杜春鵬

摘 要：基于Romax軟件構(gòu)建商用車重型變速箱動(dòng)力學(xué)模型，加入載荷工況后采用ISO14179標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算變速箱各個(gè)傳動(dòng)部件的功率損失，并分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)效率的貢獻(xiàn)度和敏感度，結(jié)果表明：計(jì)算值和試驗(yàn)值趨勢一致：齒面粗糙度、壓力角、潤滑油油位、油泵功率等是效率的重要影響因素，為變速箱設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：重型變速箱；效率；分析；Romax

中圖分類號(hào)：U463.212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1005-2550（2018）04-0045-05

Abstract： The construction of heavy duty gear box dynamics model of commercial vehicle based on Romax software， the loss of power load by ISO14179 standard to calculate the transmission of all transmission components， and analysis of design parameters on the efficiency of contribution and sensitivity， the results show that the value trend calculation and test： pressure angle， tooth surface roughness， lubricating oil level， pump power is an important factor affecting the efficiency， provide the basis for the design of gearbox.

Key Words： heavy transmission； efficiency； analysis； Romax

引 言

眾所周知，能源的價(jià)格上漲和環(huán)保要求的日益嚴(yán)格使得整車或整機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性尤其重要，由于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的效率（或稱為功率損耗）直接影響燃油經(jīng)濟(jì)性，因而其重要性也愈發(fā)引人關(guān)注。此外，高功率損耗產(chǎn)生的高熱量和高溫直接關(guān)系到傳動(dòng)系統(tǒng)的工作性能，并且對(duì)潤滑條件的要求也會(huì)更高，從而增加成本，對(duì)載荷較大的重型卡車尤為明顯。

變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)副多，包括齒輪、油、軸承、同步器、油封等所有參與傳動(dòng)的部件都會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生影響，由于結(jié)構(gòu)、工藝、成本限制，有些參數(shù)不能更改或者更改量不大，這就需要找到其中重要的影響參數(shù)，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行更改，以達(dá)到性能和成本的平衡。

文章以東風(fēng)某重型變速箱為例，基于Romax軟件構(gòu)建商用車重型變速箱動(dòng)力學(xué)模型，通過加載輸入扭矩和轉(zhuǎn)速計(jì)算各部件的功率損失，得出擋位的總效率和各部件貢獻(xiàn)度，改變單一參數(shù)其他不變分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)效率的敏感度。計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比，考察分析結(jié)果是否正確。通過敏感度分布圖找出效率的重要影響因素，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供指導(dǎo)和判定依據(jù)。

1 效率計(jì)算原理

變速箱傳動(dòng)效率的計(jì)算需要考慮齒輪的攪油損失、嚙合損失，軸承損失等因素的影響。

在對(duì)其進(jìn)行計(jì)算過程中，主要分為兩個(gè)部分：

（1）來自載荷的損耗PL；

（2）來自空載的損耗PN。

其中載荷的損耗由各個(gè)軸承損耗總和PB與各個(gè)齒輪副嚙合損耗的總和PM相組成的；空載的損耗是由各個(gè)油封損耗的總和PS、各個(gè)齒輪和軸承的空阻和攪油損耗的總和PW、PWB以及各個(gè)油泵消耗功率總和PP。在齒輪裝置中每個(gè)發(fā)生的損耗必須相加在一起。

1.1 軸承的功率損耗

式中，PiWi為各部分的功率損耗，fg為齒輪的浸油系數(shù)，D為零件的外直徑，Ag為排列常數(shù)，ν為潤滑油運(yùn)動(dòng)粘度，n為齒輪轉(zhuǎn)速，β為螺旋角，F(xiàn)為齒寬，Rf為齒輪節(jié)圓半徑，L為齒輪軸的長度。

2 變速箱模型

東風(fēng)某重型變速箱有十四個(gè)前進(jìn)擋，采用前副箱+主箱+后副箱的布局，后副箱采用NGW行星齒輪傳動(dòng)，并采用主動(dòng)潤滑，部件較多，傳動(dòng)復(fù)雜。利用Romax建立的變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)模型如圖1所示，模型包括詳細(xì)的齒輪、軸、軸承參數(shù)、潤滑油粘度、油位參數(shù)等。每個(gè)擋位分別加載額定輸入扭矩2500N.m，轉(zhuǎn)速1400rpm，油泵功率0.12kW，潤滑油牌號(hào)75w/80，油溫80℃。

Romax允許在變速箱設(shè)計(jì)過程中考察軸承和齒輪拖曳影響，并提供了豐富的齒輪和軸承的效率模型，精確計(jì)算部件和系統(tǒng)的能量損失。

1）軸承方面，Romax提供了ISO14179-1（US）、ISO14179-2（DE）、Palmgren等三種軸承效率模型。軸承效率模型由經(jīng)驗(yàn)方法確定，可以考慮多種來源的載荷引起損失和粘性摩擦損失：

（1）考慮軸承類型對(duì)軸承效率損失的影響；

（2）考慮軸承外部幾何對(duì)軸承效率損失的影響；

（3）考慮潤滑油粘度和轉(zhuǎn)速的影響。

2）在齒輪方面，Romax提供了ISO14179-1（US）、ISO14179-2（DE）、Terekhov、Anderson等四種效率模型，包括齒輪輪輻損失和齒輪嚙合損失，除標(biāo)準(zhǔn)效率模型外，還支持基于微觀幾何摩擦的齒輪效率模型，可以考慮齒輪滾動(dòng)過程中齒面摩擦系數(shù)的變化。

