混動(dòng)雙離合變速箱氣液兩相流分析

郭麗芳

摘 要：本文以混動(dòng)雙離合變速箱實(shí)際出現(xiàn)的吸空油問題為例，采用SPH無網(wǎng)格粒子法，運(yùn)用nanoFluidX軟件模擬變速箱中齒輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行氣液兩相流仿真分析，分析結(jié)果不僅復(fù)現(xiàn)了實(shí)際現(xiàn)象，而且清晰的解讀了潤(rùn)滑油及空氣的走向，提供了行之有效的優(yōu)化方案，直觀而快速的解決了實(shí)驗(yàn)難以解決的實(shí)際工程問題，具有很強(qiáng)的工程意義。

關(guān)鍵詞：變速箱;混動(dòng)雙離合;粒子法;兩相流

1 引言

變速箱是動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，其潤(rùn)滑性能的好壞決定了變速箱的綜合性能及使用壽命，對(duì)于具有雙輸出軸以及電機(jī)軸的混動(dòng)雙離合變速箱，位于油液面上的輸出軸及電機(jī)軸各部件無法完全通過飛濺潤(rùn)滑滿足各個(gè)工況的充分潤(rùn)滑，因而需要配合采用強(qiáng)制噴油潤(rùn)滑方式進(jìn)行潤(rùn)滑。強(qiáng)制潤(rùn)滑以變速箱箱體為油箱，通過油泵控制閥體，在一定壓力的作用下將油池里的潤(rùn)滑油經(jīng)過過濾器、冷卻器供給各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)各工作部件的潤(rùn)滑冷卻。對(duì)變速箱潤(rùn)滑系統(tǒng)的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)的傳統(tǒng)方法是通過建立實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)部分殼體上進(jìn)行開窗，使用透明材料進(jìn)行密封，以觀察關(guān)鍵部位的潤(rùn)滑效果，此種方法較直觀且可靠性高，但因其局部開窗，無法從全局上了解整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)的運(yùn)行情況，即便是全透明殼體，也無法分辨出潤(rùn)滑油的實(shí)際走向;而且實(shí)驗(yàn)方法只能在變速箱開發(fā)的后期進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)研究耗費(fèi)大量的精力和費(fèi)用;另外傳統(tǒng)的CFD方法難以解決復(fù)雜運(yùn)動(dòng)部件和自由液面問題，工程應(yīng)用上限制較大;本文的SPH方法，可以直觀的將變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)的內(nèi)部流場(chǎng)表現(xiàn)出來，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)潤(rùn)滑油的走向，可對(duì)潤(rùn)滑效果進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

2 仿真方法介紹

光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法（Smoothed Particle Hydrodynamics）是多年來逐步發(fā)展起來的一種無網(wǎng)格方法，SPH法的基本思想是首先將問題域分解成一個(gè)個(gè)的粒子，其次獲得每個(gè)粒子上的物理變量函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)的近似值，然后應(yīng)用粒子近似函數(shù)，使得每個(gè)粒子都可由周邊粒子來表示，從而生成一系列離散化的、只與時(shí)間相關(guān)的常微分方程，最后使用時(shí)間積分方法來求解這一系列離散化的常微分方程，進(jìn)而得到每個(gè)粒子的物理量。由于粒子之間不存在網(wǎng)格關(guān)系，因此它可避免極大變形時(shí)網(wǎng)格扭曲而造成的精度破壞等問題，并且也能較為方便的處理不同介質(zhì)的交界面。SPH法的主要優(yōu)點(diǎn)如下：1、對(duì)流項(xiàng)直接通過粒子的運(yùn)動(dòng)來模擬，完全消除了自由界面上的數(shù)值發(fā)散問題，保證了自由液面追蹤的清晰準(zhǔn)確;2、完全不需要網(wǎng)格，不僅免去了生成網(wǎng)格的麻煩，而且SPH是一種純Lagrange算法，能避免Euler描述中的歐拉網(wǎng)格與材料的界面問題，這些優(yōu)點(diǎn)使得SPH法可以方便地模擬具有自由液面的大變形的流體流動(dòng)問題。nanoFluidX是基于SPH方法的流體動(dòng)力學(xué)仿真工具，可用于預(yù)測(cè)在復(fù)雜幾何體中有復(fù)雜機(jī)械運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)中為便于觀察潤(rùn)滑油的攪油形態(tài)以及各需要強(qiáng)制潤(rùn)滑軸承和齒輪等處的潤(rùn)滑情況，后殼體采用透明殼體。變速箱按照設(shè)計(jì)油量加油，分別模擬不同車速下，變速箱不同轉(zhuǎn)速、不同檔位的潤(rùn)滑情況，觀察齒輪、軸承及各強(qiáng)制潤(rùn)滑管路潤(rùn)滑情況。

