汇流行星排齿轮系统功率损失分析与试验研究.pdf

汇流行星排齿轮系统功率损失分析与试验研究唐长亮，贺宇，宿博康，木孟良（北京信息科技大学机电工程学院现代测控技术教育部重点实验室，北京10 0 192）摘要：汇流行星排是履带车辆综合传动装置中起到分流与汇流作用的重要部件，其功率损失直接影响系统综合传动性能。根据汇流行星排齿轮系统的结构及运行参数，分析了不同转速与负载功率时，齿轮啮合功率损失、轴承功率损失、搅油功率损失与风阻功率损失的变化规律；开展了不同转速和负载功率下的汇流行星排传动性能测试。结果表明，随着负载功率的上升，系统功率损失也逐渐增加。当负载功率恒定时，随着齿轮转速提高，系统功率损失越大，与理论分析的一致性较好。所得结论对整车燃油经济性评估提供了理论与试验支撑。关键词：汇流行星排；功率损失；传动效率；齿轮系统中图分类号：TH132.4250引言汇流行星排是综合传动系统中起到分流与汇流作用的重要部件，齿轮系统的功率损失直接影响系统机械传动效率，影响传动装置工作性能。减少齿轮系统功率损失将直接提高机械传动效率，对优化传动系统、提高能源利用率与强化装备性能有重要意义。齿轮传动系统中造成功率损失的原因十分复杂，国内外研究者对此进行了大量研究，齿轮传动功率损失主要因素有齿轮啮合功率损失、轴承功率损失、搅油功率损失与风阻功率损失等。Charles考虑了齿轮副摩擦与油阻力等因素,建立了行星3.2.3操作台及控制系统操作台及PLC模块配置。操作台主要是控制发动机启停、运行过程监控及数据记录。主要由控制按钮盒、装有专用软件的PC机及控制电路硬件组成。控制按钮盒主要实现发动机启停及油门增减控制、供电及油泵运行显示。PC机、发动机控制流程：移动、转向机构供油开启；控制、启动电路供电ECU监控及控制软件开启；依据试验要求做开机检查正常后，启动发动机开始按试验要求运行。PC机显示、记录运行过程实时数据，试验结束后导出试验全过程数据。整个试验设备制作、调试、运行过程结束，目前设备运行正常，满足试验开发需求。试验设备结构如图1所示。4结束语目前国内开发通航发动机的公司很少，缺乏可以直接用于试验开发的试验设备。在开发过程中，多数关键试验设备、装置都需要自行开发研制，且缺少可供参考的技术资料。目前制作的试验设备、装置已经投人使用，运行正常。但随着运行时间的加长，缺陷、问题也会逐渐暴露出来。随着问题的出现和开发试验提出的新要求，后续会对试验设备、装置不断改进，并增加新的功能，优化管路和电缆走线、进一步降低试验误差、优化PLC控制逻辑，使试验设备、装置更加完备、可靠。设计研究文献标识码：BDOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10.24油箱及供油机构1 GJB3213-1998,航空小型活塞发动机性能测试方法S.2鄂中凯.机械设计手册M.北京：机械工业出版社,2 0 10.3苏赵，崔红根，郑超.温度变化对发动机台架油耗测量的影响J.计量与测试技术,2 0 2 1,48(11):15-17,2 1.4向晓汉.西门子S7-1500PLC完全精通教程M.北京：化学工业出版社,2 0 18.5王英臣.PLC技术的工业自动化控制研究J科学技术创新,2 0 2 0(18)：151-152.齿轮组复合功率损耗模型。陈超3提出了一种基于虚拟功率流与虚拟功率比的新算法，能提供行星齿轮系统功率损耗的精确解。Fernandes4建立了轴承摩擦阻力矩的预测模型,研究了不同转速与润滑条件对轴承的摩擦力矩的影响，并设计了相应试验进行对比验证。邵康5考虑了轴承加工工艺、尺寸、系统输人转速与润滑条件等参数，建立了轴承功率损失数学模型，得到了各不同参数对轴承功率损失的影响规律。莫帅、李林林、全灿8 基于CFD技术研究了齿轮参数、转速、旋转方向、挡板间隙空气属性等参数对风阻功率损失的影响规律。