(yàn)證較為準(zhǔn)確地反映變速器潤(rùn)滑油路的流量分布狀態(tài)。

分析變速器在不同輸入轉(zhuǎn)速及不同功率工況下的流量分布規(guī)律，設(shè)定分析工況，具體參數(shù)如表2、表3所示。

圖1 AMESim油道仿真模型的搭建

表2 某發(fā)動(dòng)機(jī)外特性數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)分析工況

工況輸入功率/kW輸入轉(zhuǎn)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(dòng)器、離合器為分析對(duì)象，計(jì)算結(jié)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(dòng)離合器；C為離合器；數(shù)字代號(hào)為組別，如：GZ1代表第一組滾針軸承。

3 分析與優(yōu)化

通過圖2計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，離合器C1、C2，軸承GZ2、Q、Z、TL等在不同轉(zhuǎn)速工況下的實(shí)際流量均大于需求流量，其中C2的實(shí)際流量遠(yuǎn)大于需求流量。制動(dòng)離合器B2在各轉(zhuǎn)速工況下的實(shí)際流量均小于需求流量，冷卻潤(rùn)滑不足，滾針軸承GZ1在1 200 r/min和1 400 r/min時(shí)，處于欠潤(rùn)滑狀態(tài)，其中在1 400 r/min時(shí)欠潤(rùn)滑狀態(tài)更明顯，根據(jù)式（2）和式（3），摩擦扭矩產(chǎn)生的熱量相對(duì)于部件轉(zhuǎn)動(dòng)攪油產(chǎn)生的熱量更高，分析工況四1 400 r/min時(shí)全功率輸出條件下對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(yōu)化后B2及GZ1的冷卻潤(rùn)滑流量分配情況

針對(duì)滾針軸承GZ1/2、制動(dòng)離合器B2冷卻潤(rùn)滑流量分配不足的情況，通過增加去往欠潤(rùn)滑零部件的油孔直徑或數(shù)量，且減小共用油路的過潤(rùn)滑零部件如離合器C2孔徑的方式，來實(shí)現(xiàn)油路的優(yōu)化合理分配，計(jì)算得到圖3，此時(shí)各油路的流量分配較為均衡。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證各油道分配流量的合理性，搭建了基于變速器整箱的臺(tái)架試驗(yàn)，如圖4所示，臺(tái)架驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。

圖4 臺(tái)架搭建及驗(yàn)證

由于殼體內(nèi)部油路復(fù)雜難以直接檢測(cè)零部件的冷卻潤(rùn)滑流量，因此通過對(duì)關(guān)鍵零件的溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，來間接反映冷卻潤(rùn)滑效果。如圖3所示，優(yōu)化后各部件的溫升水平維持在水準(zhǔn)線以內(nèi)，則優(yōu)化方法合理可靠。

圖5 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對(duì)變速器冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)難題，提出了潤(rùn)滑需求計(jì)算方法，變速器油道簡(jiǎn)化方法，通過一維仿真的方法實(shí)現(xiàn)了冷卻潤(rùn)滑流量分配的優(yōu)化，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，涉及內(nèi)容具體如下：

1）針對(duì)變速器易高溫?zé)龘p的關(guān)鍵部件，如：離合器、軸承，按照變速器最惡劣工況需求考慮，進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑需求計(jì)算，為冷卻潤(rùn)滑流量分配的合理性提供評(píng)判依據(jù)；

2）提出了將變速器內(nèi)部非規(guī)則潤(rùn)滑油道等效轉(zhuǎn)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(jìn)口/多出口油槽式過流等，均可通過等效過流截面轉(zhuǎn)化為便于仿真計(jì)算的圓截面油道；

3）搭建了針對(duì)變速器冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)的AME- Sim仿真模型，計(jì)算了變速器最惡劣工作工況下的流量分配情況，并針對(duì)流量不足的部位進(jìn)行了迭代計(jì)算，直到實(shí)際到達(dá)各潤(rùn)滑部件的流量滿足功能需求，并通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了分析方法的可靠性，為變速器冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

[1] DONG P,LIU Y,LIU Y,et al.A Method of Applying Two-pump System in Automatic Transmissions for Energy Conservation[J].Advances in Mechanical Eng- ineering,2015,7(7):1-11.

[2] KATOU N,TANIGUCHI T,TSUKAMOTO K,et al. AISIN AW New Six-speed Automatic Transmission for FWD Vehicles[C]//SAE 2004 World Congress & Exh- ibition.East Lansing:Michigan State University,2004: 1-8.

[3] 徐向陽(yáng).自動(dòng)變速器技術(shù)[M].北京:人民交通出版社, 2011.

[4] 楊周倫.商用車變速器溫升及潤(rùn)滑試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)研發(fā)[D].重慶:重慶理工大學(xué),2017.

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?yàn)锳T變速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及冷卻潤(rùn)滑分析，E-mail:maxingyu@fastgroup.cn。