飞溅润滑齿轮在机匣壁上的油流量研究

抽象的

为了研究齿轮在油浴中旋转时所溅出的油，建立了试验装置，测量了机匣壁上几个位置的润滑油飞溅量。一个可变尺寸的长方形窗口连接到水槽，用于流量测量，该系统可以放置在多个位置。利用量纲分析方法，推导出了一系列计算公式，可用于预测机匣各部位的一个直齿圆柱齿轮或一个圆盘产生的润滑油流量。这些结果已经在广泛的操作条件(转速、几何形状、浸泡深度等)下进行了实验验证。

1.介绍

飞溅润滑传统上用于低至中速封闭齿轮，如汽车变速箱，润滑剂是通过齿轮的旋转投射。主要缺点是(i)由于搅拌产生的功率损失很大，(ii)在润滑剂供应方面没有精确的控制。根据多项研究[1- - - - - -10.，一般认为损失随转速和浸没深度的增加而增加。虽然润滑油搅拌可以被认为是齿轮箱功率损失的主要来源，但飞溅润滑也有助于齿轮体积温度的调节，因为一些热量从齿面离心甩出，如Blok[所示]所示。11.］．利用汽车手动变速箱的一般热模型，Changenet等[12.]证实了热交换器在油槽和几个旋转元件之间对全球热行为之间的影响，特别是浸没深度的作用。Höhn等人。[13.]进行了大量的实验，表明降低油底壳油位可以减少旋转损失，但也会导致齿轮体积温度升高。这些结果已经被Durand de Gevigney等人从理论上证实了[14.］．

从上面的研究来看，为了减少搅拌损失，从热的角度来看，确保满意的齿轮润滑油热交换，似乎有可能在油底壳中定义一个最佳的润滑油水平。然而，据作者所知，在公开文献中，尽管确保敏感元件(如轴承)的充分润滑和冷却具有实际重要性，但油位对润滑油循环和流动的影响却很少受到关注。由于飞溅润滑的本质是混沌的，因此很难预测飞溅润滑的性能，这一润滑技术的发展依赖于反复试验的方法。例如，在汽车应用中，经常使用具有透明壁的套管，以试图可视化各种工况(转速、啮合齿轮等)下的油流。这样的经验方法是昂贵的，不能在设计的早期阶段使用，因此强调了研究的兴趣，旨在预测的体积和空间分布的预测润滑油变速箱。在本文中，提出了一种方法，可以估计在套管的几个位置上的润滑剂的数量。为此，开发了一个具体的试验台，并基于量纲分析给出了一些通用公式。

2.试验装置

试验台开发用于研究搅拌损失并在[7已经修改以测量嵌入壁上投射的油流速。小齿轮轴通过电动机通过倍增速度高达7150rpm的旋转速度操作。油槽的一个面上是由有机玻璃制成的，并且将罐放置在壳体中，以捕获由于离心剥离而被齿轮齿突出的油的一部分。为此，在罐中钻出一个长圆形窗口，水平传感器用于测量填充给定体积所需的时间（这里是192毫升）（图1）.为了避免可能由罐中的或多或少的湍流流动诱导的测量不确定性，已经引入了分割壁以将入口区域与润滑剂的测量区域分离，其中实际上可以读取水平。

液压回路如图2同时使壳体能够在传感器达到高电平检测阈值时填充有油和罐中的油箱。由于必须在恒定齿轮浸没深度处进行测量，因此泵中的油被泵送，然后注入壳体（泵数2）中。最后，泵数1用于在设定水平下用润滑剂填充储存器。

油箱定位定义在图中3.．长度对应于旋转轴和罐之间的距离，其可以改变至最大130mm。为窗口距旋转轴的高度，旋转轴可在0 - 115mm之间变化(后者对应于完全阻塞窗口的情况)。窗的宽度为40毫米，旋转齿轮相对于罐体轴向居中。

本文给出的结果仅限于表中定义的圆盘和正齿轮1．实验使用了两种不同的液体:水和矿物油(ν在40°C = 45.11 CST -ν在100°C = 7.75 CST -ρ在21°C = 885 kg / m^3.）.

