某新能源汽車(chē)變速箱滾針軸承潤(rùn)滑仿真分析及優(yōu)化

徐斌 喬良 莫家奇

對(duì)某新能源變速箱在臺(tái)架高速試驗(yàn)時(shí)因潤(rùn)滑不足而出現(xiàn)輸入軸滾針軸承燒毀的問(wèn)題進(jìn)行分析?；赑articleworks軟件平臺(tái)，建立輸入軸滾針軸承潤(rùn)滑仿真模型，查看不同轉(zhuǎn)速下的潤(rùn)滑效果。以改善滾針軸承潤(rùn)滑為目標(biāo)，分析加長(zhǎng)導(dǎo)油嘴在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)滾針軸承潤(rùn)滑效果的影響。仿真結(jié)果表明，加長(zhǎng)導(dǎo)油嘴可改善滾針軸承潤(rùn)滑效果，且通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證有效。變速箱;滾針軸承;移動(dòng)粒子半隱式流體分析方法;潤(rùn)滑系統(tǒng);仿真分析

0 前言

變速箱潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)是變速箱開(kāi)發(fā)中至關(guān)重要的部分，直接影響變速箱內(nèi)部齒輪、軸承等零部件的使用壽命。一直以來(lái)，變速箱潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依靠研究人員的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)殼體特征，確定潤(rùn)滑形式及油液高度來(lái)達(dá)到潤(rùn)滑設(shè)計(jì)要求。如果潤(rùn)滑設(shè)計(jì)存在缺陷，則會(huì)引起齒輪、軸承等重要零部件的失效，且只能在樣機(jī)試驗(yàn)階段才會(huì)發(fā)現(xiàn)。目前，變速箱潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證主要依賴(lài)透明殼體臺(tái)架試驗(yàn)。該試驗(yàn)可以清楚看到殼體上軸承的潤(rùn)滑情況，然而對(duì)于內(nèi)部齒輪和滾針軸承潤(rùn)滑情況的觀察卻較為局限。由于樣機(jī)試制及驗(yàn)證時(shí)間長(zhǎng)，難以快速鎖定設(shè)計(jì)及改進(jìn)措施，潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成為制約變速箱開(kāi)發(fā)周期的重要因素。

目前，關(guān)于潤(rùn)滑方面的研究主要集中在數(shù)值分析計(jì)算方面。文獻(xiàn)[1]提出了采用齒面移動(dòng)法對(duì)齒輪進(jìn)行處理的方法。文獻(xiàn)[2]提出了多相流（VOF）模型，以解決齒輪飛濺潤(rùn)滑存在的較為復(fù)雜的油氣兩相流現(xiàn)象。針對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[3]介紹了一般的減速器潤(rùn)滑系統(tǒng)組成及相關(guān)部件的選擇、計(jì)算，并給出了潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)。本文基于移動(dòng)粒子半隱式流體分析（MPS）方法的Particleworks仿真分析軟件平臺(tái)，建立了某新能源變速箱輸入軸滾針軸承潤(rùn)滑仿真模型。該新能源變速箱的開(kāi)發(fā)為基金項(xiàng)目，屬于國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃：2018YFB0105801新型高性?xún)r(jià)比機(jī)電耦合變速箱開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。本文論述了在查看不同轉(zhuǎn)速下滾針軸承的潤(rùn)滑效果后，結(jié)合某變速箱輸入軸滾針軸承失效問(wèn)題，指出潤(rùn)滑不足是滾針軸承失效的根本原因，并提出改進(jìn)方案，滿(mǎn)足了滾針軸承的潤(rùn)滑要求，為潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了有力支持。

1 滾針軸承失效分析

相比傳統(tǒng)汽車(chē)變速箱，新能源汽車(chē)的變速箱要求轉(zhuǎn)速范圍更廣，低速扭矩更大，對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求也更高。因此，現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)已無(wú)法滿(mǎn)足更高的工況設(shè)計(jì)要求，容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題。如圖1所示，某新能源車(chē)采用的變速箱在臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，在高速工況下出現(xiàn)故障，拆解后發(fā)現(xiàn)輸入軸滾針軸承失效。圖中可見(jiàn)該滾針軸承保持架（工程塑料材質(zhì)）損壞，失效形式表現(xiàn)為典型的因過(guò)溫過(guò)載導(dǎo)致部件燒毀。在該滾針軸承處，軸內(nèi)設(shè)計(jì)有油孔，通過(guò)軸內(nèi)導(dǎo)油嘴噴油進(jìn)行了強(qiáng)制潤(rùn)滑，但實(shí)際的內(nèi)部潤(rùn)滑情況不得而知，也無(wú)法利用透明殼體潤(rùn)滑試驗(yàn)直接觀測(cè)。此時(shí)，研究人員通過(guò)潤(rùn)滑仿真軟件來(lái)模擬輸入軸滾針軸承潤(rùn)滑情況，分析失效原因是最有效的方法。

