某電動汽車減速器潤滑流場的仿真分析

摘 要：【目的】為了研究某電動汽車減速器不同輸入轉速、潤滑油液位及潤滑油溫度，對油液顆粒分布、齒輪攪拌油液時的功率損耗以及軸承潤滑性能的影響，開展某電動汽車減速器內部腔體潤滑效果的分析和齒輪攪油功率損失的相關研究?！痉椒ā繎肧honDY軟件中基于改進的半隱式運動粒子法（MPS）進行仿真分析，通過自帶的后處理功能獲取減速器內部流場數(shù)據(jù)，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)來分析不同輸入轉速、潤滑油液位及潤滑油溫度，對油液顆粒分布、齒輪攪拌油液時的功率損耗以及軸承潤滑性能的影響?！窘Y果】對仿真數(shù)據(jù)進行分析得出，不同輸入轉速、潤滑油液位對油液顆粒分布、齒輪攪拌油液時的功率損耗以及軸承潤滑性能有顯著影響，潤滑油溫度對潤滑效果、油液粒子分布和攪油功率損失的影響較小?！窘Y論】研究結果可為電動汽車減速器內部腔體和齒輪的相關設計提供參考。

關鍵詞：減速器；潤滑流場；粒子法；攪油功率損失

中圖分類號：U469.72" " " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）22-0041-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.009

Simulation Analysis of the Lubrication Flow Field of an Electric Vehicle Reducer

Abstract： [Purposes] In order to study the influence of an electric vehicle reducer at different input speed， lubricating oil level and lubricating oil temperature on the distribution of oil particles， the power loss of gear mixing oil， and the bearing lubrication performance， the analysis of the lubrication effect of the internal cavity of an electric vehicle reducer and the related study of gear stirring oil power loss are carried out. [Methods] In this paper， the simulation analysis is carried out based on the improved semi-implicit moving particle method （ MPS ） in ShonDY software. The data of the internal flow field of the reducer are obtained through the built-in post-processing function. According to the obtained data， the effects of different input speeds， lubricating oil level and lubricating oil temperature on the distribution of oil particles， the power loss of stirring oil and the lubrication performance of the bearing are analyzed. [Findings] The analysis and study of the simulation data can show that different input speed and lubricating oil level have significant effects on the distribution of oil particles， the power loss of of stirring oil and the bearing lubrication performance， and the lubricating oil temperature has little influence on the lubrication effect， oil particle distribution and the power loss of stirring oil. [Conclusions] The obtained results will provide a reference for the design of the internal cavity and gear of an electric vehicle reducer.

Keywords： reducer; lubrication flow field; particle method; power loss of stirring oil

0 引言

減速器作為電動汽車的重要組成部分，在電動汽車的拉動下需求也在快速增加。在減速器工作過程中，齒輪之間、傳動軸與殼體之間，需要充分潤滑，才能減少傳動部件磨損，防止損壞關鍵零部件、噪聲過大以及影響減速器壽命。所以，對減速器潤滑流場進行仿真分析對減速器的性能優(yōu)化具有十分重要的意義。

