汽車后橋準雙曲面齒輪攪油損失數值模擬及其減阻研究

摘要：整車經濟性是商用車產品競爭力的重要評價指標，后橋傳遞效率是整車經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，提高經濟性。基于此，以下對汽車后橋準雙曲面齒輪攪油損失數值模擬及其減阻進行了探討，以供參考。

關鍵詞：汽車后橋準雙曲面齒;輪攪油損失數值模擬;減阻研究

引言

經濟社會的快速發展為人們追求更高生活品質提供了物質保障，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量多，結構復雜，將幾何模型進行了一定簡化，忽略后橋結構中與潤滑油無直接關聯的零件，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構。抽取后橋內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、后橋內腔。

2汽車后橋準雙曲面齒輪攪油損失數值模擬及其減阻研究

2.1結構改進

準雙曲面齒輪輪齒攪油功率損失屬齒輪固有特性，不宜更改齒輪結構以減弱輪齒攪油阻力。基于邊界層理論對圓盤攪油阻力進行了分析，研究表明，當旋轉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構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，用于聯通擋油板兩側不同區域潤滑油以保證散熱。

2.2網格劃分及空間離散

利用HyperMesh13.0建立網格模型。由于后橋被動錐齒輪結構復雜且存在動網格邊界，為了使網格更適應模型，采用非結構四面體網格單元，并在被動錐齒輪及差速器殼處進行網格局部細化，流體域初始網格單元總數為1366404。為定義邊界條件，需對網格模型邊界進行分組。采用PISO算法求解連續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值計算結果。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，文中對轉速為887r/min工況下改進前后準雙曲面齒輪兩側流場特性進行了分析，探究阻力矩減少機理。

2.4后橋內部流場分布

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，其分布隨時間呈現不同的規律。被動錐齒輪以133rpm順時針旋轉時，不同時刻（t=0.1s、0.2s、0.3s、0.4s）后橋內部潤滑油分布規律。由圖可知，t=0.1s時，被齒約轉過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，最終達到一個動態相對穩定的狀態。

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速有關。工程上對于攪油損失的計算大多數依賴于實驗經驗公式。

2.6液體粒子參數設置

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。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，為保證仿真結果的有效性與觀測良好性，需要確定粒子生成數目應在100萬～150萬之間。因此在一定空間的箱體內確保粒子生成數目，則需要相應改變粒子體積，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。試驗設置在90±10℃環境下進行，輸入轉速設置為中等偏高轉速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。因此總體觀察可發現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。

結束語

去除螺栓結構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;改進結構可在較寬轉速范圍內顯著降低準雙曲面齒輪攪油阻力矩，且隨著轉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有限公司，郵編 230051，學歷 本科，研究方向 試驗驗證。