1 引言

　　變速器潤(rùn)滑油的主要作用是在各個(gè)工作零件的接觸面之間形成油膜，減少摩擦;吸收熱量，并散熱，使零件溫度不宜過(guò)高;吸收沖擊和振動(dòng)，降低噪聲;排出污染物[1-2]。因此，變速器的潤(rùn)滑系統(tǒng)應(yīng)保證變速器中高速運(yùn)動(dòng)的齒輪、軸承等的潤(rùn)滑和冷卻及其功能、壽命要求，以及潤(rùn)滑油的品質(zhì)、清潔度等要求，避免變速器工作時(shí)因齒輪、軸承等迅速磨損或燒蝕而不能正常工作。

　　變速器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬可以為潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要的參考數(shù)據(jù)。由于變速器內(nèi)部齒輪運(yùn)動(dòng)及潤(rùn)滑油液的復(fù)雜性，其模擬工作比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)對(duì)此類型的流場(chǎng)模擬僅限于流量模擬，而國(guó)外對(duì)此類的流場(chǎng)模擬相對(duì)較多[3-4]。本文通過(guò)某變速器倒檔軸處的流場(chǎng)模擬，對(duì)倒檔軸處的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　2 輸入條件

　　該變速器的安裝角度為23.51°，總加油量

圖1 變速器油面位置

　　為1.7L，水平狀態(tài)的油面高度距離差速器中心為29.75mm，如圖1所示。

　　倒檔軸前軸承為閉式球軸承，后軸承為開(kāi)式球軸承，軸上支撐齒輪的為滾針軸承，這些軸承均需要潤(rùn)滑冷卻。

　　3 潤(rùn)滑油路設(shè)計(jì)

　　圖2紅色箭頭為各傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，根據(jù)差速器齒圈的旋向可知倒檔軸處的潤(rùn)滑油路：通過(guò)差速器齒圈的攪油作用，潤(rùn)滑油甩出至前殼體倒檔軸軸承孔上方的集油區(qū)域，通過(guò)殼體內(nèi)壁和擋油板的擋油作用，以及進(jìn)油槽的導(dǎo)油作用將潤(rùn)滑油導(dǎo)入軸承端面油腔，再經(jīng)倒檔軸中心孔流至軸上滾針軸承及后端軸承處，對(duì)倒檔軸軸承及軸上滾針軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，其潤(rùn)滑油路如圖2中的綠色箭頭及圖3中的紫色箭頭所示。

圖2 各軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向及倒檔軸處的

　　潤(rùn)滑油流動(dòng)方向

圖3 倒檔軸布置及潤(rùn)滑油路

　　4 倒檔軸處的流場(chǎng)模擬

　　4.1 模型簡(jiǎn)化

　　由于倒檔軸處的潤(rùn)滑是通過(guò)差速器齒圈的攪油作用，將潤(rùn)滑油甩至前殼體倒檔軸軸承孔上方的集油區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此該處流場(chǎng)模擬的仿真模型應(yīng)包括兩部分：差速器及倒檔軸和差速器周圍的前后殼體內(nèi)壁形成的封閉形腔，如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)化模型

　　4.2 計(jì)算結(jié)果與分析

　　將處理好的模型導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算，用TECPLOT查看計(jì)算結(jié)果。仿真結(jié)果顯示，差速器轉(zhuǎn)速為20rad/s(191rpm)，t=0.82s時(shí)差速器齒圈基本未甩起潤(rùn)滑油，如圖5(a)所示;差速器轉(zhuǎn)速為30rad/s(286.5rpm)，t=0.54s時(shí)差速器齒圈甩起少量潤(rùn)滑油，但油液未能到達(dá)倒檔軸處的集油區(qū)域，如圖5(b)所示;差速器轉(zhuǎn)速為40rad/s(382rpm)，t=0.38s時(shí)差速器齒圈甩起的潤(rùn)滑油可大量到達(dá)倒檔軸處的集油區(qū)域，如圖5(c)所示。由仿真結(jié)果可知，只有差速器轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，齒圈甩起的潤(rùn)滑油才能到達(dá)倒檔軸處的集油區(qū)域。同時(shí)分析前殼體結(jié)構(gòu)，如圖2，倒檔軸軸承孔處的進(jìn)油槽及擋油板接近垂直位置，位置偏高。因此，根據(jù)仿真結(jié)果適當(dāng)降低倒檔軸處的進(jìn)油槽位置有利于差速器齒圈甩起的潤(rùn)滑油進(jìn)入集油區(qū)域，進(jìn)而潤(rùn)滑倒檔軸軸承及軸上滾針軸承。