2 基于MPS的局部潤(rùn)滑系統(tǒng)模型搭建

2.1 MPS方法及Particleworks軟件平臺(tái)介紹

MPS方法屬于流體分析中的無(wú)網(wǎng)格法[4]。該方法是將流體計(jì)算區(qū)域視為由一群粒子構(gòu)成，其中每個(gè)粒子都包含與之相對(duì)應(yīng)的不同流動(dòng)信息，并以拉格朗日方程為基礎(chǔ)，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[5]。研究人員根據(jù)各粒子上一時(shí)刻的流動(dòng)信息對(duì)下一時(shí)刻進(jìn)行預(yù)測(cè)和修正，從而獲得整個(gè)流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)流動(dòng)信息[6]。Particleworks是基于MPS方法開(kāi)發(fā)的1款商業(yè)軟件平臺(tái)。在該平臺(tái)下搭建的變速箱潤(rùn)滑模型可以高效準(zhǔn)確地模擬出變速箱內(nèi)部油液潤(rùn)滑的走向，并生成相應(yīng)動(dòng)畫(huà)。

2.2 基于Particleworks的潤(rùn)滑模型搭建

如圖2所示，為了分析輸入軸滾針軸承失效原因，研究人員基于Particleworks軟件平臺(tái)，導(dǎo)入輸入軸及滾針軸承三維模型，建立了局部輸入軸滾針軸承潤(rùn)滑模型。其中，模型設(shè)置說(shuō)明如下：（1）輸入軸內(nèi)部為中空油道設(shè)計(jì)，每個(gè)滾針軸承貼合面有4個(gè)油孔，輸入軸賦予軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。（2）齒輪共有5個(gè)，從左至右分別標(biāo)記為①②③④⑤號(hào)。（3）將①②④⑤號(hào)齒輪空套在軸上，可通過(guò)結(jié)合套與輸入軸結(jié)合，4個(gè)齒輪賦予軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，③號(hào)齒輪與輸入軸為一體式設(shè)計(jì)。（4）該軸共有4個(gè)滾針軸承，分別布置在空套齒輪①②④⑤內(nèi)側(cè)，從左至右分別標(biāo)記為A、B、C、D。滾針軸承與齒輪和輸入軸都為間隙配合，滾針軸承賦予軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。（5）輸入軸滾針軸承為強(qiáng)制潤(rùn)滑設(shè)計(jì)，從右側(cè)導(dǎo)油嘴通過(guò)油泵注油，每個(gè)軸承潤(rùn)滑量要求均為0.1 L/min。（6）考慮到潤(rùn)滑不均，設(shè)計(jì)輸入流量為0.5 L/min，潤(rùn)滑油累積在輸入軸中空部位，通過(guò)4個(gè)油孔流入滾針軸承，為軸承提供潤(rùn)滑。

3 潤(rùn)滑系統(tǒng)仿真分析

通過(guò)上述潤(rùn)滑仿真模型，根據(jù)典型工況轉(zhuǎn)速表，試驗(yàn)人員分別選取500 r/min、3 000 r/min、6 000 r/min為輸入軸轉(zhuǎn)速點(diǎn)。通過(guò)仿真分析，4個(gè)滾針軸承內(nèi)部的潤(rùn)滑狀況結(jié)果如下所述。

（1）如圖3所示，輸入軸在轉(zhuǎn)速為500 r/min的工況下，輸入軸內(nèi)部油道潤(rùn)滑油充盈，4個(gè)滾針軸承內(nèi)的油孔可以明顯看到潤(rùn)滑油，表明A、B、C、D滾針軸承潤(rùn)滑狀況良好。

（2）如圖4所示，在輸入軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的工況下，在輸入軸內(nèi)部油道內(nèi)，潤(rùn)滑油主要聚集在右側(cè)，A、B滾針軸承潤(rùn)滑狀況較差，C、D滾針軸承潤(rùn)滑狀況良好。

