基于CFD的重卡變速器潤滑影響因素分析

摘要：文章對多檔位的重卡變速器進行簡化，利用當前CFD領(lǐng)域中最為普遍的動網(wǎng)格方法模擬了不同檔位、不同橫向傾角、不同溫度下殼體內(nèi)部潤滑油的分布狀況，得到了各工況下重卡變速器內(nèi)部潤滑油的運動特性和規(guī)律：對比了3個檔位對應(yīng)主動齒輪轉(zhuǎn)速分別為1600r/min、1900r/min、2200r/min下的嚙合齒輪潤滑狀況，結(jié)果表明在低轉(zhuǎn)速低檔位工況下，齒輪嚙合區(qū)潤滑頻率低，但是齒輪表面油液比例高;對比了橫向傾角在-20°、0°和20°3個工況下的嚙合齒輪潤滑狀況，結(jié)果表明當橫向傾角為20°時，由于從動齒輪浸油深度大，齒輪嚙合區(qū)更容易得到潤滑油;對比了潤滑油溫度在95℃和105℃2個工況下嚙合齒輪的潤滑狀況，結(jié)果表明高溫下潤滑油更稀疏，更容易被飛濺起來;同時研究了不同齒數(shù)對變速器內(nèi)部流場特性的影響，結(jié)果表明：潤滑油在變速器內(nèi)部的流動特性隨著齒輪級數(shù)增加而存在差異。文章結(jié)論為重卡變速器潤滑系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：重卡變速器;CFD;運動特性;設(shè)計開發(fā)

中圖分類號：U463.212

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）08-0142-06

Analysis of the factors affecting the Lubrication of HeavyTruck Transmission Based on CFD

SUN Feng

（School of Mechanical and Control Engineering， Shengli College China University of Petroleum，Dongying Shandong 257061.China）

Abstract： The paper simplifies the multi-gear heavy truck transmission， using the most common dynamic gridmethod in the current CFD field to simulate the distribution of lubncating oil inside the casing at different gears，different lateral inclination angles， and different temperatures， the movement characteristics and the law of intemallubricating oil of heavy truck transmission under different working conditions were compared： the lubricating condi-tions of the meshed gears at the gear speeds of 1600r/min， 1900r/min， and 2200r/min corresponding to the threegears are compared， the results showed that at low speed and low position condition， the gear meshing zone lubrica-tion frequency is low， but a high proportion of gear surface oil; comparing the lubricating condition of meshinggears under the three operating conditions of lateral inclination angle of-20°，0°and 20°，the results show thatwhen the horizontal angle is 20°， due to the large oil immersion depth of the driven gear， the gear meshing zone iseasier to obtain lubricating oil; lubricating conditions of the meshed gears under the two operating conditions of lu-bricating oil temperature of 95℃ and 105℃ are compared， the result shows that the lubricant oil is more sparse andmore likely to he splashed at high temperature; at the same time. the influence of different number of teeth. the in-temal flow field of the transmission characteristics of the results show that the flow characteristics of lubricating oilin the intemal gear transmission with series increasing differences. The conclusion of this paper prcvides a certainreference for the design and development of the lubrication system of the heavy truck transmission.

Key words ： heavv truck transmission; CFD; motion characteristics; design and development

0引言

車輛行駛性能的好壞，往往取決于汽車的發(fā)動機、變速箱和底盤。在乘用車中還在追求這3大件性能優(yōu)越的同時，還追求時尚運動的造型。而對于重型卡車而言，只能追求性能，而無法兼得優(yōu)美的造型。變速器作為汽車傳動的核心部件，其傳動效率直接決定了整車的操縱性、動力性和舒適性等性能。而齒輪作為變速器中傳遞動力和扭矩的元件，工作過程中齒輪間的相互摩擦勢必會散發(fā)出大量的熱，這些熱量如果長時間積累得不到散發(fā)的話，可能會惡化變速器的潤滑效果、降低齒輪的傳動效率甚至引起齒輪的磨損和燒蝕。有的用于航空的特殊變速器潤滑也是油氣兩相流運動[1]，還采用噴射潤滑以提高齒輪潤滑的效率，根絕噴射角度等參數(shù)尋求最佳噴射位置[2]。

