一种大载荷分动器强制润滑冷却方法、装置及系统与流程

本发明涉及机械传动及液压控制技术领域，尤其涉及一种大载荷分动器强制润滑冷却方法、装置及系统。

背景技术：

大载荷分动器作为重载车辆底盘传动系统的关键部件，具有传递扭矩大、转速高的使用特点，单纯的依靠飞溅润滑已不能满足使用需求，需采用强制润滑系统对分动器内部产热点进行润滑冷却，并根据分动器热平衡需求匹配外接的油冷散热器。

润滑与散热是大载荷分动器润滑冷却系统设计需考虑的两个重要方面，润滑系统的作用是保证零部件得到足够的润滑油，防止系统因局部过热而发生烧蚀；散热系统的作用是将分动器内部产生热量通过热交换的方式散发出去，保证分动器长期稳定运行在设计工作温度。分动器内润滑系统与散热系统密不可分，需进行系统级匹配设计，润滑与散热系统设计涉及到机械摩擦、液压管路和散热器匹配等多个领域，需深入剖析其内部机理，建立成熟完整的润滑与散热匹配设计方法。

大载荷分动器具有高速和重载的使用特点，若润滑系统匹配设计不合理，就会存在局部温度过高引发轴承烧结、传动部件卡死等故障。同时，分动器自身结构紧凑、功率大，箱体自身散热功率难以满足冷却系统热平衡需求，长期使用将导致分动器油液工作温度过高、密封元件失效，因此匹配合适的外接油冷散热器尤为重要。

因此，研究摸索出一种大载荷分动器的强制润滑冷却系统设计方法具有重要意义。

技术实现要素：

本发明旨在至少克服上述缺陷之一提供一种大载荷分动器强制润滑冷却方法、装置及系统，以快速准确地实现大载荷分动器强制润滑冷却。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明的一个方面提供了一种大载荷分动器强制润滑冷却方法，包括：根据分动器传动系统结构中主传动部件的特性建立热力学分析模型，其中，热力学分析模型用于计算主传动部件的发热功率；根据特种车辆的设计使用工况计算主传动部件的载荷和转速，并将结果代入到热力学分析模型中，计算主传动部件的各产热点的产热量与分动器总产热量；按照设计工况的热平衡温度，根据分动器表面风速、散热表面积计算分动器箱体外表面的理论散热量；根据热平衡温度下分动器总产热量和分动器箱体的理论散热量的差值，确定油冷散热器的散热功率需求，并根据散热功率需求计算对应的分动器润滑系统的流量需求，确定分动器润滑系统齿轮泵的排量；根据各产热点的产热量值，计算对应的热平衡流量需求；根据分动器润滑系统工作原理，建立液压仿真分析模型，设置匹配的分动器润滑系统的管路；根据液压仿真分析模型将各润滑点的仿真分配流量分别与各产热点的热平衡需求流量进行对比，控制管路的流量分配，以使管路分配的流量满足各产热点的热平衡流量需求。

另外，主传动部件的特性包括：主传动部件的载荷、转速以及润滑介质特性，主传动部件至少包括：齿轮和轴承。

另外，根据散热功率需求计算对应的分动器润滑系统的流量需求包括：根据润滑油的比热、密度、温降计算对应的分动器润滑系统流量需求。

另外，在油冷散热器进出口间设置单向阀，在分动器润滑系统中增加溢流阀。

另外，在分动器润滑系统中增加挡油板、集油槽、导油道和中间轴高挡齿轮底部油池。

本发明另一方面提供了一种大载荷分动器强制润滑冷却装置，包括：计算模块，用于根据分动器传动系统结构中主传动部件的特性建立热力学分析模型，其中，热力学分析模型用于计算主传动部件的发热功率；根据特种车辆的设计使用工况计算主传动部件的载荷和转速，并将结果代入到热力学分析模型中，计算主传动部件的各产热点的产热量与分动器总产热量；按照设计工况的热平衡温度，根据分动器表面风速、散热表面积计算分动器箱体外表面的理论散热量；根据热平衡温度下分动器总产热量和分动器箱体的理论散热量的差值，确定油冷散热器的散热功率需求，并根据散热功率需求计算对应的分动器润滑系统的流量需求，确定分动器润滑系统齿轮泵的排量；根据各产热点的产热量值，计算对应的热平衡流量需求；根据分动器润滑系统工作原理，建立液压仿真分析模型，设置匹配的分动器润滑系统的管路；控制模块，用于根据液压仿真分析模型将各润滑点的仿真分配流量分别与各产热点的热平衡需求流量进行对比，控制管路的流量分配，以使管路分配的流量满足各产热点的热平衡流量需求。

