飞溅润滑CFD仿真在新能源变速箱润滑设计中的应用.docx

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飞溅润滑CFD仿真在新能源变速箱润滑设计中的应用

飞溅润滑CFD仿真在新能源变速箱润滑设计中的应用

摘要：

由于新能源变速箱内部结构更加复杂，基于经验的飞溅润滑设计已经无法满足变速箱对润滑设计的要求，对此本文通过VOF两相流和旋转动网格建立了变速箱总成的飞溅润滑CFD模型，并且通过透明壳体润滑试验验证了该模型仿真结果的准确性；然后将该飞溅润滑仿真方法应用于某HEV并联式变速箱润滑设计，为产品润滑设计提供了针对性建议。

仿真结果发现：

混动低速工况下，通过设计接油筋和导油孔成功将电机冷却喷淋的润滑油输送至齿轮位置，且流量达到650ml/min，极大地降低了齿轮润滑风险；停车充电工况下，为充电齿轮设计的二级油池，虽然可以接到电机冷却后淋下的油和其他齿轮旋转飞溅的油，但是由于布置空间的限制，油池较浅，油池内集到的油量不足大约26ml，无法满足高速旋转齿轮的润滑需求，需要继续优化润滑设计。

关键词：

新能源变速箱，飞溅润滑，VOF两相流，Starccm+

1.引言

众所周知，润滑对于变速箱有降低接触应力、减小摩擦磨损、缓和冲击、降低噪声等作用，如果润滑不良，齿轮很可能出现点蚀、胶合、磨损的现象，严重时甚至发生断齿的情况，因此，润滑设计在变速箱开发过程中至关重要[1]。

传统两轴式变速箱通常采用飞溅润滑的方式，依靠浸油齿将富油区的润滑油甩至贫油区的齿轮、轴承等传动件，保证整个变速箱润滑状态良好。

新能源变速箱集成了驱动电机后，齿轴布置位置发生了较大变化，动力流比之前变得复杂，使得平行轴、齿轮、轴承、同步器数量也随之增加，此时根据经验进行润滑设计往往很难满足变速箱各个齿轮的润滑需求，在产品开发后期需要进行大量的润滑试验和设计更改才能通过认证。

对于变速箱飞溅润滑问题，早些年国内外已经有学者通过CFD方法对平行轴齿轮搅油、行星齿轮润滑、轴承润滑进行了仿真分析，为后面的整机飞溅润滑仿真打下了基础，近些年美国通用汽车、日本本田汽车、中国吉利汽车等整车公司将飞溅润滑CFD分析拓展至变速箱整机模型，使得整机飞溅润滑CFD仿真计算取得了一定的突破[2,3,4]。

本文借鉴传统变速箱飞溅润滑CFD仿真的思路，在软件Starcc+中建立了某款HEV变速箱VOF两相流飞溅润滑模型，通过与试验对比验证了飞溅润滑模型的准确性，然后分别对混动低速和停车充电两个工况进行了分析，为变速箱润滑设计提供了针对性的建议和优化方案。

2.计算模型

2.1.新能源变速箱介绍

本文中研究对象为某在研HEV并联式新能源变速箱，该变速箱在保留了传统的机械档位基础上，新增四个电动驱车档位（倒车、高速、低速）以及一个停车充电工况，并且由于并联式变速箱构架特点，该变速箱还可以根据整车需求将发动机和电机同时作为动力源驱车，在提高整车经济性的同时还具有良好的动力性能。

变速箱基本原理和构架如下图1所示：

图1并联新能源变速箱示意图

2.2.飞溅润滑物理模型介绍

变速箱模型中存在大量旋转零件，运行时空气和润滑油两种流体发生复杂的相互作用，需要使用旋转动网格和VOF两项流进行仿真计算。

VOF是通过计算每个网格内油和气各自的体积分数求得该网格的平均密度和粘度以及其他物理量，从而通过网格离散求得整个油面的运动规律与位置分布，体积分数方程为：

其中：

ρ和μ分别为网格平均密度和粘度，𝜑oil和𝜑air分别为网格内油和气各自的体积分数VOF模型假定油气两相具有相同的速度场和压力场，在整个计算区域内求解单一连续性方程和动量方程，计算效率较高，而网格尺寸越小计算得到的油气分界面就越接近真实情况[5]。

变速箱飞溅润滑模型包括静止网格（Stationary）和旋转动网格（Rotation）两部分，

图2变速箱飞溅润滑计算模型

旋转网格用来模拟齿轮、轴承等旋转副的运动过程，通过Interface实现两种网格之间各个物理量的数据传递，其中对于齿轮副啮合位置狭小的流体动网格难题，本文采用单向切齿法进行简化[6]，变速箱总成CFD模型如图2所示。

3.飞溅润滑模型试验验证

变速箱5档2000rpm（发动机）对应汽车的常用工况，该工况下变速箱内润滑油在浸油齿的快速旋转下飞溅效果十分显著，CFD计算难度与精度也较高，因此选择该工况作为飞溅润滑仿真模型的验证工况。

