李敬杰

（中國(guó)重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司，山西 大同 037000）

引言

重卡汽車(chē)對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)具有實(shí)質(zhì)性的推動(dòng)作用，由于其裝載量及發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞功率較大，而且變速箱齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致變速箱齒輪在對(duì)動(dòng)力和扭矩傳遞的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的變形、噪聲和熱量，尤其是變速箱齒輪在低速、大扭矩工況下及摩擦作用下產(chǎn)生大量的熱能[1]。若所產(chǎn)生的熱能散不出去容易導(dǎo)致齒輪出現(xiàn)熱膠和磨損的現(xiàn)象，從而降低齒輪的傳動(dòng)效率。因此，對(duì)重卡汽車(chē)變速箱齒輪的潤(rùn)滑尤為重要，本文將著重對(duì)齒輪潤(rùn)滑效果影響因素及兩級(jí)飛濺潤(rùn)滑進(jìn)行分析。

1 齒輪潤(rùn)滑效果影響因素研究

為保證對(duì)重卡變速箱齒輪的潤(rùn)滑效果，確保所飛濺潤(rùn)滑系統(tǒng)能夠?qū)X輪完成高效、穩(wěn)定的潤(rùn)滑，需充分掌握可能影響齒輪潤(rùn)滑效果的因素。本節(jié)將從齒輪轉(zhuǎn)速、齒輪箱不同傾角以及潤(rùn)滑溫度三方面的因素對(duì)潤(rùn)滑效果的影響進(jìn)行研究[2]。具體闡述如下：

1.1 齒輪轉(zhuǎn)速對(duì)潤(rùn)滑效果的影響

本節(jié)基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）對(duì)齒輪轉(zhuǎn)速為600 r/min、900 r/min和1 200 r/min時(shí)齒輪的潤(rùn)滑情況進(jìn)行對(duì)比。其中，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，潤(rùn)滑油的飛濺的高度為38 mm；當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)潤(rùn)滑油的飛濺高度為47 mm；當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)潤(rùn)滑油的飛濺高度為57 mm。此外，不同齒輪轉(zhuǎn)速下潤(rùn)滑油變速箱內(nèi)的分布情況也不盡相同，具體如圖1所示。

圖1 不同齒輪轉(zhuǎn)速下潤(rùn)滑油分布情況

如圖1所示，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，潤(rùn)滑油在小齒輪的作用下已經(jīng)逐步被帶入嚙合取，而且潤(rùn)滑油在齒輪頂端處于向前向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)；與此同時(shí)，潤(rùn)滑油雖然在大齒輪的作用下達(dá)到齒輪頂端，但是還未到雙方的嚙合區(qū)。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，小齒輪和大齒輪的潤(rùn)滑油均已達(dá)到雙方的嚙合區(qū)，而且已經(jīng)有部分潤(rùn)滑油飛濺至變速箱的內(nèi)壁。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，變速箱內(nèi)潤(rùn)滑油的分布形式與轉(zhuǎn)速900 r/min，二者區(qū)別在于1 200 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)潤(rùn)滑油的動(dòng)量更大[3]。

綜上所述，隨著齒輪轉(zhuǎn)速的增加，對(duì)應(yīng)變速箱內(nèi)潤(rùn)滑油的動(dòng)量不同。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)，潤(rùn)滑油主要集中在齒輪周?chē)?；而?dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，潤(rùn)滑油獲得的動(dòng)量更大，潤(rùn)滑油飛濺至變速箱內(nèi)壁。

1.2 齒輪箱傾角對(duì)潤(rùn)滑效果的影響

針對(duì)重卡汽車(chē)在山路坡面上的運(yùn)行工況，本節(jié)著重對(duì)齒輪箱齒輪處于靜止?fàn)顟B(tài)下處于不同傾角時(shí)對(duì)應(yīng)潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑效果進(jìn)行研究，齒輪箱的傾角包括有-15°、0°以及15°。結(jié)合實(shí)際情況，當(dāng)齒輪箱傾角為-15°時(shí)，大齒輪約有兩個(gè)齒沒(méi)入潤(rùn)滑油中，而小齒輪沒(méi)入潤(rùn)滑油中的深度為其對(duì)應(yīng)的分度圓半徑；當(dāng)齒輪箱傾角為0°時(shí)，大齒輪沒(méi)入潤(rùn)滑油中的深度為其分度圓半徑的1/3，小齒輪沒(méi)入潤(rùn)滑油中的深度為其分度圓的1/2；當(dāng)齒輪傾角為15°時(shí)，大齒輪沒(méi)入潤(rùn)滑油中的深度約為其對(duì)應(yīng)的分度圓半徑，小齒輪僅有兩個(gè)齒沒(méi)入潤(rùn)滑油中[4]。

當(dāng)齒輪箱齒輪開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，齒輪箱潤(rùn)滑油在不同傾角下的分布情況如下頁(yè)圖2所示。

