作為汽車核心部件之一，汽車變速箱的傳動(dòng)效率影響著整車動(dòng)力性與油耗。齒輪攪油損失，即齒輪在潤滑油中旋轉(zhuǎn)受到阻力所產(chǎn)生的功率損失，占齒輪傳動(dòng)總功率損耗的重要部分，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)高速低負(fù)荷狀態(tài)。因此，研究變速箱潤滑與攪油損失的內(nèi)在規(guī)律，掌握不同影響因素對攪油扭矩?fù)p失的影響，如齒輪轉(zhuǎn)速、浸油深度等，對產(chǎn)品開發(fā)有著重要意義。
目前，在變速箱開發(fā)過程中，國內(nèi)外各企業(yè)通常依賴于試驗(yàn)驗(yàn)證。1種做法是建立全透明殼體試驗(yàn)臺或者某個(gè)斷面采用透明設(shè)計(jì)，觀測在不同工況下潤滑油的流動(dòng)狀態(tài)及分布情況。C.Changenet等人通過搭建試驗(yàn)臺，研究了單個(gè)齒輪攪油損失及齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)內(nèi)部流動(dòng)分布情況，研究了潤滑油溫度、齒輪轉(zhuǎn)速、齒輪幾何形狀、齒輪浸油深度等變量對攪油扭矩?fù)p失的影響，并通過結(jié)果建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。該做法只能進(jìn)行定性評估，無法進(jìn)行數(shù)值量化評估，精度不高，可重復(fù)性差，并且試驗(yàn)需要花費(fèi)大量的時(shí)間和開發(fā)費(fèi)用。相對而言，仿真方法可以在設(shè)計(jì)早期進(jìn)行探索，加快開發(fā)進(jìn)度。
變速箱在運(yùn)行過程中不僅存在齒輪的嚙合，而且存在多相流問題，在計(jì)算上存在一定的難度。目前有2種較為常見的計(jì)算方法，一種是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)方法，將齒輪所在區(qū)域設(shè)為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，在該區(qū)域使用旋轉(zhuǎn)動(dòng)網(wǎng)格，通過接口與靜止區(qū)域連接。C. Kodela等人在2015年 SAE 技術(shù)論壇上發(fā)表的試驗(yàn)?zāi)M，與實(shí)際結(jié)果較好的吻合。H.Liu 等 人 在 2017年研究的單級齒輪箱內(nèi)潤滑油分布和攪油損失，結(jié)果與試驗(yàn)呈現(xiàn)出較高的一致性;另1種做法是采用粒子流軟件對齒輪攪油過程進(jìn)行分析，如文獻(xiàn)的工作。
本文使用 CFD方法，在 STAR-CCM+軟件中，建立變速箱齒輪攪油的完整模型，評估不同旋轉(zhuǎn)速度、不同浸油深度對齒輪攪油扭矩?fù)p失的影響，以及齒輪潤滑情況，為變速箱開發(fā)提供參考。
一、模型建立及數(shù)值仿真
如圖1所示，本文以某無級變速箱(CVT)為研究對象，計(jì)算模型與實(shí)際狀態(tài)尺寸一致。
圖1 齒輪攪油仿真模型
數(shù)值計(jì)算方法
在本文的數(shù)值計(jì)算中，忽略主動(dòng)潤滑對整體計(jì)算的影響。由于齒輪存在嚙合現(xiàn)象，在運(yùn)動(dòng)過程中，采用縮齒法對部分齒輪特征進(jìn)行簡化。具體做法如下：對變速箱潤滑油流動(dòng)特征影響較大的主要齒輪保留原始特征(例如浸沒在油液中)，對飛濺潤滑起主要作用的差速器輸入軸大齒輪;與該齒輪嚙合的小齒輪采用縮齒法，即按比例徑向縮小。變速箱的其他部分?jǐn)?shù)?？梢栽?ANSA 中進(jìn)行簡化后，使用STAR-CCM+進(jìn)行包面處理。
在運(yùn)動(dòng)部件所在區(qū)域，如齒輪等，建立單獨(dú)區(qū)域，使用旋轉(zhuǎn)動(dòng)網(wǎng)格模擬齒輪運(yùn)動(dòng)，通過接口與變速箱的主區(qū)域連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