3.测量的有效性

Splash润滑产生的自由表面流量，其特征在于由齿轮旋转产生的波动研磨，该齿轮旋转在透气流的典型润滑剂 - 空气接口处以一定速度行进。在这种情况下，必须评估数据测量的数量，以便定义可靠的实验程序。对一系列操作条件（齿轮几何，转速，罐位置等）进行多种测量和各种数据采集。数字4介绍了齿轮1部分浸入(相对浸入=)，在1500 rpm和油箱位置的定义这样 mm and毫米。任何单独的采集都对应于充液和排空油箱的整个周期。可以观察到，随着获得的数量的增加，温度也会增加，因为搅拌的功率损失，反过来，影响了离心喷射的润滑油数量。为了在分析中消除这一影响，本文中给出的所有结果都与基于50个数据采集的测量结果相对应。

为了分析测试机器的可靠性，以各种旋转速度进行测量。桌子2介绍了用齿轮1进行的下列坦克位置的三个系列试验: mm and毫米。结果表明，流速的最大相对偏差约为8%，考虑整个试验范围，平均标准偏差为4.9 mL/s。与一般在50 - 200ml /s之间的名义流速相比，标准偏差足够小，实验结果是可以接受的。最后，两个传感器测量的体积的不确定度在2 mL左右，误差为1%。

4.实验结果

数字5显示了相对浸入深度为0.25的齿轮2的流量与转速的变化和三个不同的槽位置的特点 mm and在10到30毫米之间。

正如预期的那样，数字5表明，收到的流量取决于在壁上的位置，它可以注意到，小齿轮部分在油中旋转不作为齿轮泵，因为流量不随转速线性变化。图中的曲线5也揭示了两种流动状态的存在与1500转/分钟左右的过渡，在这上面的流量几乎是恒定的速度(常数取决于几何形状)，而在较低的速度，流量减少随着速度的增加。这些结果可以解释如下:(我)在低旋转速度下，近500rpm，大量润滑剂位于齿轮周边，并与其移动，使得如果它们足够靠近齿轮，则可以排出大量的润滑剂并在壁上达到某些位置。（ii）在较高的转速下，离心力成为主要因素，没有整体流体运动发生，但润滑剂被喷在一个大锥体中，只有一小部分可以到达测量设备的孔径。(3)还要注意，低于300rpm，没有润滑剂可以进入罐，而在300到500 rpm之间，间隙空间填充有油，并且流量随速度而增加。

这些观察结果已被其他几何形状证实。例如，图6显示了相对浸入深度为0.25和两个不同槽位的流速随转速的变化 mm and在20到40毫米之间。图中的结果证实了在1500转/分钟左右存在一个过渡点，在这个过渡点之上，油的流量相对于速度几乎是恒定的。实验也在6000转/分的转速下进行，以验证这一结果在更高的转速下仍然相同。

为了确定由一个旋转小齿轮在机匣壁上投影的油量的相关参数，在给定的油箱位置( mm andmm)使用圆盘和齿轮。结果合成在图中7从中得出以下结论：(我)在一个给定位置处接收的润滑剂的量随沉浸深度而增加。（ii）即使是面宽较小的圆盘也能产生显著的流量，这表明周边表面和侧翼都有贡献。(3)对于等效几何参数(半径，面宽)，圆盘和齿轮产生相似的流量，由此可以得出结论，流量在很大程度上独立于与齿轮几何参数有关的参数，如模块或齿数。（iv）在给定的操作条件下，通过提高油温或用水替代油来降低流速，这表明流体的物理性质，更具体地说，是其粘度，是有影响的。

基于以上结论，可以证实齿轮泵的出油机理与齿轮泵不同。在这种情况下，研究边界层在旋转圆盘的浸没部分发展并被离心力驱逐的假设似乎很有趣。从该模型可以推导出理论流量，并与实验证据进行比较，以评估该方法的有效性。考虑图8，前缘应该位于贮槽和边界层的条目处，同时在两个侧翼和盘的侧面上发展。

长度磁盘外围表面上的边界层取决于其外半径及其浸入深度为： 利用平面上层流的经典假设，流体动力边界层厚度被发现与磁盘弧长和相关的雷诺数成比例，这样

由于流动速度可以与旋转圆盘的圆周速度有关，由侧面产生的流量的一个近似数量级为

如前所述，旋转圆盘的侧翼可以很大程度上影响总流量。对宽度的每个元素切片使用类似的方法，位于半径，并在总浸渍表面上整合相关的元素流动，与浸没的侧面相关的流速可以表示为

由圆盘排出的总流量是由(3.)和(4）.基于这种方法，边界层厚度的降低可以解释为什么降低流速以降低粘度。图中显示了相应计算值与测试装置的结果之间的比较9对于以下操作条件：磁盘2沿着矿物油浸没（20°C)，相对浸入深度为0.44，槽位由 mm and毫米。这个数字清楚地表明了（3.)和(4)不能正确地再现实验中发现的随速度变化的变化。实际的投射机制肯定比提出的简化方法更复杂，需要进一步研究。

5.维度分析

为了提出在一系列几何和操作条件上有效的经验方程，通过假设最有影响力的参数是：(我)与齿轮或圆盘相关的几何参数:，， 和．（ii）与储罐位置相关的几何参数:和．(3)流体参数：，和．（iv）动态参数：和．

油流量因此可以作为上述这些参数的函数寻求，即：

正如在前一节中所注意到的，参数(如模块或齿数)的影响可以忽略不计，因此可以丢弃。剩下的几何参数，，， 和可以关联起来形成一组由 在哪里表示流体路径的最小初始斜率(图)3.)，确保旋转齿轮/圆盘所投射的液体能够通过测量装置的长方形窗口(图)3.）.

