齿轮副搅油损失仿真分析及试验研究

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多功能齿轮搅油功率损耗实验装置及实验方法研究

多功能齿轮搅油功率损耗实验装置及实验方法研究
张
（１．江苏大学机械工程学院
佩ｌ－王
５１）
江苏镇江２１２０１３；２．盐城工学院机械学院
摘要：搅油损失在浸油润滑齿轮传动装置功耗中所占比重较大．是导致润滑失效的主要因素之一。为精确预测不同工况下齿轮的搅油损失，设计一种新型搅油功率损耗测量的多功能试验装置，并介绍针对不同齿形齿轮的搅油损失、圆盘与齿轮对搅油损失和非标准直齿轮的搅油损失的实验方法。该装置可用于不同齿形齿轮、非标准直齿轮的搅油损失试验研究，来考察齿轮尺寸变化或其他因素对搅油损失的影响；用于齿轮与圆盘的搅油实验，来推导出啮合区产生的搅油损失。
２０１７年６月
润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｊｕｎ．２０ｌ７
Ｖｏ１．４２Ｎｏ．６
第４２卷第６期
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４ — ０１５０．２０１７．０６．０２１
ＺＨＡＮＧＰｅｉ，ＷＡＮＧＢｉｎＺＨＯＵＹａｊｉｅ，
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＺｈｅｎｊｉａｎｇＪｉａｎｇｓｕ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＹａｎｃｈｅｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＹａｎｃｈｅｎｇＪｉａｎｇｓｕ２２４０５１，Ｃｈｉｎａ）

多功能齿轮搅油功率损耗实验装置及实验方法研究

多功能齿轮搅油功率损耗实验装置及实验方法研究张佩;王斌;周雅杰【摘要】搅油损失在浸油润滑齿轮传动装置功耗中所占比重较大,是导致润滑失效的主要因素之一.为精确预测不同工况下齿轮的搅油损失,设计一种新型搅油功率损耗测量的多功能试验装置,并介绍针对不同齿形齿轮的搅油损失、圆盘与齿轮对搅油损失和非标准直齿轮的搅油损失的实验方法.该装置可用于不同齿形齿轮、非标准直齿轮的搅油损失试验研究,来考察齿轮尺寸变化或其他因素对搅油损失的影响;用于齿轮与圆盘的搅油实验,来推导出啮合区产生的搅油损失.%Churning power losses account for a larger proportion of power consumption in dip-lubricated transmission gears,which is one of the main factors leading to lubrication failure.In order to forecast churning power losses for the gears immersed in lubricating oil in variety of work situations,a new multi-function gear box churning torque loss tester was designed,and the experimental methods for different churning power loss experiments were introduced,including churning power loss experiment of different tooth profile gears,churning power loss experiment of gears and discs,churning power loss experiment of non-standard spur gears.The tester could be used to study the influence to churning power losses by changing the gear size change or other factors by the churning power loss experiment of different tooth profile gears and non-standard spur gears,to investigate the churning power losses in the meshing zone by the churning power loss experiment of gears and discs.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2017(042)006【总页数】6页(P102-106,112)【关键词】搅油损失;齿轮箱;润滑油;齿隙搅油【作者】张佩;王斌;周雅杰【作者单位】江苏大学机械工程学院江苏镇江212013;盐城工学院机械学院江苏盐城224051;盐城工学院机械学院江苏盐城224051;江苏大学机械工程学院江苏镇江212013;盐城工学院机械学院江苏盐城224051【正文语种】中文【中图分类】TH117.2由于不断上涨的燃油价格和对可持续发展策略的实施以及燃料对环境的污染影响等因素，动力传动效率在运输、航空航天以及能源产业等行业越来越受到关注，变/减速箱功率损失已成为动力传动系统重点研究的内容之一[1-2]。

基于CFD方法的轮毂电驱动行星齿轮搅油功率损失仿真与分析

2023年第47卷第11期Journal of Mechanical Transmission基于CFD方法的轮毂电驱动行星齿轮搅油功率损失仿真与分析唐沛1王乐1任少英2李山山2（1 中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，北京100072）（2 河北科技大学车辆工程系，河北石家庄050091）摘要轮毂电驱动技术的研究是未来新能源驱动体系研究的重要方向。

随着轮毂电驱动对转速的要求越来越高，搅油功率损失成为不可忽略的部分，甚至高达功率总损失的50%~80%。

现有的计算搅油损失的方法主要是采用简单的经验公式，无法适用于复杂的行星齿轮传动。

为此，采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件与C语言用户自定义函数（User Defined Function，UDF）对两级行星齿轮传动飞溅润滑进行联合仿真，实现了油-气两相瞬态流场可视化；通过提取表面的压力和黏性力，得到了太阳轮、行星轮及行星架的搅油损失；对25种工况进行仿真与分析，得到了搅油功率损失随转速和浸油深度的变化趋势。

