飛濺潤滑CFD仿真在新能源變速箱潤滑設(shè)計中的應(yīng)用

1、 飛濺潤滑CFD仿真在新能源變速箱潤滑設(shè)計中的應(yīng)用摘要：由于新能源變速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，基于經(jīng)驗的飛濺潤滑設(shè)計已經(jīng)無法滿足變速箱對潤滑設(shè)計的要求，對此本文通過VOF兩相流和旋轉(zhuǎn)動網(wǎng)格建立了變速箱總成的飛濺潤滑CFD模型，并且通過透明殼體潤滑試驗驗證了該模型仿真結(jié)果的準確性；然后將該飛濺潤滑仿真方法應(yīng)用于某HEV并聯(lián)式變速箱潤滑設(shè)計，為產(chǎn)品潤滑設(shè)計提供了針對性建議。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：混動低速工況下，通過設(shè)計接油筋和導(dǎo)油孔成功將電機冷卻噴淋的潤滑油輸送至齒輪位置，且流量達到6 50ml/min，極大地降低了齒輪潤滑風(fēng)險；停車充電工況下，為充電齒輪設(shè)計的二級油池，雖然可以接到電機冷卻后淋下的油和其他齒

2、輪旋轉(zhuǎn)飛濺的油，但是由于布置空間的限制，油池較淺，油池內(nèi)集到的油量不足大約26ml，無法滿足高速旋轉(zhuǎn)齒輪的潤滑需求，需要繼續(xù)優(yōu)化潤滑設(shè)計。關(guān)鍵詞：新能源變速箱，飛濺潤滑，VOF兩相流，Star ccm+目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc16758814 1.引言 PAGEREF _Toc16758814 h 3 HYPERLINK l _Toc16758815 2.計算模型 PAGEREF _Toc16758815 h 3 HYPERLINK l _Toc16758816 2.1.新能源變速箱介紹 PAGEREF _Toc16758816 h 3 HYPE

3、RLINK l _Toc16758817 2.2.飛濺潤滑物理模型介紹 PAGEREF _Toc16758817 h 4 HYPERLINK l _Toc16758818 3.飛濺潤滑模型試驗驗證 PAGEREF _Toc16758818 h 5 HYPERLINK l _Toc16758819 4.計算工況與計算結(jié)果 PAGEREF _Toc16758819 h 7 HYPERLINK l _Toc16758820 4.1.計算工況 PAGEREF _Toc16758820 h 7 HYPERLINK l _Toc16758821 4.2.計算結(jié)果與分析 PAGEREF _Toc167588

4、21 h 8 HYPERLINK l _Toc16758822 5.結(jié)論 PAGEREF _Toc16758822 h 9引言眾所周知，潤滑對于變速箱有降低接觸應(yīng)力、減小摩擦磨損、緩和沖擊、降低噪聲等作用，如果潤滑不良，齒輪很可能出現(xiàn)點蝕、膠合、磨損的現(xiàn)象，嚴重時甚至發(fā)生斷齒的情況，因此，潤滑設(shè)計在變速箱開發(fā)過程中至關(guān)重要1。傳統(tǒng)兩軸式變速箱通常采用飛濺潤滑的方式，依靠浸油齒將富油區(qū)的潤滑油甩至貧油區(qū)的齒輪、軸承等傳動件，保證整個變速箱潤滑狀態(tài)良好。新能源變速箱集成了驅(qū)動電機后，齒軸布置位置發(fā)生了較大變化，動力流比之前變得復(fù)雜，使得平行軸、齒輪、軸承、同步器數(shù)量也隨之增加，此時根據(jù)經(jīng)驗進行潤滑

5、設(shè)計往往很難滿足變速箱各個齒輪的潤滑需求，在產(chǎn)品開發(fā)后期需要進行大量的潤滑試驗和設(shè)計更改才能通過認證。對于變速箱飛濺潤滑問題，早些年國內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者通過CFD方法對平行軸齒輪攪油、行星齒輪潤滑、軸承潤滑進行了仿真分析，為后面的整機飛濺潤滑仿真打下了基礎(chǔ)，近些年美國通用汽車、日本本田汽車、中國吉利汽車等整車公司將飛濺潤滑CFD分析拓展至變速箱整機模型，使得整機飛濺潤滑CFD仿真計算取得了一定的突破2,3,4。本文借鑒傳統(tǒng)變速箱飛濺潤滑CFD仿真的思路，在軟件Starcc+中建立了某款HEV變速箱VOF兩相流飛濺潤滑模型，通過與試驗對比驗證了飛濺潤滑模型的準確性，然后分別對混動低速和停車充電兩個工