圖5 不同工況下的仿真結(jié)果

　　5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及理論計(jì)算

　　5.1 優(yōu)化方案

　　根據(jù)仿真結(jié)果，并參考某MT前殼體輸出1軸軸承孔處的進(jìn)油槽位置和結(jié)構(gòu)，對(duì)本變速器前殼體倒檔軸處的進(jìn)油槽位置及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖6所示。在保證擋油板與差速器齒圈不干涉，且不影響殼體性能的前提下，將進(jìn)油槽的位置盡量降低，同時(shí)增大集油區(qū)域。

圖6 修改前、后的進(jìn)油槽位置及結(jié)構(gòu)

　　另外，在倒檔軸前軸承端面可增加潤(rùn)滑油軌。因?yàn)樵谶M(jìn)入前軸承端面油腔油量不是太多的情況下，潤(rùn)滑油會(huì)受高速旋轉(zhuǎn)的軸承的影響而很難進(jìn)入倒檔軸中心孔，增加潤(rùn)滑油軌可以減小，甚至避免高速旋轉(zhuǎn)的軸承對(duì)潤(rùn)滑油的影響，使?jié)櫥透奖?、更容易地進(jìn)入倒檔軸中心孔，進(jìn)而潤(rùn)滑軸上滾針軸承。

　　5.2 理論計(jì)算

　　利用優(yōu)化前后兩種狀態(tài)的殼體進(jìn)行理論計(jì)算，從理論計(jì)算的角度來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化方案。為了分析計(jì)算的簡(jiǎn)便，同時(shí)考慮可行性，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。分析計(jì)算的目標(biāo)是確定差速器齒圈甩起的潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)軌跡是否處于特定的范圍之內(nèi)，因此，可以以單位質(zhì)量的潤(rùn)滑油滴作為分析對(duì)象，忽略潤(rùn)滑油粘度的影響，計(jì)算幾個(gè)特定位置的油滴軌跡，從而進(jìn)一步推斷其總體分布，定性分析差速器齒圈的甩油情況。

　　計(jì)算結(jié)果如圖7所示，差速器轉(zhuǎn)速為200rpm時(shí)，進(jìn)油槽位置修改前，差速器齒圈上A-B區(qū)域的潤(rùn)滑油可以飛濺到集油區(qū)域;修改后，A-C區(qū)域的潤(rùn)滑油可以飛濺到集油區(qū)域。顯然A-C區(qū)域明顯大于A-B區(qū)域，即進(jìn)油槽位置修改后可增加飛濺到集油區(qū)域的潤(rùn)滑油量，從而潤(rùn)滑效果更好;同理可以計(jì)算出，修改前，飛濺潤(rùn)滑油進(jìn)入集油區(qū)域所要求的差速器最低轉(zhuǎn)速約為182rpm，修改后約為142rpm(此處假設(shè)油滴在任意轉(zhuǎn)速時(shí)均能克服向心力，從齒圈表面甩出)，即進(jìn)油槽位置修改后，使?jié)櫥透菀椎剡M(jìn)入集油區(qū)域。

1 殼體內(nèi)腔;2 擋油板;3 進(jìn)油槽;4 倒檔軸齒輪;5 倒檔軸軸承孔;6 差速器齒圈;7 甩油軌跡線。

　　圖7 油槽修改前殼體差速器齒圈的甩油情況

　　6 結(jié)論

　　本文通過(guò)對(duì)某變速器倒檔軸處現(xiàn)有的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)進(jìn)行潤(rùn)滑仿真計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案：適當(dāng)降低前殼體倒檔軸處的進(jìn)油槽位置、在前殼體軸承端面增加潤(rùn)滑油軌;并通過(guò)理論計(jì)算證明優(yōu)化后的進(jìn)油槽位置使?jié)櫥湍芨奖恪⒏菀椎剡M(jìn)入集油區(qū)域，對(duì)軸承及軸上滾針軸承進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻。但優(yōu)化方案在變速器總成上是否可行，需要利用優(yōu)化先后的變速器總成進(jìn)行潤(rùn)滑試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證，這也是后續(xù)工作的內(nèi)容。