匯流行星排包箱溫度特性試驗研究

張金石，王立勇，唐長亮，陳 濤

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測控技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

匯流行星排是綜合傳動裝置的關(guān)鍵部件，運行工況惡劣、故障頻發(fā)，嚴(yán)重制約傳動裝置的使用壽命和可靠性。通常情況下，匯流行星排在失效之前并無明顯前兆。由于是轉(zhuǎn)向功能的匯流裝置，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重故障時會造成車輛無法轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向失靈，這在車輛的使用過程中非常危險。

匯流行星排包箱中有很多相對滑動的金屬接觸面，如匯流排齒輪、軸承等。互相接觸的金屬在相對滑動時會產(chǎn)生摩擦熱，而影響機械零件的性能和壽命。此外摩擦熱量的不斷產(chǎn)生，會使包箱內(nèi)溫度不斷升高，當(dāng)達(dá)到某個臨界值時會加劇潤滑油的變化，當(dāng)潤滑系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重問題時，會導(dǎo)致匯流行星排包箱內(nèi)齒輪燒毀等不可控的嚴(yán)重后果。通過控制轉(zhuǎn)速和負(fù)載功率運行參數(shù)以及改變油品工作環(huán)境，測得在不同運行工況下的包箱溫度。分析運行參數(shù)，油品環(huán)境對匯流行星排包箱溫度的影響。

1 匯流行星排試驗臺

匯流行星排試驗臺主要由驅(qū)動電機、匯流行星排包廂、冷水機、電渦流測功機，潤滑泵站，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器組成（圖1）。

圖1 試驗臺結(jié)構(gòu)實物圖

試驗臺采用西門子1PH8電機作為匯流行星排的驅(qū)動設(shè)備。電機與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器相連，電機作為動力源輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。測功機選用湘儀GW160型電渦流測功機，通過調(diào)節(jié)勵磁電流對匯流行星排輸出軸的進(jìn)行加載。測功機是根據(jù)作用力矩與反作用力矩大小相等、方向相反的原理來測量扭矩，因此所測扭矩可以通過作用在測功器上的旋轉(zhuǎn)力矩（即制動器外殼反力矩）來指示。

泵站為匯流行星排提供潤滑油并進(jìn)行循環(huán)，潤滑油液經(jīng)冷卻器進(jìn)行冷卻，冷卻循環(huán)介質(zhì)為純凈水，冷水機為電渦流測功機和冷卻器進(jìn)行冷卻。電渦流測功機通過設(shè)定負(fù)載功率來模擬匯流行星排工作的負(fù)載，對輸出軸產(chǎn)生阻力矩進(jìn)行加載，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器用來測定匯流行星排包箱兩端輸入輸出的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩。

2 試驗方案

2.1 傳感器布置

根據(jù)匯流行星排工作狀態(tài)和工作環(huán)境，采用接觸式測溫法。接觸式測溫采用電阻式溫度傳感器，結(jié)構(gòu)簡單可靠，可直接反映被測對象真實溫度，可對被測對象任何部位多點集中測量。

匯流行星排臺架中測量油壓、油溫、流量、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等物理參數(shù)的傳感器精度要求各不相同，根據(jù)各傳感器的工作環(huán)境，經(jīng)濟(jì)適用，響應(yīng)速度等要求選擇。離合器包箱內(nèi)溫度變化幅度較小，使用PT100溫度傳感器，操縱控制流量和潤滑流量均使用液體渦輪流量計監(jiān)測，輸入輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器相同，使用湘儀JC2C型傳感器。

由于匯流排工作處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，傳感器不易固定且不能與摩擦面直接接觸，綜合考慮采用將溫度傳感器粘貼在包箱內(nèi)壁和軸承座的方法。下箱體溫度傳感器布置位置如圖2所示。

