汽車變速箱齒輪攪油潤滑的計算流體動力學分析

張小矛

汽車變速箱齒輪攪油扭矩損失對整車傳動效率及經濟性有重要影響。為研究齒輪攪油對變速箱潤滑及傳動效率的影響，對某型變速箱齒輪攪油潤滑過程進行仿真。采用計算流體動力學（CFD）方法旋轉動網格，結合流體體積函數（VOF）模型對齒輪攪油過程進行分析。結果顯示，轉速越高，齒輪攪油扭矩損失越大，且攪油損失的增長趨勢越明顯，潤滑油液位越低，齒輪攪油扭矩損失越小，但齒輪潤滑效果會變差。在開發過程中，應綜合考慮各方面影響，在保證潤滑效果的前提下，盡量降低攪油損失。

汽車變速器;潤滑分析;攪油扭矩損失

0?前言

作為汽車核心部件之一，汽車變速箱的傳動效率影響著整車動力性與油耗。齒輪攪油損失，即齒輪在潤滑油中旋轉受到阻力所產生的功率損失，占齒輪傳動總功率損耗的重要部分，尤其是在發動機高速低負荷狀態[1]。因此，研究變速箱潤滑與攪油損失的內在規律，掌握不同影響因素對攪油扭矩損失的影響，如齒輪轉速、浸油深度等，對產品開發有著重要意義。

目前，在變速箱開發過程中，國內外各企業通常依賴于試驗驗證。1種做法是建立全透明殼體試驗臺或者某個斷面采用透明設計，觀測在不同工況下潤滑油的流動狀態及分布情況。C.Changenet等人通過搭建試驗臺，研究了單個齒輪攪油損失及齒輪轉動時內部流動分布情況，研究了潤滑油溫度、齒輪轉速、齒輪幾何形狀、齒輪浸油深度等變量對攪油扭矩損失的影響，并通過結果建立相應的經驗公式[2]。該做法只能進行定性評估，無法進行數值量化評估，精度不高，可重復性差，并且試驗需要花費大量的時間和開發費用。相對而言，仿真方法可以在設計早期進行探索，加快開發進度。

變速箱在運行過程中不僅存在齒輪的嚙合，而且存在多相流問題，在計算上存在一定的難度。目前有2種較為常見的計算方法，一種是計算流體動力學（CFD）方法，將齒輪所在區域設為旋轉區域，在該區域使用旋轉動網格，通過接口與靜止區域連接。C.Kodela等人在2015年SAE技術論壇上發表的試驗模擬，與實際結果較好的吻合[3]。H.Liu等人在2017年研究的單級齒輪箱內潤滑油分布和攪油損失，結果與試驗呈現出較高的一致性[4];另1種做法是采用粒子流軟件對齒輪攪油過程進行分析，如文獻[5]的工作。

本文使用CFD方法，在STAR-CCM+軟件中，建立變速箱齒輪攪油的完整模型，評估不同旋轉速度、不同浸油深度對齒輪攪油扭矩損失的影響，以及齒輪潤滑情況，為變速箱開發提供參考。

1?模型建立及數值仿真

如圖1所示，本文以某無級變速箱（CVT）為研究對象，計算模型與實際狀態尺寸一致。

1.1?數值計算方法

在本文的數值計算中，忽略主動潤滑對整體計算的影響。由于齒輪存在嚙合現象，在運動過程中，采用縮齒法對部分齒輪特征進行簡化。具體做法如下：對變速箱潤滑油流動特征影響較大的主要齒輪保留原始特征（例如浸沒在油液中），對飛濺潤滑起主要作用的差速器輸入軸大齒輪;與該齒輪嚙合的小齒輪采用縮齒法，即按比例徑向縮小。變速箱的其他部分數模可以在ANSA中進行簡化后，使用STAR-CCM+進行包面處理。

在運動部件所在區域，如齒輪等，建立單獨區域，使用旋轉動網格模擬齒輪運動，通過接口與變速箱的主區域連接，進行數據交換。

計算采用流體體積函數（VOF）多相流模型來模擬潤滑油和空氣的運動。在不考慮攪油過程中流體溫度變化的情況下，將空氣與潤滑油均設為恒密度流體。潤滑油材料特性參數如表1所示。