重型卡車變速器軸系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、齒輪檔位多，如圖1所示。其內(nèi)部的各個檔位齒輪更是工作在高負荷、大扭矩等惡劣工況下，如果潤滑不足將可能引起齒輪高溫失效、變速器漏油等故障，嚴重者甚至因為齒輪傳動失效而引發(fā)交通事故。因此，對重型卡車變速器內(nèi)流場進行模擬具有很強的現(xiàn)實意義。但變速器內(nèi)流場除了潤滑油外，還存在空氣，在流場運動過程中潤滑油和空氣狀態(tài)處于一個瞬時變化的過程，可以涉及流體力學(xué)、空氣動力學(xué)和傳熱學(xué)等多學(xué)科，是一個相當復(fù)雜的課題。重型卡車變速器內(nèi)部潤滑油的流動特性承擔著減少齒輪嚙合摩擦和帶走殼體內(nèi)部熱量的關(guān)鍵角色，這對重型卡車變速器開發(fā)工程師們的開發(fā)工作提出了更高的要求。文章對重卡變速器內(nèi)部油液流動特性的影響進行研究，對于HW系列重型卡車變速器的開發(fā)工作有著重要的意義。

1重卡變速器CFD模型簡化

為了節(jié)省研發(fā)周期[3]，文章尚未直接對圖1中的整個大型重卡變速器進行研究，而是參考國內(nèi)外學(xué)者的研究思路，將重卡變速器內(nèi)流場簡化為單級齒輪潤滑模型[4]，如圖2所示，以圖中的簡化模型為研究對象展開對變速器內(nèi)部油液流動特性影響因素分析。圖2中2齒輪模數(shù)均為6，齒輪A和B的齒數(shù)分別為36和25，齒輪A位于輸入軸上，屬于主動齒輪。齒輪B位于輸出軸，CFD模型內(nèi)部的流體包含油液和空氣兩相介質(zhì)。其中油液為重卡變速器常用的重負荷齒輪油85W/90GL-5，其運動粘度值為14mm2/s～24mm2/s左右。流體網(wǎng)格在ANSYS ICEM軟件中采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格一律采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，參考圖3中的齒輪網(wǎng)格分布。網(wǎng)格尺寸在0.5-3mm范圍內(nèi)，對于齒輪嚙合區(qū)等部位進行網(wǎng)格細化，面網(wǎng)格數(shù)量223652，體網(wǎng)格數(shù)量為4961537。

2CFD控制方程

重卡變速器內(nèi)部流體流動特性與其他流體一樣，運動過程中主要遵循質(zhì)量、動量和能量三大守恒。相應(yīng)的控制方程如下：

1）連續(xù)性方程

式中，p為流體的密度，單位是kg/m3;t為時間，單位是s;u、v和w分別為速度矢量u在3個直角坐標系上的分量，單位為m/s。重卡變速器箱體內(nèi)部齒輪潤滑是包含潤滑油和空氣的的兩相流運動，其中潤滑油是不可壓縮流體，而空氣是可壓縮流體，二者運動均遵循連續(xù)性方程。

2）動量守恒方程

式中，p為單位流體體積壓力;τxx、τxy和τxz等是單位流體體積上的粘性應(yīng)力分量;f是作用在單位質(zhì)量微元體上的體積力;fx、fy和fz是其在x、y、z三個方向上的分量。

3）能量守恒方程

式中，cp為比熱容，單位為J/（kg·K）;T是溫度，單位是K;k是流體的傳熱系數(shù);ST是流體的內(nèi)熱源以及在流體粘性的作用下流體的機械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分，也即粘性耗散項[5]。

上述3個守恒方程其實就是計算流體力學(xué)中經(jīng)典的Navier-Stokes方程，下文簡稱NS方程。在模擬重卡變速器內(nèi)部潤滑油運動特性過程中，潤滑油和空氣的運動雖然復(fù)雜多變，但是遵循上述質(zhì)量、能量和動量守恒定律[6]。因此在對重卡變速器內(nèi)部潤滑油的流動特性進行數(shù)值模擬過程中，各個流體參數(shù)的求解均是通過NS方程求解。

3邊界施加和求解算法

作為目前計算流體力學(xué)領(lǐng)域最為流行的軟件之一，F(xiàn)luent軟件中的動網(wǎng)格技術(shù)已經(jīng)被研究人員廣泛運用于工程實際中。江帆等人運用動網(wǎng)格技術(shù)研究了離心泵的內(nèi)流場特性[7]，黃思等人基于動網(wǎng)格技術(shù)模擬了轉(zhuǎn)子式壓縮機內(nèi)部瞬態(tài)流場[8]，董春峰還將動網(wǎng)格技術(shù)運用到齒輪箱的油液和流速分析中[9]，最近幾年林銀輝[10]、陳黎卿[11]等人也成功將動網(wǎng)格技術(shù)運用于研究變速器的內(nèi)流場分析中。在國外，MiadYazdani等學(xué)者先后在2014年運用動網(wǎng)格方法研究齒輪的噴射潤滑，并結(jié)合熱分析對齒輪的熱流進行了詳細的研究[12]，然后在2015年有用棱柱一四面體網(wǎng)格方法對齒輪熱流運動進行了分析，獲得了更高精度的結(jié)果[13]。V.Chemorav等學(xué)者還利用試驗研究結(jié)合CFD的研究方法研究了齒輪飛濺潤滑過程中油滴和氣泡的運動狀況[14]。文中重卡變速器的旋轉(zhuǎn)運動也借助于網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)。齒輪旋轉(zhuǎn)運動通過UDF用戶白定義函數(shù)控制，具體命令如下：

