基于CFD的雙離合器自動(dòng)變速箱噴射油管流場(chǎng)模擬分析

張付偉

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基于CFD的雙離合器自動(dòng)變速箱噴射油管流場(chǎng)模擬分析

張付偉

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230061）

采用CFD方法對(duì)雙離合器自動(dòng)變速箱噴射油管的噴油過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，得到了各噴口的質(zhì)量流量與可視化的噴油跡線(xiàn)圖，并與測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果表明了該噴射油管的設(shè)計(jì)是合理有效的。本研究對(duì)變速箱潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)具有一定的參考價(jià)值。

噴射油管；強(qiáng)制潤(rùn)滑；流場(chǎng)模擬；兩相流

引言

雙離合器自動(dòng)變速箱的動(dòng)力傳動(dòng)與手動(dòng)變速箱一樣，是依靠機(jī)械系統(tǒng)中齒輪的嚙合作用來(lái)完成的[1]。齒輪相互嚙合時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，容易發(fā)生磨損和點(diǎn)蝕等現(xiàn)象。為避免齒面之間的直接接觸，必須通過(guò)變速箱油對(duì)其進(jìn)行有效的潤(rùn)滑，以減輕接觸表面的磨損，并通過(guò)油液帶走相關(guān)雜質(zhì)和熱量，起到冷卻、潤(rùn)滑及清洗的作用[2]。所以，潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)保證變速箱的正常工作、延長(zhǎng)變速箱的使用壽命有著非常重要的意義。由于變速箱殼體的存在，齒軸系統(tǒng)全部密閉在變速箱殼體內(nèi)部。齒輪潤(rùn)滑試驗(yàn)只能觀(guān)察到部分結(jié)果，其余的狀態(tài)只能在試驗(yàn)完成后通過(guò)檢查齒輪的表面質(zhì)量來(lái)考察。若是潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)不理想，則需要進(jìn)行多次試驗(yàn)，造成了試驗(yàn)資源的浪費(fèi)與試驗(yàn)周期的延長(zhǎng)。

CFD技術(shù)就是在一系列控制方程下對(duì)流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行的數(shù)值模擬，這種數(shù)值模擬可以對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)各位置、各時(shí)間點(diǎn)的物理量如壓力、溫度、速度等都可以直觀(guān)形象的展現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)CFD分析，能夠直觀(guān)、細(xì)致對(duì)系統(tǒng)各設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)方案的合理性進(jìn)行分析與判斷。隨著軟硬件技術(shù)的日益發(fā)展，采用CFD技術(shù)進(jìn)行潤(rùn)滑系統(tǒng)模擬變速箱內(nèi)部潤(rùn)滑狀態(tài)已經(jīng)成為可能。本文針對(duì)某濕式雙離合器自動(dòng)變速箱齒輪潤(rùn)滑的噴射油管，采用CFD方法，對(duì)其噴油過(guò)程的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)噴射油管的潤(rùn)滑效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，說(shuō)明了噴射油管設(shè)計(jì)方案的合理性。

1 齒輪潤(rùn)滑方式

變速箱齒輪的潤(rùn)滑方式通常有三種[3]：飛濺潤(rùn)滑、流動(dòng)潤(rùn)滑與強(qiáng)制潤(rùn)滑，如圖1所示。

圖1 潤(rùn)滑方式

飛濺潤(rùn)滑[4]是將齒輪副中的某個(gè)齒輪或幾個(gè)放置到油底殼的油液中，隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，油液被攪動(dòng)、飛濺，帶入到嚙合點(diǎn)；由于重力的作用，飛濺出來(lái)的油液最終將直接返回到油底殼中，形成循環(huán)。對(duì)于飛濺潤(rùn)滑比較重要的是，在任何時(shí)候，油液必須保持在一個(gè)特定的浸沒(méi)高度。如果油液面太低，將會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑補(bǔ)足，散熱不足，進(jìn)而導(dǎo)致齒輪的膠合。如果油液面太高，攪油力矩增大會(huì)導(dǎo)致變速箱的功率損失增加，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致油液中產(chǎn)生大量的泡沫，帶來(lái)齒輪箱的噪聲。

