Advanced Usage of Inertia Test Stand – Measurement of the Gearbox No-Load Losses

Abstract

In the laboratories of Czech Technical University in Prague a new inertia test stand was designed and realised. Its main purpose is to test the behavior and endurance of the internal shift mechanisms of passenger car gearboxes. In this paper we present further usage of the test stand, which consists of measurement of gearbox losses. The gearbox on the inertia test stand cannot be loaded; therefore the target is the measurement of losses resulting mainly from splash lubrication and some additional gearbox friction (e.g. friction in shaft sealing, bearing losses). The most typical passenger car mechanical five speed gearbox for transversal position of the drivetrain was chosen for this experiment.

Research Progress in Churning Losses of Gear Transmission

“…(1) 面向流体阻力矩的齿轮搅油试验研究。 在齿轮搅油试验领域，HOUJOH 等 [61][62] 则从提 升齿轮润滑效果的角度，分别对直齿轮和斜齿轮润 滑油流体的压力和速度分布进行了试验研究。 BONESS [63] 在不同浸油深度和流体环境下，对不同 直径和厚度的圆盘进行了部分浸油(高黏度润滑油) 状态下的大量流体阻力矩试验，并结合 VON KARMAN 等 [64] 修改后的雷诺数， 提出了齿轮搅油 损失的经验公式。他研究发现搅油时存在三种流 态，即：层流、过渡流和湍流。TEREKHOV [65] 则 在高黏度润滑环境下，对低速转动的不同尺寸的 单个齿轮和齿轮副进行了搅油试验，并提出与量 纲一油阻力矩相关的搅油损失。通过大量的齿轮 部分浸油试验，建立了搅油动量因子的经验模型。 随后，HÖHN 等 [66][67][68] 也进行了类似的试验分析。其 中，LUKE 等 [67] 将自己的试验结果与 BONESS [63] 、 TEREKHOV [65] 试验结果进行了比较分析， 根据自己 的试验结果对搅油动量系数进行了重新拟合，同时 认为 BONESS [63] 试验中过渡流状态下搅油动量因子 随转速增加而增加的结论不正确，同时他也认为 TEREKHOV [65] 试验中齿轮在水中的搅动动量因子 与自己的试验结论存在不吻合之处，但他的试验结 论与 TEREKHOV 等 [65][66] 的齿轮副搅油试验数据还 是较为一致的。 FZG 封闭功率试验机是进行齿轮搅油试验的常 用设备 [69] 。MAGALHã ES 等 [70] 在 FZG 试验台中采 用斜齿轮代替原有的 C 型直齿轮(图 10)来分析斜齿 轮的温度场，并揭示了润滑油油品对温升的影响。 HAMMAMI 等 [71] 应用 FZG-A10 对 80W90-A 矿物油 油浴润滑的模数为 4.5 mm(主从动轮分别为 16 齿轮 和 24 齿轮)的齿轮副进行了试验验证，试验值与理 论计算值吻合度较高。HÖHN 等 [72] 对 FZG 试验台 进行改进后，测得齿轮箱油量降低则温度升高，高 载高速下齿轮温度会升高，减少油量可使载荷无关 功耗可降低至原来的 35%～50%。HARTONO 等 [73] 采用 FZG 试验台验证了转速对齿轮搅油损耗有显 著影响(图 11)。 MENG 等 [74] (2) 基于油温影响的齿轮搅油损失试验。 齿轮箱搅油损失主要体现为油温的升高，且齿 轮箱最高平衡温度所在的位置随浸油深度的变化而 变化。为从油温角度考虑搅油损失，BLOK [75] 首次 进行了齿轮啮合线各点处的实时温度测量，通过热 传递方法计算搅油损失。NIEMANN [76] 则在此基础 上进行了更为精确的试验。ANDERSSON [77] [20,[78][79] NASA 要求飞行器传动系统在润滑失效时，仍 然可安全飞行 30 min。为此，HANDSCHUH 等 [9] 在 NASA Glenn 测试平台上进行了润滑失效状态下 齿轮啮合试验与模拟分析，试验齿轮转速高达 10 000 r/min。如图 16 所示，试验结果表明齿轮材 料及侧隙对齿轮失油润滑有显著影响。结合该试验 结论以及搅油损失试验结论，可间接分析搅油损失 的大小。润滑油品的差异对减速器搅油损失亦有影 响，FERNANDES 等 [82] 通过试验方式研究了润滑油 对 FZG 齿轮的扭矩损失的影响。同样，莫易敏等 [83] 通过试验对比不同润滑油品及润滑油添加剂对传动 系统搅油功耗的影响。试验结果表明黏指剂能改善 油品的黏温特性，从而影响传动系统的功耗；转速 越高，传动效率越高，但当转速过高，效率反而出现 下降， 是由于搅油功率损失所占比率超过润滑油对传 动系统效率的贡献率。如图 17 所示，ACHTENOVÁ 等 [84] 采用惯性试验台架对汽车五挡变速箱进行了 载荷无关功耗损失测试，试验结果显示润滑油温度 [85] 和 ROSANDER [86] 所进行的手动变 速...…”