结果表明，搅油功率损失随转速和浸油深度的增加而增大，且无明显的拐点，实现最小搅油损失应当在保证充分润滑的前提下取最小的浸油深度。

关键词行星齿轮搅油损失计算流体力学瞬态流场可视化用户自定义函数联合仿真Simulation and Analysis of Oil Churning Power Loss in Electric Drive PlanetaryGears Based on the CFD MethodTang Pei1Wang Le1Ren Shaoying2Li Shanshan2（1 State Key Laboratory of Vehicle Transmission, China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China）（2 Department of Vehicle Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050091, China）Abstract The research on electric drive wheel technology is an important direction of the research on the new energy drive system in the future. With the increasing requirements of the electric drive wheel on the speed, the oil churning power loss has become a non-negligible part, even up to 50%-80% of the total power loss. The existing calculation method of churning loss mainly adopts simple empirical formula, which cannot be applied to complex planetary gear transmission. The splash lubrication of the two-stage planetary gear drive is simulated by computational fluid dynamics (CFD) software and C language user defined function (UDF), and the visualiza⁃tion of oil gas two-phase transient flow field is realized; by extracting the surface pressure and the viscous force, the churning loss of the sun gears, planet gears and planet carriers are obtained; the simulation and analysis of the 25 working conditions show that the churning loss varies with the immersion depth and speed; the results show that the oil churning power loss increases with the oil immersion depth and the speed, and there is no obvi⁃ous inflection point. To achieve the minimum oil stirring loss, the minimum oil immersion depth should be taken on the premise of ensuring full lubrication.Key words Planetary gear　Oil churning loss　CFD　Fluid field transient visualization　UDF　Joint simulation0 引言轮毂电驱动大多采用行星齿轮传动的结构形式，其具有质量轻、效率高、运行平稳等诸多优点。

齿轮故障动力学仿真matlab-概述说明以及解释

齿轮故障动力学仿真matlab-概述说明以及解释1.引言1.1 概述齿轮是机械传动中常用的零部件，其在各种机械设备中起着至关重要的作用。

然而，由于工作环境的恶劣以及长期使用的磨损，齿轮可能出现故障，导致机械设备的性能下降甚至损坏。

为了更好地理解齿轮故障的动力学特性，可以通过仿真技术来模拟和分析齿轮系统的运行状态，并及时发现潜在的故障点。

本文将介绍齿轮故障动力学仿真在MATLAB中的应用，通过分析齿轮系统的动态特性，探讨不同故障模式对系统性能的影响，从而为齿轮故障诊断和预防提供有益的参考。

通过本文的研究，我们希望能够加深对齿轮故障动力学的理解，提高齿轮系统的可靠性和安全性。

1.2 文章结构文章结构部分的内容如下：文章结构包括以下几个部分：1. 引言：介绍文章的背景和研究意义，引出文章的主题和研究内容。

2. 正文：分为两个部分，分别是齿轮故障动力学简介和MATLAB在齿轮故障动力学仿真中的应用。

在齿轮故障动力学简介部分，将介绍齿轮故障动力学的基本概念和原理，为读者提供必要的背景知识。

在MATLAB 在齿轮故障动力学仿真中的应用部分，将详细介绍MATLAB在该领域的具体应用及其优势。

3. 结论：总结文章的主要内容和研究成果，对研究进行评价和展望未来的研究方向。

通过以上部分的内容安排，读者可以清晰地了解整篇文章的主要结构和内容安排，帮助他们更好地理解和阅读文章。

1.3 目的本文的主要目的在于探讨利用MATLAB进行齿轮故障动力学仿真的方法和技术。

通过对齿轮系统中可能出现的不同故障情况进行建模和仿真，我们可以更好地理解齿轮系统的运行机理，并且能够快速有效地诊断和解决齿轮故障问题。

同时，本文也旨在为工程师和研究人员提供一个基于MATLAB的齿轮故障动力学仿真平台，帮助他们更好地分析和优化齿轮系统的性能，推动齿轮传动技术的发展和应用。

通过本文的研究，我们希望能够为齿轮系统的设计、运行和维护提供更加有效的工程解决方案，提高齿轮系统的可靠性和稳定性。

采煤机摇臂齿轮传动系统搅油损失的研究

齿轮搅油损失的计算涉及很多个参数，其中润滑油因数 fg 是其中一个比较重要的参数，并且与齿轮件运行过程中所浸油的深度有关。
当齿轮件运行过程中没有润滑油时，fg=0；当齿轮件完全浸在油中时，fg=1；当齿轮件只有一部分浸在油中时，fg 为 0～1 之间的数，利用线性插值进行计算，如当齿轮件仅有一半浸入油中时，fg=0.5[3]。
采煤机截割传动系统中搅油损失全部变为热能量，并且大部分被润滑油吸收，因此搅油损失越大，润滑油温度也越高。而润滑系统通过油池润滑的方
收稿日期：2019-05-05 作者简介：张朋州（1986—），男，毕业于河南理工大学电气工
程及其自动化专业，助理工程师。
摇臂
截割滚筒
行星减速系统长链齿轮系统截割电机
总第 197 期 2019 年第9 期
机械分析与设计
机械管理开发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT
Total 197 No.9，2019
DOI:10.16525/14-1134/th.2019.09.074
采煤机摇臂齿轮传动系统搅油损失的研究
mm，b0=10 mm，vt0=10 m/s 为参考值，A G 为齿轮减速
箱暴露在外的面积，m2；UM 为齿轮减速箱体内壁的
周长，m[5]。
利用 MATLAB/SIMULINK 软件，计算得出了第
一级小齿轮浸油深度为 80 mm 时，两种方法下的采
煤机截割齿轮传动系统的搅油损失，具体的变化趋
势如图 3 所示。
都随着增大；当初始浸油深度增加时，搅油损失也有小幅度增加。该研究对于有效降低截割传动系统的功率损
耗，以及系统可靠性和煤矿的：采煤机齿轮搅油损失
中图分类号：TD421.6+1

工业齿轮箱功率损失分析

工业齿轮箱功率损失分析摘要：齿轮的传动效率直接关系到传动系统的功率损耗，进而影响到企业经济效益和社会环境效益，正日益得到设计制造和应用单位的重视。

尤其在当前环保压力的形势下，如何进一步降低功耗、提高传递效率更具现实意义。

关键词：齿轮箱功率损失1 工业齿轮箱功率损失计算影响因素1.1输入功率、转速对功率损失的影响齿轮副运行过程中，齿轮啮合误差、时变刚度、齿面摩擦等会引起齿轮系统的振动，从而引起动载荷，影响齿轮啮合的功率损失。

