減速器是汽車傳遞動(dòng)力的關(guān)鍵一環(huán)，其效率與可靠性是設(shè)計(jì)和開發(fā)時(shí)需要著重考慮的內(nèi)容。在新能源汽車快速發(fā)展中，提高新能源汽車減速器的效率和可靠性無(wú)疑能給廠家?guī)?lái)良好的口碑及不錯(cuò)的銷量。對(duì)于新能源商用車來(lái)說(shuō)，提升減速器的效率，意味著能減少能耗，從而增加續(xù)航里程。
減速器的效率損失主要集中在攪油損失、齒輪摩擦損失、軸承摩擦損失等方面。通常，齒輪箱最常用的潤(rùn)滑方式為飛濺潤(rùn)滑，它依靠齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)潤(rùn)滑油，使?jié)櫥惋w濺到減速器中各零部件上，起到散熱和潤(rùn)滑的作用。齒輪系統(tǒng)在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚙合摩擦功率損失、風(fēng)阻功率損失和攪油功率損失。其中，攪油功率損失約占上述總功率損失的 30%。因此，要降低減速器的攪油效率損失，需要對(duì)減速器潤(rùn)滑油的選用、齒輪的潤(rùn)滑及攪油狀態(tài)進(jìn)行研究。
本文采用粒子法對(duì)齒輪攪油進(jìn)行了仿真分析，分別研究了潤(rùn)滑油的黏度、溫度、加注量及轉(zhuǎn)速對(duì)減速器效率的影響，并通過(guò)透明殼體試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，為減速器設(shè)計(jì)開發(fā)提供完整的設(shè)計(jì)支撐。
1、齒輪潤(rùn)滑原理
在齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，潤(rùn)滑油會(huì)在齒面形成油膜，完整的油膜由邊界油膜和流動(dòng)油膜組成，如圖 1 所示。
在齒輪副傳遞動(dòng)力的過(guò)程中，主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒輪之間存在滾動(dòng)和滑動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)可以攪動(dòng)潤(rùn)滑油，使?jié)櫥惋w濺到齒面上，形成油膜，利于齒輪的潤(rùn)滑和冷卻，滑動(dòng)則會(huì)擠壓齒面形成的油膜，如果將邊界油膜擠壓出去，兩齒輪的齒面就會(huì)相互摩擦，產(chǎn)生熱量，降低齒輪傳動(dòng)效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞齒面。因此，需要選用合適的潤(rùn)滑油，并對(duì)減速器齒輪潤(rùn)滑進(jìn)行詳細(xì)的分析，保持齒面形成有效的潤(rùn)滑油膜，減少齒輪摩擦損失，提高傳動(dòng)效率。
2、潤(rùn)滑油的選擇
實(shí)踐證明，齒輪潤(rùn)滑狀態(tài)與齒輪的載荷、轉(zhuǎn)速及潤(rùn)滑油性能存在直接關(guān)系，為了提高新能源商用車減速器的工作效率，需要選用黏度低、低溫流動(dòng)性好的潤(rùn)滑油。結(jié)合以往選用潤(rùn)滑油的經(jīng)驗(yàn)，確定潤(rùn)滑油相關(guān)參數(shù)，如表 1 所示。
3、齒輪潤(rùn)滑仿真分析
流體仿真方法
在傳統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算中，通常采用有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格的方法，ANSYS Fluent 為代表之一。有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格的方法特別考驗(yàn)設(shè)計(jì)者的網(wǎng)格劃分能力，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。
本文將采用一種新興的流體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算方法，即粒子法，對(duì)齒輪箱攪油功率損失進(jìn)行仿真分析。該方法不需要?jiǎng)澐钟邢拊W(wǎng)格，可以模擬各種復(fù)雜的流場(chǎng)，適用于不可壓縮流體的仿真計(jì)算，已經(jīng)被廣泛的用于流體仿真行業(yè)。
粒子法遵循拉格朗日形式的質(zhì)量、動(dòng)量守恒的流動(dòng)方程：
式中，ρ 為流體的密度;ui 為流體的速度;P 為流體的壓力;τij 為流體單位質(zhì)量上的剪切應(yīng)力;fi 為流體單位質(zhì)量上的外力。
該方法通過(guò)保證粒子密度的恒定來(lái)確保流體的不可壓縮性，將自由面粒子的壓力設(shè)為零作為邊界條件，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，不斷的迭代和校正，使仿真計(jì)算結(jié)果趨于實(shí)際。
建立仿真模型
根據(jù)設(shè)計(jì)好的齒輪參數(shù)，在 CATIA 中繪制齒軸三維模型，選用合適的軸承并繪制前后殼體。該新能源商用車減速器采用兩級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)(圖 2)，上方小齒輪為動(dòng)力輸入軸，通過(guò)其下方的雙聯(lián)齒輪將動(dòng)力傳遞到差速器大齒輪，最后將動(dòng)力輸出到車輪，驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)或后退。
