汽車動力耦合裝置錐齒輪潤滑仿真分析★

李 健，黃愛維，陶麗娟，郁 成，王 妍

（南通理工學院，江蘇 南通 226002）

引言

汽車零部件的磨損問題一直是影響整車使用壽命的關鍵因素。目前，潤滑油已具備可靠的高低溫性能、良好的抗氧化性和防腐特性。在混合動力汽車中，動力耦合裝置是動力分配的核心部件之一，主要作用是實現發動機、電動機和發電機三者之間的動力匹配，錐齒輪通過旋轉，帶動殼體底部的潤滑油有效覆蓋到傳動部件，完成相關部件的潤滑。

孔龍等[1]在開發動力耦合裝置技術的研究中，提供了一種動態接觸分析方法。使用Abaqus分析軟件，利用齒輪的動態相互作用，對比兩個齒輪之間的動態接觸結果，分析了不同油深和轉速下潤滑流場的特性。張文濤[2]等利用數值分析方法，建立流固耦合模型，研究不同油膜厚度對曲軸止推片潤滑能力的影響規律。結果表明：油膜的壓力場、溫度場、壁面切應力的峰值隨油膜厚度的增加而降低，隨轉速的增加而上升。本文對動力耦合裝置中的錐齒輪進行有限元建模，分析在1 000 r/min工況下的潤滑情況，對錐齒輪的油液分布進行仿真分析，從而為潤滑系統的設計提供參考。

1 動力耦合裝置

混聯式混合動力汽車相比其他形式的混合動力汽車有明顯的優勢，動力耦合裝置可實現發動機、電動機和發電機三者動力源的有效耦合。差速器式動力耦合裝置因其構型簡單、可靠性高等優點得到了重視。基本原理是：發動機動力輸入經轉換裝置傳遞到動力耦合裝置的殼體，同時耦合裝置殼體與行星軸固連，將動力傳輸到行星軸。耦合裝置左半太陽輪連接發電機，耦合裝置右半太陽輪通過離合器或其他動力部件連接至電動機，動力耦合裝置輸出功率與電動機功率耦合后，能有效驅動車輛行駛[3]。

2 模型建立

利用三維軟件CATIA構建錐齒輪相關模型，確定殼體的上底面半徑為32 mm，下底面半徑為24 mm，并進行簡化設計，模型如圖1所示。錐齒輪與殼體之間的流體為潤滑油和空氣兩相流體，潤滑油密度為844 kg/m3，空氣密度為1.293 kg/m3，設定錐齒輪轉速為1 000 r/min。

圖1 錐齒輪潤滑裝置模型

3 網格劃分

錐齒輪旋轉運動使錐齒輪周圍的油液不斷變化，因此，必須采用動網格相關技術（彈性光順法和局部網格重構法）進行求解。錐齒輪轉動時，有些邊角的網格質量會遭到破壞，需要進行網格重構，否則計算一般難以收斂。采用局部網格重構法對動網格重新劃分，以提高網格質量，保證計算順利進行。

網格模式分為結構化網格模式和非結構化網格模式。結構化網格為整齊的網格、二維四邊形、三維六面體、數量較少但質量要求高。其整體質量相對較高，計算精確度更高。非結構網格模式為不均勻網格、2D—三角形、3D—非六面體、網格數量多、區域適應能力強、質量相對較低。網格劃分的重點是在保持網格獨立性的前提下，平衡網格的質量和數量。在Fluent中分割網格前要處理好幾何文件，刪除小間隙。使用六面體網格過程中盡可能使用較少的單元數量進行求解。在詳細分析求解精確度相同的時候，六面體網格節點數比四面體網格的節點數少一半。各向異性單元和一對任意幾何邊界能夠相匹配，但六面體網格要形成有效的網格需要諸多步驟[4]。最終劃分的網格如圖2所示。

圖2 網格劃分

4 設置物理模型和材料

1）設置求解器類型，本文選用pressure-based求解器類型，求解瞬態流動，設定重力加速度大小為9.81 m/s2。

2）選擇湍流模型，在model中選擇k-epsilon（2eqn），k-epsilo Model中選擇Realizable，其余采取默認設置，如圖3所示。

圖3 模型設定

3）設置流體材料。在domain中里面找到setup，打開water-liquid，間隙中的流體為潤滑油和空氣兩相流體，潤滑油密度為844 kg/m3，黏性系數為0.025 kg/（m·s）；空氣密度為1.293 kg/m3，黏性系數為1.79×10-5kg/（m·s）。相關的材料設置如圖4、圖5所示。

圖4 材料參數設置

圖5 材料參數設置

5 錐齒輪與止推片油氣分布分析

設置好相關參數后，進行潤滑過程仿真。不同時刻齒輪與止推片內部的油氣分布情況，如圖6所示。

由圖6-1可知，錐齒輪近乎一半浸入潤滑油中，隨著錐齒輪旋轉，油液跟隨齒輪慢慢轉動。如圖6-2所示，油液逐步濺入第二個輪齒。如圖6-3所示，油液開始飛速靠近頂端位置。如圖6-4所示，潤滑油液到達整個齒輪的頂端。在0.006～0.024 s這段時間，油液在錐齒輪的攪動下沿著齒輪呈周向分布，在不同時間段內潤滑油分布差異較大，可模擬出潤滑油的潤滑過程。

圖6 不同時刻潤滑油液分布情況

6 結語

動力耦合系統作為混合動力汽車的動力匹配裝置，可以實現汽車能量的有效分配，齒輪潤滑對耦合裝置的使用壽命影響較大，故對其進行仿真分析。首先對錐齒輪、止推片和殼體進行建模，利用Fluent軟件對耦合裝置中的油、氣混合物進行網格劃分，并設置相應的邊界條件，完成錐齒輪潤滑仿真參數的設定。模擬錐齒輪旋轉后的潤滑情況，可為潤滑系統的優化設計提供參考。