在不同输入功率和转速的条件下，齿轮的振动状况不同，有必要研究输入功率、转速对齿轮啮合功率损失的影响。

下面分析不同输入转速、不同功率百分比条件下齿轮箱的功率损失.1.1.1 滑动功率损失分析滑动损失的主要影响因素，在其他输入条件不变的情况下，滑动功率损失主要由摩擦因数和平均法向载荷决定。

随着输入功率的增加，齿轮啮合的摩擦因数逐渐增加，加上平均法向载荷的增加，齿轮摩擦加重，导致发热量急剧上升，所以滑动功率损失增加比较明显。

随着输入转速的增加，摩擦因数逐渐降低，滑动功率损失逐渐减小.随着功率的增加，齿轮啮合的滚动功率损失逐渐减小。

1.1.2 滚动功率损失分析滚动损失的主要影响因素，在其他输入条件不变的情况下，滚动功率损失主要由油膜厚度决定。

随着输入功率的增加，齿轮啮合油膜厚度减小；而随着转速增加，油膜厚度逐渐增加。

这是因为在功率增加，其他条件不变的情况下，平均法向载荷增加导致齿面间油膜厚度减小，从而造成滚动功率损失减小；而在转速增加其他条件不变的情况下，平均法向载荷减小导致齿面间油膜厚度增加，从而造成功率损失增加。

风阻损失只与齿轮的节圆直径、齿轮工作转速以及润滑液的黏度有关，而与输入功率无关。

随着转速增加，齿轮风阻损失增加，且大齿轮的风阻损失总量以及增加量均大于小齿轮.齿轮总功率损失随着输入功率的增加以及输入转速的增加而增加。

通过以上的分析可知，随着输入功率的增加，滑动损失增加，而滚动损失减小，风阻损失不变，总功率损失增加，表明滑动损失的影响大于滚动损失的影响；而随着转速增加，滑动损失减小，滚动损失增加，风阻损失增加，总功率损失增加，表明滚动损失与风阻损失的影响大于滑动损失影响。

基于CFD的齿轮箱搅油损失仿真优化及实验研究

基于CFD的齿轮箱搅油损失仿真优化及实验研究齿轮传动机构作为电动汽车减速器的主要组成部分,其传动效率是衡量齿轮传动功耗损失的重要技术指标,随着现代机械装置传动效率的提高,齿轮的搅油损失逐渐成为了传动损失的重要组成部分。

齿轮转动过程中,润滑油与齿面接触产生摩擦阻力,进而导致了热量堆积,加快了齿轮磨损,缩短了齿轮使用寿命。

因此,为齿轮机构提供较为完善的润滑系统是非常必要的。

通过实验方法虽然可以直接对齿轮搅油损失影响因素进行分析,但是其成本较大,且不能详细的分析内部润滑油流动情况。

随着CFD仿真技术的成熟,采用数值仿真方法,可以弥补实验方法的不足。

本文基于国内外减速器等传动装置的研究背景,重点对齿轮传动过程中搅油损失影响因素进行仿真分析和实验验证,从而实现齿轮传动节能。

具体研究内容如下:(1)针对浸油润滑状态下的齿轮传动工况,建立齿轮箱内流域数值仿真模型。

应用该模型分析了不同转速和转向下齿轮外圆面、啮合区油液的飞溅变化,以及啮合点处的压力变化规律,并计算出齿轮阻力矩及搅油损失。

(2)结合流体力学π定理以及减速箱浸油润滑工况,以齿轮转速、半径以及润滑油粘性系数作为3个基本物理量纲,以及齿高、油液体积等6个派生量纲,结合数值仿真确定各量纲的待定系数,最后通过量纲分析法推导出外啮合齿轮副搅油损失理论公式。

(3)搭建减速箱实验台架,通过实验测量不同转速、转向、浸油深度以及润滑油粘度的齿轮搅油损失,并与齿轮副搅油损失计算模型进行对比,验证仿真分析的可靠性。

结合正交实验法对齿轮转速、浸油深度以及润滑油粘度对齿轮搅油损失影响比重进行分析,从而实现了齿轮传动的优化节能。

综上所示,本论文主要内容包括仿真分析、公式推导、实验验证以及参数优化。

通过分析齿轮转速、转向、浸油深度以及润滑油粘度对齿轮搅油损失的影响,从而实现对减速箱的优化设计。

电动汽车轮边减速器齿轮搅油损失研究与分析

电动汽车轮边减速器齿轮搅油损失研究与分析轮边减速器作为电动汽车传动系统的重要组成部分,其功率损失是传动系统的一项重要技术指标,而轮边减速器齿轮搅油损失占传动系统功率损失的比重较大。