本文采用的流體仿真軟件是 XFlow。XFlow 是 Next Limit 科技公司開發(fā)的新一代流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬軟件，可以處理復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，其基于粒子、完整的拉格朗日函數(shù)的計(jì)算方法，能夠解決汽車、工程、科學(xué)等領(lǐng)域復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。
為了將繪制好的模型導(dǎo)入 XFlow 進(jìn)行流體仿真，需要將三維模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，保留內(nèi)部流場(chǎng)的空間并更改格式，簡(jiǎn)化后不影響仿真結(jié)果，流體仿真的模型如圖 3 所示。
設(shè)置仿真工況
在 XFlow 中，以殼體為邊界，將殼體內(nèi)部設(shè)置為內(nèi)流場(chǎng)，潤(rùn)滑油處在殼體內(nèi)部，根據(jù)潤(rùn)滑油加注量設(shè)置潤(rùn)滑油高度，并對(duì)各軸設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。為了使仿真結(jié)果接近實(shí)際情況，還需要考慮重力的影響，并將粒子大小設(shè)置的盡可能小，本文粒子大小設(shè)置為 0.1 mm。
本文主要研究潤(rùn)滑油的黏度、加注量及齒輪轉(zhuǎn)速對(duì)減速器攪油損失的影響，所得到的工況詳細(xì)參數(shù)如表 2 所示。
仿真計(jì)算結(jié)果
根據(jù)工況 1 到工況 5 的參數(shù)，在仿真軟件中分別設(shè)置好，并進(jìn)行分析計(jì)算，匯總各工況下齒輪攪油功率損失，得到圖 4 所示的功率損失曲線。
從圖 4 可以看出，在 0~0.2 s 時(shí)間段內(nèi)，潤(rùn)滑油從靜止到開始被攪動(dòng)，功率損失在 0.2 s 時(shí)達(dá)到最大值，其原因在于初始狀態(tài)下潤(rùn)滑油全部處于底部，當(dāng)齒輪開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，所攪動(dòng)的潤(rùn)滑油量最大，因此系統(tǒng)的攪油功率損失就越大。在 0.2 s 之后，攪油功率損失逐漸趨于穩(wěn)定，與實(shí)際相符。
a. 工況 1 和工況 2 的差別在于潤(rùn)滑油粘度不同，工況 1 黏度大約是工況 2 黏度的兩倍，從圖 4 中可以看出，工況 1 的齒輪攪油功率損失大于工況 2，約為 5 W，由此可知潤(rùn)滑油黏度越大，齒輪攪油功率損失就越大。
b. 工況 2 和工況 3 的差別在于潤(rùn)滑油的加注量不同，工況 2 為 1 L，工況 3 為 2 L，從圖 4 中可以看出，潤(rùn)滑油加注量從 1 L 增加到 2 L 之后，齒輪攪油功率損失明顯增加，約為 12 W，可知潤(rùn)滑油加注量越多，攪油功率損失越大。
c. 工況 3、工況 4 和工況 5 分別考慮了齒輪轉(zhuǎn)速為 500 r/min、1 000 r/min 及 1 500 r/min 時(shí)的齒輪攪油功率損失，從圖 4 可以看出，齒輪轉(zhuǎn)速越大，攪油功率損失就越大，在 1 500 r/min 時(shí)功率損失達(dá)到了 20 W 左右。
d. 在 XFlow 中，分別觀察了工況 2 和工況 3 的齒輪潤(rùn)滑狀況，如圖 5 和圖 6 所示。
從圖 5 可以直觀地看出，加注 1 L 潤(rùn)滑油時(shí)，差速器大齒輪上潤(rùn)滑油很少，未得到充分的潤(rùn)滑，存在齒面磨損的風(fēng)險(xiǎn)。圖 6 是加注 2 L 潤(rùn)滑油的齒輪攪油狀態(tài)，可以看出，所有齒輪和軸承都處于潤(rùn)滑狀態(tài)，且潤(rùn)滑情況良好。因此，在減速器設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，要綜合考慮齒輪攪油功率損失和零部件的潤(rùn)滑情況，得出最佳的潤(rùn)滑油加注量。
4、試驗(yàn)分析
為了進(jìn)一步驗(yàn)證齒輪攪油潤(rùn)滑仿真的可靠性，根據(jù)三維模型繪制工程圖，制作出透明的前后殼體，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用工況 3 的相關(guān)參數(shù)，在達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)時(shí)，減速器潤(rùn)滑結(jié)果如圖 7 和圖 8 所示。
從透明殼體潤(rùn)滑試驗(yàn)中可以看出，大齒輪攪動(dòng)潤(rùn)滑油飛濺到小齒輪和殼體內(nèi)壁上，潤(rùn)滑油會(huì)順著殼體內(nèi)壁再流回到殼體底部，齒輪之間也會(huì)相互攪動(dòng)并飛濺潤(rùn)滑油，在加注 2 L 潤(rùn)滑油的狀態(tài)下，減速器齒輪和軸承等部件都得到了充分的潤(rùn)滑，與 XFlow 仿真結(jié)果一致。
5、結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)齒輪攪油的流體仿真分析，并結(jié)合透明殼體潤(rùn)滑試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：
a. 齒輪攪油功率損失隨著潤(rùn)滑油黏度的增大而增大。
b. 齒輪攪油功率損失隨著潤(rùn)滑油加注量的增加而增大，但加大潤(rùn)滑油加注量可以優(yōu)化齒輪的潤(rùn)滑狀態(tài)，因此潤(rùn)滑油加注量需要權(quán)衡功率損失和潤(rùn)滑效果綜合分析，得出合理的加注量。
c. 齒輪轉(zhuǎn)速越大，攪油功率損失就越大。
參考文獻(xiàn)略.