張廣杰等［1］在不改變內部整體結構的前提下，通過控制齒輪與殼體之間的距離，改變齒輪與殼體之間形成局部空間的尺寸，從而改變齒輪與殼體之間的壓力，達到為潤滑油增壓的效果，這就使得齒輪帶動的液體潤滑油上升的位置更高，并且潤滑油在脫離齒輪瞬間具備更高的速度，改善了潤滑油噴射的距離和流量。何述華［2］對高速重載減速器進行了研究，發(fā)現(xiàn)高速重載減速器結構復雜，運行環(huán)境較惡劣，大多采用噴油潤滑，合理高效的潤滑方案能減少傳動構件的摩擦磨損、發(fā)熱及功率損失，進而提高和延長減速器的使用性能與壽命。張輝［3］為了獲得安全可靠、運行穩(wěn)定的掘進機，以某型號掘進機減速器齒輪為研究對象，對齒輪的潤滑特性分類進行分析，運用計算機仿真的方法對運行過程中掘進機減速器齒輪的潤滑特性進行仿真分析。謝遲新等［4］基于充分的調研與大量的前期計算分析，利用移動粒子半隱式法（MPS）對軌道車輛用二級傳動齒輪箱的飛濺潤滑特性進行研究，分析了不同輸入軸轉速、初始潤滑油油量和環(huán)境溫度下齒輪箱內部潤滑油的流場特性。Groenenboom等［5］ 介紹了Smoothed Particle Hydrodynamics（SPH）算法的一些最新進展，并與試驗數(shù)據(jù)進行比較證明該算法的有效性。在簡要概述混合SPH-FE方法的工業(yè)應用之后，對三個計算研究進行了更詳細的討論。結果表明，SPH-FE方法適用于強流現(xiàn)象和流固耦合問題。Zhe等［6］ 采用無網格光滑粒子流體力學有限體積法（SPH）解決了復雜多相流體的流動問題。Zhu等［7］基于AMESim軟件建立電動汽車齒輪減速器熱網絡仿真模型，考慮減速器各部件的產熱和傳熱過程，對減速器進行熱和效率分析。在此基礎上，開發(fā)了二次開發(fā)子模型，實現(xiàn)了基于不同潤滑油溫度和工況的對流系數(shù)實時計算。

1 減速器三維模型的建立與前處理

1.1 三維模型的建立

本研究運用三維建模軟件創(chuàng)建了電動汽車單級減速器模型，如圖1所示。該減速器包括深溝球軸承、圓錐滾子軸承、輸入軸、中間軸、輸出軸、兩組齒輪及兩個殼體組件。

1.2 三維模型的前處理

首先，將減速器的模型導入到 HyperMesh 中，將減速器各部分分類。左殼體部分：左殼體、左側三個軸承的外圈；右殼體部分：右殼體、右側三個軸承的外圈；輸入軸部分：輸入軸、輸入軸軸承內圈；中間軸部分：中間軸、中間軸軸承內圈；輸出軸部分：差速器、輸出軸軸承內圈；輸入軸軸承滾子，中間軸軸承滾子，輸出軸軸承滾子各作為一部分。其次，對模型進行處理形成封閉的容腔。與有限體積法不同，半隱式運動粒子法（MPS）是一種無網格技術，這意味著在模擬過程中不需要對減速器模型進行網格劃分，從而能夠保留減速器內部復雜的結構細節(jié)。由于這種方法保留了模型的所有細節(jié)，因此可以實現(xiàn)較高的整體仿真精度。最后，將處理好的模型導入ShonDY軟件中生成前處理后模型，如圖2所示。

2 確定計算參數(shù)

2.1 設立不同參數(shù)

本研究根據(jù)減速器在不同輸入轉速、潤滑油液位及潤滑油溫度條件下，對油液顆粒分布、齒輪攪拌油液時的功率損耗以及軸承潤滑性能的影響，對不同輸入轉速、潤滑油液位及潤滑油溫度下的減速器進行研究。

首先，設定不同輸入轉速對應設定電動汽車實際運行中工況，分別為1 669.25 r/min對應中低速工況，391.12 r/min對應低速工況，2 968.33 r/min對應中高速工況，2 947.38 r/min對應中速工況，7 144.95 r/min對應高速工況，-2 968.33 r/min對應倒車工況。

其次，潤滑油溫度根據(jù)潤滑油的工作溫度設置3個溫度分別為40、70 和100 ℃。最后，油液高度根據(jù)輸出齒的高度和溢油孔的高度確定，因此選擇設置3個高度分別為30、60和80 mm。

