驱动桥热特性的研究：功率损失和传热评估外文翻译资料

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驱动桥热特性的研究：功率损失和传热评估

驱动桥热特性研究：功率损耗和热量转移的评估

摘要

在本研究中，对卡车驱动桥及其齿轮组进行了分析。由于齿轮组是准双曲面或螺旋锥，滑齿。摩擦是消耗的一个重要来源。其他损失主要是由于滚动轴承和油液。能量损失是根ISO技术报告的关系计算的。与试验结果比较表明，以前的公式的修改是应该的.还对热交换进行了评述。最后，两种比较了齿轮组本体温度的方法，只考虑齿轮组的经典方法和用热网络法考虑全轴的全局方法。

关键词：功率损耗，热网，热交换，轴，齿轮组，准双曲面齿轮

介绍

提高动力总成效率是发展卡车行业的关键。燃料消耗和排放都必须减少，从而满足客户需求和政府法规。因此，精确预测传动系统的功率损失非常重要。尽管如此，然而，随着热量的产生和系统趋向紧凑，冷却和耐久性问题必须注意。所以组件和油的热性能必须也要建模和分析。

驱动桥是卡车传动系统的一部分，产生不同类型的功率损失：一方面，与负载相关的损耗是由齿轮啮合和滚动轴承的摩擦引起;另一方面，与负载无关的损耗包括油的搅拌，滚动体轴承阻力和密封摩擦。深入研究表明这些能量损失在各种系统中都是存在的，不是只存在在车桥中。

车轴效率是少数研究的目标，主要是实验的人：霍布森[1]提出的第一个实验室程序轴上的扭矩和速度测量; Winter和Wech [2]工作用背对背试验台做准双曲面齿轮。这些研究关注点只是在能量损失上，运行条件全部受人为控制，其中，油壳温度设定为目标值。

很难知道每个组件的工作温度。像擦痕，点蚀，甚至划伤这些信息对于预测齿轮故障仍然很重要。从油温和齿轮工况来预测齿轮总体温度，忽略周边系统的情况是有一定局限性的。对于这种想法，以前的工作已经显示出一些局限性，例如，喷射润滑的位置是未考虑影响整体温度的情况[ 5 ]。

一些人研究了轴的热现象：Hurley [6]and Xu et al. [7]采用实验手段，记录轴组件多点温度。Kolekar等人。[ 8 ]开发了一个简单的轴的热模型，其中空气和车轴之间发生强制对流。然后他比较了两种油温下的效率

Kakavas等人。[ 9 ]开发了关于轴效率的实验和模型。他在一个完整的驱动循环中工作，所以油的温度是自由调节的。

文献主要是对轻型到中重型车轴的研究。卡车和重型车轴在结构上和工作方式上相似，但他们的工作条件相当不同。这可能会导致新的问题。此外，没有详细的热模型开发的车轴，只有由Kolekar和Kakavas考虑油温提出来的等温法。尽管如此，Xu的实验凸显组件之间的温度差异（例如，小齿轮和轴承之间）：润滑油粘度的变化会影响到效率，尽管如此润滑油对零件磨损还是很重要的。本文以货车车轴为研究对象，提出了一种估算其温度分布的模型。

在本文的第一部分，车桥在试验台进行了效率测试。在第二部分中，将实验结果与使用ISO技术报告公式进行的功率损耗计算进行了比较。在第三部分中，采用了轴的热机械方法，以了解工作中的热交换，并更好地了解油和部件的温度。为此，采用了热网络法。对于齿轮组，从经典方法和热网络得到的体积温度进行了比较。

汽车车轴及其效率

驱动桥的结构

这里所研究的机械系统一般是卡车驱动桥。常叫做卡车轴。这个组件，如图1所示，有三个主要作用：将动力从传动系传送到车轮上（两部分通常是垂直的）；作终速减速；允许车辆在没有车轮打滑的情况下转弯。

图1：卡车驱动桥的主要元件

在卡车上，可能有一到四个驱动桥，这取决于车辆的具体情况。随后，这项研究只考虑驱动桥。所以简单地称为车轴。

汽车和卡车车轴具有相同的结构。然而卡车轴较大：冠轮直径较大，油槽容积更重要，但输送的功率也是较高的.所以，这可能导致效率是可比较的。

单减速轴仅保证齿轮组的减速，轮毂减速轴的轮毂出现第二次减速。本研究以单轴减速器为研究对象。准双曲面齿轮组的特性见表1。

表1：车轴齿轮组特性

驱动桥功率损耗

车轴是功率损耗的来源。当它在低速工作，在输入侧的转速为2000 rpm，负载相关的损失有重大影响[ 10 ]。摩擦的主要来源是齿轮组，它是螺旋锥齿轮或准双曲面齿轮，如图2所示。准双曲面齿轮比螺旋锥齿轮要大，同样的冠齿轮尺寸，因此更耐用；另一方面，由于小齿轮偏置，在准双曲面齿轮啮合有更多的滑动。

因此，齿轮啮合的摩擦损失和滚动轴承的摩擦也受到了广泛的关注。对于负荷独立损失，齿轮组的倾斜润滑产生不可忽略的油液滚动损失。滚动轴承由于二次润滑或至少飞溅润滑而引起损失。密封也要考虑到，虽然因为低转速产生很少的损失。

图2：螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮组结构

驱动桥效率试验

为了测量单轴减速器的效率，进行了试验。两种类型的测试：带输入扭矩和不带输入扭矩。

对于带有负载的测试，使用了图3（a）所描述的工作台。它允许输入和输出扭矩和转速的测量。使用了两种类型的测功机：扭矩范围是输入轴3KN.M和每个输出轴5KN.M，精度为 / - 1.5N.M.

