新能源商用車減速器齒輪潤滑研究

摘要：在新能源商用車減速器中，潤滑油起著非常重要的作用，其性能參數(shù)、加注量、溫度、齒輪的轉(zhuǎn)速、形狀及載荷情況，都直接影響著減速器性能和使用壽命。從潤滑油的選用、黏度及加注量的影響，以及齒輪在不同轉(zhuǎn)速下的潤滑狀況，進行了詳細的分析計算，最終確定了潤滑油對減速器效率及壽命的影響，并針對某商用車減速器齒輪的潤滑情況，通過透明殼體試驗進行了驗證，驗證了分析的準確性及可靠性。

關(guān)鍵詞：減速器；潤滑油；效率

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2024-03-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.030

1 前言

減速器是汽車傳遞動力的關(guān)鍵一環(huán)，其效率與可靠性是設(shè)計和開發(fā)時需要著重考慮的內(nèi)容。在新能源汽車快速發(fā)展中，提高新能源汽車減速器的效率和可靠性無疑能給廠家?guī)砹己玫目诒安诲e的銷量。對于新能源商用車來說，提升減速器的效率，意味著能減少能耗，從而增加續(xù)航里程。

減速器的效率損失主要集中在攪油損失、齒輪摩擦損失、軸承摩擦損失等方面。通常，齒輪箱最常用的潤滑方式為飛濺潤滑，它依靠齒輪轉(zhuǎn)動來帶動潤滑油，使?jié)櫥惋w濺到減速器中各零部件上，起到散熱和潤滑的作用。齒輪系統(tǒng)在工作過程中會產(chǎn)生嚙合摩擦功率損失、風阻功率損失和攪油功率損失。其中，攪油功率損失約占上述總功率損失的30%[1]。因此，要降低減速器的攪油效率損失，需要對減速器潤滑油的選用、齒輪的潤滑及攪油狀態(tài)進行研究。

本文采用粒子法對齒輪攪油進行了仿真分析，分別研究了潤滑油的黏度、溫度、加注量及轉(zhuǎn)速對減速器效率的影響，并通過透明殼體試驗進行了驗證，為減速器設(shè)計開發(fā)提供完整的設(shè)計支撐。

2 齒輪潤滑原理

在齒輪傳動過程中，潤滑油會在齒面形成油膜，完整的油膜由邊界油膜和流動油膜組成[2]，如圖1所示。

在齒輪副傳遞動力的過程中，主動齒輪與被動齒輪之間存在滾動和滑動兩種運動，滾動可以攪動潤滑油，使?jié)櫥惋w濺到齒面上，形成油膜，利于齒輪的潤滑和冷卻，滑動則會擠壓齒面形成的油膜，如果將邊界油膜擠壓出去，兩齒輪的齒面就會相互摩擦，產(chǎn)生熱量，降低齒輪傳動效率，嚴重時會損壞齒面。因此，需要選用合適的潤滑油，并對減速器齒輪潤滑進行詳細的分析，保持齒面形成有效的潤滑油膜，減少齒輪摩擦損失，提高傳動效率。

3 潤滑油的選擇

實踐證明，齒輪潤滑狀態(tài)與齒輪的載荷、轉(zhuǎn)速及潤滑油性能存在直接關(guān)系，為了提高新能源商用車減速器的工作效率，需要選用黏度低、低溫流動性好的潤滑油。結(jié)合以往選用潤滑油的經(jīng)驗，確定潤滑油相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

4 齒輪潤滑仿真分析

4.1 流體仿真方法

在傳統(tǒng)的流體動力學仿真計算中，通常采用有限元劃分網(wǎng)格的方法，ANSYS Fluent為代表之一。有限元劃分網(wǎng)格的方法特別考驗設(shè)計者的網(wǎng)格劃分能力，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響計算的準確性。

本文將采用一種新興的流體動力學仿真計算方法，即粒子法，對齒輪箱攪油功率損失進行仿真分析。該方法不需要劃分有限元網(wǎng)格，可以模擬各種復(fù)雜的流場，適用于不可壓縮流體的仿真計算[3]，已經(jīng)被廣泛的用于流體仿真行業(yè)。

粒子法遵循拉格朗日形式的質(zhì)量、動量守恒的流動方程[4]：

[dρdt+ρ?ui?xi=0]  （1）

[ρduidt=??p?xi+?τij?xj+ρfi] （2）

式中，[ρ]為流體的密度；[ui]為流體的速度；P為流體的壓力；[τij]為流體單位質(zhì)量上的剪切應(yīng)力；[fi]為流體單位質(zhì)量上的外力。

該方法通過保證粒子密度的恒定來確保流體的不可壓縮性，將自由面粒子的壓力設(shè)為零作為邊界條件[5]，通過數(shù)值計算，不斷的迭代和校正，使仿真計算結(jié)果趨于實際。

4.2 建立仿真模型

根據(jù)設(shè)計好的齒輪參數(shù)，在CATIA中繪制齒軸三維模型，選用合適的軸承并繪制前后殼體。該新能源商用車減速器采用兩級傳動結(jié)構(gòu)（圖2），上方小齒輪為動力輸入軸，通過其下方的雙聯(lián)齒輪將動力傳遞到差速器大齒輪，最后將動力輸出到車輪，驅(qū)動車輛前進或后退。

本文采用的流體仿真軟件是XFlow。XFlow是Next Limit科技公司開發(fā)的新一代流體動力學（CFD）模擬軟件，可以處理復(fù)雜的流體動力學問題，其基于粒子、完整的拉格朗日函數(shù)的計算方法，能夠解決汽車、工程、科學等領(lǐng)域復(fù)雜的流體動力學問題。