溫度傳感器布置實物如圖3、圖4所示，圖3和圖4為下箱體溫度測點 T1，T2，T3，T4，T5 的布置，圖5為上箱體溫度測點T6和T7的布置位置。

2.2 試驗過程

圖2 溫度傳感器布置示意圖

圖3 溫度測點T3位置

圖4 溫度測點T1、T2、T4、T5位置

圖5 溫度點T6，T7位置

試驗持續(xù)時間 4 d，每天 8 h。（1～3）d，用清潔油品潤滑匯流行星排包箱，分別改變驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速及測功機的加載功率。第四天，用重度污染油品潤滑匯流行星排包廂，并改變電機轉(zhuǎn)速和加載功率。記錄潤滑油在每個工況試驗時的溫度。

水溫控制要求滿足冷卻系統(tǒng)的制冷要求，加載功率不能超過當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機最大轉(zhuǎn)速的輸出值，通過計算及試驗測試的方法，得到試驗加載的最大功率。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 清潔油品試驗溫度變化情況

匯流行星排包箱溫度隨輸入轉(zhuǎn)速和負(fù)載功率變化的規(guī)律，如圖6，圖7和圖8所示。

如圖6～圖8所示，在進(jìn)行清潔油品的污染度試驗中，最開始的時候各測試點的溫度隨輸入轉(zhuǎn)速和加載功率的增加而升高，隨著時間的延長，系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量與系統(tǒng)散失的熱量趨于動態(tài)平衡，導(dǎo)致溫度不再明顯升降。但溫度會隨著輸入轉(zhuǎn)速和負(fù)載功率的改變而上下波動，如圖7中，在（250～350）min，負(fù)載功率基本保持不變，輸入轉(zhuǎn)速下降，溫度下降。圖8中，在（350～450）min，輸入轉(zhuǎn)速基本保持不變，溫度隨負(fù)載功率的上升而升高。

圖6 第一天溫度、轉(zhuǎn)速、負(fù)載與時間的變化關(guān)系

圖7 第二天溫度、轉(zhuǎn)速、負(fù)載與時間的變化關(guān)系

匯流排溫度變化的熱量來自于匯流排齒輪、軸承的摩擦生熱，轉(zhuǎn)速越高、負(fù)載越大，匯流排的摩擦功率越大，隨著時間的積累，產(chǎn)生的摩擦熱也就越多，大于系統(tǒng)散熱，進(jìn)而導(dǎo)致溫升；反之，則導(dǎo)致溫度降低。

3.2 重度污染油品試驗溫度變化情況

由圖9可見，采用重度污染油品時，隨著運行時間的延長，匯流排各個測點的溫度變化規(guī)律與清潔油品時的變化情況較為類似，均是隨著時間、轉(zhuǎn)速和負(fù)載的增加而上升，溫度變化在（30～70）℃，與油品的關(guān)系不大。主要與負(fù)載和轉(zhuǎn)速有關(guān)。

3.3 從做功和能量守恒的角度分析

轉(zhuǎn)速越高，負(fù)載越大，導(dǎo)致摩擦頻率加快，接觸面的摩擦力增加。使得由于摩擦產(chǎn)生的熱量增加，從而導(dǎo)致包箱的溫度隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載的增加而升高。

從能量守恒的角度，在實際機械做功系統(tǒng)中，總有一部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能。而隨著輸入轉(zhuǎn)速的增加，系統(tǒng)輸入的機械能增加，導(dǎo)致整個機械系統(tǒng)的總能量增加，從而熱能增加。即表現(xiàn)出溫度的升高。

4 結(jié)論

（1）隨著轉(zhuǎn)速、負(fù)載功率的增加，包箱溫度均為上升趨勢；當(dāng)轉(zhuǎn)速、負(fù)載降低后，溫度上升趨勢減緩。

（2）包箱溫度的變化與油品的關(guān)系不大，主要與負(fù)載、轉(zhuǎn)速以及運行時間有關(guān)。

圖9 溫度、轉(zhuǎn)速、負(fù)載與時間的變化關(guān)系

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