基于移動(dòng)粒子半隱式方法的油冷電驅(qū)系統(tǒng)潤滑特性分析

王鑫 王濤 趙晨

（深藍(lán)汽車科技有限公司，重慶 400020）

主題詞：油冷電驅(qū)系統(tǒng) 潤滑特性 移動(dòng)粒子半隱式方法 強(qiáng)制潤滑 吸空特性

1 前言

油冷電驅(qū)系統(tǒng)是適應(yīng)高轉(zhuǎn)速、高扭矩及高輸出功率需求的高效電驅(qū)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)油路在減速器和電機(jī)間的貫通，將潤滑、冷卻、散熱強(qiáng)耦合。相比水冷電驅(qū)系統(tǒng)，其具有能量密度高、體積小、集成度高、高功率適應(yīng)性廣、散熱性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已成為新能源汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-4]。

但油冷電驅(qū)系統(tǒng)因油路在電機(jī)和減速器間循環(huán)貫通，油路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和難度提升[5-9]，帶來了電驅(qū)系統(tǒng)潤滑特性的新問題[10-13]，即低轉(zhuǎn)速下飛濺潤滑失效、極端行車工況下油泵吸空、潤滑效果與嚙合效率難以平衡。其中，電驅(qū)系統(tǒng)極端姿態(tài)條件下的油泵吸空問題最為突出。

目前，針對(duì)油冷電驅(qū)集成系統(tǒng)潤滑特性鮮有研究。本文采用移動(dòng)粒子半隱式（Moving Particle Semi-implicit，MPS）[14-17]方法進(jìn)行油冷電驅(qū)系統(tǒng)潤滑特性分析，同時(shí)對(duì)耦合電機(jī)及減速器的綜合油路強(qiáng)制潤滑和飛濺潤滑的聯(lián)合潤滑特性進(jìn)行分析，以期為油冷電驅(qū)系統(tǒng)的減速器潤滑特性研究與分析提供參考。

2 油冷電驅(qū)系統(tǒng)減速器潤滑分析理論

2.1 移動(dòng)粒子半隱式法

MPS 方法是一種求解不可壓縮流體流動(dòng)的半隱式非網(wǎng)格粒子數(shù)值方法，以追蹤粒子軌跡的拉格朗日算法為基礎(chǔ)，在求解區(qū)域內(nèi)部和邊界上生成高度離散的粒子，采用粒子的運(yùn)動(dòng)描述流體微團(tuán)的宏觀運(yùn)動(dòng)，求解各粒子間的相互作用關(guān)系方程和離散基本流動(dòng)方程。

運(yùn)動(dòng)流體粒子在拉格朗日坐標(biāo)系統(tǒng)下的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量連續(xù)性方程和動(dòng)量納維-斯托克斯（Navier-Stokes，N-S）方程[7]分別為：

式中，ρ為密度；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間；P為流體壓力；g為重力加速度；φ為表面張力；U為運(yùn)動(dòng)速度；μ為運(yùn)動(dòng)粘度；f為作用在流體粒子上的外力矢量。

將控制方程離散化，采用加權(quán)核函數(shù)計(jì)算流體粒子間的相互作用[14]：

式中，r為流體粒子間的距離；r0為粒子間相互作用半徑。

式（3）表明，流體粒子僅與其半徑范圍內(nèi)的粒子發(fā)生相互作用。

以核函數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行粒子特性分析，流體粒子數(shù)密度模型、梯度矢量模型及拉普拉斯模型[14-15]分別為：

式中，d為求解區(qū)域內(nèi)流體的空間維度；n0為流體粒子數(shù)密度常數(shù)；φj、φi分別為相鄰兩流體粒子j、i的物理參數(shù)標(biāo)量值；λ為參數(shù)修正系數(shù)；rj、ri分別為相鄰兩粒子j、i的作用半徑。

MPS方法描述的最小物理特征為流體粒子，相比傳統(tǒng)基于網(wǎng)格特征的流體體積（Volume of Fluid，VOF）法等計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）求解算法，具有較強(qiáng)的魯棒性、靈活性和極強(qiáng)的邊界適應(yīng)能力。同時(shí)，因無需有限體積網(wǎng)格解析，能夠在復(fù)雜流動(dòng)中避免出現(xiàn)網(wǎng)格邊界畸變和扭曲，解決網(wǎng)格重構(gòu)過程中導(dǎo)致的非物理意義上的誤差及精度問題。

