雙中間軸變速器潤滑系統設計與實驗研究

陳 亮，張正學，袁 哲

（1.吉林大學 機械與航空航天工程學院，吉林 長春 130022；2.吉林大學 實驗室管理處， 吉林 長春 130012；3.一汽奔騰轎車有限公司，吉林 長春 130012）

隨著商用車技術的不斷進步、政策法規及市場需求的不斷變化，用戶對變速器的輕量化、高效率、高可靠等性能要求持續提高[1]。在重型變速器方面，國內市場上的主流產品普遍為多擋位主副箱雙中間軸的結構形式，其采用的傳統潤滑方式存在諸多弊端，如加油量大、潤滑不充分等引起箱體發熱、傳動效率低、齒輪易發生點蝕等故障。本文以某雙中間軸變速器為例，依據潤滑原理增設強制潤滑系統并進行油路的設計和分析計算，通過綜合建立并實施油泵流量與輸出壓力、強制潤滑噴油孔流量、變速器潤滑油量測定實驗及實驗技術方法，全面、系統地對強制潤滑系統性能進行評估，驗證了設計的正確性，并分析了各項實驗結果，實現精準潤滑、降本減重、增效可靠的目標。

1 變速器潤滑原理

1.1 變速器的潤滑方式

優良的潤滑性能是保證變速器正常工作的必備條件，與工業變速器多采用潤滑脂不同，汽車變速器均采用更容易形成支撐油膜的液態潤滑油，其主要功能是減少運動副之間的摩擦和磨損、冷卻散熱、除塵清潔、減振降噪等。變速器的齒輪類型、各擋速比、齒輪材料和表面質量、工作溫度以及負載特性等因素影響潤滑油選擇，在重型變速器中，普遍采用重負荷車輛齒輪油（GL-5）。

軸承和齒輪是變速器傳遞動力的核心零部件，通常采用浸油、飛濺和導油槽組合的傳統潤滑方式。動態情況下，被潤滑油浸潤的齒輪、軸承、同步器部分自然滿足潤滑條件，對于非浸潤部位，則需通過齒輪高速轉動將潤滑油甩至殼體腔內，并用導油槽將油排至較難甩到油的部位，實現潤滑[2]。

1.2 影響潤滑油量的因素

傳統潤滑方式所需潤滑油量大，存在攪油損失多、局部高溫、散熱慢等問題，同時，高溫造成潤滑油粘度下降、潤滑油膜變薄和齒面點蝕，影響變速器工作的可靠性。為改善傳統潤滑方式的弊端，通常采用增設包括潤滑油泵、吸油管和噴油管結構在內的強制潤滑系統，將油泵轉子與中間軸相連，其輸入轉速與環境溫度影響油泵實際排量；與油泵輸出口相連的噴油管結構形狀與各噴油孔大小影響各噴油量實際出油量。其中，在設計噴油管結構形狀時，油管截面面積應盡量一致，連接處平緩圓滑，避免彎曲引起管路抵抗；減少接口，防止限流和漏油；避免油泵位置過高，降低油泵內部吸油腔與潤滑油空氣分離壓力差，減少異常振動和噪聲。

2 強制潤滑系統設計與分析

2.1 強制潤滑系統建模

雙中間軸變速器潤滑系統結構如圖1所示，應用Creo Parametric軟件在現有某雙中間軸變速器內部開展強制潤滑系統建模，如圖1(a)所示，將油泵安裝在主箱左下中間軸前端，由中間軸的旋轉帶動油泵工作，油泵通過吸油管與變速器底部的濾清器相連，油泵的輸出端連接有導油管，將潤滑油導至噴油管，噴油管對應擋位齒輪嚙合處設噴油孔，將潤滑油噴至潤滑部位。為保證變速器主箱內空間位置較高的右上中間軸后軸承的潤滑，在該處增設一根導油管和噴油管；為保證副箱中間軸左后軸承的潤滑，如圖1(b)所示，在后殼體處設置擋油板和油孔，由噴油管噴出的潤滑油經擋油板與后殼體之間形成的儲油槽，流入后殼體油孔，再流入軸承端蓋與后殼體形成的空腔內，潤滑該軸承。在吸油管的進油口處設置過濾網，通過安裝在濾網處的磁鐵吸附鐵屑，以清潔潤滑油。