（3）如圖5所示，在輸入軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/min的工況下，在輸入軸內(nèi)部油道內(nèi)，潤(rùn)滑油完全聚集在右側(cè)，A、B滾針軸承幾乎無(wú)潤(rùn)滑，C、D滾針軸承潤(rùn)滑狀況良好。

從仿真結(jié)果可以看出，隨著輸入軸轉(zhuǎn)速的升高，潤(rùn)滑油越來(lái)越難進(jìn)入輸入軸內(nèi)部油道的左側(cè)，導(dǎo)致潤(rùn)滑油都從右側(cè)油孔甩出。最左端的滾針軸承在高速工況下幾乎無(wú)潤(rùn)滑，這極易導(dǎo)致滾針軸承因過(guò)熱產(chǎn)生失效。這一仿真結(jié)果與高速試驗(yàn)滾針軸承失效情況基本吻合。

4 設(shè)計(jì)改進(jìn)及試驗(yàn)驗(yàn)證

為了改善左側(cè)滾針軸承潤(rùn)滑效果，需要讓潤(rùn)滑油在高速工況下也能到達(dá)輸入軸內(nèi)部油道左側(cè)，并經(jīng)過(guò)左側(cè)油孔甩出，為左側(cè)滾針軸承提供潤(rùn)滑。如圖6所示，圖中虛線位置為原導(dǎo)油嘴長(zhǎng)度，研究人員考慮加長(zhǎng)原導(dǎo)油嘴長(zhǎng)度。在高速工況下，由于離心力的作用，潤(rùn)滑油可能聚集在右側(cè)內(nèi)壁上，且右側(cè)油道空腔直徑較大，潤(rùn)滑油往左側(cè)流動(dòng)時(shí)存在階梯，大部分潤(rùn)滑油可能會(huì)從最右側(cè)油孔甩出。在加長(zhǎng)導(dǎo)油嘴后，噴出的潤(rùn)滑油直接越過(guò)內(nèi)部空腔的階梯，同時(shí)左側(cè)油道直徑相同。通過(guò)利用導(dǎo)油嘴噴油的初速度，可以讓潤(rùn)滑油盡量往左側(cè)流動(dòng)。

在對(duì)導(dǎo)油嘴重新建模后，研究人員選取上述相同的3個(gè)工況進(jìn)行潤(rùn)滑仿真分析，并查看4個(gè)滾針軸承的潤(rùn)滑情況。結(jié)果如下文所述。

從圖7、圖8和圖9可以看出，在500 r/min、3 000 r/min，6 000 r/min這3個(gè)輸入軸轉(zhuǎn)速下，3個(gè)軸承均可以得到有效潤(rùn)滑。尤其在6 000 r/min下，左側(cè)A、B滾針軸承從原先的基本無(wú)潤(rùn)滑變成潤(rùn)滑狀況良好。潤(rùn)滑油可以順利進(jìn)入輸入軸左側(cè)軸孔內(nèi)部，向滾針軸承提供充足的潤(rùn)滑。仿真結(jié)果表明，加長(zhǎng)導(dǎo)油嘴可以明顯改善在高速工況下的輸入軸左側(cè)滾針軸承的潤(rùn)滑狀況。

根據(jù)仿真結(jié)果，研究人員對(duì)原導(dǎo)油嘴進(jìn)行了工程樣件改制，并重新啟動(dòng)了新一輪高速試驗(yàn)。最終試驗(yàn)順利通過(guò)，驗(yàn)證了潤(rùn)滑不足是導(dǎo)致滾針軸承失效的重要原因，且驗(yàn)證了加長(zhǎng)導(dǎo)油嘴的方案有效。

5 結(jié)論

根據(jù)上述仿真和試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論。

（1）潤(rùn)滑不足是導(dǎo)致滾針軸承失效的主要原因。

（2）基于MPS的Particleworks軟件平臺(tái)搭建的輸入軸滾針軸承仿真模型可以準(zhǔn)確地模擬試驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行潤(rùn)滑仿真分析。

（3）在加長(zhǎng)導(dǎo)油嘴后，在500 r/min、3 000 r/min，6 000 r/min這3個(gè)輸入軸轉(zhuǎn)速下，潤(rùn)滑油都可以直接越過(guò)油道階梯。因此，輸入軸左側(cè)的滾針軸承潤(rùn)滑得到改善。臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證該改進(jìn)方案有效，滿(mǎn)足了滾針軸承潤(rùn)滑要求。

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