2.2 求解器參數(shù)設定

在進行仿真計算時，需要考慮以下三方面：每個工況的仿真時間、潤滑油粒子的尺寸大小、仿真時間步長。為了進行定量分析，依據(jù)減速器輸出齒輪旋轉20圈的條件，來設置仿真時間。當輸入轉速分別為1 669.25、391.12、2 968.33、2 947.38、7 144.95和-2 968.33 r/min時，對應的仿真時間分別設置為5.15、21.97、2.90、2.92、1.20和2.90 s。潤滑油粒子的尺寸大小會影響計算精度和計算時間。為了滿足計算精度并且減少計算量，本研究進行網格獨立性驗證，最終選擇1.5 mm的網格尺寸，總網格數(shù)量為3 261 931個。時間步長根據(jù)不同的工況進行調整，在經過多次調試后確定了適合的時間步長。

3 數(shù)值模擬結果分析

為了分析某電動汽車減速器在不同輸入轉速、潤滑油液位及潤滑油溫度對油液顆粒分布、齒輪攪拌油液時的功率損耗以及軸承潤滑性能的影響，本研究設立了10種工況進行仿真分析，其中工況1到工況6 區(qū)別在于輸入轉速不同，以研究輸入轉速的影響；工況 4、工況 7 和工況 8 區(qū)別在于潤滑油油溫不同，以研究油溫的影響；工況 4、工況 9 和工況10區(qū)別在于潤滑油油液高度不同，以研究油液高度的影響。10種工況的基本參數(shù)見表1。

3.1 輸入轉速的影響

當減速器潤滑油高度為60 mm，潤滑油油溫為40 ℃，輸入轉速為1 669.25、391.12、2 968.33、2 947.38、7 144.95和-2 968.33 r/min，并且仿真結果趨于穩(wěn)定時的潤滑油粒子在減速器內部的分布情況如圖3至圖 7所示。對圖3至圖7的潤滑油粒子進行分析可以得出，隨著轉速的不斷增加，減速器的潤滑油粒子覆蓋面積越來越大，對齒輪和軸承的潤滑性能也逐步提升，但是這種提升隨轉速達到一定限度時趨于停止。

3.2 油液高度的影響

當減速器輸入轉速為1 669.25 r/min，潤滑油油溫為40 ℃，潤滑油高度分別為30、60和80 mm，并且仿真結果趨于穩(wěn)定時潤滑油粒子在減速器內部的分布情況如圖8至圖10所示。由圖8可知，當潤滑油較少時，輸出軸齒輪潤滑效果較好。中間軸齒輪和輸入軸齒輪未直接接觸潤滑油，只能通過輸出軸的甩油進行潤滑，潤滑效果不好。由圖9可知，當輸出軸齒輪和中間軸齒輪都能實現(xiàn)浸油潤滑時，輸出軸齒輪和中間軸齒輪潤滑效果較好，并且可以更好地將潤滑油甩到輸入軸，使輸入軸有更好的潤滑效果。由圖10知，當潤滑油接近溢油孔時，隨著潤滑油高度的增加，輸出軸齒輪、中間軸齒輪和輸入軸齒輪都能實現(xiàn)浸油潤滑，潤滑效果較好。由此可以得出，隨著潤滑油高度的增加，減速器潤滑效果會越來越好。

3.3 油溫的影響

當減速器轉速為2 947.38 r/min，潤滑油的油液高度為60 mm，潤滑油油溫分別為40、70和100 ℃，并且仿真結果趨于穩(wěn)定時的潤滑油粒子在減速器內部的分布情況如圖11至圖13所示。將3幅圖中的油液粒子分布情況進行對比可以發(fā)現(xiàn)，油液粒子分布基本一致，由此可以得出潤滑油油溫對潤滑效果影響不大。

3.4 攪油功率損失分析

上文探討了不同輸入轉速、潤滑油液位及潤滑油溫度對油液顆粒分布、軸承潤滑效果的影響，是從定性角度進行分析的。下文將從定量角度進行分析不同輸入轉速、潤滑油液位及潤滑油溫度對攪油功率損失的影響。