6、況進行了分析， 為變速箱潤滑設(shè)計提供了針對性的建議和優(yōu)化方案。計算模型新能源變速箱介紹本文中研究對象為某在研HEV并聯(lián)式新能源變速箱，該變速箱在保留了傳統(tǒng)的機械檔位基礎(chǔ)上，新增四個電動驅(qū)車檔位（倒車、高速、低速）以及一個停車充電工況，并且由于并聯(lián)式變速箱構(gòu)架特點，該變速箱還可以根據(jù)整車需求將發(fā)動機和電機同時作為動力源驅(qū)車，在提高整車經(jīng)濟性的同時還具有良好的動力性能。變速箱基本原理和構(gòu)架如下圖1所示：圖1 并聯(lián)新能源變速箱示意圖飛濺潤滑物理模型介紹變速箱模型中存在大量旋轉(zhuǎn)零件，運行時空氣和潤滑油兩種流體發(fā)生復(fù)雜的相互作用，需要使用旋轉(zhuǎn)動網(wǎng)格和VOF兩項流進行仿真計算。VOF是通過計算每個網(wǎng)格內(nèi)油

7、和氣各自的體積分數(shù)求得該網(wǎng)格的平均密度和粘度以及其他物理量， 從而通過網(wǎng)格離散求得整個油面的運動規(guī)律與位置分布，體積分數(shù)方程為：其中：和分別為網(wǎng)格平均密度和粘度，oil和air分別為網(wǎng)格內(nèi)油和氣各自的體積分數(shù)VOF模型假定油氣兩相具有相同的速度場和壓力場，在整個計算區(qū)域內(nèi)求解單一連續(xù)性方程和動量方程，計算效率較高，而網(wǎng)格尺寸越小計算得到的油氣分界面就越接近真實情況5。變速箱飛濺潤滑模型包括靜止網(wǎng)格（Stationary）和旋轉(zhuǎn)動網(wǎng)格（Rotation）兩部分，圖2 變速箱飛濺潤滑計算模型旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格用來模擬齒輪、軸承等旋轉(zhuǎn)副的運動過程，通過Interface實現(xiàn)兩種網(wǎng)格之間各個物理量的數(shù)據(jù)傳遞，其

8、中對于齒輪副嚙合位置狹小的流體動網(wǎng)格難題， 本文采用單向切齒法進行簡化6，變速箱總成CFD模型如圖2所示。飛濺潤滑模型試驗驗證變速箱5檔2000rpm（發(fā)動機）對應(yīng)汽車的常用工況，該工況下變速箱內(nèi)潤滑油在浸油齒的快速旋轉(zhuǎn)下飛濺效果十分顯著，CFD計算難度與精度也較高，因此選擇該工況作為飛濺潤滑仿真模型的驗證工況。潤滑試驗中變速箱殼體改用透明殼體，用電機倒拖變速箱半軸等效5檔2000rpm工況下變速箱內(nèi)飛濺潤滑狀態(tài)。其中工況參數(shù)與邊界見表1。表1 初始條件與物性參數(shù)該工況下主減差速器轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到620rpm，半個以上齒輪浸沒在潤滑油中，是變速箱內(nèi)主要的飛濺潤滑攪油零件。圖3、圖4為仿真與試驗結(jié)果

9、對比，對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)：變速箱內(nèi)潤滑油飛濺現(xiàn)象極為明顯，大量潤滑油從主減差速器位置飛濺至殼體前壁，在壁面沉積鋪展后依靠重力作用流至導(dǎo)油槽和殼底；圖4中位置為輸入軸軸孔位置，潤滑油進入軸孔后，流至多個滾針軸承和同步器，最后重新回到變速箱殼底，因此油孔進油狀態(tài)對于變速箱內(nèi)部潤滑至關(guān)重要。圖4中可以看到輸入軸后軸承高速旋轉(zhuǎn)作用下，潤滑油也隨之在軸孔口外圍打旋，進油效果并不理想。圖3、圖4中仿真和試驗對比發(fā)現(xiàn)，潤滑油飛濺現(xiàn)象有高度的一致性，從而說明該飛濺潤滑模型可以比較準確地模擬新能源變速箱飛濺潤滑現(xiàn)象。圖3 導(dǎo)油槽接油位置圖4 輸入軸末端油面分布計算工況與計算結(jié)果計算工況該款HEV并聯(lián)式變速箱中，電動檔