另外，主传动部件的特性包括：主传动部件的载荷、转速以及润滑介质特性，主传动部件至少包括：齿轮和轴承。

另外，计算模块用于通过如下方式根据散热功率需求计算对应的分动器润滑系统的流量需求：根据润滑油的比热、密度、温降计算对应的分动器润滑系统流量需求。

本发明又一方面提供了一种大载荷分动器强制润滑冷却装置，包括上述大载荷分动器强制润滑冷却装置，以及在油冷散热器进出口间设置单向阀，在分动器润滑系统中增加溢流阀，在分动器润滑系统中增加挡油板、集油槽、导油道和中间轴高挡齿轮底部油池。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的大载荷分动器强制润滑冷却方法、装置及系统，能够快速准确地实现大载荷分动器强制润滑冷却。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的大载荷分动器强制润滑冷却方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的大载荷分动器强制润滑冷却装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的大载荷分动器强制润滑冷却系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

图1为本发明实施例提供的大载荷分动器强制润滑冷却方法的流程图，参见图1，本发明实施例提供的大载荷分动器强制润滑冷却方法，包括：

s101，根据分动器传动系统结构中主传动部件的特性建立热力学分析模型，其中，热力学分析模型用于计算主传动部件的发热功率；

作为本发明实施例的一个可选实施方式，主传动部件的特性包括：主传动部件的载荷、转速以及润滑介质特性，主传动部件至少包括：齿轮和轴承。具体地，根据分动器传动系统的布置形式建立齿轮和轴承的热力学仿真分析模型，根据仿真计算设计工况(最高车速及额定工况)计算齿轮及轴承的载荷和受力情况，例如依据gbz22559.2标准，根据主传动部件(齿轮和轴承)的载荷、转速、润滑介质特性，建立热力学分析模型，用以计算发热功率，其中齿轮和轴承产热量由与载荷相关和与载荷无关两部分组成。

s102，根据特种车辆的设计使用工况计算主传动部件的载荷和转速，并将结果代入到热力学分析模型中，计算主传动部件的各产热点的产热量与分动器总产热量；

具体地，根据特种车辆的设计使用工况(最大功率及70％最大功率的使用工况)计算齿轮和轴承的载荷、转速，并将结果代入到热力学分析模型中，计算齿轮和轴承各部件的发热量与总体发热量；

更具体地，依据标准gbz22559.2，根据主传动部件(齿轮和轴承)的载荷、转速、润滑介质特性，计算各个产热点的产热量q1、q2……q13，分动器产生的热总量σq；

根据公式(1)和公式(2)进行分动器箱体散热量的计算：

qca＝kaca(θoil-θ∞)(1)

式中，k—传热系数包括油与箱体内部的热传导，通过箱体壁与周围环境的外部热传导，；aca—箱体外表面总面积，m²；θ∞—环境温度，；aoil—箱体内表面总面积，m²；αoil—润滑油侧的传热系数，取αoil＝200w/(m²·k)；δwall—壳壁的平均厚度，m；λwall—箱体的热传导率，w/(m·k)，；αca—空气侧的传热系数，w/(m²·k)。

s103，按照设计工况的热平衡温度，根据分动器表面风速、散热表面积计算分动器箱体外表面的理论散热量，根据热平衡温度下分动器总产热量和分动器箱体的理论散热量的差值，确定油冷散热器的散热功率需求，并根据散热功率需求计算对应的分动器润滑系统的流量需求，确定分动器润滑系统齿轮泵的排量；

作为本发明实施例的一个可选实施方式，根据散热功率需求计算对应的分动器润滑系统的流量需求包括：根据润滑油的比热、密度、温降计算对应的分动器润滑系统流量需求。

具体地，分动器齿轮传动装置的功率损耗表现为产热，产热量和散热量在一个温度值上达到平衡，这个温度叫做分动器的平衡温度。分动器散热量由以下两部分组成：一是箱体的散热量qca，二是强制润滑冷却散热量。根据产热量与散热量的差值，见公式(3)，确定需经油冷散热器强制冷却的的散热功率δhoil；

δhoil＝σq-qca(3)

根据公式(4)计算热平衡温度下油冷散热器的散热功率，及对应润滑冷却系统高温油流经油冷散热器的流量需求，进而可确定强制润滑冷却系统齿轮泵的排量，选取合宜齿轮泵；

式中，voil—润滑流量，ρoil—润滑油密度，coil—润滑介质比热容，对应分动器齿轮油coil＝(1.7～2.1)×10³。δθoil—液压油散热器中温差的近似值δθoil，较大齿轮箱带冷却器，通常在额定功率下连续运行：δθoil＝10～15℃。

s104，根据各产热点的产热量值，计算对应的热平衡流量需求；

具体地，根据各分动器产热点产热量值应用公式(4)，计算各润滑点对应的热平衡流量需求热平衡流量需求l1、l2……l13,及总的流量需求σl，结果见表1：

表1最高车速工况产热量及润滑流量需求

s105，根据分动器润滑系统工作原理，建立液压仿真分析模型，设置匹配的分动器润滑系统的管路；

具体地，根据分动器润滑系统工作原理，建立液压仿真分析模型，匹配润滑系统管路设计。

s106，根据液压仿真分析模型将各润滑点的仿真分配流量分别与各产热点的热平衡需求流量进行对比，控制管路的流量分配，以使管路分配的流量满足各产热点的热平衡流量需求。

