变速器冷却润滑需求分析及流量分配优化

马星宇，朱佳兴，赵 亮，台格润，全 东

变速器冷却润滑需求分析及流量分配优化

马星宇，朱佳兴，赵 亮，台格润，全 东

（陕西法士特齿轮有限责任公司 智能传动研究所，陕西 西安 710077）

文章在变速器产品正向开发设计过程中，考虑变速器机械本体中轴承和离合器等部分组件的散热需求的情况，提出了变速器内不同形状润滑油道过流截面当量液流长度和当量液流直径的等效计算方法，并以此作为仿真模型的参数设定基础，通过AMESim仿真软件对变速器液压润滑系统中的冷却润滑流量进行仿真，分别计算了变速器最大功率、最大转速、最大扭矩工况下的流量分配状态，通过不断的迭代计算确定了最终的流量分配方案。

流量分配；过流截面；当量液流长度；当量液流直径；润滑需求

变速器液压润滑系统主要为工作部件提供冷却和润滑，以保证工作部件可以在使用寿命内正常工作，冷却润滑流量分配的均衡与否将影响整个变速器总成是否在生命周期内会发生提前失效。冷却润滑分析是个系统的分析工程，需要考虑润滑系统中各油道的相互影响，且需保证变速器所有工作工况中流量均分配合理。本文提出了变速器内部关键部件的需求计算方法以及油道二维化简化方法，并通过AMESim进行了多油道恶劣工况下的流量分配求解，提出优化后流量分配方案，为液力自动变速器润滑油路的正向设计提供有利参考。

1 冷却润滑需求计算

不同零部件由于工作工况、自身材料及物理特性的不同，其对于冷却润滑的需求也不同，因此，要想确定变速器的润滑总需求，需要先确定各关键润滑部件的润滑需求。轴承、齿轮、离合器摩擦片是液力自动变速器中易发生较大功率损耗的主要部件。液力自动变速器油液（Automatic Transmission Fluid, ATF）先经过轴承、齿轮再通过旋转离心作用，从离合器齿毂上的过流孔飞溅到离合器摩擦片上，离合器为最大的功率损耗部件，因此，需优先考虑较大功率损耗部件的润滑需求，在该条件满足的情况下再考虑其他部件的润滑需求，离合器的润滑需求通过式（1）进行计算：

式中，为离合器润滑需求最小流量，L/min；为摩擦面数；为摩擦片面积，mm2；为单位面积润滑流量需求最小流量，mL·cm-2/min。

轴承润滑需求通过式（2）和式（3）进行计算，根据现有参数，对变速器的最大功率、最高转速、最大扭矩这三种极限工况进行了计算，通过计算结果发现，最大扭矩工况（转速为1 400 r/min）下对应的轴承润滑需求最高，表明该工况下轴承的工作状态最为恶劣，应优先满足该工况下轴承的冷却润滑流量。

式中，0为由转速引起摩擦损失的摩擦系数；为工作温度下的油液运动粘度，mm2•s-1；为工作转速，r•min-1；M为轴承等效直径，mm；1为由扭矩引起摩擦损失的摩擦系数；1为设计载荷，N；为轴向力或者径向力，N。

将各部分非圆形截面油道根据式（4）、式（5）进行当量油道直径和当量油道长度的等效计算：

式中，H为当量液流直径，mm；为油道截面积，mm2；为周长，mm。

式中，H为油道当量液流长度，mm；为免计算参考值，具体参照表1。

表1 免计算k值与油道进出口数的关系

出油口数K值 进油口数 12345678 148121620242832 2816243240485664 31224364860728496 4163248648096112128 520406080100120140160 624487296120144168192 7285684112140168196224 8326496128160192224256 93672108144180216252288 104080120160200240280320 114488132176220264308352 124896144192240288336384

