雙離合器自動變速器油軌的流場模擬及其潤滑效果評價

林銀輝 臧孟炎 胡志華 陳 勇

1.華南理工大學，廣州，510640 2.浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州，311228

0 引言

對變速器進行有效潤滑，不但能夠減輕運動零件（軸齒、齒輪、軸承、同步器等）接觸表面的磨損，而且能夠帶走摩擦面上的雜質和熱量，起到清洗和冷卻的作用。此外，潤滑油還有密封、防銹和減振緩沖的作用，從而保證變速器的正常工作，延長變速器的使用壽命［1］。

一般情況下，變速器的潤滑主要采用飛濺潤滑和油浴潤滑。但對于具有雙輸出軸的雙離合器自動變速器，位于油液面之上的輸出軸各運動零件無法通過上述兩種潤滑手段進行充分的潤滑，因而需要采用強制噴油潤滑方式進行潤滑［2］。強制噴油潤滑是以變速箱體為油箱，另附加一套潤滑裝置（如油軌），通過潤滑油泵控制閥體，在一定壓力的作用下將油池里中的潤滑油經過濾器、冷卻器供送到各潤滑點，從而實現各工作零件的潤滑冷卻［3］。目前對變速器油軌的流場研究甚少，大多數是針對發動機噴油系統進行相關研究。王尚勇等［4］采用Flowmaster計算了高壓共軌噴油系統的噴油特性。蔡珍輝等［5］采用AMESim對高壓共軌噴油器進行了模塊化分析和仿真研究。張功 暉 等［6］使 用 ANSYS Fluent計 算 了 管路流量。

強制噴油潤滑是雙離合器自動變速器潤滑的重要方式之一，因而使用仿真分析方法評價油軌強制噴油潤滑效果，具有重要的工程意義。筆者采用ANSYS Fluent，對某型號雙離合器自動變速器油軌單體的噴油效果進行流場模擬，得到油軌各出口油液的質量流量和油柱形狀，并將仿真所得各出口油液質量流量與試驗結果進行對比。在確認仿真結果與試驗結果基本一致的基礎上，分析了油溫對油軌各出口質量流量分布的影響。最后以整個變速器為研究對象，仿真研究了變速器的工作狀況，并對變速器油軌的潤滑效果進行了評價，說明了油軌噴油潤滑系統設計的合理性。

1 變速器油軌模型

某雙離合器自動變速器的油軌模型如圖1所示，包括1個入口和7個出口，且出入口均為圓形，各出入口內徑和噴管長度如表1所示。

圖1 油軌模型

表1 各出入口內徑及噴管長度 mm

2 油軌單體的CFD分析及評價

2.1 油軌單體的CFD分析理論

雙離合器自動變速器的潤滑油為雙離合器自動變速器油（以下簡稱變速器油），相比其他自動變速器油，具有更好的潤滑特性［1］。潤滑分析中，通常認為變速器油為不可壓縮流體，并忽略其熱膨脹系數，以20℃時的油液物理特性為標準［3］。考慮到油軌模型的內部擾動，使用k－ε湍流模型進行仿真分析，忽略能量交換等因素的影響［7］。

油軌單體噴油效果仿真計算中，流體需滿足連續方程（質量守恒方程）和運動方程（動量守恒方程），采用RNGk－ε湍流模型模擬油軌內部的流動。由于RNGk－ε湍流模型只適于充分發展的湍流，即大雷諾數的湍流計算模型，所以近壁區內的流動及雷諾數較小的流動需要通過壁面函數法進行處理［8］。

2.2 油軌噴油效果CFD仿真與試驗

油軌的工作環境是變速箱內油氣混合的復雜兩相流場，為確認油軌噴油效果和仿真分析方法的有效性，在油軌出口方向建立圖2所示的長方體空間，各出口到壁面的距離與油軌在變速器整體模型中各出口到對應潤滑對象的距離相近。初始狀態下，油軌內部為變速器油，外部為空氣。

圖2 油軌噴油效果仿真的兩相流模型

采用Gambit對圖2所示的兩相流模型進行四面體網格（Tetra4）劃分，其中油軌的網格模型如圖3所示。通過ANSYS Fluent完成相關定義并生成CFD計算模型，進而進行瞬態仿真計算。20℃下，變速器油的密度為839.7kg／m3，動力黏度為0.0324Pa·s；對應的空氣密度為1.225kg／m3，動力黏度為1.789×10－5Pa·s；油軌入口處的設計體積流量為4L／min。

圖3 油軌的網格模型

t＝0.02s時，入口質量流量與各出口質量流量之和基本相等，且之后保持不變，說明油軌噴油系統開始進入穩定狀態。穩定狀態下各出口的質量流量分布如表2所示。其中，出口1流量最小，出口3、4、5、6流量較大，出口2、7流量居中。圖4所示為油軌單體噴油試驗臺（在各出口處裝有流量計）。試驗條件：變速器油溫度為20℃，入口的體積流量為4L／min（通過調節油泵壓力獲得，與仿真條件相同）。通過試驗可以觀察到各出口的噴油狀況，并獲得各出口的體積流量。為便于比較，將試驗得到的體積流量轉換為質量流量且列入表2。由表2可知，仿真結果與試驗結果基本一致，說明了仿真分析方法的有效性。