實(shí)驗(yàn)顯示大部分工況下潤(rùn)滑情況良好，各強(qiáng)制潤(rùn)滑管路油液充足清澈;M工況下潤(rùn)滑油量不足，軸承座油液未充滿，油道內(nèi)充斥大量白色泡沫，出現(xiàn)吸空油現(xiàn)象。如下圖所示：

觀察主油壓有波動(dòng)，油壓升高，分析失效原因認(rèn)為變速箱底部吸濾器吸入混合大量空氣粒子的油液，造成吸油不足;排除法測(cè)定其它工況后，分析此工況與其它工況的差異性，認(rèn)為此現(xiàn)象與位于變速箱油液上部的齒輪反轉(zhuǎn)有關(guān)，但是實(shí)驗(yàn)與理論無法判斷具體與哪個(gè)齒輪相關(guān)，無法獲知潤(rùn)滑油的走向是如何最終到達(dá)底殼吸濾器入口的。

4 仿真分析

4.1 仿真模型搭建及文件配置

將混動(dòng)雙離合變速箱三維數(shù)模導(dǎo)入到SimLab軟件中進(jìn)行前處理。計(jì)算對(duì)象是封閉的流體域，為了確保變速箱殼體的封閉性，殼體部分只提取與內(nèi)部流體接觸的濕表面，將各軸的端面做封閉處理，并截?cái)喔鬏S伸出殼體外的部分;所有的油封和軸承外圈與殼體固定不動(dòng)，軸承內(nèi)圈及滾子一起按照一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，其它齒輪和軸按各自轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。

求解器nanoFluidX中有四種不同的粒子類型，分別為固體壁面粒子WALL，運(yùn)動(dòng)壁面粒子MOVINGWALL、流量監(jiān)測(cè)粒子MASSFLOW和流體粒子FLUID。仿真計(jì)算中變速箱殼體作為一個(gè)密閉的容器，為WALL類型的粒子;不同轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)齒輪和旋轉(zhuǎn)軸，為MOVINGWALL類型的粒子;潤(rùn)滑油和空氣為FLUID類型的粒子。如下圖所示，綠色的為潤(rùn)滑油粒子，淡藍(lán)色為空氣粒子，紅色為殼體及各固定不動(dòng)部件粒子，其它為各旋轉(zhuǎn)部件粒子。粒子間距設(shè)為1.2mm，粒子總數(shù)二千六百萬，其中油粒子約三百萬，空氣粒子約九百六十萬。潤(rùn)滑油及空氣的物性參數(shù)如表1所示。

計(jì)算開啟氣液兩相流模型、表面張力模型和粘滯阻力模型。計(jì)算兩個(gè)工況，即M工況正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)兩種工況。兩種工況油液高度一致，電子泵流量9.75L/min，計(jì)算物理時(shí)間保持一致，保證在整個(gè)仿真過程中，輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)20圈，計(jì)算物理時(shí)間設(shè)為10秒;兩工況的計(jì)算規(guī)模相仿，采用相同的硬件資源，即4塊V100顯卡，每個(gè)工況在2天內(nèi)完成計(jì)算。