郭栋9基于流体动力学理论建立了齿轮搅油阻力矩的理论计算模型，并对不同浸油深度、转速与信号采集箱移动平台一支撑地脚图1实实验设备结构示意参考文献【编辑张韵设备管理与维修2 0 2 3 No10(上）71齿宽对搅油阻力矩的影响开展了试验研究。郑光泽0 、李晏 基于MPS法考虑不同转速、润滑油情况与齿轮结构参数建立了功率损失仿真计算模型，研究了不同条件下的齿轮搅油功率损失的变化趋势,并通过试验法验证了理论模型的准确性。综上所述，造成齿轮箱功率损失的影响因素十分复杂，考虑啮合功率损失、轴承功率损失、搅油功率损失与风阻功率损失等因素，对汇流行星排齿轮箱功率损失进行数值计算，搭建汇流行星排功率损失试验台架，测试在不同工作条件下的功率损失，试验数据与理论计算进行对比论证，所得结论对能源节约与传动系统优化有指导意义。1汇流行星排齿轮箱功率损失计算汇流行星排包箱及结构如图1所示，该齿轮传动系统包括定轴轮系与行星轮系。十内齿圈轴太阳轮轴一从动轮a)实物a)结构剖面图1汇流行星排包箱及结构剖面汇流行星排定轴轮系包括I轴、轴、主动轮与从动轮,其中I轴总长度为2 36 mm，轴总长度为2 11mm，I 轴与轴两端分别由两个向心球轴承支承；主动轮位于I轴17 3.5mm处，从动齿轮位于轴在8 1.5mm处，主动轮与从动轮相互啮合。定轴轮系的主要结构参数见表1。行星轮系包括轴、行星表1定轴轮系主要结构参数架、内齿圈、4个行星轮与太阳从动轮轮,其中内齿圈与轴通过花键齿数连接，行星架与轴固定连接，模数太阳轮通连接齿轮固定不动，与齿宽/mm轴通过滚针轴承支承，轴压力角/另一端由向心球轴承支承。行星轮系的主要参数尺寸见表2。1.1齿轮啮合功率损失计算齿轮在啮合过程中，啮合功率损失Pl主要由滑动摩擦功率损失P与滚动摩擦功率损失P组成叫2,其计算方式如下13：P,=P.+Ps(1)齿轮滑动摩擦功率损失P的计算式为：Pi=10-fFvh式中，f为滑动摩擦因数;F齿面接触法向载荷,N;un为齿面相对滑动速度,m/s。其中，齿面相对滑动速度计算式为：Vi=0.026 18(ni+n2)gl72设备管理与维修2 0 2 3 No10(上)式中，nivn2为主、从动轮转速，r/min;gi为齿轮啮合时的啮合线长度，mm。齿轮滚动摩擦功率损失P.的计算式为：P_x10hmbecos式中,h为油膜厚度，mm;ug为齿面相对滚动速度,m/s;b为齿轮啮合有效齿宽，m;8为齿面重合度；为齿轮螺旋角。其中，齿面相对滚动速度计算式为：g=0.2094n/rlsin-0.125g(ni-n2)式中，r为主动轮分度圆半径,m;为齿轮压力角。通过理论计算，齿轮啮合摩擦功率损失结果如图2 所示，当功率不变时，随着齿轮转速提高，齿面法向接触压力逐渐减小，啮合面之间的油膜厚度增大，齿轮的滑动摩擦功率损失随之降低，滚动摩擦功率损失逐渐增大，在低转速时，齿轮的滑动功率损失起主要作用，系统总功率损失呈现先降低后上升的变化规律；主动轮一当转速不变时，随着功率的提高，齿面法向接触压力逐渐增大，减小了齿对啮合面之间的油膜厚度，使齿轮的滑动摩擦损失逐渐增大，滚动功率摩擦损失逐渐减小，总啮合功率损失逐渐上升。1.2齿轮搅油功率损失计算齿轮在工作时会搅动润滑油造成搅油功率损失，其功率损轴失P。可以分为3个部分之和：光轴外径相关的搅油损失Pl、齿灵行星轮行星架构件主动轮502155353720表2 行星轮系主要结构参数构件太阳轮行星轮齿数23模数3.5齿宽/mm53压力角/(4)(5)侧相关的搅油损失P2以及与齿面相关的搅油损失Pe4,其计算式如下：1.0一直齿轮滑动一齿圈一行星轮滑动一一齿圈一行星轮滚动0.8太阳一行星轮滑动一一太阳一行星轮滚动一总功率损失0.60.40.20.04200500800转速/r/mina）不同转速下功率损失一齿轮啮合总功率损失齿圈1.617573.53.5303020(2)(3)一一直齿轮滚动12001600齿圈一行星轮滑动齿圈一行星轮滚动行星一太阳轮滑动1.2一一行星一太阳轮滚动直齿轮滑动一直齿轮滚动0.80.40.0图2齿轮啮合摩擦功率损失设计研究20002030功率/kWb）不同功率下功率损失4050607.37faonD47LPe=1026Ag1.474f.2onDs.7P21026A7.37f20mD47Pes=1026Ag式中，f为齿轮浸人润滑油的系数,取值0 1;vo为润滑油的运动黏度;n为齿轮转速,r/min;D为旋转件的外轮廓的直径,m;L为旋转件的长度,m;A.