齿轮搅油损失是齿轮在油浴中旋转受到液体阻力所引起的功率损失,相关实验表明,高速状态下齿轮搅油损失约占齿轮传动总功耗的一半以上。

目前,关于齿轮搅油损失的文献很少,国内外学者的相关研究还仅仅是对单个齿轮或者圆盘的搅油损失进行研究。

因此,研究齿轮搅油损失并使之运用于轮边减速器上,具有重大意义。

本文主要对齿轮搅油损失进行理论研究与仿真分析,建立搅油损失的动态模型,用实验数据进行验证,并使之运用到轮边减速器上。

主要研究工作如下：首先,综述齿轮搅油损失的研究意义与国内外的研究现状。

介绍了搅油损失的研究方法,分析了齿轮搅油损失的影响因素,建立数学模型并对其进行仿真。

其次,基于国内外学者研究的理论模型,考虑温度对润滑油运动粘度的影响,添加粘温因子,建立齿轮搅油损失的动态模型。

运用MATLAB对动态模型进行仿真分析,以实验数据进行验证,得出动态模型的通用性较强的结论。

然后,基于FLUENT的动网格技术及VOF两相流模型对齿轮搅油损失进行流场分析,在不同转速下,得到齿轮搅油损失的瞬时动态、速度场和压力场。

随着齿轮转速的提高,润滑油所受到的速度和压力变大。

最后,将搅油损失理论计算模型运用到电动汽车轮边减速器上,选取参数,计算出轮边减速器浸油齿轮的搅油功耗。

运用FLUENT对浸油部分的齿轮进行物理仿真分析,并与理论计算值进行对
比,得出误差在可接受范围内的结论。

最后进行深刻的全文总结与展望。

基于UG的内啮合齿轮副的3种运动仿真分析

基于UG的内啮合齿轮副的3种运动仿真分析随着科技的快速发展，计算机技术在许多领域中都得到了广泛应用，内啮合齿运动仿真是一项复杂的工作。

以UG软件平台为基础，对内啮合齿轮副的运动仿真情况进行了重点分析，希望文中内容，对相关工作人员能够有所帮助。

标签：UG；内啮合齿轮；运动仿真0 引言运动仿真模块本身具有强大的动力学、静态、运动学分析能力，可以将其应用在构建运动机构模型模拟运动规律，跟踪零件运动轨迹中。

但是，在具体应用中，还存在许多问题，因此加强分析是必要的。

1 UG的优势目前，制造业在发展过程中，面临的一项最重大的挑战是需要不断进行技术创新，在生产制造过程中，如何在缩减产品成本的基础上，提高利润，并且能够为此平衡。

UG作为一款新数字化产品开发系统，在应用中可以通过过程驱动场频更新，从而使工程专业人员，在推动革新的基础下，创造更大的经济利润。

UG在为客户提供优秀的解决方案基础上，确保解决方案能够改善设计效率，降低成本，并且能够缩短产品进入市场的时间。

2 UG/MOTION运动仿真具体分析UG/MOTION运动仿真是构成UG/CAE中的一个关键构成部分，对其进行合理应用，能够实现对任何二维或三维机构进行复杂动力、运动学分析分析和仿真操作，并且从实际应用情况来看，也取得了不錯的效果。

具体实现步骤如下：（1）依据具体情况，构建一个合理的运行分析场景。

（2）构建运动模型，其中包括的主要内容有，各个零件连续杠杆的特点，杠杆之间的运动副以及机构荷载等多项内容[1]。

（3）设置运动参数，然后依据要求，将仿真数据模型提交给软件，与此同时需要做好仿真运动动画运动和输出过程中的合理控制，从而确定最终仿真的合理性与科学性。

（4）依据仿真结果数据相应的数据内容。

UG/MOTION运动仿真过程中，主要分为以下三个阶段：（1）前处理，该过程主要包括连杆创建、运动副、定义驱动等内容，每项内容对运动仿真结果都会造成直接影响，因此必须做好相应的分析工作。

变速箱搅油损失理论研究

2.1.1传统汽车变速箱的主要弊端
随着政府的大力支持，各种人力物力的投入，我国的电动汽车产业虽然起步晚，但是经过这几年的快速发展，已经初具模型。现阶段活跃的市场上的电动汽车，主要采用了行星齿轮减速器，配合轮毂电机，形成动力源—传递—动力输出的过程。
但是，轮毂电机和行星齿轮的配合存在许多的弊端：
①增大簧下质量和轮毂的转动惯量，对车辆的操控有所影响对于大部分的民用车辆来说，常常在悬挂系统上采用类似铝合金之类的轻金属，以达到提升悬挂的响应速度，减轻簧下质量的目的。但是，轮毂电机的结构设计却导致大部分的力作用在弹簧上，反而较大的增加了簧下质量，并且增大了轮毂的转动惯量。这一缺陷严重影响到电动车的操控性，且不适合在一些颠簸的道路上行驶。
2.2.1国外减速器研究现状
轮边减速器指传动系统之中最后一级减速增扭装置，采用轮边减速器可以满足在总传动比相同的情况之下，从而使变速器、传动轴、差速器、半轴等部件上受到的载荷变少，尺寸减小并且使驱动桥获得更大的离地间隙等优点，因而它就被广泛应用在电动汽车、载重货车、大型客车、越野汽车以及其他一些大型的工矿用车。因此在对轮边减速器的研究，是具有非常重要的实际意义和企业实用性。
2.2国内外研究现状
目前, 对齿廓表面啮合及轴承的摩擦损失研究较多,而在对齿轮的搅油损失在试验研究所涉及的各种相关报道，不仅是我国，就连国外都是很少（除了在对喷油润滑的齿轮传动系统有进行了研究之外,而且研究也都不是很全面，都是比较的片面，种种影响因素都是可能去研究其中的一方面，而且不全面，并且齿轮在工作时,润滑油在浸油润滑下的运行情况与在喷油润滑条下并不完全相同,所以在喷油润滑时的搅油损失的计算公式不能直接用于浸油润滑时的情况，所以也就不能完全的表现出搅油损失的具体内容）, 而且那些发表出来的大多数也还是主要局限于在理论方面的研究水平。

