飞溅润滑仿真已成为变速箱精细化设计的必要环节

汽车传动系统齿轮箱内润滑油的运动主要依靠高速转动的齿轮对润滑油的作用产生的飞溅效果，从而将润滑油循环分布到轴承和齿轮上达到润滑作用。如果齿轮箱的设计存在不足，则会出现某些轴承和齿轮润滑不足，会造成齿轮箱产品过早失效。有些情况下，齿轮箱设计的不合理会造成某轴承两侧润滑油流量差别较大，引起同轴轴承两侧寿命不一致。为了达到润滑目标，往往需要在齿轮箱内布置挡板以改变润滑油的流向，但是设计的改进需要参考实验或数值分析的结果。传统的齿轮箱设计采用透明壳体实验验证齿轮箱飞溅润滑效果和润滑油的空间分布等，但是透明壳体实验造价高周期长，而且难以测量润滑油在壳体内部某空间区域的流量等。使用shonDy软件可以弥补传统设计流程中缺失的一环，即齿轮箱润滑数值仿真。采用数值仿真可以大大减少透明壳体实验段的重复制造，甚至可以完全替代透明壳体实验。使用shonDy模拟齿轮箱润滑，不仅可以获得润滑油在壳体内的空间分布，还可以输出搅油力矩和功率损失。由于搅油力矩随齿轮箱转速递增，搅油功率损失的分析对于高速齿轮箱不容忽视。

变速箱飞溅润滑数值仿真

变速箱透明壳体实验

（本图由合作科研单位重庆理工大学提供）

评价齿轮箱内挡板对润滑油分布的影响

（本图由合作设计单位上海众联能创提供）

齿轮箱设计流程改进

齿轮箱的设计采用了仿真与实验相结合的手段，仿真可以快速迭代改进产品设计，实验用于最终验证产品的性能。仿真在齿轮箱的结构设计和NVH设计方面已经成为了必不可少的一环，但是在润滑设计方面仿真曾经是缺失的一环，这主要受限于传统仿真技术手段。无网格粒子法的出现，成为了润滑仿真的突破性技术手段，让快速飞溅润滑仿真成为了现实。润滑的数值仿真填补了传统设计流程中缺失的一环，缩短了研发周期，降低了实验成本。

齿轮箱设计流程

模拟电驱动桥

电驱动桥集成了电机、减速器和逆变器在内的功率电子模块到一个外壳中，这为电动汽车的传动系统提供了三合一的解决方案。由于电驱动桥中的减速器的转速非常高，润滑仿真对于新产品的设计至关重要。在下面的工程应用案例中，电驱桥转速为6000 rpm，爬坡倾斜角度为0°，润滑油的工作温度为60℃。该模拟结果给出了润滑油在壳体内的分布，为电驱桥的润滑设计提供了依据。    

电驱桥内润滑油的空间分布

（本图由合作设计单位上海众联能创提供）

搅油力矩计算分析

在齿轮箱飞溅润滑分析中，齿轮箱的功率损失取决于搅油力矩和转速。使用shonDy软件可以输出每个齿轮轴的搅油力矩。使用德国慕尼黑工大公开发表文献[1]中齿轮效率实验数据和shonDy的计算结果做对比验证，结果如图所示。图中红线是稳态实验结果和误差范围，蓝线是数值模拟结果。数值模型中齿轮经过0.1s的旋转角速度加速后保持恒定转速，搅油力矩随着转速增大而变化。shonDy计算获得的准稳态力矩与实验结果符合良好，在实验误差范围内。

计算搅油功率损失与实验数据对比

[1] Liu H, Jurkschat T, Lohner T, et al. Determination of oil distribution and churning power loss of gearboxes by finite volume CFD method. Tribol Int 2017.

齿轮箱与电机热分析

在新能源汽车传动系统的设计中，温度场分布是一个非常重要的设计指标。齿轮啮合温度过高或者电机的绕组过热都会导致产品的失效。精细的温度场计算和系统传热分析对于产品设计至关重要。shonDy提供了独特的功能模块计算齿轮啮合功率损失、轴承发热和热传导。传动系统的瞬态温度变化可以被仿真预测。模拟结果可以给出齿轮系温度场、润滑油平均温度、壳体温度场和总的功率损失等。    

啮合发热造成的齿轮系温度分布

本文初步介绍了shonDy在传动系统飞溅润滑领域的应用。实际上shonDy是一款通用的三维粒子法流体多物理场软件，在其他工程场景也有广阔的应用空间。

来源： shonDy粒子法流体仿真