杜春鹏;闵运东;王佳;李剑平
【摘 要】基于Romax软件构建商用车重型变速箱动力学模型,加入载荷工况后采用IS014179标准计算变速箱各个传动部件的功率损失,并分析设计参数对效率的贡献度和敏感度,结果表明:计算值和试验值趋势一致:齿面粗糙度、压力角、润滑油油位、油泵功率等是效率的重要影响因素,为变速箱设计提供依据. 【期刊名称】《汽车科技》 【年(卷),期】2018(000)004 【总页数】5页(P45-49)
【关键词】重型变速箱;效率;分析;Romax 【作 者】杜春鹏;闵运东;王佳;李剑平
【作者单位】东风商用车有限公司,武汉430056;东风商用车有限公司,武汉430056;东风商用车有限公司,武汉430056;东风商用车有限公司,武汉430056 【正文语种】中 文 【中图分类】U463.212 引 言
众所周知，能源的价格上涨和环保要求的日益严格使得整车或整机的燃油经济性尤其重要，由于齿轮传动系统的效率（或称为功率损耗）直接影响燃油经济性，因而其重要性也愈发引人关注。此外，高功率损耗产生的高热量和高温直接关系到传动
系统的工作性能，并且对润滑条件的要求也会更高，从而增加成本，对载荷较大的重型卡车尤为明显。
变速箱传动系统结构复杂，运动副多，包括齿轮、油、轴承、同步器、油封等所有参与传动的部件都会对效率产生影响，由于结构、工艺、成本限制，有些参数不能更改或者更改量不大，这就需要找到其中重要的影响参数，对关键参数进行更改，以达到性能和成本的平衡。
文章以东风某重型变速箱为例，基于Romax软件构建商用车重型变速箱动力学模型，通过加载输入扭矩和转速计算各部件的功率损失，得出挡位的总效率和各部件贡献度，改变单一参数其他不变分析设计参数对效率的敏感度。计算值与试验值对比，考察分析结果是否正确。通过敏感度分布图找出效率的重要影响因素，为产品的设计开发提供指导和判定依据。 1 效率计算原理
变速箱传动效率的计算需要考虑齿轮的搅油损失、啮合损失，轴承损失等因素的影响。
在对其进行计算过程中，主要分为两个部分：
（1）来自载荷的损耗PL；（2）来自空载的损耗PN。
其中载荷的损耗由各个轴承损耗总和PB与各个齿轮副啮合损耗的总和PM相组成的；空载的损耗是由各个油封损耗的总和PS、各个齿轮和轴承的空阻和搅油损耗的总和PW、PWB以及各个油泵消耗功率总和PP。在齿轮装置中每个发生的损耗必须相加在一起。 1.1 轴承的功率损耗
根据ISO14179，轴承的功率损失计算公式如下：
式中，M1为随轴承载荷而定的转矩，M2为随圆柱滚子轴承的轴向载荷而定的转
矩，n为轴承转速。 M1计算公式如下：
式中，f1为摩擦系数，P1为轴承动载荷，dm为轴承平均直径。其中dm计算公式如下：
M2计算公式如下：
其中，M2为随轴向载荷而定的转矩，f2为与轴承设计和润滑剂有关的系数，Fa为轴向载荷。di为轴承内径，do为轴承外径。 1.2 轴承的风阻和搅油损耗 每个轴承的功率损耗可用下式计算
其中M0是与载荷无关的摩擦转矩：
（1）如果Vn<2000，则M0=1.6×10-8 f0d3m （2）如果Vn≥2000，则M0=10-10 f0(vn)2/3 d3m
M3为轴承密封的摩擦转矩Nm，ν为润滑油运动粘度，n为齿轮转速，f0轴承浸油系数。
其中，f3和 f4为轴承的密封系数。 1.3 齿轮的功率损失 1）啮合损失计算：
啮合功率损耗是轮齿啮合作用和摩擦系数的函数，其计算公式如下：
其中PMi为啮合功率损耗，fm为啮合摩擦系数，T1为小齿轮的转矩，n1为小齿轮转速，βW为节圆螺旋角，M为啮合的机械效率。
其中αW为端面啮合角，Hs为啮入处的滑滚比，Ht为啮出处的滑滚比，v为润滑油的运动粘度，K为载荷强度、C1啮合摩擦系数常量，V为节圆线速度，j、g、h为粘度修正系数。
在一定条件下，当油品的运动粘度增大时，啮合摩擦系数fm会相应增大，对应的啮合功率损耗随之增大，导致效率降低。
2）齿轮风阻和搅油功率损耗Pw，分为三部分，计算公式如下： （1）齿风阻及搅油损耗：
（2）齿轮轴的功率损耗：
（3）齿轮侧面功率损耗：
式中，PiWi为 各部分的功率损耗，fg为齿轮的浸油系数，D为零件的外直径，Ag为排列常数，ν为润滑油运动粘度，n为齿轮转速，β为螺旋角，F为齿宽，Rf为齿轮节圆半径，L为齿轮轴的长度。 2 变速箱模型
东风某重型变速箱有十四个前进挡，采用前副箱+主箱+后副箱的布局，后副箱采用NGW行星齿轮传动，并采用主动润滑，部件较多，传动复杂。利用Romax建立的变速箱传动系统模型如图1所示，模型包括详细的齿轮、轴、轴承参数、润滑油粘度、油位参数等。每个挡位分别加载额定输入扭矩2500N.m，转速1400rpm，油泵功率0.12kW，润滑油牌号75w/80，油温80℃。
图1 变速箱Romax模型