汽车主减速器齿轮搅油功率损失研究及优化设计

汽车主减速器齿轮搅油功率损失研究及优化设计主减速器作为汽车动力传递系统的关键部件,其传动效率的高低将直接影响整车的燃油经济性。

主减速器在工作过程中,产生功率损失的因素主要包括齿轮的啮合损失、轴承摩擦损失以及旋转部件的搅油损失。

一般来说,在齿轮传动系统中,齿轮啮合损失是造成功率损失的主要原因,但当系统处于低负载高转速的运转状态时,齿轮搅油损失便有可能占据主导地位。

因此,本文以后驱车主减速器为研究对象,研究其被动锥齿轮在运转过程中的搅油功率损失,分析被动锥齿轮搅油损失与各影响因素之间的关系以及搅油过程中的阻力构成,并对主减速器的相关结构及润滑油油路进行优化,从而降低搅油损失,提高传动效率。

研究过程如下:首先,对比分析历年来关于齿轮搅油损失的经典计算模型,选取其中较为准确的模型,分析其不足之处,针对这些不足进行相应的修正,提出了考虑温度影响的计算模型,并通过仿真分析和实验分析验证修正计算模型的正确性;其次,建立汽车后桥的三维模型以及主减速器被动锥齿轮搅油的流体仿真模型,基于FLUENT中的动网格技术和VOF两相流模型进行流体仿真分析,得到不同温度、不同转速以及不同浸油深度下被动锥齿轮搅油的速度场、压力场,并由此分析齿轮搅油功率损失与各影响因素之间的关系,验证修正模型的正确性;再次,研究主减速器被动锥齿轮搅油流场分布,分析其搅油过程中的流体阻力构成,对使润滑油产生紊流的结构进行优化设计以减小流体阻力,并对优化后的结构进行理论校核以及仿真校核;同时根据边界层理论优化被动锥齿轮搅油油路,以再次减少搅油损失。

对优化后的结构进行流体仿真分析,并与优化前流场作对比,以确定优化方案的可行性;最后,设计台架实验,通过实验结果验证修正后的理论模型以及建立的流体仿真模型的正确性;按优化方案制造出优化样件,将螺栓连接改为激光焊接并添加挡油板,再次进行实验,对比分析优化前后的实验结果,确定优化方案的优化效果,发现可以降低约34%的主减速器搅油损失;然后,对优化前后的后桥进行油耗测试实验,结果表明整车油耗降低了0.12L/100km,即提高了整车的燃油经济性。

精选-汽车自动变速器内部流体润滑仿真分析与开发实践

变速器润滑主要是根据各相关零部件的摩擦、磨损和动力传递效率状况来确定的。

润滑涉及变速器内部油道走向，各油路上的零部件结构形式，布置位置等，对变速器的整体布局影响较大。

同时变速器良好的润滑形式又是确保变速器正常运转、提高变速器使用寿命的必要条件之一。

因此开展变速器内部流体润滑仿真分析研究对变速器总体设计有着重要的工程意义。

1 简介变速器常用的润滑方式有飞溅润滑、油浴润滑和压力润滑[2]。

在齿轮传动润滑过程中，变速器润滑油属于非稳态、油-汽两相流，由于流动的复杂性，很难通过理论方法分析润滑油的瞬态流动过程。

目前大部分国内外变速器开发过程中润滑系统验证也主要是采用试验方式。

多采用如下2种方式：一是对变速器壳体相关部件采用透明强化塑料，在运转时观测润滑油的流向和大致情况，此种方法很难做到定量润滑分析；二是通过组装多台装载有色润滑油变速器，在各润滑工况下运转规定时间后，快速拆卸变速器箱体，查看变速器各齿，轴承，同步器等零件处的油量来评判润滑效果。

拆卸过程及时间、人为判断润滑油量，均对试验结果影响很大。

过程中也无法获取各零件润滑油量的具体数值且整个试验过程复杂且成本高。

相较而言，仿真分析能获取任何关键部位确切的油量数值且过程简单成本低，因此现在仿真分析成为评判润滑效果的越来越重要的手段之一。

本文以某一款双离合变速器为例，基于Ansa/Starccm+软件进行变速器总成数模的清理简化、网格划分、定义及求解过程，开展系统润滑仿真分析。

通过建立变速器内部系统润滑分析模型，应用CFD计算方法，获取了变速器容腔内润滑油的实时流动形貌，各运动零部件的润滑状况，润滑关键区域的油量曲线图，各齿轮的搅油功耗损失等，并结合理论计算的拖曳、齿轮、轴承、密封部件造成的效率损失，计算出变速器的理论传动效率。

从而直观评判变速器润滑效果及其变速器效率，为变速器润滑结构设计，提升效率设计及设计改型提供指导及其理论依据。

2 变速器总成润滑分析的理论模型2.1 控制方程变速器运行工况中，理论模型作如下假设或设定：（1）润滑油与水为两种互不相融流体间的交界面；（2）只考虑变速器壳体内部飞溅润滑及油浴润滑部分，不考虑外部油泵、管路及离合器部分；（3）不考虑变速器运行过程中的换热过程；（4）流体流动在壁面边界无滑移。

汽车变速箱齿轮搅油润滑的计算流体动力学分析

THESIS技in论坛汽车变速箱齿轮搅油润滑的计算流体动力学分析张小矛（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804）摘要：汽车变速箱齿轮搅油扭矩损失对整车传动效率及经济性有重要影响。

