汽車后橋準雙曲面齒輪攪油損失數(shù)值模擬及其減阻研究

摘要：整車經(jīng)濟性是商用車產(chǎn)品競爭力的重要評價指標，后橋傳遞效率是整車經(jīng)濟性的重要影響因素之一。機械損失和液力損失同時影響車后橋傳遞效率，且在高速低扭矩工況下液力損失影響更加明顯。因此改善液力損失可有效提升車后橋傳遞效率，提高經(jīng)濟性。基于此，以下對汽車后橋準雙曲面齒輪攪油損失數(shù)值模擬及其減阻進行了探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：汽車后橋準雙曲面齒;輪攪油損失數(shù)值模擬;減阻研究

引言

經(jīng)濟社會的快速發(fā)展為人們追求更高生活品質(zhì)提供了物質(zhì)保障，使得全球汽車保有量不斷增加。汽車在給人們生活帶來便利的同時，也對環(huán)境保護和能源利用造成了巨大壓力。因此，開展提高汽車傳動系統(tǒng)的機械傳動效率、減少燃油消耗、降低有害氣體排放的研究工作具有重要的工程及環(huán)保價值。

1計算流體力學模型建立

主要采用計算流體力學的方法對優(yōu)化前后汽車后橋準雙曲面齒輪攪油機理及阻力進行理論分析。前期研究成果已證明了該技術(shù)在分析汽車后橋準雙曲面齒輪攪油功率損失時的高可靠性。其中，準雙曲面齒輪浸油深度50mm。由于后橋總成零件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將幾何模型進行了一定簡化，忽略后橋結(jié)構(gòu)中與潤滑油無直接關(guān)聯(lián)的零件，如半軸、軸承、擋板、軸承座等，去除與攪油損失影響不大的倒角及一些微小結(jié)構(gòu)。抽取后橋內(nèi)腔與研究對象作布爾運算，得到流體仿真的流體域模型，包括準雙曲面齒輪、差速器殼、螺栓、后橋內(nèi)腔。

2汽車后橋準雙曲面齒輪攪油損失數(shù)值模擬及其減阻研究

2.1結(jié)構(gòu)改進

準雙曲面齒輪輪齒攪油功率損失屬齒輪固有特性，不宜更改齒輪結(jié)構(gòu)以減弱輪齒攪油阻力?；谶吔鐚永碚搶A盤攪油阻力進行了分析，研究表明，當旋轉(zhuǎn)圓盤與固定法蘭間間隙小于0.2R時，圓盤所受的液體阻力矩小于大間隙圓盤。因此，采用增加固定擋油板結(jié)構(gòu)對準雙曲面齒輪齒面、法蘭面攪油功率損失進行了進一步優(yōu)化。準雙曲面齒輪位于擋油板中間，擋油板與被動準雙曲面齒輪兩側(cè)間隙相等，取0.2倍被動齒輪分度圓半徑值，即為18mm。擋油板下部開有矩形溝槽，用于聯(lián)通擋油板兩側(cè)不同區(qū)域潤滑油以保證散熱。

2.2網(wǎng)格劃分及空間離散

利用HyperMesh13.0建立網(wǎng)格模型。由于后橋被動錐齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜且存在動網(wǎng)格邊界，為了使網(wǎng)格更適應(yīng)模型，采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格單元，并在被動錐齒輪及差速器殼處進行網(wǎng)格局部細化，流體域初始網(wǎng)格單元總數(shù)為1366404。為定義邊界條件，需對網(wǎng)格模型邊界進行分組。采用PISO算法求解連續(xù)性方程和動量方程中的壓力與速度耦合;空間離散中的壓力采用PRESTO！格式離散，其余擴散相采用二階迎風格式離散;在時間上采用一階隱式格式。

2.3對比分析

為驗證改進前后準雙曲面齒輪的減阻效果，對改進前后準雙曲面齒輪攪油阻力進行了分析。改進前后準雙曲面齒輪攪油阻力矩數(shù)值計算結(jié)果。在不同工況下改進后準雙曲面齒輪均具有較小的攪油阻力矩。不失一般性，文中對轉(zhuǎn)速為887r/min工況下改進前后準雙曲面齒輪兩側(cè)流場特性進行了分析，探究阻力矩減少機理。