为配置系数;b为齿轮有效接触齿宽,m;R为齿轮齿面粗糙系数。1.3齿轮风阻功率损失计算齿轮在高速旋转时,系统功率损失中的风阻功率损失将会起主要作用15,其主要受到齿轮结构尺寸、齿轮转速及润滑油的动力黏度等因素影响，其计算式为：P=c(1+234)n2*4(0.0280+-0.019)2式中，C为比例常数，一般取2.2 4x107;r为齿轮分度圆半径，m;uo为润滑油动力黏度,Pas。1.4轴承功率损失计算轴承在旋转过程中的功率损失主要来源于摩擦，而摩擦行为的影响因素较为复杂,因此仅考虑轴承所受载荷和润滑剂这两部分引起的摩擦损失，采用计算摩擦力矩的平方来分析轴承的功率损失。轴承外加载荷摩擦力矩M为：1.5系统总功率损失(6)造成汇流行星排齿轮系统总功率损失的原因很多，综合考虑不同齿轮转速与不同输人功率条件下的齿轮啮合功率损失、(7)搅油损失、风阻损失和轴承功率损失对系统总功率损失进行计算。R系统总功率损失变化曲线如图4所示。Vtan汇流行星排传动系统在齿轮输入转速为50 0 r/min以下(8)时，齿轮啮合摩擦功率损失占据主导地位，但随着转速继续上升，齿轮滑动摩擦功率损失下降，滚动摩擦功率损失、搅油功率损失、风阻功率损失与轴承功率损失都在增加，此时轴承摩擦功率损失将占据主导地位；在转速恒定时，当系统输人功率增加，系统的总功率损失逐渐上升，齿轮滑动摩擦功率损失和轴承摩擦功率损失随之增加,齿轮滚动摩擦功率损失减小,搅油功率损失与风阻功率损失不受影响。在低功率输入时，系统总功率损失中轴承摩擦功率损失占据主导地位；在高功率输人时，系统总功率损失中齿轮啮合摩擦功率损失占主导地位。(9)54风阻总功率损失3一搅油总功率损失21系统总功率损失轴承总功率损失一啮合总功率损失Mi=fiPdm式中,P为轴承计算载荷,N;f为与轴承类型与载荷相关的系数；dm为轴承节圆直径，m轴承润滑剂粘性摩擦力矩M为：10%6(on)2daVon2x103M2=16foda式中，f为与润滑方式有关的系数。根据轴承摩擦力矩可以得到轴承摩擦功率损失P为：P,=1.047x10-n(Mi+M2)(12)轴承1和轴承2 是轴两端的向心球轴承，轴承3和轴承4两端的向心球轴承。不同转速下轴承功率损失如图3所示。图3表明，随着输人转速的升高，两对轴承的功率损失都是逐渐增加的趋势，所以轴承的总功率损失也是逐渐增加的。4+轴承1功率损失轴承2 功率损失3一轴承3功率损失轴承总功率损失20200500800120016002000转速/(r/min)图3不同转速下轴承功率损失设计研究(10)(11)Von2x1030200500800转速/(r/min)a）不同转速下总功率损失一系统总功率损失2.5一轴承总功率损失一啮合总功率损失2.0一风阻总功率损失一一搅油总功率损失1.51.00.50.0F20b）不同功率下总功率损失图4系统总功率损失变化曲线2试验分析汇流行星排功率损失试验台如图5所示，labview信号采集系统如图6 所示。试验台包括驱动电机、冷水机、转矩仪、汇流排行星排、泵站、电涡流测功机等。采用变频器控制驱动电机输入转矩及转速，工控机在线监测转速、转矩、油压、油温、功率等传感器信号，电涡流测功机提供扭矩和功率，冷水机对电涡流测功机进行冷却，泵站实现油液循环，设备管理与维修2 0 2 3 No10(上）7312003040功率/kW160050200060滑动摩擦功率损失下降，滚动摩擦、搅油、风阻、轴承功率损失增冷水机转矩仪汇流排包箱泵站电涡流测功机驱动电机图5汇流行星排功率损失试验台发动机转迪汇流排试验台采集系统V2.0三输转璃行装车建1004153095本次里四6.1954327.4337买*10 0图6 汇流行星排信号采集系统将依次调整驱动电机转速、负载功率与润滑油温度进行试验，通过labview信号采集系统记录试验数据，试验加载参数见表3。