为研究齿轮搅油对变速箱润滑及传动效率的影响，对某型变速箱齿轮搅油润滑过程进行仿真。

采用计算流体动力学（CFD）方法旋转动网格，结合流体体积函数（VOF）模型对齿轮搅油过程进行分析。

结果显示，转速越高，齿轮搅油扭矩损失越大，且搅油损失的增长趋势越明显，润滑油液位越低，齿轮搅油扭矩损失越小，但齿轮润滑效果会变差。

在开发过程中，应综合考虑各方面影响，在保证润滑效果的前提下，尽量降低搅油损失。

关键词：汽车变速器；润滑分析；搅油扭矩损失0前言作为汽车核心部件之一，汽车变速箱的传动效率影响着整车动力性与油耗。

齿轮搅油损失，即齿轮在润滑油中旋转受到阻力所产生的功率损失，占齿轮传动总功率损耗的重要部分，尤其是在发动机高速低负荷状态工。

因此，研究变速箱润滑与搅油损失的内在规律,掌握不同影响因素对搅油扭矩损失的影响，如齿轮转速、浸油深度等，对产品开发有着重要意义。

目前，在变速箱开发过程中，国内外各企业通常依赖于试验验证。

1种做法是建立全透明壳体试验台或者某个断面采用透明设计，观测在不同工况下润滑油的流动状态及分布情况。

c.Changenet等人通过搭建试验台，研究了单个齿轮搅油损失及齿轮转动时内部流动分布情况，研究了润滑油温度、齿轮转速、齿轮几何形状、齿轮浸油深度等变量对搅油扭矩损失的影响，并通过结果建立相应的经验公式⑵。

该做法只能进行定性评估，无法进行数值量化评估，精度不高，可重复性差，并且试验需要花费大量的时间和开发费用。

相对而言，仿真方法可以在设计早期进行探索，加快开发进度。

变速箱在运行过程中不仅存在齿轮的啮合，而且存在多相流问题,在计算上存在一定的难度。

目前有2种较为常见的计算方法，一种是计算流体动力学（CFD）方法，将齿轮所在区域设为旋转区域，在该区域使用旋转动网格，通过接口与静止区域连接。

汽车变速器传动效率理论建模与实验测试

理论建模
汽车变速器传动效率受到多种因素的影响，包括变速器齿轮副的机械损失、润滑油粘性损失、轴承摩擦损失等。为了深入探讨这些因素对传动效率的影响，本次演示将建立汽车变速器传动效率的理论模型。
首先，我们需要对变速器齿轮副的机械损失进行建模。齿轮副的机械损失主要包括啮合摩擦损失和搅油损失。其中，啮合摩擦损失与齿轮表面的粗糙度、润滑油粘度、法向载荷和转速等因素有关；搅油损失则主要与润滑油粘度、齿轮表面粗糙度、齿轮转速以及齿轮副之间的间隙有关。通过综合考虑这些因素，可以建立齿轮副机械损失的数学模型。
将上述三个损失模型合并，即可得到汽车变速器传动效率的理论模型。该模型可用来预测不同工况下汽车变速器的传动效率，为后续的实验测试提供指导。
实验测试
为了验证上述理论模型的正确性，本次演示将进行汽车变速器的实验测试。首先，我们设计了一套实验测试系统，包括动力源、变速器试验台架、测功机和数据采集系统等。
通过对汽车变速器的NVH测试，我们发现存在以下问题：（1）变速器振动幅值较大；（2）噪声水平较高；（3）变速器壳体振动与车内噪声场存在耦合现象。针对这些问题，我们进行了深入分析，并找到了影响变速器NVH性能的关键因素。
为了改进汽车变速器的NVH性能，我们提出了以下方案：（1）优化变速器结构设计，降低振动源强度；（2）采用吸声材料和声学包装，降低噪声传播路径的衰减；（3）优化变速器与发动机的匹配，降低振动激励源。同时，我们对这些方案进行了评估和论证，确保其可行性和有效性。
在实验过程中，我们将汽车变速器置于恒温环境中，并采用不同挡位和转速进行测试。通过测功机测量输入和输出功率，并由数据采集系统记录各个挡位和转速下的传动效率。为了确保实验结果的准确性，我们进行了多次测试并取平均值。

试分析齿轮传动效率的相关影响因素

试分析齿轮传动效率的相关影响因素进行齿轮设计和制造中，必须保证齿轮工作的效率，否则在竞争中没有竞争力，达不到销售和占有市场的目的。

进行齿轮设计和加工中传动效率都是一个非常重要的指标，下面结合齿轮传动效率的计算公式，对齿轮设计中的润滑油、参数值、齿轮参数进行分析，在此基础上，输入相关数值对其进行加载验证，总结出影响齿轮传动效率的具体因素，同时制定出以后的控制策略，希望给有关人士一些借鉴。

标签：齿轮传动；工作效率；影响因素在工业领域齿轮是非常重要的元件，在各种机械设备中都得到了应用，企业在生产和设计中，必须对齿轮传动效率进行研究，当齿轮的传动效率较高时，在市场中占据优势，如果齿轮的传动效率低，不仅在市场中没有竞争力，而且也影响企业的发展，因此企业领导必须重视这方面的研究，投入一定的人力物力进行深入研究，对其设计、参数选定进行优化，下面就进行深入的分析。

1 对齿轮传动效率的分析在机械传功中齿轮传动是比较典型的传动方式，对于机械产品而言，这种传动装置也是非常重要的零部件，设计这种齿轮时通常会按照规定的标准进行，齿轮设计和加工比较符合使用寿命，达到理想的强度，但是在实际应用中，不仅要满足上述两点要求，还必须提高传动效率，因此就必须对影响传动效率的因素进行分析，做好传动效率设计参数的选择。

从当前的资料分析，在这方面的研究很少，因此可以借鉴的地方不多，在研究中必须进行加载试验，通过得到的数据进行统计分析，总结参数变化对传动效率产生的影响，进而在进行传统系统设计中，对各项参数予以优化，达到理想的设计效果[1]。