（1）齒輪輪輻效率模型可以考慮齒輪攪油損失、排油損失以及齒輪在油氣混合物中的摩擦；

（2）齒輪嚙合效率模型可以考慮齒輪嚙合滾動(dòng)過程中產(chǎn)生的功率損失，包括齒輪嚙合過程中由于摩擦引起的滑動(dòng)損失和由于彈性變形引起的滾動(dòng)損失。

Romax進(jìn)行效率計(jì)算流程如圖2：

由于不同受載和轉(zhuǎn)速均會(huì)影響總效率，因此需要針對(duì)單個(gè)擋位工況進(jìn)行分析計(jì)算；靜力學(xué)分析開始不考慮功率損耗，迭代計(jì)算所有零件的受載和轉(zhuǎn)速，后續(xù)再進(jìn)行迭代，計(jì)算引起功率損耗的各個(gè)零件的阻力。注意由于是迭代計(jì)算，因此功率損耗在整個(gè)系統(tǒng)中是串聯(lián)層疊的；行星輪系嚙合時(shí)的功率損耗計(jì)算采用以行星架為參照的功率流方案，即采用了決定摩擦損耗值的嚙合齒輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速。效率計(jì)算設(shè)置如圖3：

3 效率分析結(jié)果

3.1 各擋位總效率及部件貢獻(xiàn)度

參數(shù)設(shè)置完畢后運(yùn)行載荷譜靜態(tài)分析，分析后各擋位總效率與試驗(yàn)值對(duì)比如圖4所示，從圖可以看出，當(dāng)前Romax模型中的效率計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)間存在一定的誤差，但趨勢一致，由于臺(tái)架在效率測試方面也存在誤差，計(jì)算值能反映實(shí)際的變速箱效率值，又由于效率的敏感度分析為同比分析，因此在后面的計(jì)算過程中均采用當(dāng)前模型中的效率計(jì)算參數(shù)設(shè)置來計(jì)算相應(yīng)載荷工況下的傳動(dòng)效率數(shù)值。

第13擋工況下各部件貢獻(xiàn)度如圖5所示，可以看出在額定載荷下，功率損失主要來自齒輪嚙合、滾動(dòng)軸承、攪油、油泵四個(gè)方面，尤其是齒輪嚙合損失占用大的比例。為此著重從齒輪參數(shù)著手，分析效率的影響因素。

3.2 參數(shù)敏感度分析

在計(jì)算效率的影響因素時(shí)，由于變速箱擋位眾多，往往選用常用擋位進(jìn)行參數(shù)敏感度分析，該變速箱常用擋位為第13、14擋。對(duì)貢獻(xiàn)較大的部件改變不同的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行敏感度分析，改變單一設(shè)計(jì)參數(shù)得出的效率變化量如表1。

第13擋參數(shù)敏感度總結(jié)如圖6，第14擋參數(shù)敏感度總結(jié)如圖7，可以得出如下結(jié)論：

1）作為直接擋的第14擋，由于動(dòng)力直接輸出，齒輪幾乎不受載，此時(shí)效率是最高的，能夠再提高效率的措施主要從降低油位、采用低摩擦軸承，減少油泵功率著手。

2）第13擋齒輪受載，這時(shí)候齒輪對(duì)效率的敏感性較大，尤其是降低齒面粗糙度、增大壓力角等措施能大幅提高傳動(dòng)效率。低摩擦軸承近年來越來越引起重視，采用低摩擦軸承對(duì)效率提升也很明顯。

3）設(shè)計(jì)參數(shù)的更改除了要考慮效率提升外，還得考慮成本工藝的變化，比如：齒面粗糙度降低會(huì)增加工藝難度，造成成本上升；低摩擦軸承造成成本增加；降低油位能夠降低重量和成本，但需保證充足的潤滑。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要依據(jù)現(xiàn)有的條件在不同參數(shù)間做出選擇，在效率、工藝、成本之間達(dá)到平衡。

4 結(jié)語

本文依據(jù)ISO14179標(biāo)準(zhǔn)并借助Romax軟件實(shí)現(xiàn)了變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)的精確建模和效率計(jì)算，模型包括了齒輪、軸、軸承、潤滑油粘度、油位等詳細(xì)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果趨勢保持一致，證明了計(jì)算方法的正確性和實(shí)用性。通過效率的貢獻(xiàn)度和敏感度分析，找出了影響變速箱傳動(dòng)效率的主要部件和設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)初始設(shè)計(jì)時(shí)提高變速箱效率，從而提升整車的經(jīng)濟(jì)性起到重要的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張有祿.關(guān)于機(jī)械式變速箱傳動(dòng)效率影響因素的探討[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2008（5）：182～186.

[2]姚建初，陳義保等.齒輪傳動(dòng)嚙合效率計(jì)算方法的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37（11）：18～21.

[3]朱愛華，朱成九等.滾動(dòng)軸承摩擦力矩的計(jì)算分析.軸承，2008（7）：1～3.

[4]何毅斌，張娟等.齒輪減速器傳動(dòng)效率的測量與研究.測量與檢測技術(shù)，2009（8）： 63～65.