不同转速下的功率损失试验测试表3试验参数结果如图7 所示，在负载功率不变时，试验参数取值范围随着齿轮转速逐渐提高，系统的功率损油温/失越大。当负载功率为10 kW时，齿轮转速/(r/min）转速由8 0 0 r/min提高至16 0 0 r/min，负载功率/kW1070系统的功率损失由0.6 5kW提升至1.5kW；当负载功率为40 kW时，齿轮转速由8 0 0 r/min提升至2000r/min时，系统的功率损失由0.8 kW提升至3.7 5kW；当负载功率为7 0 kW时，齿轮转速由10 0 0 r/min提升至18 0 0 r/min，系统的功率损失从1.6 kW提升至3.6 kW。在同一转速下，如转速为1600r/min时,随着负载功率的上升，系统的功率损失也逐渐增加,从1.5kW上升到2.7 kW，与理论分析结果一致。3结束语（1）计算了汇流行星排啮合功率损失、轴承功率损失、搅油功率损失与风阻功率损失在不同转速下的变化规律。在低转速时，齿轮啮合摩擦功率损失占主导地位，随着转速上升，齿轮4一负载功率10 kW负载功率40 kW负载功率7 0 kW1800图7 不同转速下的功率损失74设备管理与维修2 0 2 3No10（上）加，轴承摩擦功率损失占据主导地位。（2）计算了汇流行星排在不同功率下的功率损失变化规律。随着输入功率的增加，系统总功率损失上升，齿轮滑动摩擦和轴承摩擦功率损失增加，齿轮滚动摩擦功率损失减小，搅油与风阻功率损失不受影响。在低功率时，轴承摩擦功率损失占主导地位，在高功率时，齿轮啮合摩擦功率损失占主导地位。(3)开展汇流行星排多工况传动实验，在较高的润滑油温下，油液的黏度减小，使得润滑性能上升，阻尼效应减弱，系统摩擦功位传动效*12.0188J40.96销入功车输入转速输入转处43.2130031848.5编出功半41.522101801.760.39油压力0.7410.50拍体准益家站油湿出582912001600转速/（r/min）592.5321输出转速输出转楚1850停止506080020002000率损失与搅油功率损失也减小从而提高系统传动效率。当转速恒定，随着负载功率的上升，系统功率损失也逐渐增加。当负载功率恒定时，随着齿轮转速提高，系统功率损失越大，与理论分析结果一致，为提高能源利用率、优化传动系统提供了理论与试验支撑。基金项目：国家国防科技工业局基础科研项目（JCCPCX-201705)。1王成，崔焕勇,张清萍，等.齿轮啮合效率的理论研究进展J.济南大学学报（自然科学版），2 0 15，2 9（3）：2 2 9-2 35.2 ACN,AAK,AJS,et al.Planetary gear sets power loss modeling:Ap-plication to wind turbinesJ.Tribology International,2017,(105):42-54.3 Chen C,Angeles J.Virtual-Power Flow and Mechanical Gear-MeshPower Losses of Epicyclic Gear Trains Jl.Journal of MechanicalDesign,2007,129(1):107-113.4 Fernandes C,Martins RC,Seabra J.Friction torque of cylindricalroller thrust bearings lubricated with wind turbine gear oils 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