工程机械变速箱润滑流量仿真分析

朱浩月，蔡祖戈

（江苏汇智高端工程机械创新中心有限公司，江苏 徐州 221004）

由于工程机械变速箱功率大，作业条件复杂，且需要频繁进行换挡，主从动摩擦片转速差导致变速箱湿式离合器结合时产生大量的热量，需要足够的流量进行润滑冷却［1］。此外，轴承、齿轮、花键轴等高速旋转件也需进行冷却润滑。如何合理的设计变速箱润滑系统，使流量满足各润滑点的需求，对于保证各旋转件稳定运行，提高变速箱可靠性具有重要的意义。

工程机械变速箱一般采用强制压力喷油润滑方式，由于润滑点较多，各个点发热量差异较大，传统粗略估算的方式难以保证润滑流量的精确分析［2］。本文基于Matlab软件，搭建了变速箱润滑系统仿真模型，通过试验测试对仿真模型进行了验证，并分析了输入转速、润滑油温度及换挡过程对润滑流量分配的影响。

1 仿真模型

某型号工程机械变速箱润滑系统如图1所示，润滑油进入变速箱各轴，通过轴向及径向节流孔，离合器、轴承、齿轮和花键进行润滑。所有润滑油最后又流回油底壳，形成一个完整的闭合回路。各位置润滑流量分配主要通过调整流量分配孔实现。

流量分配孔一般采用短孔，流过短孔的流量计算公式如式（1）所示［3］。

式中 Q为过流流量；Cd为流量系数；A0为节流小口的截面积；ΔP为节流口前后压差；ρ为油液密度。

图1 润滑系统原理图

此外，为了准确计算节流口前后的压差，必须考虑压力损失影响，对于液压软管及轴内的细长油道，沿程压力损失计算公式为［3］

式中 ΔPλ为沿程压力损失；λ为沿程阻力系数；l为管路长度；d为管路内径；ρ为油液密度；v为管内油液平均流速。

对于三通接头、直角接头，局部压力损失计算公式为［3］

式中 ΔPξ为局部压力损失；ξ为局部阻力系数。

基于上述计算方法，利用专业的数学仿真软件Matlab，搭建了动力换挡变速箱润滑系统仿真分析模型。模型中考虑了主泵、液压软管、三通接头、直角接头、油道、节流口等主要液压元件，模型如图2所示。仿真模型可以考虑不同元件压力损失影响，得到各节流口精确的润滑流量值。基于DOE试验设计理念，改变不同润滑点的节流口径，运用软件批处理运行工具，可以同时对多组流量分配方案进行仿真计算，并从中挑取与理论流量需求值接近的最优方案。

图2 润滑系统仿真模型

2 仿真模型精确度验证

为了验证上述仿真模型的精确度，建立了如图3所示的润滑流量试验台。在油温80℃，总流量85L/min的条件下，仿真分析与试验结果对比如表1所示。通过对比结果发现，各主要润滑点仿真与试验值最大相差3.17%，仿真模型精度可以满足工程分析。

图3 润滑系统流量分布试验

表1 仿真与试验结果对比表

3 流量分配特性研究

工程机械变速箱作业工况复杂，换挡频繁，输入转速、油温变化范围较大，某些失速工况下，油温短时间内甚至可达120℃，因此设计润滑系统时必须考虑转速、油温及换挡过程带来的流量分配特性变化。

3.1 转速对流量分配特性影响分析

变速箱输入转速一般为800～2200r/min，转速范围较大，由于变速泵一般为定排量齿轮泵，导致系统流量发生较大变化。利用仿真模型，对不同转速下各主要润滑点的润滑流量分配特性进行了分析，如图4所示，变速箱输入转速的变化，只改变了各润滑点的流量大小，但对流量分配比例基本无影响。

图4 不同转速下润滑流量分配

3.2 温度对流量分配特性影响分析

温度主要对润滑油的黏度产生影响，进而影响系统润滑特性。变速箱刚启动时，油温较低，而正常工作时，温度一般在80℃～100℃。不同种类润滑油其黏度与温度基本呈指数变化关系，因此有必要分析不同温度条件下润滑油黏度变化对流量分配的影响。

如图5所示，随着温度升高，对于大孔径的润滑油口，流量会显著减小，而对于润滑孔径较小的位置，润滑流量呈增大趋势。主要原因是低温时，油液运动粘度较大，对于直径较小的润滑孔，雷诺数Re小于临界值，油液处于层流状态，此时粘性力起主导作用，因此流速较低。温度增加至70℃时，油液粘度减小，雷诺数Re大于临界值，油液变为湍流状态，流量系数增大，润滑流量也相应增大。因此，在进行润滑系统设计时，需要对低温状态下齿轮、轴承、花键轴等流量较小的润滑点的流量进行校核。

变速箱换挡瞬间，大量油液进入换挡离合器活塞腔，导致润滑系统流量产生较大波动。变速箱输入转速2000r/min，某挡位换挡过程中流量分配仿真结果如表2所示。

3.3 换挡过程对流量分配特性影响分析

仿真结果分析发现，换挡过程中离合器结合占用了系统流量，使得润滑流量瞬间下降约30L/min，各主要润滑点流量同步下降。经数据计算发现，下降比例相差不大，因此换挡过程对流量分配特性影响较小。

图5 不同温度下润滑流量分配

表2 换挡过程润滑流量分配结果

4 结束语

（1）基于Matlab提供了一种可靠的工程机械变速箱润滑系统仿真方法和模型，经过试验验证，仿真精度达到3.17%。

（2）通过仿真分析发现，变速箱输入转速对各润滑点流量分配影响较小；润滑油温度对各润滑点流量分配存在影响，尤其是小流量润滑点，在低温时润滑流量分配会降低；换挡过程中用于润滑的流量总体降低，各润滑点的流量分配基本不变。