DEFINE_CG_MOTION（driver，dt，vel，omega，time，dtime）

{

NV_S（vel，=，0.0）;

NV_S（omega，=，0.0）;

omega[2]=167.6;

if （！Data_Valid_P（））

retum;

}

重卡變速器工作過程中，其內(nèi)部除了潤滑油外，還存在空氣運動，屬于典型的氣液兩相流運動。Flu-ent中的VOF（volume of fraction體積分數(shù)的意思）模型能夠真實模擬相與相之間的信息傳遞、相互作用，實時跟蹤其運動情況并傳遞相應(yīng)的流體信息。該方法核心思想是在流體空間內(nèi)定義一個整體體積，該體積內(nèi)部包含油液和空氣兩相物質(zhì)。用一個函數(shù)α表示流體體積與整體體積之比，α=1表示該定義的體積內(nèi)部全部充滿流體，而α=0則表示該定義的體積內(nèi)部全部為空氣，而0<α<1時該體積內(nèi)部既包含流體又包含空氣相，兩相之間的相互作用通過相交界面體現(xiàn)出來[15]。

應(yīng)用Fluent中的PISO壓力耦合方程算法求解。為保證運算結(jié)果的精度，時間不長設(shè)置為le-7，同時設(shè)置Double運算，計算過程中動態(tài)觀察各項參數(shù)的變化情況，必要時調(diào)整時間步長和其他參數(shù)，保證運算過程的穩(wěn)定性和收斂性。計算電腦的性能為CPU18核主頻2.9GHz，內(nèi)存32C，以嚙合區(qū)潤滑油的分布穩(wěn)定為1個計算周期，計算1次約7個工作日。

4流動特性影響因素分析

4.1不同檔位下油液流動特性

在一款重卡變速器齒輪箱體中，其前進檔位多達10多個，不同檔位之間齒輪傳動比和轉(zhuǎn)速均不一樣，而不同轉(zhuǎn)速齒輪動量的差異則會影響到變速器內(nèi)部潤滑油的流動特性，進而最終影響到變速器內(nèi)部潤滑油的運動特性。

設(shè)置CFD模型中主動齒輪轉(zhuǎn)速分別為1600r/mm、1900r/min、2200r/min，對這3個檔位下的CFD模型進行計算并對結(jié)果進行對比。為了更明顯的發(fā)現(xiàn)不同檔位工況下潤滑油流動特性的影響，分別從圖4和圖5中齒輪周圍以及齒輪白身表面2個角度進行分析。圖4中，潤滑油均在齒輪的轉(zhuǎn)動下分布在齒輪的外圈，但是隨著轉(zhuǎn)速增加，潤滑油被甩開的跡象更加明顯，尤其是轉(zhuǎn)速在2200r/min時，從動齒輪已經(jīng)將油液甩到了箱體頂部。不難理解，齒輪轉(zhuǎn)速越高，潤滑油從齒輪獲得的動量越大，被甩起的高度也越高;從潤滑油運動路程的長短看，隨著轉(zhuǎn)速增加，潤滑油隨齒輪的運動路程也更長，圖4中1600r/min的中潤滑油距離嚙合區(qū)還有很長一段距離，但是2200r/min的齒輪嚙合區(qū)已經(jīng)開始有潤滑油進入，主要因為轉(zhuǎn)速增加后，單位時間內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)過的角度更大，從而嚙合頻率更大，因此嚙合區(qū)的潤滑頻率也會增加。

不同檔位工況下齒輪表面潤滑油分布對比如圖5。從齒輪表面潤滑油比例分布狀況，可知不同轉(zhuǎn)速下齒輪表面潤滑油分布存在差異，這會引起齒輪嚙合區(qū)潤滑頻率的差別。

4.2不同橫向傾角下油液流動特性

重型卡車工作的路面大多還是路況較差的山路，而我國目前交通道路系統(tǒng)中，山路路況常有坑洼狀態(tài)，卡車在行駛過程中發(fā)生顛簸、側(cè)傾等狀況，此時重型卡車上變速器內(nèi)部的潤滑油液面也會發(fā)生橫向傾斜，產(chǎn)生橫向傾角，橫向傾角的存在主要影響變速器內(nèi)部齒輪的浸油深度，在工作過程中影響潤滑油的運動分布。