2.2 移動(dòng)粒子半隱式法湍流描述

油冷電驅(qū)系統(tǒng)減速器內(nèi)部潤滑方式為飛濺潤滑與強(qiáng)制潤滑相結(jié)合，強(qiáng)制潤滑采用噴油方式，飛濺潤滑的主要特征是攪動(dòng)，從齒面、軸承角度分析，因結(jié)構(gòu)特征尺寸分布廣泛且復(fù)雜，內(nèi)部流體粒子有較大的應(yīng)變率，潤滑油的主要運(yùn)動(dòng)特征為湍流，采用k-ε雙方程對(duì)N-S方程[14]進(jìn)行細(xì)化描述：

式中，k湍流動(dòng)能；ε為湍流耗散率；ui為粒子i的速度分量；xi、xj為位移標(biāo)量；μeff為k-ε的湍流粘度修正項(xiàng)；Gk為速度梯度引起的湍動(dòng)能；為C1ε的修正項(xiàng)；Cμ、C1ε、C2ε、αk、αε為湍流模型常數(shù)。

3 油冷電驅(qū)系統(tǒng)分析模型及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 油冷電驅(qū)系統(tǒng)潤滑油路

本文的研究對(duì)象為某搭載于某純電動(dòng)車型的油冷電驅(qū)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括電機(jī)（轉(zhuǎn)子、繞組、定子、殼體等）、減速器（殼體、輸入軸齒輪及軸承、中間軸齒輪及軸承、輸出軸齒輪及差速器軸承等）、電機(jī)控制器及油冷附件系統(tǒng)（油泵和濾清器、油冷器）4個(gè)部分。潤滑油依次在油泵、濾清器、減速器、油冷器、電機(jī)、回油腔室內(nèi)動(dòng)態(tài)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)冷卻與減速器潤滑耦合。在電機(jī)內(nèi)部，潤滑油從殼體集油槽直接噴射到繞組上，冷卻后回到下部集油腔室，集油腔室貫穿減速器及電機(jī)底部，實(shí)現(xiàn)油路聯(lián)通，在減速器內(nèi)部，潤滑油經(jīng)油泵吸入加壓后，一部分對(duì)減速器各齒輪及軸承進(jìn)行強(qiáng)制噴油潤滑，另一部分進(jìn)入電機(jī)定子與殼體的腔室和電機(jī)主軸，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，主軸上的噴油孔將轉(zhuǎn)子中的油甩出，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子和繞組內(nèi)部冷卻，同時(shí)，減速器齒輪攪動(dòng)齒輪池中的潤滑油進(jìn)行飛濺潤滑，整個(gè)過程相互影響。具體油路如圖1所示。

圖1 油冷電驅(qū)系統(tǒng)油路

3.2 油冷電驅(qū)系統(tǒng)潤滑分析模型

考慮油路流動(dòng)特性，對(duì)潤滑系統(tǒng)進(jìn)行簡化和模型分區(qū)處理，同時(shí)考慮飛濺潤滑及強(qiáng)制潤滑，處理后的分析模型包括電機(jī)及內(nèi)部部件和減速器及內(nèi)部部件，油泵吸油采用MPS吸油噴油等效模型，如圖2所示。

圖2 電驅(qū)系統(tǒng)整體模型

3.3 分析參數(shù)及考核工況

油冷電驅(qū)系統(tǒng)減速器潤滑與水冷電驅(qū)系統(tǒng)減速器潤滑的最大區(qū)別為油路貫通和變間接接觸為直接接觸，以及油路內(nèi)部的通路尺寸較小。因此，在進(jìn)行潤滑特性分析時(shí)，需要設(shè)置較小的流體粒子尺寸（小于1 mm），同時(shí)設(shè)置強(qiáng)制潤滑分析的泵流量（基礎(chǔ)流量2.0 L）。油品參數(shù)如表1所示。

表1 不同溫度下油品參數(shù)

根據(jù)整車運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行電驅(qū)系統(tǒng)模型姿態(tài)調(diào)整，同時(shí)考慮試驗(yàn)驗(yàn)證工況特征，選取相對(duì)惡劣的工況條件對(duì)潤滑工況進(jìn)行分類，包括水平前進(jìn)擋工況、上坡前進(jìn)擋工況、下坡前進(jìn)擋工況、左傾前進(jìn)擋工況和右傾前進(jìn)擋工況，如表2所示。

