客車機械式變速器潤滑及溫升測試系統研究

葉 明，李 思，楊周倫

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

變速器是車輛傳動系統的重要組成部分，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構形式，與其發熱、潤滑及散熱參數也有密切關系[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]。合理地選擇和設計整個潤滑系統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，延長其使用壽命。

在高溫環境下，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]?，F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的試驗臺架及測試標準。國內自2010年開始頒布變速器溫升及潤滑試驗的國家標準。

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

1 變速器潤滑及熱平衡分析

車用變速器潤滑系統傳熱分析方法主要有熱網絡法、有限元程序方法及差分方法等，本文利用熱網絡法進行潤滑及熱平衡分析。在建模仿真過程中，變速器潤滑系統被劃分為多個節點，根據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能增量和物體導出的熱量之和。對劃分的每個節點做熱平衡方程，對于節點i有：

(2)

根據分割的節點，各節點的平衡方程可以用矩陣來表示，即：

(3)

式中：Rn×n為關于熱阻的系數矩陣；T為節點溫度向量，T=(T1,T2,…,TN)T；Q為熱源向量，Q=(Q1,Q2，…,Qn)T,n為節點數。式(4)為節點的瞬態溫度平衡方程，對其求解可得到工作系統的瞬態溫度隨時間的響應。當系統趨于工作穩定時，各節點的內能為零，有ΔT=0，因此系統穩態時的溫度平衡方程應為

(4)

根據穩態溫度平衡方程可求得系統各節點穩態時的溫度，即潤滑系統設計良好的情況下，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格在水平工況高速無負荷狀態下的仿真圖，仿真結果證明潤滑系統設計合理，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。當變速器向左右方向運動時，潤滑油會隨著偏轉而浸到油面齒輪的旋轉方向。車輛在實際運行工況中會出現爬坡時高速擋齒輪空轉、下坡時低速擋齒輪空轉的問題，如圖3、4所示。

圖3 爬坡時變速器內潤滑油狀況

圖4 下坡時變速器內潤滑油狀況

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，這使得設計潤滑冷卻系統變得較為困難，難以通過軟件進行潤滑建模及熱平衡仿真，并使得仿真結果和實際試驗結果存在較大出入。因此，需要進行試驗模擬變速器的各種工作工況，測量關鍵部位的溫度，利用試驗數據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的設計。

2 試驗系統總體設計

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，驗證潤滑系統設計是否合理[4-11]。

試驗系統主要包括四大部分：傾角控制平臺系統、機電系統、測控系統和試驗管理系統[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構。試驗系統整體布局結構如圖5所示。

圖5 試驗系統整體布局結構

3 測控系統設計

3.1 測控系統硬件設計

試驗臺整套測控系統硬件包括上位機系統及下位機系統。上位機系統以工業控制的計算機(IPC)為控制平臺，利用計算機良好的擴展能力。下位機系統采用可編程的控制器(PLC)，實現整個試驗平臺的運動及變頻器、電機的控制，并為整個試驗系統提供狀態監控與報警功能等。圖6為測控系統的硬件構架。測控系統選擇西門子推出的S7-200 SMART PLC作為試驗臺下位機；試驗臺動力系統選用QABP180M2A；驅動電機選用ABB-QABP(變頻調速電機)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；測控系統選用SINAMICS V90伺服驅動與SIMOTICS S-1FL6伺服電機配套形成的伺服系統；選用IBM40滾珠絲桿電動缸；測控系統上位機硬件選用研華IPC-610L工控機。

圖6 測控系統的硬件構架

3.2 測控系統的軟件設計

本試驗系統在試驗過程中需要通過計算機進行遠程控制，實現對數據的自動采集、分析與輸出及備份。試驗系統測控軟件以LabVIEW為開發平臺。為使上位機LabVIEW程序對PLC實現運動控制，采用西門子S7-200 PC-ACCESS OPC軟件實現PLC程序中控制節點的綁定。 測控系統的控制流程如圖7所示。測控系統功能模塊如圖8所示。

圖7 測試系統的流程

圖8 測控系統功能模塊

4 試驗結果及其分析

為驗證設計的變速器潤滑及溫升測試系統是否滿足要求，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，測試結果以EXCEL報表形式呈現，試驗數據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，能按照需求設置試驗模式。圖10是水平路面正常油位情況，變速器設置為前進擋的第5檔，傳動比為1，輸入轉速為2 800 r/min。實際輸入與輸出轉速有微小的偏差，但在試驗允許偏差范圍之內。試驗過程中，變速器的內部溫度情況由測點1表示，試驗時的室內溫度由測點6表示。試驗耗時3 h 54 min，油溫穩定在98.3 ℃。試驗中變速器的油溫溫差穩定在10 min內小于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。溫升試驗結果顯示：在下坡坡度35%正常油位，設置變速器在前進擋第5擋，傳動比設置為1,轉速設置在2 600 r/min；試驗耗時3 h 50 min，變速器油溫穩定在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，試驗設置擋位、傳動比和轉速與下坡時一致。結果顯示試驗耗時3 h 3 min后油溫趨于穩定。

根據QC/T 29063.3與QC/T 29063.4，試驗過程中變速器總成最高穩定油溫與環境空氣溫度相差應在100 ℃以內，且溫度-時間曲線應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 ℃，試驗環境溫度應在35℃之內。

在該溫升與潤滑試驗臺試驗過程中，以每10 min間隔內的溫差是否小于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，試驗結束。

本次坡度試驗中，測試結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，這一結果表示的溫度變化符合變速器潤滑油的變化規律。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，設置試驗轉速為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%，轉速為2 600.8 r/min，測控系統軟件符合設計之初提出的控制與測試要求。

5 結束語

本文利用熱網絡法，通過構建變速器的熱網絡模型預測整個變速器的溫度分布。結合廠家對試驗臺的具體需求，設計了溫升及潤滑測試系統，完成了對系統軟、硬件的設計與開發，并以一款變速器為對象展開試驗，驗證了測控系統功能。

試驗結果顯示：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。該系統可監測、控制試驗過程，且具備顯示、存儲與打印的功能。試驗系統操作簡易流暢，且測控系統安裝有集散控制接口，方便升級換代，能滿足企業提出的測控要求。

參考文獻：

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