1.2?計算工況

本文主要研究齒輪旋轉速度、齒輪浸油深度對齒輪攪油扭矩損失，以及齒輪潤滑效果的影響。具體試驗工況如表2所示，列出了差速器輸入軸齒輪轉速，其他齒輪轉速根據速比對應換算。圖2代表不同浸油深度的示意圖，從左到右浸油深度分別為h1=0.105 m，h2=0.070 m，h3=0.045 m。

2?計算結果與分析

2.1?變速箱潤滑油瞬態流動形貌分析

圖3為工況5變速箱齒輪攪油瞬態流動特征分析。從圖3可以看出，飛濺現象極為明顯，隨著差速器輸入軸大齒輪的順時針旋轉，潤滑油從變速箱左下側飛濺至空中，完成齒輪潤滑，再經由慣性和重力作用回到變速箱下部，流動狀態良好。

2.2?差速器輸入軸齒輪轉速的影響

本文研究了齒輪轉速對攪油扭矩損失的影響。圖4為差速器輸入軸齒輪轉速在200 r/min、500 r/min、1 000 r/min和1 500 r/min時，差速器輸入軸齒輪的攪油扭矩損失對比。結果顯示，隨著齒輪轉速的提高，攪油扭矩損失不斷增加。轉速由200 r/min提升至1 000 r/min時，扭矩損失由0.14 N·m增加至1.00N·m，提高了6倍以上，且隨著轉速的進一步增加，扭矩損失的增長趨勢變得更明顯。

2.3?不同浸油深度的影響

圖5為浸油深度為h1、h2、h3時，差速器輸入軸齒輪的攪油扭矩損失對比。結果顯示：隨著齒輪浸油深度的增加，齒輪攪油扭矩損失不斷提升。在浸油深度增加至70 mm后，差速器輸入軸齒輪的攪油扭矩損失由0.31 N·m增加至1.00 N·m。在設計中，為了保證傳動效率，建議合理控制變速箱油量加注。

2.4?不同浸油深度齒面潤滑分析

如圖6所示，浸油深度為h1、h2、h3時，差速器輸入軸齒輪表面油量分布對比。當浸油深度為h1時，齒面潤滑狀態較好;當油量下降至h3時，齒面油量分布較少，存在潛在潤滑風險。

綜合扭矩損失及齒輪潤滑2方面因素，建議浸油深度采用h2，在保證潤滑前提下，盡可能降低攪油扭矩損失，提高傳動效率。

3?結論

本文采用動網格結合VOF的方法，進行了變速箱攪油潤滑瞬態CFD仿真，結論如下：

（1）隨著齒輪轉速的提高，攪油扭矩損失不斷增加，并且隨著轉速而進一步增加，扭矩損失的增長趨勢變得更明顯。

（2）隨著齒輪浸油深度的增加，齒輪攪油扭矩損失不斷提升。在設計中，為保證傳動效率，建議合理控制變速箱油量加注過程。

（3）浸油深度為h3時，齒面油量分布較少，存在潛在的潤滑缺失風險。綜合扭矩損失及齒輪潤滑2方面因素，建議浸油深度采用h2。

綜上所述，齒輪轉速，齒輪浸油深度決定了齒輪攪油扭矩損失的大小及齒輪潤滑狀態，進一步決定了變速箱傳動效率以及耐久性。建議在開發過程中，綜合考慮各方面影響，在保證潤滑效果前提下，盡量降低攪油損失。

[1]劉驕. 齒輪副攪油損失仿真分析及實驗研究[D]. 重慶理工大學， 2019.

[2]CHANGENET C， VELEX P. Housing influence on churning losses in geared transmissions[C]. Proc IDETC/CIE， 2007， 130（6）：681-688.

[3]KODELA C， KRAETSCHMER M， BASA S. Churning loss estimation for manual transmission gear box using CFD[J]. SAE Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems， 2015， 8（1）.

[4]LIU H， JURKSCHAT T， LOHNER T， et al. Determination of oil distribution and churning power loss of gearboxes by finite volume CFD method[J]. Tribology International， 2017， 109：346-354.

[5]BHUPINDER S， VED P C， et al. CFD simulation of transmission for lubrication oil flow validation and churning loss reduction[J]. SAE International Journal of Commercial Vehicles， 2020.