表2 分析工況

3.4 油冷電驅(qū)系統(tǒng)試驗(yàn)及分析模型驗(yàn)證

為對(duì)油冷電驅(qū)系統(tǒng)潤滑特性進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)行減速器潤滑性能評(píng)價(jià)，制作透明殼體開展驗(yàn)證試驗(yàn)。通過觀察潤滑油的攪油形態(tài)和嚙合齒輪、各軸承等潤滑部位及在各工況下的潤滑程度，對(duì)潤滑系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

試驗(yàn)液面與分析模型仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以得出，分析模型與試驗(yàn)液面在同一工況下具有一致性，基于MPS 方法的分析結(jié)果能夠真實(shí)反映實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，具有較高的分析精度。

圖3 傾角30°條件下電驅(qū)系統(tǒng)潤滑特性驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)果及分析

4.1 轉(zhuǎn)速對(duì)飛濺潤滑的影響特性

不同轉(zhuǎn)速條件下水平前進(jìn)擋飛濺潤滑分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同轉(zhuǎn)速條件下電驅(qū)系統(tǒng)水平飛濺潤滑特性仿真結(jié)果

圖5 不同轉(zhuǎn)速條件下部件飛濺潤滑流量特性仿真結(jié)果

從圖4中可以看出，低轉(zhuǎn)速（900 r/min）條件下，減速器潤滑特性較差，高轉(zhuǎn)速（9 000 r/min）條件下，潤滑特性較好，輸入軸、中間軸和輸出軸的軸承、一二級(jí)齒輪副、差速器均分布有充裕的油粒子。從圖5中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速從900 r/min 提高到9 000 r/min，輸入軸、中間軸和輸出軸油量均呈現(xiàn)逐漸增加的態(tài)勢(shì)，其中輸入軸流量從5 mL/min增加到170 mL/min，中間軸流量從6 mL/min增加到230 mL/min，輸出軸流量從8 mL/min 增加到190 mL/min。電驅(qū)系統(tǒng)飛濺潤滑的主要特性為低速條件下流量小、潤滑不良，高速條件下流量大、潤滑良好。主要原因在于高轉(zhuǎn)速齒輪對(duì)油粒子的攪動(dòng)更為充分，能夠提升粒子運(yùn)動(dòng)的湍流性，而在低轉(zhuǎn)速條件下，這種潤滑機(jī)理便無法滿足潤滑需求。因此，對(duì)于油冷電驅(qū)系統(tǒng)，飛濺潤滑無法滿足低轉(zhuǎn)速下的潤滑需求，需要加入強(qiáng)制潤滑。

4.2 上、下坡姿態(tài)對(duì)飛濺潤滑的影響特性

電驅(qū)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)一定的傾角，而油冷電驅(qū)系統(tǒng)在大傾角姿態(tài)下表現(xiàn)出與非油冷電驅(qū)系統(tǒng)潤滑特性的較大差異。為評(píng)估油冷電驅(qū)系統(tǒng)大角度姿態(tài)運(yùn)行時(shí)的潤滑特性，對(duì)行車過程中可能出現(xiàn)的上、下坡潤滑特性進(jìn)行評(píng)估，分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 900 r/min轉(zhuǎn)速下不同坡度條件飛濺潤滑特性仿真結(jié)果

圖7 不同上、下坡傾角條件下中間軸飛濺潤滑流量特性仿真結(jié)果

從圖6 中可以看出，上、下坡條件下電驅(qū)系統(tǒng)表現(xiàn)出不同的潤滑特性，上坡工況下各部件表面基本無油粒子存在，而下坡工況下部件表面存在一定的油粒子分布；從圖7 中可以看出，針對(duì)中間軸，隨著傾角的不斷增大，上坡工況的流量呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)（流量從11 mL/min 降低到接近0 mL/min），下坡工況趨勢(shì)相反（流量從12 mL/min增加到38 mL/min左右）。31°上坡條件下，因電機(jī)腔體與減速器腔體連通，整體液面無法與齒輪面接觸而導(dǎo)致攪動(dòng)潤滑失效，齒輪、軸承等部件表面無油粒子存在；31°下坡條件下，齒輪與油面接觸較深，但因轉(zhuǎn)速較低，無法有效實(shí)現(xiàn)油粒子飛濺，潤滑效果較差；從31°下坡條件下的液面位置可以看出，油泵吸油口高于液面，導(dǎo)致油泵吸空造成強(qiáng)制潤滑和電機(jī)冷卻失效，給減速器潤滑和電機(jī)運(yùn)行帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。因此，上坡工況下主要不良特性為部件潤滑不良，下坡工況下不良特性主要為油泵吸空。