流動(dòng)潤(rùn)滑是通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)的油道，如空心軸、集油槽等，使油液流動(dòng)到指定的部件。流動(dòng)潤(rùn)滑常用于軸承的潤(rùn)滑，也有在齒輪上開(kāi)孔，通過(guò)旋轉(zhuǎn)離心力的作用，使油液流向嚙合面。但由于齒輪上每個(gè)齒在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生嚙合，如果每個(gè)齒側(cè)都開(kāi)孔，極會(huì)導(dǎo)致齒輪的強(qiáng)度出現(xiàn)問(wèn)題。

強(qiáng)制潤(rùn)滑是一種強(qiáng)制的流動(dòng)潤(rùn)滑。給定油液一定的壓力，使其通過(guò)開(kāi)縫的噴口或開(kāi)孔的噴管，直接噴射至接觸區(qū)。

對(duì)于雙離合器自動(dòng)變速箱來(lái)說(shuō)，主減齒輪位置較低，可以采用飛濺潤(rùn)滑的方式。而擋位齒輪副大都在油液面以上，其嚙合部位較高，僅靠攪油所產(chǎn)生的油液很難飛濺到所需位置，故需通過(guò)噴射油管來(lái)實(shí)現(xiàn)擋位齒輪的強(qiáng)制潤(rùn)滑，將潤(rùn)滑油直接噴射到各檔齒輪嚙合點(diǎn)上。

2 潤(rùn)滑流場(chǎng)模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

噴射油管工作時(shí)，變速箱中的液壓控制系統(tǒng)給定一定的壓力，使主油路的油液經(jīng)過(guò)冷卻器，將冷卻后的油液分流到噴射油管用來(lái)潤(rùn)滑齒輪。為便于分析，計(jì)算模型對(duì)油液及其流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行如下設(shè)置：

1）油液不可壓縮，忽略其熱膨脹系數(shù)及能量交換。

2）油液滿(mǎn)足三維定常湍流流動(dòng)的連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程[5]。

連續(xù)性方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

式中：,,為坐標(biāo)方向；J,J,J分別為各方向的單位質(zhì)量力；為壓力；為油液密度；為油液的運(yùn)動(dòng)黏度。

采用標(biāo)準(zhǔn)-ε湍流模型分析油液流動(dòng)，并對(duì)近壁面區(qū)的流動(dòng)及雷諾數(shù)較小的流動(dòng)采用壁面罰函數(shù)法進(jìn)行處理。

標(biāo)準(zhǔn)-ε湍流方程：

式中：C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.09；為湍動(dòng)能；為湍動(dòng)能耗散率；μ為湍流黏性系數(shù)。

4）考慮重力對(duì)油液的影響g=9.81m2/s。

2.2 仿真模型

某雙離合自動(dòng)變速箱的噴射油管幾何模型如圖2所示。

圖2 噴射油管幾何模型

對(duì)噴射油管的幾何模型進(jìn)行流體域抽取，并導(dǎo)入至軟件進(jìn)行CFD網(wǎng)格劃分。噴射油管的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 噴射油管網(wǎng)格模型

圖4 兩相流模型

噴射油管的工作環(huán)境是變速箱殼體內(nèi)的油氣混合的兩相流場(chǎng)，所以仿真采用包含油液與空氣的兩相流模型?？諝庥蚰Ｐ褪窃趪娚溆凸艿某隹诟郊⒁粋€(gè)長(zhǎng)方形的BOX，BOX大小與箱體的區(qū)域接近，如圖4所示。

為提高計(jì)算精度，需對(duì)噴油口與BOX交互區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)化處理，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格細(xì)化