表2 各出口質量流量的仿真結果與試驗結果 g／s

圖5為油軌部分出口在0.05s時變速器油液的體積分數云圖。與圖4所示的噴油試驗效果相似，各出口所噴油液均呈現連續柱狀，油柱能夠到達長方體的壁面。

圖4 油軌單體噴油試驗

圖5 出口1、2、3的油液體積分數云圖

2.3 油溫對油軌各出口質量流量的影響

為研究油溫變化對噴油流量的影響［9］，筆者對兩種極端溫度（－40℃、100℃）進行仿真分析。不同溫度下變速器油的相關材料物性值如表3所示［1］。

表3 不同溫度下變速器油材料物性

當油液進入噴油穩定狀態后，不同油溫下各出口質量流量分布情況如表4所示。由表4的數據不難發現，出口1的質量流量隨著溫度的升高而增大，出口3、4、5、6則剛好相反，質量流量隨溫度的升高而減少，出口2、7基本保持不變。這一仿真結果說明，油溫對油軌各出口流量分布有明顯的影響，所以在氣溫變化較大的使用環境下，需要采取有效措施保證油軌噴油潤滑效果。

表4 不同溫度下各出口的質量流量 g／s

3 油軌在變速器內的潤滑效果評價

3.1 變速器整體模型

為評價油軌噴油的實際潤滑效果，需分析油軌在雙離合器自動變速器內的工作狀況及飛濺油液對噴油效果的影響，因而需建立圖6所示的雙離合器自動變速器結構的整體CFD計算模型。

圖6 雙離合器自動變速器結構

CFD計算模型建立的基本方法：首先對結構模型進行大量的幾何清理，抽取零件表面，然后形成由齒輪表面和箱體等構成的封閉容腔。

變速器工作時，齒輪的動力傳遞通過齒輪對的嚙合接觸實現，齒輪表面附著的油膜起潤滑和散熱作用。一對嚙合齒輪的CFD計算容易實現［7，10］，但對如此復雜規模的變速器，要描述多對齒輪對的嚙合過程是非常困難的。因此，本文采用切齒法以簡化計算模型，即在任何嚙合齒對中切除一個齒輪的齒形，如圖7所示。在變速器整體模型中，輸入軸（輸入1軸、2軸重合）上的主動齒輪同時要與輸出1軸、2軸的多對從動齒輪嚙合，為減小切齒給油液飛濺效果造成的影響，切除位于變速器油面之上的輸入軸主動齒輪的齒形，保留輸出1軸、2軸上從動齒輪的齒形。采用切齒法具有一定的局限性。嚙合齒對中一個齒輪的齒形被切掉，這導致無齒形齒輪表面上的油液流動情況與實際情況會有所差別，所以仿真結果具有一定的誤差。

圖7 嚙合齒對的簡化

幾何清理和簡化后的變速器的整體模型如圖8所示，變速器上部空間充滿空氣，下部空間充滿變速器油，油軌各出口的方向正對著輸出1軸上的不同齒輪和換擋同步器等，對這些工作零件進行相應的潤滑。各出口的噴油方向與嚙合方向同向，圖8中的箭頭為輸出1軸的旋轉方向，其他各工作零件的旋轉方向與之相對應。

圖8 變速器整體模型

3.2 整體模型CFD分析及油軌潤滑效果評價

對圖8所示的變速器整體模型進行四面體網格劃分，初始網格數目達到260萬，如圖9所示。仿真分析條件如下：工作溫度為20℃，重力沿z軸負方向，輸入軸轉速為1000r／min，工作擋位為1擋，油軌入口體積流量為4L／min，油液面位于主減速器齒輪中心面以下36.8mm處。由于齒輪處于旋轉狀態，因而采用RNGk－ε模型描述變速器油液的湍流運動［11］。齒輪的旋轉運動會使流體區域發生變化，這需要采用動網格技術進行模擬。通過動網格技術，使旋轉區域周圍網格在計算過程中不斷調整，從而保證網格質量，使計算得以順利進行［8］。雖然采用切齒法最大限度簡化了模型，但由于研究對象結構的復雜性，網格數量增加幅度較大，從而影響計算效率。

圖9 變速器整體網格模型

針對最關心的齒輪潤滑效果問題，圖10列出了t＝0.024s時，出口2、4、5、7的噴油情況。由圖10可知，各出口在油壓的作用下，都能形成噴射液柱并到達相應的齒輪表面，這一結果在變速器樣機試驗中也得到了確認。

圖11所示為t＝0.024s時，從變速器正面觀測到的變速器油液分布情況，油軌出口2、4、5、7噴出的油液清晰可見。由圖11可知，輸出2軸上的齒輪及主減速器齒輪甩起的油液并不會打斷油軌出口噴出的油液。圖12所示為同一時刻，出口2噴出油液與齒輪一起轉動的情形。由圖12可以看出，到達齒輪的噴射油液能夠克服齒輪旋轉產生的離心力，并同齒輪一起旋轉至嚙合處。

圖10 油軌各出口噴油效果

圖11 正面觀測到的變速器油液分布圖（油液體積分數）

歸納以上仿真分析結果，我們發現油軌噴出的油柱不受飛濺油液的影響，能夠順利到達相應齒輪，并與齒輪一同旋轉至嚙合點潤滑嚙合齒輪，說明了油軌強制噴油潤滑的有效性。

4 結論

本文運用ANSYS Fluent，對某型號雙離合器自動變速器油軌的噴油特性進行了仿真研究。由油軌單體的噴油效果仿真分析得到了油軌各出口油液的質量流量分布，以及油溫對質量流量分布的影響。由包含油軌的整個變速器CFD模型仿真分析，得到了油軌在變速器內部的噴油狀況及飛濺油液不會干擾油軌噴出油液的仿真結果，驗證了該款雙離合器自動變速器油軌噴油潤滑系統設計的合理性。研究結果說明了流體仿真分析可以在變速器潤滑設計評價中發揮重要作用。然而，齒輪嚙合部位的模型化方法顯然是制約仿真分析精度和影響仿真計算效率的重要因素，有待更深入地研究。

圖12 側面觀測到的變速器油液分布圖（油液體積分數）

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