減速器輸出軸的攪油功率損失在仿真過程中會趨于穩(wěn)定狀態(tài)，通過軟件的后處理功能，選取趨于穩(wěn)定的時間段進行時域平均處理，獲取輸出軸的攪油功率損失數(shù)據(jù)，具體見表2。

由表2可知，工況1～6顯示的是潤滑油高度為60 mm，潤滑油油溫為40 ℃，輸入轉速分別為1 669.25、391.12、2 968.33、2 947.38、7 144.95和-2 968.33 r/min，并且仿真結果趨于穩(wěn)定時的輸出軸平均攪油功率損失。當輸入轉速較低，具體為391.12 r/min時，輸出軸的攪油功率損失最小，可以忽略不計；而當輸入轉速較高，具體為7 144.96 r/min時，攪油功率損失明顯增大，上升幅度急劇增加。這表明攪油功率損失隨輸入轉速的提高而增加。

從表 2還可以發(fā)現(xiàn)，工況4、工況7和工況8在輸入轉速為2 947.38 r/min，油液高度為60 mm，油溫分別為 40、70和100 ℃工況下的攪油功率損失情況為油溫為 40 ℃時攪油功率損失最高，油溫為100 ℃時攪油功率損失最低。這表明攪油功率損失隨著油溫的提高呈現(xiàn)減少的趨勢。

從表 2還可以發(fā)現(xiàn)，工況4、工況9和工況10輸入轉速在2 947.38 r/min，油溫為 40 ℃，油液高度分別為30、60、80 mm工況下的攪油功率損失。油液高度從30 mm提升到80 mm會導致攪油功率損失提高218倍。這表明攪油功率損失隨著油溫的提高呈現(xiàn)增加的趨勢。

3.5 軸承潤滑效果分析

分析減速器內流場分布可知，潤滑油油量直接影響齒輪箱的流場分布，從而影響齒輪的潤滑效果。當減速器箱體中潤滑油油量較少時，箱體中飛濺的潤滑油油粒較少，減速器各元件表面溫度不能被及時傳導走，導致各元件表面溫度過高，從而影響其表面油膜厚度，較高的溫度會導致齒輪齒面和軸承損傷［8］。

本研究對某電動汽車減速器輸入軸、中間軸、輸出軸的兩側軸承的潤滑效果進行分析，軸承的外徑和內徑參數(shù)，輸入軸、中間軸、輸出軸的兩側軸承的基本參數(shù)見表3。對6個軸承進行編號，輸入軸上的兩側軸承分別命名為軸承 1 和軸承 2，中間軸上的兩側軸承分別命名為軸承 3 和軸承 4，輸出軸上的兩側軸承分別命名為軸承 5 和軸承 6。6個軸承設定的名稱對應的位置如圖 14所示。

單個滾動軸承所需潤滑油油量[Q]的經驗公式見式（1）。

式中：[d]為軸承外徑；[b]為軸承寬度；[n]為軸承轉速。

考慮軸承的內圈、滾動體和外圈在實際運行中的情況，將軸承內圈和旋轉軸合并成一個部件，將軸承外圈和殼體合并成一個部件，軸承滾動體在運行過程中是旋轉的，根據(jù)實際經驗設置深溝球軸承的滾動體為旋轉軸轉速的一半，圓錐滾子軸承為旋轉軸轉速的1/3。將軸承的參數(shù)和輸入轉速代入式（1）中進行計算，得出對應轉速下6個軸承的理論潤滑油油量見表 4。

通過ShonDY軟件自帶的后處理功能，得到各個工況下所對應的6個軸承流量監(jiān)控面的平均體積流量曲線。以工況4（輸入轉速為2 947.38 r/min，油液高度為60 mm）為例，得到工況4所對應的6個軸承的平均體積流量曲線。選取整個計算時間內各監(jiān)控面的平均體積流量曲線中的最大值作為仿真數(shù)值與理論數(shù)值進行對比。