润滑试验中变速箱壳体改用透明壳体，用电机倒拖变速箱半轴等效5档2000rpm工况下变速箱内飞溅润滑状态。

其中

工况参数与边界见表1。

表1初始条件与物性参数

该工况下主减差速器转速已经达到620rpm，半个以上齿轮浸没在润滑油中，是变速箱内主要的飞溅润滑搅油零件。

图3、图4为仿真与试验结果对比，对比结果发现：

变速箱内润滑油飞溅现象极为明显，大量润滑油从主减差速器位置飞溅至壳体前壁，在壁面沉积铺展后依靠重力作用流至导油槽和壳底；图4中位置为输入轴轴孔位置，润滑油进入轴孔后，流至多个滚针轴承和同步器，最后重新回到变速箱壳底，因此油孔进油状态对于变速箱内部润滑至关重要。

图4中可以看到输入轴后轴承高速旋转作用下，润滑油也随之在轴孔口外围打旋，进油效果并不理想。

图3、图4中仿真和试验对比发现，润滑油飞溅现象有高度的一致性，从而说明该飞溅润滑模型可以比较准确地模拟新能源变速箱飞溅润滑现象。

图3导油槽接油位置

图4输入轴末端油面分布

4.计算工况与计算结果

4.1.计算工况

该款HEV并联式变速箱中，电动档齿轴布置于机械档位和差速器上方，这样一来在高速工况下差速器飞溅的润滑油可以润滑冷却电动档齿轮和驱动电机，同时也存在2个问题：

第一，在混动低速大负荷工况时电机和发动机共同驱车，主减搅油不足，电动档齿轮很可能由于润滑不足导致失效；第二，在停车充电工况时，旋转的浸油齿极少，充电档齿轮位于油面之上，飞溅润滑很难满足齿轮润滑需求。

因此本文分别对这两个润滑风险较高的工况进行CFD飞溅润滑仿真计算。

表2初始条件与物性参数

4.2.计算结果与分析

混动低速大负荷工况中，电动档齿轮作为主要承载齿润滑风险最高。

由于电动档齿轮靠近电机，因此在CAE仿真结果的指导下，采用电机冷却喷淋的润滑油引至齿轮位置的设计方案，其中图5、图6为润滑设计方案和CFD计算结果。

结果表明：

通过设计前后接油筋和导油孔，有效地将电机冷却喷淋的润滑油输送至电动档齿轮下方，单位时间内通过到油孔的油量达到650ml/min，且齿轮表面润滑油量约0.8ml，有效地降低了此处的润滑风险。

图5电动档齿轮润滑设计

图6电动档齿轮飞溅润滑

停车充电工况中，充电档齿轮副为非浸油齿，而其他搅油齿轮与充电档齿轮轴向距离超过150mm，齿轮存在较高的润滑风险。

基于前期的飞溅润滑仿真结果，为充电档齿轮设计二级油池，将其他位置飞溅的润滑油收集并且输送至电动档齿轮二级油池，从而保证充电齿轮在良好的润滑条件下运行，其中图7、图8为充电档齿轮二级油槽接油状况与充电档齿轮润滑状态。

仿真结果表明：

为充电档设计的二级油槽可以收集上方电机喷淋的润滑油和变速箱末端浸油齿飞溅甩起的润滑油，但是由于空间和布置的原因油池设计较浅，计算发现油池内收集的润滑油只有26ml，集油量较少，高速旋转的齿轮将润滑油打飞，使得润滑效果变差。

图7电动档齿轮子油池集油状态图8电动档齿轮润滑状态

5.结论

（1）针对新能源变速箱复杂的润滑设计需求，本文采用VOF两相流和旋转动网格方法建立了变速箱整机飞溅润滑CFD模型；并且在5档2000rpm验证工况下，飞溅润滑仿真结果和和试验取得高度的一致性，从而证明该整机润滑模型的准确性。

（2）混动低速大负荷工况下，在飞溅润滑仿真分析的基础上优化了齿轮润滑设计特征，通过增加接油筋和导油孔特征，将电机冷却喷淋的润滑油输送至齿轮下方，流量达到650ml/min，极大地降低了电动档齿轮的润滑风险。

（3）停车充电工况下，仿真分析得出增加的二级油池集油量约26ml，但是由于齿轮转速较高，集油池较浅，齿轮润滑并不满足润滑要求，需要加深二级油池深度，从而改善对充电档齿轮的润滑效果。

参考文献

[1]朱孝录.齿轮传动设计手册[M].北京：

化学工业出版社，2010.

[2]ChandrasekharK，MichaelK，SantoshB.ChurningLossEstimationforManualTransmissionGearBoxUsingCFD[J].SAEInt.J.Passeng.Cars-Mech.Syst./Volume8，Issue1（May2015）.

[3]DaikiSaegusa，ShinjiKawai.CFDAnalysisofLubricantFluidFlowin

AutomotiveTransmission[J].SAETechnicalPaper2014-01-1772.

[4]林银辉，臧猛炎，胡志华，等.

双离合器自动变速器油轨的流场模拟及其润滑效果评价[J].中国机械工程，2013，24（22）：

3052-3056.

[5]STAR-CCM+Version12.04USERGUIDE

[6]彭钱磊，桂良进，范子杰.汽车驱动桥飞溅润滑的数值仿真[J].汽车工程，2016（Vol.38）No.12.