数字10.揭示了测得的油流量与．通过使用具有0.33和不同罐位置的相对浸没深度的齿轮4来执行这些测量：从90到130毫米和从30到60毫米。值得注意的是，在其他操作条件下也得到了类似的结果。

从上面的备注，推导出参数，，， 和不是独立的，则(5)须作如下转变: 利用边界层法的结果，用(3.)和(4），也就是说，旋转元件的侧面和侧面的贡献为： 三个基本参数，， 和代表长度，时间和质量用于标准化所有其他因素，并根据尺寸分析的vaschy-buckingham的定理[15.]，被发现依赖五组参数如下： 在哪里···均为常数系数，需根据实验结果进行调整。

雷诺数Re的影响可以从几种温度(20和50°C)下的润滑油测试中识别出来，而所有其他参数(几何形状、转速等)保持不变。因此可以从任何标记的实验结果中推断出来和，分别在表格下:

从实验证据来看，指数的值约为0.17．

小齿轮部分浸入水中运行的测试被用于量化韦伯数的指数，导致 实验结果表明差不等于0或者换句话说，该表面张力不是有影响力的，并且可以在尺寸分析中丢弃。

进行了若干补充试验，其中(A)仅改变转速，(b)仅改变几何特性:tg(θ.）或面宽度改变，以便连续确定剩余的指数： 此外，实验结果表明几乎等于0。最后的关系总结如下:

如果tg () > 0.88(我)为 rpm （ii）为 rpm

如果tg () < 0.88(我)为 rpm （ii）为 rpm

对于低于300rpm的转速，无量纲流速等于零。在过渡区（ rpm) a linear interpolation between this value and (13.)或(15.）是使用的。

的实验结果和数值结果之间的一系列典型比较13.) (16.)显示在图中11.其中，无量纲流量与齿轮1和油罐不同位置的转速标绘。在图中，虚线表示数值结果。结果表明，在最低转速下，流量预测结果的误差较大，平均误差为11%。进行了250多次试验，发现数值流量与实验流量的最大偏差为15%。为了说明，图中给出了附加曲线12.对于不同的几何形状和操作条件，证明了所提出的公式的通用性。

6.结论

为了量化部分浸在油中的小齿轮旋转时在机匣壁上不同位置的润滑油飞溅量，已经对一个试验台进行了改进。在大量实验结果的基础上，利用量纲分析建立了一套解析公式，该公式与基于边界层概念的近似理论方法相关联。对250多种不同的构型进行了测试，预测结果与实验结果吻合良好。相信这些结果在早期设计阶段是有用的，并有助于理解飞溅润滑特性，特别是在汽车应用。

从实际的观点来看，已经证明了一种圆盘和具有类似几何形状（外半径和面宽）的齿轮产生等效流速。这一结论对于汽车应用很重要，因为它强调同步器也可以有助于齿轮箱润滑。强调润滑剂物理性质的作用，并且粘度看起来高度有影响力，因为已经发现流量率随工作粘度降低。然而，肯定需要具有不同类型的润滑剂（矿物质和合成油）的进一步实验，以确认这些发现。本文的实验仅限于单个磁盘和正齿轮;关于齿轮齿轮对与螺旋齿的贡献肯定需要进一步的调查。

命名法

	面宽[m]
：	外径[m]
Fr:	弗劳德号码
：	加速重力[］
：	高度[m]
：	小齿轮的浸没深度[m]
：	长度(米)
：	边界层特征长度[m]
：	模块[m]
：	转速(rpm)
：	流体流量[］
：	无量纲流速
再保险:	雷诺数
：	间距半径[m]
：	液体温度[］
《我们》:	韦伯号码
：	边界层的厚度[m]
：	角(rad)
：	动态粘度
：	运动粘度(］
：	流体密度[］
：	表面张力(N / m)
：	转速[RAD / S]。

致谢

作者希望感谢PSA PeugeotCitroën并为这项研究提供赞助。他们还感谢Vincent Ricol和LouisBartolomé的重要贡献，对测试钻机设计和施工。

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