圖6是橫向傾角分別為-20°、0°、20°工況下相同時刻齒輪周圍潤滑油運動分布。由于3個工況下主動齒輪和從動齒輪浸油深度的差異，導(dǎo)致潤滑油隨齒輪分布存在差異，尤其體現(xiàn)在從動輪周圍，在-20°工況下從動輪浸油深度最小，潤滑油在該時刻運動到其頂端，0°工況下則運動到左上角，卻并未進入嚙合區(qū)。20°工況下，潤滑油已經(jīng)被小齒輪帶入到嚙合區(qū)。因此不同的橫向傾角，也會影響潤滑油在齒輪周圍的分布，進而影響潤滑油在嚙合區(qū)的分布狀況。

4.3不同溫度下油液流動特性

重卡變速器工作負荷大、工作時間長，潤滑油的工作溫度經(jīng)常在100℃以上。車輛載重、檔位切換以及外界環(huán)境溫度等均會影響到齒輪受力、軸承發(fā)熱量等，而潤滑油時刻與這些產(chǎn)熱部位接觸，其粘度值將會隨著這些部位溫度變化而變化。根據(jù)重負荷齒輪油85W/90GL-5的粘度和溫度變化關(guān)系，分別設(shè)置溫度為95℃和105℃下潤滑油的運動粘度值為20mm2/s和14mm2/s進行仿真。潤滑油在殼體內(nèi)部的流動分布狀況如圖7所示。2個不同粘度值下潤滑油分布狀況大體類似，但是如果以潤滑油分布面積作為攪油量的衡量指標，則根據(jù)圖中標記部位的對比可知，粘度值增加（對應(yīng)溫度降低），攪油量將會有所增加。因為粘度值高的潤滑油粘稠性更強，被齒輪攪起的量也會有所增加。而粘度值低的潤滑油則具有更強的稀疏特性，被齒輪攪起的難度會有所增加。

4.4齒輪數(shù)量變化后油液流動特性

重卡變速器內(nèi)部軸系結(jié)構(gòu)復(fù)雜是其一大特性，因此除了運用單級齒輪研究潤滑油運動特性的影響因素外，也有必要對比單級齒輪和兩級齒輪之間潤滑油流動特性的差異，從而保證在重卡變速器設(shè)計開發(fā)階段能夠更加系統(tǒng)的布置齒輪軸系結(jié)構(gòu)。

圖8和圖9分別是單級齒輪和兩級齒輪周圍的潤滑油分布情況。結(jié)果表明：2個齒輪模型中2個齒輪均浸沒在潤滑油中，潤滑油能夠隨著2個齒輪運動一起往嚙合區(qū)方向運動。對于嚙合區(qū)而言，其潤滑油的來源除了與齒輪運動有關(guān)外，還與箱體壁面的導(dǎo)油效果有關(guān);3個齒輪模型中只有右側(cè)2個齒輪又浸油深度，左側(cè)齒輪則懸置在空氣中，但是與該齒輪嚙合的中間齒輪能夠?qū)櫥蛿嚻鸱植荚趪Ш蠀^(qū)，該位置的潤滑油分布主要源于中間齒輪的攪油效果，與箱體壁面的導(dǎo)油關(guān)系不大。而右側(cè)2個齒輪嚙合區(qū)潤滑油的分布狀況，與圖8中的潤滑油分布類似。因此，隨著齒輪個數(shù)增加，箱體在橫向（垂直于中間軸的方向）的尺寸也隨之增加，潤滑油在箱體內(nèi)部的運動狀況和分布與齒輪數(shù)量和分布也有一定的關(guān)系。

5結(jié)語

1）通過對重卡變速器內(nèi)部流場進行簡化，獲得了研究其內(nèi)部潤滑油流動特性影響因素分析的單級齒輪模型，同時說明了變速器內(nèi)部潤滑油和空氣的兩相流運動遵循質(zhì)量、能量和動量守恒。

2）運用fluent軟件中的動網(wǎng)格技術(shù)和VOF模型進行了重卡變速器潤滑油運動特性的影響因素分析。結(jié)果表明：齒輪轉(zhuǎn)速增加，單位時間內(nèi)潤滑油運動路程增加，嚙合區(qū)的潤滑頻率也會增加;不同橫向傾角將會影響到變速器內(nèi)部齒輪的浸油深度，進而影響到潤滑油運動到嚙合區(qū)的時間;溫度增加，潤滑油的運動粘度值降低，潤滑油具有更明顯的稀疏特性，從而引起齒輪的攪油量有所減少;齒輪個增加后，不具備浸油深度的齒輪也會在其他具有浸油深度齒輪的攪油作用下獲得潤滑油。

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收稿日期：2020-03-04

作者簡介：孫鳳（1984-），女，漢族，山東淄博人，碩士學(xué)位，講師，研究方向：機械制造、設(shè)備管理與質(zhì)量控制。

基金項目：《互換性與測量技術(shù)》在線課程建設(shè)（編號：XJKC201801）