4.3 左、右傾姿態(tài)對(duì)飛濺潤滑特性的影響

針對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的左、右傾姿態(tài)，對(duì)油冷電驅(qū)系統(tǒng)左、右傾20°條件下的飛濺潤滑特性進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖9 不同側(cè)傾角條件下中間軸飛濺潤滑流量特性仿真結(jié)果

從圖8中可以看出：左傾20°時(shí)，油粒子完全進(jìn)入電機(jī)腔體側(cè)，減速器齒輪無法與液面接觸導(dǎo)致潤滑失效，同時(shí)，吸油口露出液面外而導(dǎo)致油泵吸空；右傾20°時(shí)，飛濺潤滑表現(xiàn)出一定的潤滑效果，但因轉(zhuǎn)速較低（900 r/min），攪油效果存在一定折扣，輸入軸軸承仍存在潤滑不良問題。同時(shí)，從圖9 中可以看出，左、右傾工況下飛濺潤滑油量表現(xiàn)相反，隨著傾角增大，左傾工況下油量從15 mL/min 逐漸下降到接近0 mL/min，右傾工況下油量從12 mL/min逐漸增加到50 mL/min。因此，左傾工況下表現(xiàn)為無潤滑效果和吸油口吸空的不良特性，右傾工況下表現(xiàn)為低速攪油效果差的不良特性。

4.4 強(qiáng)制潤滑分析

根據(jù)4.1 節(jié)～4.3 節(jié)的分析結(jié)果，油冷電驅(qū)油路系統(tǒng)因減速器與電機(jī)回油腔體聯(lián)通，在大角度上、下坡和左、右傾工況下運(yùn)行時(shí)，飛濺潤滑失效問題在低轉(zhuǎn)速下較為明顯。而強(qiáng)制潤滑可以實(shí)現(xiàn)與電驅(qū)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速無關(guān)的潤滑特性，因此，油冷電驅(qū)的潤滑需要在潤滑機(jī)理上遵循強(qiáng)制潤滑為主、飛濺潤滑為輔的設(shè)計(jì)理念，以適應(yīng)任何轉(zhuǎn)速工況（特別是低轉(zhuǎn)速）條件的場景需求。

對(duì)加入強(qiáng)制潤滑的油冷電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10～12所示。

圖10 油冷電驅(qū)系統(tǒng)強(qiáng)制潤滑特性仿真結(jié)果

從圖10 中可以看出，電驅(qū)系統(tǒng)整體油路循環(huán)在減速器和電機(jī)之間，在減速器所需的潤滑點(diǎn)上設(shè)計(jì)專門的導(dǎo)油噴口，對(duì)每個(gè)減速器潤滑點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)制噴油，解決了電驅(qū)系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速下齒輪與油液面飛濺潤滑效果差的問題。從圖11 中可以看出，每個(gè)油泵流量點(diǎn)都可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入軸、中間軸和輸出軸的潤滑效果，而且可以根據(jù)潤滑點(diǎn)進(jìn)行專門的流量設(shè)計(jì)，使每個(gè)潤滑點(diǎn)呈現(xiàn)出一定的潤滑油量梯度，如油泵流量為4 L/min 時(shí)，輸入軸、中間軸、輸出軸和電機(jī)的流量分別為0.16 L/min、0.14 L/min、0.12 L/min和3.58 L/min。

圖11 不同油泵流量下部件強(qiáng)制潤滑流量特性

從圖12中可以看出，輸入軸、中間軸和輸出軸的流量比例呈現(xiàn)的態(tài)勢(shì)較為良好，其中泵流量為4 L/min時(shí)，各軸占比分別為4.0%、3.5%和3.0%。

圖12 不同油泵流量下部件強(qiáng)制潤滑流量占比

因此，對(duì)于油冷電機(jī)，加入強(qiáng)制潤滑后，不僅可以解耦潤滑特性依賴于電驅(qū)轉(zhuǎn)速的問題，同時(shí)可以綜合考慮電驅(qū)系統(tǒng)中電機(jī)和減速器的流量需求和比例，提升整體的設(shè)計(jì)整合度。