Romax允许在变速箱设计过程中考察轴承和齿轮拖曳影响，并提供了丰富的齿轮和轴承的效率模型，精确计算部件和系统的能量损失。
1）轴承方面，Romax提供了ISO14179-1（US）、ISO14179-2（DE）、Palmgren等三种轴承效率模型。轴承效率模型由经验方法确定，可以考虑多种来源的载荷引起损失和粘性摩擦损失： （1）考虑轴承类型对轴承效率损失的影响； （2）考虑轴承外部几何对轴承效率损失的影响； （3）考虑润滑油粘度和转速的影响。
2）在齿轮方面，Romax提供了ISO14179-1（US）、ISO14179-2（DE）、Terekhov、Anderson等四种效率模型，包括齿轮轮辐损失和齿轮啮合损失，除标准效率模型外，还支持基于微观几何摩擦的齿轮效率模型，可以考虑齿轮滚动过程中齿面摩擦系数的变化。
（1）齿轮轮辐效率模型可以考虑齿轮搅油损失、排油损失以及齿轮在油气混合物中的摩擦；
（2）齿轮啮合效率模型可以考虑齿轮啮合滚动过程中产生的功率损失，包括齿轮啮合过程中由于摩擦引起的滑动损失和由于弹性变形引起的滚动损失。 Romax进行效率计算流程如图2： 图2 Romax效率计算流程
由于不同受载和转速均会影响总效率，因此需要针对单个挡位工况进行分析计算；静力学分析开始不考虑功率损耗，迭代计算所有零件的受载和转速，后续再进行迭代，计算引起功率损耗的各个零件的阻力。注意由于是迭代计算，因此功率损耗在整个系统中是串联层叠的；行星轮系啮合时的功率损耗计算采用以行星架为参照的功率流方案，即采用了决定摩擦损耗值的啮合齿轮的实际转速。效率计算设置如图
3：
图3 效率分析设置 3 效率分析结果
3.1 各挡位总效率及部件贡献度
参数设置完毕后运行载荷谱静态分析，分析后各挡位总效率与试验值对比如图4所示，从图可以看出，当前Romax模型中的效率计算和实际试验间存在一定的误差，但趋势一致，由于台架在效率测试方面也存在误差，计算值能反映实际的变速箱效率值，又由于效率的敏感度分析为同比分析，因此在后面的计算过程中均采用当前模型中的效率计算参数设置来计算相应载荷工况下的传动效率数值。 第13挡工况下各部件贡献度如图5所示，可以看出在额定载荷下，功率损失主要来自齿轮啮合、滚动轴承、搅油、油泵四个方面，尤其是齿轮啮合损失占用大的比例。为此着重从齿轮参数着手，分析效率的影响因素。 图4 各个挡位效率计算与试验值对比 图5 第13挡各部件功率损失贡献度 3.2 参数敏感度分析
表1 参数变化对应效率的变化量序号 方案 值 效率变化%1 齿高系数 -0.1 各挡：+0.06第14挡：0 2 齿面粗糙度 Ra0.8→Ra0.4 3 螺旋角 螺旋角降2°第13挡：+0.06第14挡：0其他挡：+0.03 4 压力角 20→22.5第13挡：+0.16第14挡：0其他挡：+0.1 5 油位 降低15mm 第14挡：+0.066其他挡：+ 0.05 6 低摩擦轴承摩擦系数减少30%第13挡：+0.337第14挡：0其他挡：+0.1～0.2第14挡：+0.05其他挡：+0.15
在计算效率的影响因素时，由于变速箱挡位众多，往往选用常用挡位进行参数敏感度分析，该变速箱常用挡位为第13、14挡。对贡献较大的部件改变不同的设计参数进行敏感度分析，改变单一设计参数得出的效率变化量如表1。
图6 第13挡参数敏感度 图7 第14挡参数敏感度
第13挡参数敏感度总结如图6，第14挡参数敏感度总结如图7，可以得出如下结论：
1）作为直接挡的第14挡，由于动力直接输出，齿轮几乎不受载，此时效率是最高的，能够再提高效率的措施主要从降低油位、采用低摩擦轴承，减少油泵功率着手。
2）第13挡齿轮受载，这时候齿轮对效率的敏感性较大，尤其是降低齿面粗糙度、增大压力角等措施能大幅提高传动效率。低摩擦轴承近年来越来越引起重视，采用低摩擦轴承对效率提升也很明显。
3）设计参数的更改除了要考虑效率提升外，还得考虑成本工艺的变化，比如：齿面粗糙度降低会增加工艺难度，造成成本上升；低摩擦轴承造成成本增加；降低油位能够降低重量和成本，但需保证充足的润滑。在设计时，需要依据现有的条件在不同参数间做出选择，在效率、工艺、成本之间达到平衡。 4 结语
本文依据ISO14179标准并借助Romax软件实现了变速箱传动系统的精确建模和效率计算，模型包括了齿轮、轴、轴承、润滑油粘度、油位等详细参数，计算结果与实际测量结果趋势保持一致,证明了计算方法的正确性和实用性。通过效率的贡献度和敏感度分析,找出了影响变速箱传动效率的主要部件和设计参数，对初始设计时提高变速箱效率，从而提升整车的经济性起到重要的指导作用。 参考文献:
【相关文献】
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