2 仿真模型的搭建与计算

根据式（4）和式（5）的计算结果，在AMESim中搭建整箱冷却润滑模型，如图1所示。液压管道的子模型参数设置为HL0003，该子模型使用雷诺系数和相对粗糙度考虑管道摩擦，通过使用有效体积模量，并考虑液体的可压缩性和管道壁面随压力的膨胀，可以较准确地模拟管道中液流状态，内部参数可计算液流阻力，外部参数可计算输出流量和压力值。通过HR237渐进收缩的子模型参数可模拟渐变流量进出口截面的液流状态，通过HRORG11子模型可计算通过层流孔板的流量。该模型共计一百多个管道模型，经过校核验证较为准确地反映变速器润滑油路的流量分布状态。

分析变速器在不同输入转速及不同功率工况下的流量分布规律，设定分析工况，具体参数如表2、表3所示。

图1 AMESim油道仿真模型的搭建

表2 某发动机外特性数据

转速/(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 某发动机分析工况

工况输入功率/kW输入转速/(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

以变速器中的不同类型轴承、制动器、离合器为分析对象，计算结果如图2所示。其中，Q为球轴承；TL为推力轴承；GZ为滚针轴承；Z为圆锥滚子轴承；B为制动离合器；C为离合器；数字代号为组别，如：GZ1代表第一组滚针轴承。

3 分析与优化

通过图2计算结果可以发现，离合器C1、C2，轴承GZ2、Q、Z、TL等在不同转速工况下的实际流量均大于需求流量，其中C2的实际流量远大于需求流量。制动离合器B2在各转速工况下的实际流量均小于需求流量，冷却润滑不足，滚针轴承GZ1在1 200 r/min和1 400 r/min时，处于欠润滑状态，其中在1 400 r/min时欠润滑状态更明显，根据式（2）和式（3），摩擦扭矩产生的热量相对于部件转动搅油产生的热量更高，分析工况四1 400 r/min时全功率输出条件下对应的发动机输出扭矩为3 528 Nm，为最大扭矩，因此，该工况下的流量需求最大。

图3 优化后B2及GZ1的冷却润滑流量分配情况

针对滚针轴承GZ1/2、制动离合器B2冷却润滑流量分配不足的情况，通过增加去往欠润滑零部件的油孔直径或数量，且减小共用油路的过润滑零部件如离合器C2孔径的方式，来实现油路的优化合理分配，计算得到图3，此时各油路的流量分配较为均衡。

4 试验验证

为了验证各油道分配流量的合理性，搭建了基于变速器整箱的台架试验，如图4所示，台架验证结果如图5所示。

图4 台架搭建及验证

由于壳体内部油路复杂难以直接检测零部件的冷却润滑流量，因此通过对关键零件的温升数据进行检测，来间接反映冷却润滑效果。如图3所示，优化后各部件的温升水平维持在水准线以内，则优化方法合理可靠。

图5 台架试验验证结果

5 结论

本文针对变速器冷却润滑系统的正向设计难题，提出了润滑需求计算方法，变速器油道简化方法，通过一维仿真的方法实现了冷却润滑流量分配的优化，并通过试验进行了验证，涉及内容具体如下：

1）针对变速器易高温烧损的关键部件，如：离合器、轴承，按照变速器最恶劣工况需求考虑，进行冷却润滑需求计算，为冷却润滑流量分配的合理性提供评判依据；

2）提出了将变速器内部非规则润滑油道等效转化圆截面油道的方法，如：径向间隙过流、轴向间隙过流、矩形截面过流、多进口/多出口油槽式过流等，均可通过等效过流截面转化为便于仿真计算的圆截面油道；

3）搭建了针对变速器冷却润滑系统的AME- Sim仿真模型，计算了变速器最恶劣工作工况下的流量分配情况，并针对流量不足的部位进行了迭代计算，直到实际到达各润滑部件的流量满足功能需求，并通过台架试验验证了分析方法的可靠性，为变速器冷却润滑系统正向设计提供参考和依据。

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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

马星宇（1993－），男，工程师，研究方向为AT变速箱结构设计及冷却润滑分析，E-mail:maxingyu@fastgroup.cn。