4.5 吸空及油量分析

由4.4 節(jié)的分析結(jié)果可知，強(qiáng)制潤滑是解決油冷電驅(qū)系統(tǒng)低速水平和極端運(yùn)行姿態(tài)下不良潤滑特性的有效手段。同時(shí)，從4.1節(jié)～4.3節(jié)的分析中亦可看出，車輛在下坡及左傾運(yùn)行狀態(tài)下，潤滑油在電機(jī)腔體間游動(dòng)及倒灌現(xiàn)象將導(dǎo)致油泵吸油口吸空或部分吸空，從而產(chǎn)生2 個(gè)方面的問題：電驅(qū)系統(tǒng)油路中斷，電機(jī)無法正常進(jìn)油而使冷卻失效，給后期電機(jī)溫升評(píng)估帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)；減速器強(qiáng)制潤滑失效，在低轉(zhuǎn)速水平工況及極端姿態(tài)運(yùn)行工況下無法滿足軸承及差速器的潤滑需求，惡化減速器軸承潤滑特性，長期運(yùn)行將導(dǎo)致磨損和燒蝕損壞。

針對(duì)油泵吸空導(dǎo)致的強(qiáng)制潤滑失效問題，本文在保持電驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變的前提下對(duì)吸油口的油量進(jìn)行分析，以改善下坡工況和左傾極端姿態(tài)下的吸空特性，具體分析結(jié)果如圖13 所示。同時(shí)，考慮到油量增加將會(huì)導(dǎo)致油冷電驅(qū)系統(tǒng)攪油損失的增加，對(duì)不同油量下的減速器效率進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖14所示。

圖13 油量2.1 L時(shí)下坡和左傾極端姿態(tài)下潤滑特性仿真結(jié)果

圖14 不同油量下電驅(qū)效率特性

從圖13 中可以看出，油量從2.0 L 增加到2.1 L 后，下坡31°和左傾20°工況下，油泵吸油口均處于油液液面以下，采用4.4節(jié)的強(qiáng)制潤滑機(jī)理能夠避免極端姿態(tài)下的吸空現(xiàn)象。

圖14所示為不同油量下電驅(qū)系統(tǒng)效率特性分析結(jié)果，從圖14 中可以看出，隨著油量的增加，電驅(qū)系統(tǒng)效率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要原因在于油量增加導(dǎo)致攪油損失增加。因此，解決電驅(qū)極端姿態(tài)下強(qiáng)制潤滑吸空問題需要綜合考慮電驅(qū)效率的下降。

5 結(jié)束語

本文采用MPS 方法針對(duì)油冷電驅(qū)系統(tǒng)建立了三維流體分析模型，開展油路強(qiáng)耦合的油冷電驅(qū)潤滑特性研究，分析水平姿態(tài)和實(shí)車極端姿態(tài)下飛濺潤滑特性及強(qiáng)制潤滑的有效性和相應(yīng)的油泵吸空風(fēng)險(xiǎn)，得到以下結(jié)論：

a.單純飛濺潤滑難以消除實(shí)車各工況下的潤滑風(fēng)險(xiǎn)，加入強(qiáng)制噴油可從根本上改變潤滑機(jī)制，適應(yīng)極端工況下的潤滑需求。

b.對(duì)于油冷電機(jī)，強(qiáng)制潤滑不僅可解耦潤滑特性依賴電驅(qū)轉(zhuǎn)速的問題，還可綜合考慮電機(jī)和減速器的流量需求和比例改善潤滑特性。同時(shí)，強(qiáng)制潤滑機(jī)制可擴(kuò)展到所有電驅(qū)動(dòng)部件潤滑風(fēng)險(xiǎn)改善設(shè)計(jì)。

c.電驅(qū)系統(tǒng)引入強(qiáng)制潤滑機(jī)制后可能存在油泵吸空現(xiàn)象，特別是大角度姿態(tài)下吸空現(xiàn)象較為明顯。為解決吸空問題，需在考慮電驅(qū)效率下降的前提下適當(dāng)增加注油量，同時(shí)，也可在保持注油量不變的基礎(chǔ)上改善油口位置和油口結(jié)構(gòu)形式。

后續(xù)將在結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)上分析潤滑存在的潛在改善措施，同時(shí)分析不同結(jié)構(gòu)下的油冷電驅(qū)系統(tǒng)油路特性。