对于空载试验，使用了图3（b）所描述的工作台，输出轴和轮毂被拆卸，仍然保持轴的驱动头。只有输入扭矩和转速测量。该测功机的扭矩范围为500N.M的精度 / - 0.15N.M.

在两个长凳上，监测油槽内的油温。用风扇保持在80°C。试验用的油的特性见表2。

为了获得稳定的功率损耗，新的轴需要被磨合。对于典型的负载情况，在两个中断循环中，能量损耗的变化必须小于200w，只有这样运行过程才能实现。

表2：油特性

图3：与负载相关的测试（a）和空载测试的测试台设置（b）

在负载相关损耗试验中，表3给出的三个条件被再现。在欧洲B情况长途卡车的典型路况。对于每一种情况，考虑两种不同的油的等级：正常和高一点等级的油，分别对应14L和20L的油量。

表3：负载损耗试验条件

无负荷试验包括连续的速度条件。对应从20km/h的车速到120km/h，每级增加20km/h.

这些测试的结果与下一部分的ISO技术报告计算进行了比较。

功率损耗的计算

在轴上产生的功率损耗和上一部分所描述的功率在负载相关和负载无关的损耗是分离的：

首先这些能量损失的估算是使用了ISO/TR14179-2. 为此在油槽温度为80度时，整个系统是等温的。

使用ISO/TR 14179-2 [4]

轴封摩擦损失是用Freudenberg-Simrit公式计算：

dsh是轴的直径，n是转速

对于准双曲面齿轮组的摩擦，技术报告采用Niemann和winter的工作。用等效斜齿轮代替准双曲面齿轮进行啮合摩擦计算：

Fn是轮齿正常载荷，Vgm是平均滑动速度，Um是平均摩擦系数。

关于滚动轴承（REB），四个圆锥滚子轴承和一个圆柱滚子轴承是系统的一部分。技术报告是由 Eschman计算的阻力和摩擦力。这些公式是根据Harris [ 11 ]制定的。功率损耗的定义为：

Tbo是空载损耗转矩，Tb1是负载损耗转矩，n是转速，对于圆锥滚子轴承或圆柱滚子轴承，轴承损耗力矩为：

F0和F1分别取决于轴承和润滑类型，对于轴承的设计和负载条件，v是润滑剂粘度，dM是轴承直径，P1是轴承载荷。

齿轮组的浸油润滑产生旋转损耗。这些空载损耗的准双曲面齿轮可按Mauz公式计算：

Csp是飞溅油系数，C1和C2是齿宽和齿深，vt是切向速度，vt0是参考切向速度，Omega;是齿轮角速度。

图4给出了轴的负载独立损耗的测量和计算之间的比较。

图4：根据标准[ 4 ]空载测量和负载独立损耗计算的比较

计算出的损失超过了实测的与负荷无关的损失，所以计算出的损失高了。

油的搅拌和油的等级影响性能的提升

Mauz公式中搅拌损失不适合应用在这种卡车轴上。在他的一个汽车桥工作中，Jeon [ 12 ]研究了准双曲面齿轮搅油损失，并建立关系。Laruelle等人测试了各种螺旋锥齿轮的几何参数并且修改了Jeon的几何参数公式。根据这些工作，得到下面的公式：

rho;是润滑油密度，Omega;是齿轮的角速度，R0是齿轮外径，Sm是齿轮浸入表面积，Cm是无量纲阻力矩，定义了两种不同的流型来计算Cm：

ℎ是齿轮浸油深度，Vlub是油壳体积，Re是雷诺系数，Fr是Froud系数。由于这种新的搅动损失关系，结果与测量结果更加一致，如图5所示。

图5：空载测量和计算标准的比较（基于Jeon公式）

就用载荷的测试而言，提出了轴的整体功率损耗，并与图6的测量结果进行了比较。实验数据和计算结果之间有很好的一致性。主要功率损耗源随工况的变化而变化：在高转矩时，齿轮啮合损耗占主导地位；在低扭矩时，转子的损耗是一样的。在正常和高油位（图6（a）和图6（b））中观察到增加了搅拌损失的参与：油喷的贡献随齿轮浸入区的上升而变化。由于轴转速较低，密封损失可以忽略不计。

图6：负载测量和标准计算的比较（基于Jeon搅动公式）正常油位（a）和（b）高油位

值得注意的是，功率损耗模型有一定的局限性。这个准双曲面摩擦是特殊的，具体的摩擦模型必须要通过试验验证齿轮啮合损耗的精确计算。然而，

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