10、齒軸布置于機械檔位和差速器上方，這樣一來在高速工況下差速器飛濺的潤滑油可以潤滑冷卻電動檔齒輪和驅(qū)動電機， 同時也存在2個問題：第一，在混動低速大負荷工況時電機和發(fā)動機共同驅(qū)車，主減攪油不足，電動檔齒輪很可能由于潤滑不足導(dǎo)致失效；第二，在停車充電工況時，旋轉(zhuǎn)的浸油齒極少，充電檔齒輪位于油面之上，飛濺潤滑很難滿足齒輪潤滑需求。因此本文分別對這兩個潤滑風(fēng)險較高的工況進行CFD飛濺潤滑仿真計算。表2 初始條件與物性參數(shù)計算結(jié)果與分析混動低速大負荷工況中，電動檔齒輪作為主要承載齒潤滑風(fēng)險最高。由于電動檔齒輪靠近電機，因此在CAE仿真結(jié)果的指導(dǎo)下，采用電機冷卻噴淋的潤滑油引至齒輪位置的設(shè)計方案，其中圖5、

11、圖6為潤滑設(shè)計方案和CFD計算結(jié)果。結(jié)果表明：通過設(shè)計前后接油筋和導(dǎo)油孔，有效地將電機冷卻噴淋的潤滑油輸送至電動檔齒輪下方，單位時間內(nèi)通過到油孔的油量達到650ml/min，且齒輪表面潤滑油量約0.8ml，有效地降低了此處的潤滑風(fēng)險。圖5 電動檔齒輪潤滑設(shè)計圖6 電動檔齒輪飛濺潤滑停車充電工況中，充電檔齒輪副為非浸油齒，而其他攪油齒輪與充電檔齒輪軸向距離超過150mm，齒輪存在較高的潤滑風(fēng)險。基于前期的飛濺潤滑仿真結(jié)果，為充電檔齒輪設(shè)計二級油池，將其他位置飛濺的潤滑油收集并且輸送至電動檔齒輪二級油池，從而保證充電齒輪在良好的潤滑條件下運行，其中圖7、圖8為充電檔齒輪二級油槽接油狀況與充電檔齒輪

12、潤滑狀態(tài)。仿真結(jié)果表明：為充電檔設(shè)計的二級油槽可以收集上方電機噴淋的潤滑油和變速箱末端浸油齒飛濺甩起的潤滑油，但是由于空間和布置的原因油池設(shè)計較淺，計算發(fā)現(xiàn)油池內(nèi)收集的潤滑油只有26ml，集油量較少，高速旋轉(zhuǎn)的齒輪將潤滑油打飛，使得潤滑效果變差。圖7 電動檔齒輪子油池集油狀態(tài)圖8 電動檔齒輪潤滑狀態(tài)結(jié)論（1）針對新能源變速箱復(fù)雜的潤滑設(shè)計需求，本文采用VOF兩相流和旋轉(zhuǎn)動網(wǎng)格方法建立了變速箱整機飛濺潤滑CFD模型；并且在5檔2000rpm驗證工況下，飛濺潤滑仿真結(jié)果和和試驗取得高度的一致性，從而證明該整機潤滑模型的準確性。（2）混動低速大負荷工況下，在飛濺潤滑仿真分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化了齒輪潤滑設(shè)計

13、特征，通過增加接油筋和導(dǎo)油孔特征，將電機冷卻噴淋的潤滑油輸送至齒輪下方，流量達到650ml/min，極大地降低了電動檔齒輪的潤滑風(fēng)險。（3）停車充電工況下，仿真分析得出增加的二級油池集油量約26ml，但是由于齒輪轉(zhuǎn)速較高，集油池較淺，齒輪潤滑并不滿足潤滑要求，需要加深二級油池深度，從而改善對充電檔齒輪的潤滑效果。參考文獻朱孝錄. 齒輪傳動設(shè)計手冊M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.Chandrasekhar K，Michael K，Santosh B. Churning Loss Estimation for Manual Transmission Gear Box Using CFDJ. SAE Int.J.Passeng.Cars-Mech.Syst./Volume 8，Issue 1（May 2015）.Daiki Saegusa，Shinji Kawai. CFD Analysis of Lubricant Fluid Flow inAuto