2 分析齿轮传动效率的相关影响因素在研究齿轮传动效率时必须先分析当前工业方面常用的齿轮情况，先分析使用的齿轮箱情况，齿轮箱也被称之为传动装置，工作方式属于硬齿面减速，具体参数如下：工作状态下的油温在30℃-70℃范围，传动比在1.25-500范围，除此之外，其输入转速在1000-1800|Ipm[2]范围。

基于DPM的燃油破碎性能仿真研究

0引言由于受到设计参数和运行工况等影响，直喷式喷嘴在横向空气流中的燃油破碎过程十分复杂。

了解其过程可以更好的理解燃油破碎过程动力学和燃油空气之间的相互作用[2]，以帮助在实际工程应用中或在相应燃油技术中建立燃油经济性、排放清洁性准则。

目前主要有两种方法研究燃油破碎过程，一是试验研究，如相位多普勒干涉法、激光多普勒测速法和高速影像法，用于捕捉液滴速度、测量流量速率及计算液滴平均直径（SMD ）；二是仿真研究，如大涡模拟方法、FLUENT 流量（VOF ）方法、CFX 及TransAT （2013）方法，研究了环境运行工况下、发动机运行工况下、高压环境下以及超音速横向空气流条件下的燃油破碎过程。

仿真研究具有良好的经济性，同时随着计算机技术的提高，仿真分析方法解决复杂湍流多相流问题的能力不断提高，该方法不断受到工程设计人员的重视与青睐。

本文研究了基于FLUENT DPM 的直喷式喷嘴在环境温度压力下横向空气流中的燃油破碎过程及性能，并通过与相同运行条件下的试验结果对比分析，确定该DPM 仿真分析方法是否可行。

1破碎性能参数在横向空气流中，燃油破碎过程包括两个初始破碎和二次破碎两个过程，见图1。

对于初始破碎过程，在低韦伯数[1-3]和低燃油空气动量流量比条件下，油柱破碎机制主导着油滴的形成；对于二次破碎过程，空气动力作用在液态油柱表面，由剪切力作用致使油滴从油柱表面撕裂[4]。