完成網(wǎng)格模型后，在軟件中進(jìn)行油管的出口、入口及油氣數(shù)據(jù)交換面的定義與數(shù)據(jù)設(shè)置。初始狀態(tài)下，噴射油管的入口處全是油液，故油液體積分?jǐn)?shù)為1，空氣體積分?jǐn)?shù)為0；其余區(qū)域均為空氣，故油液體積分?jǐn)?shù)為0，空氣體積分?jǐn)?shù)為1。其它仿真參數(shù)及邊界條件如下表所示。

表1 仿真參數(shù)

3 結(jié)果分析

圖6為入口壓力為1.75bar時(shí)的入口流量，入口壓力穩(wěn)定后，入口流量穩(wěn)定在3.5L/min左右，與試驗(yàn)給定的入口流量一致。

圖6 入口流量曲線(xiàn)

圖7 各噴油口流量曲線(xiàn)

圖7為計(jì)算得到的各噴油口的流量曲線(xiàn)，流量穩(wěn)定后，各噴口的質(zhì)量流量之和與入口流量基本相等。表2為仿真得到的流量與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比。仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本一致，表明了仿真模型是可信的。

利用CFD軟件對(duì)結(jié)果的可視化效果，將變速箱的齒軸部件按仿真模型的坐標(biāo)導(dǎo)入，可觀(guān)測(cè)到各噴口油液是否能到達(dá)齒輪副嚙合面或軸承處，如圖8所示。從圖中可以看出，各噴口的噴油軌跡均能達(dá)到相應(yīng)的齒輪或軸承處。

表2 各噴口質(zhì)量流量的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

噴射油管是雙離合自動(dòng)變速箱實(shí)現(xiàn)齒軸強(qiáng)制潤(rùn)滑的重要元件，其噴油效果的好壞直接影響到齒軸系統(tǒng)的是否能夠正常工作。本文利用CFD方法對(duì)噴射油管的噴油過(guò)程進(jìn)行了流場(chǎng)模擬，得到各噴口的油液質(zhì)量流量和噴射軌跡等可視化的結(jié)果，并將仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，一方面驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可信性，另一方面也表明了該變速箱的噴射油管設(shè)計(jì)合理，能夠達(dá)到齒軸強(qiáng)制的潤(rùn)滑的效果。

本研究不僅為噴射油管的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了有效的數(shù)據(jù)，而且對(duì)于變速箱潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)具有一定的參考價(jià)值。

圖8 各噴油口噴油軌跡

[1] 瑪瑙海姆.汽車(chē)自動(dòng)變速器理論基礎(chǔ),選擇,設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].宋進(jìn)桂等譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.11.

[2] 林銀輝,臧孟炎等.雙離合器自動(dòng)變速器油軌的流場(chǎng)模擬及其潤(rùn)滑效果評(píng)價(jià)[J].中國(guó)機(jī)械工程,2013,24(22):3052-3056.

[3] 吳曉玲.潤(rùn)滑設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[4] 徐曉春,朱洪等.汽車(chē)變速器潤(rùn)滑[J].汽車(chē)工程師,2011（6）:107-110.

[5] 陳暉,李良光等.基于CFD的壓機(jī)充液閥流道設(shè)計(jì)[J].液壓氣動(dòng)與密封,2013,12:48-50.

Simulation and Analysis of Flow Field of Oil Manifold in Dual Clutch TransmissionBased on CFD

Zhang Fuwei

( AnHui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Technology Center, Anhui Hefei 230601 )

The dynamic simulation of jet process of Oil Manifold in Dual Clutch Transmission was carried, which was based on CFD approach. The mass flux and streamline of each nozzle were obtained. The accuracy of simulation model was validated by compared with test data. The result of simulation show that the design of Oil Manifold is valid and suitable. This research provides something referential value to the design evaluation of transmission lubrication.

oil manifold; forced lubrication; simulation of flow field; two-phase flow

B

1671-7988(2018)18-140-03

U467

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1671-7988(2018)18-140-03

CLC NO.: U467

張付偉，就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.048