為了將繪制好的模型導(dǎo)入XFlow進行流體仿真，需要將三維模型進行相應(yīng)的簡化，保留內(nèi)部流場的空間并更改格式，簡化后不影響仿真結(jié)果，流體仿真的模型如圖3所示。

4.3 設(shè)置仿真工況

在XFlow中，以殼體為邊界，將殼體內(nèi)部設(shè)置為內(nèi)流場，潤滑油處在殼體內(nèi)部，根據(jù)潤滑油加注量設(shè)置潤滑油高度，并對各軸設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。為了使仿真結(jié)果接近實際情況，還需要考慮重力的影響，并將粒子大小設(shè)置的盡可能小，本文粒子大小設(shè)置為0.1 mm。

本文主要研究潤滑油的黏度、加注量及齒輪轉(zhuǎn)速對減速器攪油損失的影響，所得到的工況詳細參數(shù)如表2所示。

4.4 仿真計算結(jié)果

根據(jù)工況1到工況5的參數(shù)，在仿真軟件中分別設(shè)置好，并進行分析計算，匯總各工況下齒輪攪油功率損失，得到圖4所示的功率損失曲線。

從圖4可以看出，在0～0.2 s時間段內(nèi)，潤滑油從靜止到開始被攪動，功率損失在0.2 s時達到最大值，其原因在于初始狀態(tài)下潤滑油全部處于底部，當齒輪開始旋轉(zhuǎn)時，所攪動的潤滑油量最大，因此系統(tǒng)的攪油功率損失就越大。在0.2 s之后，攪油功率損失逐漸趨于穩(wěn)定，與實際相符。

a.工況1和工況2的差別在于潤滑油粘度不同，工況1黏度大約是工況2黏度的兩倍，從圖4中可以看出，工況1的齒輪攪油功率損失大于工況2，約為5 W，由此可知潤滑油黏度越大，齒輪攪油功率損失就越大。

b.工況2和工況3的差別在于潤滑油的加注量不同，工況2為1 L，工況3為2 L，從圖4中可以看出，潤滑油加注量從1 L增加到2 L之后，齒輪攪油功率損失明顯增加，約為12 W，可知潤滑油加注量越多，攪油功率損失越大。

c.工況3、工況4和工況5分別考慮了齒輪轉(zhuǎn)速為500 r/min、1 000 r/min及1 500 r/min時的齒輪攪油功率損失，從圖4可以看出，齒輪轉(zhuǎn)速越大，攪油功率損失就越大，在1 500 r/min時功率損失達到了20 W左右。

d.在XFlow中，分別觀察了工況2和工況3的齒輪潤滑狀況，如圖5和圖6所示。

從圖5可以直觀地看出，加注1 L潤滑油時，差速器大齒輪上潤滑油很少，未得到充分的潤滑，存在齒面磨損的風險。圖6是加注2 L潤滑油的齒輪攪油狀態(tài)，可以看出，所有齒輪和軸承都處于潤滑狀態(tài)，且潤滑情況良好。因此，在減速器設(shè)計開發(fā)過程中，要綜合考慮齒輪攪油功率損失和零部件的潤滑情況，得出最佳的潤滑油加注量。

5 試驗分析

為了進一步驗證齒輪攪油潤滑仿真的可靠性，根據(jù)三維模型繪制工程圖，制作出透明的前后殼體，進行臺架試驗。本次試驗采用工況3的相關(guān)參數(shù)，在達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)時，減速器潤滑結(jié)果如圖7和圖8所示。

從透明殼體潤滑試驗中可以看出，大齒輪攪動潤滑油飛濺到小齒輪和殼體內(nèi)壁上，潤滑油會順著殼體內(nèi)壁再流回到殼體底部，齒輪之間也會相互攪動并飛濺潤滑油，在加注2 L潤滑油的狀態(tài)下，減速器齒輪和軸承等部件都得到了充分的潤滑，與XFlow仿真結(jié)果一致。

6 結(jié)語

本文通過齒輪攪油的流體仿真分析，并結(jié)合透明殼體潤滑試驗，可以得出以下結(jié)論：

a.齒輪攪油功率損失隨著潤滑油黏度的增大而增大。

b.齒輪攪油功率損失隨著潤滑油加注量的增加而增大，但加大潤滑油加注量可以優(yōu)化齒輪的潤滑狀態(tài)，因此潤滑油加注量需要權(quán)衡功率損失和潤滑效果綜合分析，得出合理的加注量。

c.齒輪轉(zhuǎn)速越大，攪油功率損失就越大。

參考文獻：

[1]Concli F，Conrado E，Gorla C.Analysis of power losses in an industrial planetary speed reducer： measurements and computational fluid dynamics calculations[J].Journal of Engineering Tribology，2014，44（2）：1–3.

[2]齒輪手冊編委會.齒輪手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[3]李晏，皮彪，王葉楓，等.基于移動粒子半隱式法的齒輪攪油損失分析與試驗驗證[J].同濟大學學報（自然科學版）.2018（3）：368-371.

[4]鄭光澤，楊航，郝濤，等.齒輪攪油功率損失與減速器傳動效率分析[J].機械傳動，2020（12）：49-54.

[5]劉桓龍，謝遲新，李大法，等.齒輪箱飛濺潤滑流場分布和攪油力矩損失[J].浙江大學學報：工學版，2021（5）：875-886.

作者簡介：

蔣文俊，男，1984年生，研究方向為新能源動力系統(tǒng)。