4.2 仿真結(jié)果分析

針對(duì)本文的分析目的，對(duì)吸濾器入口部位進(jìn)行了重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，分析結(jié)果見下圖，均為差速器轉(zhuǎn)滿一定圈數(shù)后，同一時(shí)刻、兩種工況的空氣粒子在吸油口的分布;圖片中黃色粒子為空氣粒子，圖中只顯示了空氣粒子，隱藏油液粒子;動(dòng)畫可觀測(cè)到M工況正轉(zhuǎn)時(shí)吸濾器吸口附近存在較少空氣粒子，空氣粒子在吸濾口較遠(yuǎn)的側(cè)邊出現(xiàn)。M工況反轉(zhuǎn)時(shí)空氣粒子幾乎直接沖著吸濾器口而來，吸濾器吸口附近空氣粒子較多，更容易吸入混雜空氣的油液，造成吸空現(xiàn)象（圖4、圖5）。

為了更清晰的了解潤(rùn)滑油是如何到達(dá)吸濾器口的，且主要由哪些齒輪攪動(dòng)帶動(dòng)空氣粒子到達(dá)吸濾器口，我們放置監(jiān)測(cè)器在吸濾器口，直接觀測(cè)到了空氣粒子的一個(gè)走向。見上圖所示，M工況正轉(zhuǎn)時(shí)，空氣粒子在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的帶動(dòng)下，繞過撥叉部件，被固定部件阻擋后，改變方向來到油底殼，此情況下，進(jìn)入吸濾器的空氣粒子較少;M工況反轉(zhuǎn)時(shí)，空氣粒子在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下，遠(yuǎn)離油底殼方向走向，但因?yàn)闅んw內(nèi)凹曲面的阻擋，空氣粒子反彈回來，順著殼體壁面滑向吸濾器口部位，幾乎是直沖著吸濾器口而來，因此，M工況反轉(zhuǎn)進(jìn)入吸濾器的空氣粒子較多。

由以上分析可以看到，仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性，且仿真分析很清晰的解決了空氣粒子從哪里來，要到哪里去的這一問題，找到了問題的根源，為進(jìn)一步的模型優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)和事實(shí)依據(jù)。

5 優(yōu)化方案及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真分析結(jié)果，考慮可加工，可制造，降低成本，可快速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的優(yōu)化方案。在A齒來流方向加擋板，遮擋過濾器口，讓其沿著擋板順著旋轉(zhuǎn)方向延伸出去，不會(huì)流向油底殼部。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示加擋板后M工況反轉(zhuǎn)吸空油現(xiàn)象明顯改善，油壓穩(wěn)定，仿真分析結(jié)果也顯示加擋板后吸濾器口空氣粒子含量明顯降低，仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持了高度的一致性，仿真與實(shí)驗(yàn)同時(shí)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效作用（圖6）。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案可行后，后續(xù)設(shè)計(jì)殼體在相關(guān)部位添加加強(qiáng)筋，最終完成優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

6 結(jié)束語

本文的實(shí)際案例顯示以SPH方法為基礎(chǔ)的nanoFluidX為解決變速箱潤(rùn)滑問題提供了一種行之有效的解決方案，快速有效的解決了本文中所遇到的實(shí)驗(yàn)難以預(yù)測(cè)和解決的實(shí)際工程問題。一直以來，基于變速箱箱潤(rùn)滑系統(tǒng)開發(fā)的CFD應(yīng)用受到集群計(jì)算機(jī)成本和仿真計(jì)算效率的制約，很多時(shí)候只是停留在課題研究階段。而基于SPH和GPU的nanoFluidX給予了我們可行的新方向，讓我們從新審視了CFD在傳動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用，使快速仿真分析實(shí)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)優(yōu)化，解決實(shí)際工程問題成為可能。

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