具体地，通过液压仿真分析可获得各润滑点分配的流量，将各点分配流量与热平衡所需流量进行对比分析，并调整液压系统管路设计以保证所分配流量不小于热平衡所需流量，必要时可在润滑系统管路中设置阻尼孔调整流量分配。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，在油冷散热器进出口间设置单向阀，在分动器润滑系统中增加溢流阀。其中，为满足分动器低温环境(-40℃)使用要求，应在油冷散热器进出口间设置压力适宜的单向阀，避免润滑油低温粘度过高、油冷散热器压力过大、润滑系统无法正常工作，而导致轴承烧结；由于分动器载荷及转速变化范围大，在某些工况下，会出现润滑系统齿轮泵流量过高的问题，为保证齿轮比的长期稳定工作，要在分动器润滑系统中增加溢流阀；针对分动器所有工况，采用液压仿真模型进行校核，确定各工况下设计的润滑冷却系统满足分动器热平衡需求，完成分动器强制润滑冷却系统初步方案设计。具体可参见图3。

为保证分动器在高、低速工况下的润滑效果，作为本发明实施例的一个可选实施方式，在分动器润滑系统中增加挡油板、集油槽、导油道和中间轴高挡齿轮底部油池。具体地，润滑系统还要结合分动器箱体及轴承盖等结构件的设计，增加挡油板、集油槽、导油道和油池。如一般区分高、低挡的分动器，应在中间轴高挡齿轮啮合副底部设计油池；针对差速器齿轮浸入油面较深的结构，为降低搅油损失、提高飞溅效果和减少油液泡沫化对润滑系统的影响，分动器差速器输出齿轮的外侧应安装挡油板。

由此可见，采用本发明实施例提供的大载荷分动器强制润滑冷却方法，能够快速准确地实现大载荷分动器强制润滑冷却。同时，能够快速、准确、有效地设计出大载荷分动器的润滑冷却系统方案，对工程设计人员有着重要的指导意义。

同时，采用上述润滑冷却系统设计方法设计的国产化大载荷分动箱，通过了试验验证，其润滑和热平衡状况均能满足设计要求。

在某特种车底盘国产化大功率分动器使用过程中，未出现润滑不充分现象，系统温升正常，各工况下运转状况良好。

采用此设计方法有效地提高了传动部件的设计效率和设计水平，可以推广至其它传动装置设计。

图2示出了本发明实施例提供的大载荷分动器强制润滑冷却装置的结构示意图，其应用于上述方法，在此仅对其结构进行简要说明，其他未尽事宜，可参见上述方法的相关说明，参见图2，一种大载荷分动器强制润滑冷却装置，包括：

计算模块201，用于根据分动器传动系统结构中主传动部件的特性建立热力学分析模型，其中，热力学分析模型用于计算主传动部件的发热功率；根据特种车辆的设计使用工况计算主传动部件的载荷和转速，并将结果代入到热力学分析模型中，计算主传动部件的各产热点的产热量与分动器总产热量；按照设计工况的热平衡温度，根据分动器表面风速、散热表面积计算分动器箱体外表面的理论散热量；根据热平衡温度下分动器总产热量和分动器箱体的理论散热量的差值，确定油冷散热器的散热功率需求，并根据散热功率需求计算对应的分动器润滑系统的流量需求，确定分动器润滑系统齿轮泵的排量；根据各产热点的产热量值，计算对应的热平衡流量需求；根据分动器润滑系统工作原理，建立液压仿真分析模型，设置匹配的分动器润滑系统的管路；

控制模块202，用于根据液压仿真分析模型将各润滑点的仿真分配流量分别与各产热点的热平衡需求流量进行对比，控制管路的流量分配，以使管路分配的流量满足各产热点的热平衡流量需求。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，主传动部件的特性包括：主传动部件的载荷、转速以及润滑介质特性，主传动部件至少包括：齿轮和轴承。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，计算模块用于通过如下方式根据散热功率需求计算对应的分动器润滑系统的流量需求：根据润滑油的比热、密度、温降计算对应的分动器润滑系统流量需求。

由此可见，采用本发明实施例提供的大载荷分动器强制润滑冷却装置，能够快速准确地实现大载荷分动器强制润滑冷却。同时，能够快速、准确、有效地设计出大载荷分动器的润滑冷却系统方案，对工程设计人员有着重要的指导意义。

同时，采用上述润滑冷却系统设计方法设计的国产化大载荷分动箱，通过了试验验证，其润滑和热平衡状况均能满足设计要求。

在某特种车底盘国产化大功率分动器使用过程中，未出现润滑不充分现象，系统温升正常，各工况下运转状况良好。

采用此设计方法有效地提高了传动部件的设计效率和设计水平，可以推广至其它传动装置设计。

另外，本发明实施例还提供了一种大载荷分动器强制润滑冷却系统，包括上述的大载荷分动器强制润滑冷却装置，以及在油冷散热器进出口间设置单向阀，在分动器润滑系统中增加溢流阀，在分动器润滑系统中增加挡油板、集油槽、导油道和中间轴高挡齿轮底部油池。以满足分动器低温环境(-40℃)使用要求，以及保证分动器在高、低速工况下的润滑效果。具体可以参见图3进行设置。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。