基于CFD的變速器噴油管流場仿真分析

史銘，齊盛杰，劉彥甫

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

基于CFD的變速器噴油管流場仿真分析

史銘，齊盛杰，劉彥甫

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

利用計算流體動力學（CFD）技術對自動變速器噴油管內部流場進行仿真分析，通過建立合理的物理模型，得出了管內壓力分布云圖、速度矢量圖、各個出口流量分布等。仿真結果與試驗結果誤差在10%左右，為噴油管的設計、優化提供了依據。

CFD技術；噴油管；流場；仿真分析

0　引言

DCT以其擁有手動變速器的靈活性和自動變速器的舒適性，并能提供無間斷動力輸出的巨大優勢，成為各大車企研發的熱點。為保證DCT使用性能，齒輪多采用強制潤滑方式，噴油管設計是否合理將直接影響齒輪潤滑效果，最終影響整箱性能。目前噴油管設計開發技術手段并不成熟，CFD技術雖可完成模型的仿真分析，但因缺少試驗數據支持，模型選擇、參數設置存在一定偏差，仿真結果可信度仍需進一步提升。文中通過對噴油管模型進行仿真分析，并進行試驗測試，得到了較為理想的仿真模型，對后期噴油管的設計、優化有重要參考意義。

DCT噴油管出口分別指向不同的嚙合齒輪，不同擋位下齒輪承載扭矩不同，發熱量也各不相同，因此需要噴油管對潤滑油流量進行分配，按零件散熱需求噴射油量，達到理想的潤滑效果，從而達到精益設計的目的。

1　噴油管結構及數學模型

1.1分析條件

以某自動變速器噴油管為例進行內流場仿真分析，其中流體計算簡化為穩態不可壓縮的湍流流動，潤滑油黏度為4.35 mPa·s，密度為777 kg/m3，不考慮重力影響，計算中管道內部無傳熱現象。

1.2噴油管模型

運用三維建模軟件CATIA對噴油管進行建模，如圖1所示。應用流體分析軟件對噴油管內壁面進行提取，生成流體區域。由于管道比較復雜，采用非結構網格對流道模型進行劃分，并在壁面處設置膨脹層，網格單元約250 000個，網格模型如圖2所示。

1.3湍流方程

噴油管內部為復雜的湍流流動，目前在工程計算中使用最廣泛的為k-ε模型。由于噴油管存在較多彎曲壁面，故采用RNG k-ε模型，同時在近壁面處理時選用scalable wall functions。在RNG k-ε模型中，計算k和ε解的方程如下所示：

1.4邊界條件及求解方程

模型計算區域邊界條件包括進出口壓力邊界和固定壁面邊界。根據實際工作狀態，計算不同壓差條件下各支管的體積流量，入口邊界條件為總壓，壓力分別為100、200、300、400 kPa，出口邊界條件為靜壓0，壁面邊界設定為絕熱、無滑移。

數值計算方法采用有限體積法中SIMPLEC法則，壓力項離散格式為標準離散格式，其余物理量（動量、湍動能等）均采用二階迎風離散格式。

2　仿真結果及分析

噴油管各出口流量設計目標如表1所示。

表1　出口流量比率設計目標

噴油管出口流量仿真結果如表2所示。

表2　流量比率仿真結果

續表2

通過對噴油管進行試驗測試，得到了相應的測試結果，圖3為噴油管噴油測試效果，圖4為仿真結果與測試結果的對比。

通過對比仿真結果與測試結果，仿真值與測試值誤差約為10%，模型仿真具有較高的準確性。

仿真分析云圖如圖5—8所示。

從圖5可看出：主管路壓力基本一致，不會造成不同支路間分流差異過大，有利于各個支路中壓力場的建立；但在支路與主管路連接處出現了局部低壓區，說明噴油管路的T型連接易造成局部壓力損失。從圖6可明顯看出：在支路與主管路附近出現了渦流現象，在渦流區內部，紊流加劇，主流與渦流區之間不斷有質點間的摩擦和碰撞，消耗了大量機械能。在后期優化時，應降低甚至避免渦流出現，降低管路局部壓力損失。

DCT噴油管各個出口到相應嚙合齒輪距離基本一致，從圖7可以看出：各個出口速度在10 m/s附近，速度差異不大，各個出口尺寸設計基本合理。

由圖8可看出：噴油管出口速度呈現同心圓分布，最高速度出現在圓心處，表明支路管路的湍流流動對潤滑油出射方向無明顯影響。在模型設計時，出射口正對著嚙合齒輪，潤滑油可按預期路線完成齒輪的強制潤滑。

3　結論

（1）通過CFD技術進行噴油管流場分析，可以較為準確地計算出噴油管出口流量分布特性，為工程設計提供了可靠的依據，明確了設計方向。

（2）通過噴油管內壓力、速度分布仿真，得到了噴油管結構對管內流體壓力、流場分布的影響，可通過仿真分析優化管路結構，降低管路局部壓力損失，提升產品設計能力。

（3）CFD仿真分析在實際工作中的應用，能有效縮短產品的開發周期，降低開發成本。

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Flow Field Simulation for Transmission Spray Bar Based on CFD

SHI Ming，QI Shengjie，LIU Yanfu
（R&D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Technical Center of Hebei，Baoding Hebei 071000，China）

Internal flow field simulation analysis for DCT's spray bar was made by using computational fluid dynamics（CFD）technology.Accurate simulation model was created，the results of internal pression distribution，speed vector diagram and flow distribution of each outlets were gotten.The error between simulation results and test results was controlled about 10%.The analysis can support the design and optimization of spray bar.

CFD technology；Spray bar；Flow field；Simulation analysis

2015-04-22

史銘（1985—），男，助理工程師，主要從事變速器結構及流體仿真分析研究。E-mail:shiming0312@126.com。