圖1 雙中間軸變速器潤滑系統結構

2.2 潤滑油路設計與仿真分析

油泵轉子因與主箱左下中間軸前端相連，轉速與其轉速相同，即

式中，np為油泵轉子轉速；ninput為變速器輸入轉速；Zmc為中間軸減速齒輪齒數；Zic為一軸輸入齒輪齒數。結合該變速器工作條件，油泵的基本參數如表1所示。

表1 油泵基本參數

依據變速器使用條件，潤滑系統總流量按變速器正常工作溫度（80 ℃）的怠速工況，轉速為550 r/min時的油泵流量，即4 L/min；溢流閥開啟壓力為0.5 MPa等條件計算。根據被潤滑軸承和齒輪副需要，設定各噴油孔空間位置及大小，將副箱低檔齒輪副對應的噴油孔孔徑設置為Φ4 mm，其余孔徑設置為Φ2 mm，中間軸前軸承處設置為周向均布的4×Φ2 mm，應用AMESim液壓模塊按照圖1(c)結構對潤滑油分配情況進行仿真計算[3-4]，得到理論狀態下的各噴油孔處分配的噴油量數值，如表2所示。

表2 各噴油孔處孔徑及流量計算結果

3 實驗及分析

基于前文所述的強制潤滑虛擬油路設計及分析計算，設置油泵流量與輸出壓力實驗、強制潤滑噴油孔流量實驗、變速器潤滑油量測定實驗，為研究分析油泵在使用中的實際性能，搭建如圖2所示的油泵測試實驗臺。

圖2 油泵測試實驗原理與實驗臺

3.1 油泵流量與輸出壓力實驗

為研究濾網對油泵流量的影響，常溫（25 ℃）時，將油泵安裝在測試實驗臺上，將進油管安裝在油泵進油孔處，分別在進油管帶過濾網和不帶過濾網的兩種情況下，在油泵轉子處輸入500～ 2100 r/min的轉速，以200 r/min為間隔，在油泵輸出端分別測試并記錄油泵的流量和輸出壓力。由圖3所示的測試結果可知，安裝過濾網對油泵流量影響較小，輸出壓力降低約0.1 MPa。

圖3 油泵流量與輸出壓力隨轉速變化關系

為研究溫度對油泵流量的影響，將實驗溫度分別設置為低溫（–10 ℃）、常溫（25 ℃）和變速器正常運轉溫度（80 ℃），測試油泵流量隨轉速變化情況，如圖4所示，可知：

圖4 不同溫度條件下油泵流量隨轉速變化關系

1）在常溫和變速器正常運轉溫度時，油泵流量隨轉速增加而增加，大致為線性變化；

2）在低溫時，油泵輸出油量很少，且隨轉速變化無明顯規律。

3.2 強制潤滑噴油孔流量實驗

將強制潤滑系統的噴油管連接至油泵出油口處，分別在25 ℃和80 ℃溫度條件下，收集并測量在不同轉速條件下各噴油孔處（油孔編號同表2）的噴油量，實驗結果如圖5所示。

圖5 不同溫度條件下各噴油孔處噴油量隨轉速變化關系

根據實驗結果分析可知，各噴油孔的實際流量滿足設計要求；對于相同轉速條件下，對于孔徑相同的油孔，位置越靠后噴油量越少，因此，驗證了理論計算時在對潤滑油量需求較大、且處于噴油管末端的油孔處，需要采用增大孔徑的優化方式。將仿真得到的理論值與實驗測量的實際值進行對比，如表3所示，可知：

表3 各油孔噴油量理論值與實測值對比

1）各油孔噴油量理論計算結果與實際測量值變化趨勢大致相同；

2）噴油孔位置越靠后端，理論計算絕對誤差逐漸減小，但基本控制在0.1 L/min以內；

3）在孔徑變化處，計算值的絕對誤差稍大；在噴油孔末端附近的計算值相對誤差稍大。

3.3 變速器潤滑油量測定實驗

根據以上實驗及分析結論，對增設該強制潤滑系統的變速器進行潤滑油量測試，測定加油量。實驗步驟：1）在殼體上設置若干觀察窗，安裝有機玻璃板并密封；2）在常溫條件下測定基準油位，油面高度隨加油量的增減基本成線性變化關系，分別在最低和最高擋位、油溫及轉速條件下，按照10%、5%、2%的幅度依次增減油量，觀察各俯仰、側傾角度情況下齒面、軸承、油封、同步器等處的潤滑情況，確定最少、最大加油量和基準加油量。經以上實驗步驟，測定該變速器加油量為15 L，與未安裝強制潤滑系統變速器的加油量17.4 L相比，減少加油量2.4 L，降幅達13.8%。

4 結論

1）應用AMESim軟件可對強制潤滑系統噴油的油量分配、油孔大小進行仿真計算，為變速器強制潤滑系統設計提供一定參考；

2）通過綜合建立并實施油泵流量與輸出壓 力、強制潤滑噴油孔流量、變速器潤滑油量測定實驗和相應的實驗技術方法，能夠全面、系統地對強制潤滑系統性能進行評估；

3）以某雙中間軸變速器為例，通過增設強制潤滑系統并優化設計，經過上述實驗技術方法完成驗證，減少潤滑油量2.4 L。