計(jì)算采用流體體積函數(shù)(VOF)多相流模型來模擬潤滑油和空氣的運(yùn)動(dòng)。在不考慮攪油過程中流體溫度變化的情況下，將空氣與潤滑油均設(shè)為恒密度流體。潤滑油材料特性參數(shù)如表1所示。
表1 潤滑油材料特性參數(shù)
計(jì)算工況
本文主要研究齒輪旋轉(zhuǎn)速度、齒輪浸油深度對齒輪攪油扭矩?fù)p失，以及齒輪潤滑效果的影響。具體試驗(yàn)工況如表2所示，列出了差速器輸入軸齒輪轉(zhuǎn)速，其他齒輪轉(zhuǎn)速根據(jù)速比對應(yīng)換算。圖2代表不同浸油深度的示意圖，從左到右浸油深度分別為h1=0.105m， h2=0.070m，h3=0.045m。
表2 計(jì)算工況
圖2 不同浸油深度示意圖
二、計(jì)算結(jié)果與分析
變速箱潤滑油瞬態(tài)流動(dòng)形貌分析
圖3 為工況5變速箱齒輪攪油瞬態(tài)流動(dòng)特征分析。從圖3可以看出，飛濺現(xiàn)象極為明顯，隨著差速器輸入軸大齒輪的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，潤滑油從變速箱左下側(cè)飛濺至空中，完成齒輪潤滑，再經(jīng)由慣性和重力作用回到變速箱下部，流動(dòng)狀態(tài)良好。
圖3 齒輪攪油瞬態(tài)流動(dòng)特征差速器輸入軸齒輪轉(zhuǎn)速的影響
本文研究了齒輪轉(zhuǎn)速對攪油扭矩?fù)p失的影響。圖 4為差速器輸入軸齒輪轉(zhuǎn)速在200r/min、500r/min、1000r/min和1500r/min時(shí)，差速器輸入軸齒輪的攪油扭矩?fù)p失對比。結(jié)果顯示，隨著齒輪轉(zhuǎn)速的提高，攪油扭矩?fù)p失不斷增加。轉(zhuǎn)速由 200r/min 提升至 1000r/min時(shí)，扭矩?fù)p失由0.14N·m 增加至1.00 N·m，提高了6倍以上，且隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加，扭矩?fù)p失的增長趨勢變得更明顯。
圖4 不同轉(zhuǎn)速下齒輪攪油扭矩?fù)p失的對比
不同浸油深度的影響
圖5為浸油深度為h1、h2、h3 時(shí)，差速器輸入軸齒輪的攪油扭矩?fù)p失對比。結(jié)果顯示：隨著齒輪浸油深度的增加，齒輪攪油扭矩?fù)p失不斷提升。在浸油深度增加至70mm 后，差速器輸入軸齒輪的攪油扭矩?fù)p失由0.31N·m 增加至1.00N·m。在設(shè)計(jì)中，為了保證傳動(dòng)效率，建議合理控制變速箱油量加注。
圖5 不同浸油深度條件下，齒輪攪油扭矩?fù)p失的對比
不同浸油深度齒面潤滑分析
如圖6所示，浸油深度為h1、h2、h3 時(shí)，差速器輸入軸齒輪表面油量分布對比。當(dāng)浸油深度為h1 時(shí)，齒面潤滑狀態(tài)較好；當(dāng)油量下降至h3 時(shí)，齒面油量分布較少，存在潛在潤滑風(fēng)險(xiǎn)。
圖6 不同浸油深度條件下，齒輪表面油量分布對比綜合扭矩?fù)p失及齒輪潤滑2方面因素，建議浸油深度采用h2，在保證潤滑前提下，盡可能降低攪油扭矩?fù)p失，提高傳動(dòng)效率。
三、結(jié)論
本文采用動(dòng)網(wǎng)格結(jié)合 VOF的方法，進(jìn)行了變速箱攪油潤滑瞬態(tài) CFD仿真，結(jié)論如下：
(1)隨著齒輪轉(zhuǎn)速的提高，攪油扭矩?fù)p失不斷增加，并且隨著轉(zhuǎn)速而進(jìn)一步增加，扭矩?fù)p失的增長趨勢變得更明顯。
(2)隨著齒輪浸油深度的增加，齒輪攪油扭矩?fù)p失不斷提升。在設(shè)計(jì)中，為保證傳動(dòng)效率，建議合理控制變速箱油量加注過程。
(3)浸油深度為h3時(shí)，齒面油量分布較少，存在潛在的潤滑缺失風(fēng)險(xiǎn)。綜合扭矩?fù)p失及齒輪潤滑2方面因素，建議浸油深度采用h2。
綜上所述，齒輪轉(zhuǎn)速，齒輪浸油深度決定了齒輪攪油扭矩?fù)p失的大小及齒輪潤滑狀態(tài)，進(jìn)一步?jīng)Q定了變速箱傳動(dòng)效率以及耐久性。建議在開發(fā)過程中，綜合考慮各方面影響，在保證潤滑效果前提下，盡量降低攪油損失。
參考文獻(xiàn)略.