如下頁(yè)圖2所示，當(dāng)傾角為-15°時(shí)，小齒輪由于沒(méi)入潤(rùn)滑油的深度較大其對(duì)應(yīng)攪拌起的潤(rùn)滑油率先進(jìn)入雙方的嚙合區(qū)，并已飛濺至齒輪箱的內(nèi)壁；而大齒輪攪拌起的潤(rùn)滑油未進(jìn)入雙方的嚙合區(qū)。當(dāng)傾角為0°時(shí)，在同等轉(zhuǎn)速下，小齒輪的轉(zhuǎn)速大于大齒輪，小齒輪潤(rùn)滑油率先進(jìn)入嚙合區(qū)。當(dāng)傾角為15°時(shí)，潤(rùn)滑油的分布情況正好與傾角為-15°時(shí)的相反；需要注意的是，雖然大齒輪浸沒(méi)深度大但是由于其尺寸較大被攪拌起潤(rùn)滑油僅能達(dá)到齒輪頂部并未能夠達(dá)到飛濺至齒輪箱內(nèi)壁。

圖2 齒輪箱潤(rùn)滑油在不同傾角下的分布情況

綜上所述，當(dāng)傾角為-15°時(shí)，齒輪箱內(nèi)潤(rùn)滑油的分布效果最佳，對(duì)應(yīng)的潤(rùn)滑效果也最佳。

1.3 潤(rùn)滑油溫度對(duì)潤(rùn)滑效果的影響

我國(guó)地域遼闊，而且春夏秋冬四季分明，在不同季節(jié)，不同氣溫下重卡運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)潤(rùn)滑油的溫度也不同。溫度直接影響潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度，本節(jié)將對(duì)不同運(yùn)動(dòng)黏度下對(duì)應(yīng)潤(rùn)滑油的效果進(jìn)行研究[5]。一般情況下，重卡變速箱在不同檔位工作時(shí)潤(rùn)滑油集中溫度范圍為70℃~100℃，選取其中典型的三種運(yùn)動(dòng)黏度值分別為14 mm2/s、18 mm2/s、22 mm2/s。不同運(yùn)動(dòng)黏度潤(rùn)滑油在齒輪箱的分布情況如圖3所示：

圖3 不同運(yùn)動(dòng)粘度潤(rùn)滑油在齒輪箱的分布情況

如圖3所示，當(dāng)潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度為14 mm2/s時(shí)，大小齒輪攪拌起潤(rùn)滑油的量很少，大齒輪對(duì)應(yīng)的潤(rùn)滑油已達(dá)到其頂端；當(dāng)潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度為18 mm2/s時(shí)，大齒輪潤(rùn)滑油已經(jīng)達(dá)到飛濺的級(jí)別，小齒輪潤(rùn)滑油進(jìn)入雙方的嚙合區(qū)。當(dāng)潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)黏度增大至22 mm2/s時(shí)，大小齒輪攪拌的潤(rùn)滑油均進(jìn)入雙方的嚙合區(qū)，并進(jìn)入下一階段的潤(rùn)滑。

2 兩級(jí)齒輪飛濺潤(rùn)滑分析

為確保能夠針對(duì)重卡變速箱齒輪能夠達(dá)到最佳的潤(rùn)滑效果，本節(jié)對(duì)兩級(jí)齒輪的飛濺潤(rùn)滑效果進(jìn)行分析。將采用CFD軟件對(duì)兩級(jí)齒輪的飛濺潤(rùn)滑效果進(jìn)行研究，所搭建的飛濺潤(rùn)滑模型如圖4所示：

圖4 兩級(jí)齒輪飛濺潤(rùn)滑模型

如圖4所示，兩級(jí)齒輪中對(duì)應(yīng)三個(gè)齒輪的模數(shù)均為5。其中，大齒輪M的齒數(shù)為36，左小齒輪L和右小齒輪R的齒數(shù)均為25。經(jīng)對(duì)仿真結(jié)果研究得出如下結(jié)論：

1）單級(jí)齒輪與兩級(jí)齒輪相對(duì)可確保更多的潤(rùn)滑油進(jìn)入齒輪的嚙合區(qū)；

2）雖然兩級(jí)齒輪下在齒輪兩側(cè)損失的潤(rùn)滑油較多，但是通過(guò)比例云圖表示，兩級(jí)齒輪依然可以保證有充足的潤(rùn)滑油進(jìn)入嚙合區(qū)；

3）對(duì)比了解兩級(jí)齒輪和單級(jí)齒輪的潤(rùn)滑油的分布情況可知，兩級(jí)齒輪與單級(jí)齒輪相對(duì)中間軸的數(shù)量增加，導(dǎo)致變速箱的橫向尺寸增加，需對(duì)兩級(jí)齒輪的位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能達(dá)到最佳的潤(rùn)滑效果。

3 結(jié)語(yǔ)

重卡在我國(guó)運(yùn)輸行業(yè)扮演者重要的角色和地位，其變速箱需具備傳遞大扭矩、多擋位的功能。為保證變速箱的高效、穩(wěn)定為重卡提供動(dòng)力，其內(nèi)部齒輪的潤(rùn)滑效率尤為重要。本文基于CFD軟件對(duì)重卡變速箱齒輪潤(rùn)滑效果的影響因素和兩級(jí)齒輪的飛濺潤(rùn)滑進(jìn)行對(duì)比，得出如下結(jié)論：

1）隨著轉(zhuǎn)速的增加，變速箱齒輪的潤(rùn)滑效果越好；

2）當(dāng)傾角為-15°時(shí)，單級(jí)齒輪的潤(rùn)滑效果最佳；

3）隨著潤(rùn)滑油溫度的增加，其對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)黏度越高，越有利于齒輪的潤(rùn)滑。

4）兩級(jí)齒輪和單級(jí)齒輪對(duì)變速箱齒輪的潤(rùn)滑影響明顯。