基于AMESim的變速器齒輪攪油損失仿真分析

張志行　張世宇　韋邦暄　代國軍　江宇孝

摘 要：以某變速器二級(jí)斜齒輪傳動(dòng)系為研究對(duì)象，闡述了齒輪攪油損失理論、齒輪齒面及側(cè)面的對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算過程。利用AMESim軟件進(jìn)行相關(guān)模型搭建，基于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的受力情況、熱量交換情況，在WLTC工況下對(duì)大齒輪在不同浸油深度下的攪油損失進(jìn)行了模擬仿真，得到了攪油損失功率及溫升曲線隨時(shí)間變化的規(guī)律。關(guān)鍵詞：攪油損失;AMESim;熱量交換中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）11-142-03

Abstract：?Taking the secondary helical gear train of a transmission as the research object， the theory of gear oil loss and the calculation process of the convection heat transfer coefficients of the gear tooth surface and the side are explained. Using AMESim software to build relevant models， based on the force and heat exchange conditions of the gear transmission system， under the WLTC operating conditions， the gear oil was simulated under different oil immersion depths. And the law of temperature rise curve with time.Keywords： Oil loss; AMESim; Heat exchangeCLC NO.：?U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）11-142-03

前言

汽車變速器大多采用齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)改變速度或增大扭矩的作用，使整車滿足在不同工況下對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩以及車速的不同要求。在汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中變速器中齒輪傳動(dòng)引起的功率損失占比很大，制約著整車的傳動(dòng)效率。而在飛濺潤滑條件下，齒輪傳動(dòng)的功率損失可分為有載功率損失和無載功率損失。在汽車正常行駛的高速低載工況下，其功率損失主要以包括風(fēng)阻功率損失和攪油功率損失的無載功率損失為主。其中，攪油功率損失占齒輪傳動(dòng)功率損失的30%[1，2]，降低了傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，增加了整車油耗。因此，研究變速器內(nèi)齒輪攪油損失對(duì)提高車輛傳動(dòng)效率、整車燃油經(jīng)濟(jì)性有著重要意義。

1?攪油損失理論分析

齒輪的攪油損失是由齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)克服潤滑油的粘性阻力引起的功率損失。其主要影響因素有齒輪的轉(zhuǎn)速、齒輪的浸油深度、齒輪的幾何參數(shù)、環(huán)境溫度以及潤滑油的性質(zhì)等。齒輪攪油功率損失有理論分析、實(shí)驗(yàn)研究以及數(shù)值仿真三種方法。因潤滑油與變速器內(nèi)空氣形成的二相混合流體的動(dòng)力特性復(fù)雜，直接采用理論分析的方法確定齒輪攪油功率損失十分的困難。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過攪油實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合成經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式從而得到攪油損失功率的計(jì)算模型。

AMESim軟件中根據(jù)Terekhov[3]提出的計(jì)算方法進(jìn)行攪油損失功率確定。Terekhov法綜合考慮了齒輪轉(zhuǎn)速、齒輪浸油深度及潤滑油粘度等因素的影響。將攪油損失分為齒輪側(cè)面的攪油損失與齒輪嚙合面的攪油損失兩部分。其計(jì)算公式如下：

式中：cside為齒側(cè)攪油阻力矩，Nm;cteeth為齒面攪油阻力矩，Nm;ρ為潤滑油的密度Kg/m3;w為齒輪轉(zhuǎn)速，rad/s;?b為齒輪寬度，mm;ht為齒高，mm;Rt為分度圓半徑，mm;Rp為齒輪節(jié)圓半徑，mm。

2?AMESim建模及仿真結(jié)果分析

2.1 二級(jí)斜齒輪傳動(dòng)模型搭建

該模型的搭建主要有五個(gè)部分，分別為二級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)模型的搭建、斜齒輪及軸承受力分析模型的搭建、熱量交換模型的搭建、對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算模型以及車輛運(yùn)行工況模型的搭建。模型中將齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)簡化成4個(gè)斜齒輪節(jié)點(diǎn)、6個(gè)軸承節(jié)點(diǎn)，通過車輛WLTC工況下模擬得到相應(yīng)輸入軸轉(zhuǎn)速，并將斜齒輪與軸承的受力分析予以考慮并輸入各個(gè)節(jié)點(diǎn)。考慮大齒輪的齒面和齒側(cè)攪油損失，小齒輪因其浸入潤滑油的深度較小，只考慮其齒面攪油損失。變速器內(nèi)發(fā)生的熱量交換過程主要有齒輪與潤滑油的熱對(duì)流、齒輪與軸的熱傳導(dǎo)、軸承與潤滑油的熱對(duì)流、軸承與箱體的熱傳導(dǎo)、箱體與外界空氣的熱輻射及箱體與潤滑油的強(qiáng)制對(duì)流過程。其中最重要的參數(shù)為各個(gè)熱交換過程中的對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算。

齒輪端面的對(duì)流換熱可簡化為滾動(dòng)圓盤的對(duì)流傳熱分析。根據(jù)Cardone[4]提出的理論，潤滑油的流動(dòng)狀態(tài)可以分為層流、過渡層流動(dòng)和湍流。在不同的流動(dòng)類型中，對(duì)流換熱系數(shù)h有相應(yīng)的計(jì)算公式：

式中：λf為潤滑油的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）;L為特征長度，在齒輪中為分度圓直徑，m;hm為齒高，m;V為齒輪線速度，m/s。

2.2?主要仿真參數(shù)設(shè)置（表1）

2.3 仿真結(jié)果分析

設(shè)置齒輪的浸油深度分別為14mm、18mm、22mm及26mm。得到齒輪攪油損失及變速器內(nèi)溫升曲線隨時(shí)間的變化如圖4、圖5所示。

從圖4中可以分析出，初期變速器齒輪攪油損失功率較大。主要是由于初始溫度較低，潤滑油粘度較大，齒輪攪動(dòng)油液的阻力較大。隨著齒輪嚙合產(chǎn)生大量熱量，變速器內(nèi)溫度上升，潤滑油粘度下降，攪油損失減小且趨于常值。并且隨著齒輪浸油深度的增加，攪油損失功率也相應(yīng)增加。

從圖5可以分析出，變速器內(nèi)溫度隨著時(shí)間的推進(jìn)而升高，且齒輪浸油深度越大，變速器內(nèi)熱平衡時(shí)溫度越低，潤滑效果越好。

3 結(jié)論

利用AMESim軟件，基于WLTC工況、熱量交換等分析，對(duì)二級(jí)斜齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行攪油損失模擬仿真。分析結(jié)果表明，初期攪油損失較大，隨著時(shí)間的推進(jìn)，變速器內(nèi)溫度升高，攪油損失逐漸減小并趨于定值。齒輪浸油深度越大，攪油損失越大，變速器內(nèi)溫度越低，潤滑效果越好。

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