運用上述處理方法，對其他數(shù)據(jù)進行處理，可以獲得工況4下軸承1～6的平均體積流量最大值分別為35、6.5、80、45、55和27 mL/min。其中，輸入軸軸承的潤滑油量小于42.16 mL/min，中間軸軸承的潤滑油量大于22.56 mL/min，而輸出軸兩端軸承的潤滑油油量一端小于39.44 mL/min，另一端大于39.44 mL/min。因此，在工況4下，6個軸承中只有3個軸承的潤滑效果良好。

使用相同的處理方法，對其他工況進行處理，得到對應工況下6個軸承的平均體積流量數(shù)值，具體見表5。

由表5可知，工況1、工況3至工況6中對應的軸承3、4的平均體積流量均超過對應的中間軸軸承所需的理論潤滑油量，表明軸承 3 和軸承 4 的潤滑效果良好。而軸承1 比軸承2潤滑效果好一些，但都遠遠小于所需的潤滑油量，表明軸承 1 和軸承 2 的潤滑效果不理想。軸承5 和軸承6平均體積流量和所需的潤滑油量相近，潤滑效果良好。

綜上所述，當減速器輸入轉速從391.12 r/min逐步增加到7 144.95 r/min時，獲取每個工況下6個軸承的平均體積流量，可以得出平均體積流量隨輸入轉速的增加而增大，并且轉速對各個監(jiān)控面的流量影響也是不一樣的，例如，對監(jiān)控面軸承3和監(jiān)控面軸承4的影響最大，對監(jiān)控面軸承1和監(jiān)控面軸承2的影響較小。在潤滑油高度方面，潤滑油高度提升對潤滑效果的提升也是巨大的。例如，當潤滑油高度從30 mm 提升到80 mm 時，監(jiān)控面軸承3、監(jiān)控面軸承4、監(jiān)控面軸承5、監(jiān)控面軸承6的平均體積流量分別提高了2.2倍、3倍、3.3倍、2.3倍，可以看出軸承 4和軸承 5的潤滑效果受潤滑油高度的影響顯著。

同時經過與理論潤滑油油量進行對比，可得出當輸入轉速為2 968.34、2 947.38和7 144.96 r/min 時，軸承3的平均體積流量是其理論潤滑油量的4.0倍、3.5倍和5.7倍，之所以軸承3的潤滑油油量較高，是因為其更靠近輸出軸上的齒輪，在高速運轉中，離心力比較大，飛濺的潤滑油更多地被甩到軸承3上，從而導致油量增多。

4 結論

本研究以某電動汽車減速器為研究對象，首先建立了減速器的三維模型，并根據(jù)ShonDY軟件的需求對模型進行前處理；其次根據(jù)不同輸入轉速、潤滑油液位及潤滑油溫度，確立了10種不同的計算工況；最后采用基于改進的半隱式運動粒子法（MPS）對減速器進行潤滑仿真分析。通過仿真模擬研究了不同輸入轉速、油液高度和油溫對減速器內部油液粒子分布、攪油功率損失及軸承潤滑效果的影響，得出以下結論。

①隨著減速器輸入轉速的增加，油液粒子分布面積越來越大，潤滑油油液可以更好地飛濺到中間軸和輸入軸，從而使?jié)櫥阅茉胶?，但潤滑效果隨著轉速升高到一定范圍趨于平穩(wěn)。同時也可以得到輸入轉速升高會使攪油功率損失不斷增加，因此減速器轉速運行在2 968.34 r/min 和2 947.38 r/m為宜。

②隨著潤滑油高度的增加，同樣使油液粒子分布面積越來越廣，中間軸和輸入軸可以進入浸油潤滑模式，從而增加軸承的潤滑效果，但隨著潤滑油高度的升高，攪油功率損失急劇增加，比轉速對攪油功率損失的影響更大，因此減速器轉速運行在油液高度為60 mm為宜。

參考文獻：

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