2.4后橋內(nèi)部流場分布

后橋潤滑油因其黏性作用而被后橋被動錐齒輪旋轉(zhuǎn)帶起飛濺，從而完成對齒輪、軸承的潤滑、冷卻，其分布隨時間呈現(xiàn)不同的規(guī)律。被動錐齒輪以133rpm順時針旋轉(zhuǎn)時，不同時刻（t=0.1s、0.2s、0.3s、0.4s）后橋內(nèi)部潤滑油分布規(guī)律。由圖可知，t=0.1s時，被齒約轉(zhuǎn)過90°，帶動部分潤滑油吸附在被齒表面并沿壁面流動;t=0.2s時，被齒約轉(zhuǎn)過180°，更多的潤滑油被帶起并開始沿壁面流到后橋頂部，且齒面分布著較多潤滑油;t=0.4s時，被齒約轉(zhuǎn)過360°，越來越多流動至后橋頂部及分布在齒面的潤滑油在重力作用下，向后橋兩側(cè)流動并逐漸滴落回底部油池，從而對主被動齒輪、差速器齒輪及主減支撐軸承進行潤滑及冷卻，隨著時間推移，最終達到一個動態(tài)相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.5差動齒輪攪油損失理論分析

齒輪攪油損失全稱為齒輪攪油功率損失，也稱為無負荷損失、空轉(zhuǎn)損失。攪油損失量的大小一般與潤滑油的黏度、油液溫度及齒輪的轉(zhuǎn)速有關(guān)。工程上對于攪油損失的計算大多數(shù)依賴于實驗經(jīng)驗公式。

2.6液體粒子參數(shù)設(shè)置

在物理模型中生成液體粒子，需要確定液體生成起始面、粒子大小、液體密度和張力等參數(shù)。該實驗條件下液體生成起始面相對箱體底面的高度為77mm，為保證液體粒子順利生成，液體重心不應(yīng)與齒輪等固體模型重合，即液體中心在Y軸方向移動一定距離。其次，為保證仿真結(jié)果的有效性與觀測良好性，需要確定粒子生成數(shù)目應(yīng)在100萬～150萬之間。因此在一定空間的箱體內(nèi)確保粒子生成數(shù)目，則需要相應(yīng)改變粒子體積，確定粒子半徑為0.7～0.8mm之間。

2.7注油量影響臺架驗證

后橋傳遞效率在齒輪機械傳動效率之外（主要零部件的設(shè)計制造決定），對攪油損失影響最大，注油量和流場是攪油損失的主要影響因素。而注油量的影響仿真不易看出，故首先選取臺架試驗研究注油量對攪油損失的影響。試驗設(shè)置在90±10℃環(huán)境下進行，輸入轉(zhuǎn)速設(shè)置為中等偏高轉(zhuǎn)速1400r/min，對比在不同載荷下注油量為11.5L和14L車橋的傳遞效率。在加注量為11.5L和14L時，隨著輸出功率的不斷升高傳遞效率的提高逐步減緩，而注油量為11.5L的傳遞效率整體大于14L時的傳遞效率。且當功率輸出為100%時，兩者接近相等。因此總體觀察可發(fā)現(xiàn)后橋的傳遞效率的變化并不明顯。因此注油量對攪油損失大小的影響可以忽視。

結(jié)束語

去除螺栓結(jié)構(gòu)和增加擋油板可顯著降低準雙曲面齒輪所受的最大動壓力，減小的幅度隨著轉(zhuǎn)速的增加而急劇增大，最高達54%;同時，流體最大速度均有所降低，最高可降低6%左右;改進結(jié)構(gòu)可在較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)顯著降低準雙曲面齒輪攪油阻力矩，且隨著轉(zhuǎn)速升高減阻效果越明顯，最高減阻可達35.9%。

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作者簡介：楊賢平，出生年 1982年，性別 男，民族 漢，籍貫 皖宿松，職稱 工程師，作者單位 合肥美橋汽車傳動及底盤系統(tǒng)有限公司，郵編 230051，學歷 本科，研究方向 試驗驗證。