从初始破碎到二次破碎的过渡过程可能是由于压力或者速度增加造成[5]。

一种机制主导在另一种机制依赖于燃油空气动量流量比和韦伯数。

燃油喷嘴液态燃油破碎的主要性能可用油滴尺寸分布（包括SMD ）、液滴速度、湍流强度等参数来表示。

SMD 用于判断液滴雾化程度以及雾化均匀性。

SMD 数值较小，意味着雾化程度较高，油滴直径分布较为集中，以及具有较好的雾化一致性。

2仿真模型2.1模型简化由于燃油破碎过程受到设计参数和运行工况影响，液态燃油破碎过程十分复杂。

齿轮箱飞溅润滑流场分布和搅油力矩损失

DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.05.008齿轮箱飞溅润滑流场分布和搅油力矩损失刘桓龙1,2，谢迟新1,2，李大法1,2，王家为1,2(1. 先进驱动节能技术教育部工程研究中心，四川成都 610031；2. 西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)摘要：齿轮箱飞溅润滑具有齿轮旋转、两相流及流场分布复杂等特点，难以通过理论或实验进行研究；在计算流体动力学方法上，传统的网格法存在动网格处理困难、计算成本高的弊端.针对以上问题，提出运用移动粒子半隐式法(MPS)对齿轮箱飞溅润滑开展仿真分析. 在低转速时，设置不同润滑油型号和温度工况，发现润滑油流场分布情况与试验结果较一致. 在高转速时，设置不同的油温工况，发现相对光滑粒子流体动力学方法(SPH)，基于MPS 方法数值计算所得的齿轮搅油力矩损失准确度更高，能够准确预测力矩损失变化趋势，但力矩损失预测误差较大，须进一步改进和完善. MPS 方法严格保证了流体的不可压缩性，易于追踪捕捉大变形和强非线性化的自由液面，能够较好地分析预测齿轮箱飞溅润滑流场的分布效果.关键词：飞溅润滑；移动粒子半隐式法（MPS ）；流场分布；力矩损失；计算流体动力学（CFD ）中图分类号： U 273.1 文献标志码： A 文章编号： 1008−973X （2021）05−0875−12Flow field distribution of splash lubrication of gearbox andchurning gear torque lossLIU Huan-long 1,2, XIE Chi-xin 1,2, LI Da-fa 1,2, WANG Jia-wei 1,2(1. Engineering Research Center of Advanced Driving Energy-saving Technology , Ministry of Education , Chengdu 610031, China ;2. School of Mechanical Engineering , Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031, China )Abstract: Gearbox splash lubrication has the characteristics of gear rotation, two-phase flow and complex flow fielddistribution, which is difficult to study through theory or experiment. In terms of computational fluid dynamics, the traditional grid method has the disadvantages of difficulty in processing dynamic grids and high computational cost.In view of the above problems, the moving particle semi-implicit method (MPS) was used to carry out the simulation analysis of the gearbox splash lubrication. At low speeds, different lubricating oil models and temperature conditions were set, and it was found that the lubricating oil flow field distribution was in good agreement with the test results.At high speeds, different oil temperature conditions were set, and it was found that compared with the smooth particle hydrodynamics method (SPH), the accuracy of the gear churning torque loss obtained by the MPS method was higher. It can accurately predict the trend of torque loss, but the error of torque loss prediction is relatively large,and further improvement and perfection are needed. The MPS method strictly guarantees the incompressibility of the fluid. It is easy to track and capture the free surface with large deformation and strong non-linearity The MPS method can be used to analyze and predict the distribution of splash lubrication flow field of the gearbox well.Key words: splash lubrication; moving particle semi-implicit method (MPS); flow field distribution; torque loss; computational fluid dynamics (CFD)在齿轮箱工作过程中，齿轮齿面之间的相对滑动摩擦、齿轮与润滑油之间的摩擦均会产生大量热量，其润滑性能的好坏直接关系到传动系统的性能. 飞溅润滑是齿轮箱最常用的润滑方式，在飞溅润滑时，齿轮系统在工作过程中会产生啮合摩擦功率损失、风阻功率损失和搅油功率损失，其中，搅油功率损失约占上述总功率损失的30%[1]. 降低搅油功率损失可以显著减小齿轮箱的收稿日期：2020−04−28. 网址：/eng/article/2021/1008-973X/202105008.shtml 基金项目：四川省科技厅重点研发资助项目（2018GZ0450）.作者简介：刘桓龙（1977—），男，副教授，硕导，从事机电液一体化研究. /0000-0001-8796-7190. E-mail ：*****************第 55 卷第 5 期 2021 年 5 月浙江大学学报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science)Vol.55 No.5May 2021功率损失和发热量，提高齿轮箱的传动效率和使用寿命. 因此，对齿轮箱搅油功率损失的准确预算非常重要. 由于飞溅润滑具有非稳态、油气两相流和流场分布复杂等特点，较难通过理论或实验进行研究.近年来，随着计算机技术和数值分析方法的高速发展，计算流体动力学(computational fluid dy-namics，CFD)已经逐渐成为齿轮箱飞溅润滑研究的重要手段. 目前，针对齿轮箱飞溅润滑研究的主要方法为基于欧拉坐标系的有限体积法(finite volume method，FVM)和基于拉格朗日坐标系的无网格法. 前者为传统的研究方法，大量学者采用该方法进行研究；后者为新兴的研究手段，目前，较少有学者将该方法应用于齿轮箱飞溅润滑的研究. 在FVM法方面，Gorla等[2-3]通过实验验证基于FVM的CFD法用于预测齿轮箱搅油功率损失是有效可行的. Liu等[4-5]运用高速摄像机采集FZG空载试验台飞溅润滑流场照片，与FVM数值仿真结果进行对比，发现数值仿真结果与实验结果具有高度一致性，同时发现FVM法获取的搅油功率损失与实验值较吻合. 沈林等[6]对一对啮合齿轮空载时的搅油损失进行研究，分析齿轮转速、传动比和齿轮类型对搅油损失的影响. Hu 等[7-9]使用动网格技术，运用多相流模型和湍流模型对直升机中减速器模型进行仿真分析，实现了减速器内部流场的可视化，分析了齿轮浸油深度和转速对关键部位体积流量的影响，同时验证分析了中减速器内液位高度、齿轮转速、油温、直升机倾斜角等对搅油功率损失的影响. Hu等[10]发现动态运动的变速箱会对齿轮箱搅油损失和齿轮啮合区域供油量产生重大影响，甚至造成润滑不良风险. 在无网格法方面，主要通过光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics，SPH)法和移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit method，MPS)对齿轮箱飞溅润滑进行研究. Groen-enboom等[11]运用SPH法与有限元(finite element method，FEM)耦合的方法对涌浪、变速箱飞溅润滑和心血管进行研究，结果表明，SPH-FEM法在湍流和流固耦合模型上具有良好应用. 赵迁等[12]运用SPH法对4种工况下纯电动车减速器进行仿真分析，从整体上得到了齿轮箱飞溅润滑的可视化效果. Ji等[13]用SPH法研究3个液位高度和3个雷诺数一共9种工况下单对啮合齿轮搅油的油液流场分布情况，并定性分析齿轮箱内空化气泡的数量和大小. Liu等[14]运用SPH法研究单级齿轮箱飞溅润滑的油液分布和搅油损失情况，发现油液分布、搅油损失与实验结果存在较大误差.皮彪等[15]应用MPS法分析某重型汽车主减速器润滑系统，首次将MPS法成功应用到减速器润滑分析中，为润滑系统分析提供了新方法. 李晏等[16]将MPS法应用到单齿搅油损失研究中，通过公式拟合不同因素对搅油功率损失的影响，为齿轮搅油损失研究提供了新方法.综上可知，对于FVM法，众多学者主要集中在对FZG空载实验台模型进行数值仿真，研究试验台齿轮箱飞溅润滑流场分布和搅油损失情况.少量学者对小型工程应用的简单几何结构的齿轮箱进行分析. 可以看到，FVM法在齿轮箱飞溅润滑方面具有广泛应用，且具有较高的准确性. 然而FVM法在处理齿轮箱飞溅润滑这种强非线性变化的问题时仍存在较大困难，比如齿轮啮合处间隙小须进行齿面移动处理、啮合处网格划分困难、对计算机硬件要求高、计算速度缓慢等，对于几何结构复杂的大型工程问题，其往往难以处理.对于无网格法，SPH法对齿轮箱流场分布具有较好仿真效果，但对于搅油功率损失的预测效果有待提高. 有学者[15]初次将MPS方法应用到齿轮箱飞溅润滑流场模拟和搅油损失中，但模拟效果较差，搅油功率损失的准确性有待验证.本研究以FZG空载实验台模型为研究对象，运用MPS法对不同转速、不同润滑油型号和温度工况下齿轮箱飞溅润滑流场分布进行数值仿真，从细节上还原齿轮的搅油形态；通过与试验结果对比验证MPS法在齿轮箱流场分布形态上的准确性；分析对比高转速时不同油温工况下搅油力矩损失仿真值与实验值，验证其在搅油损失预测方面相对于SPH法的优越性. 为MPS法应用于齿轮箱的研究和开发提供了有效支撑.1 MPS数值法MPS法是Koshizuka[17]提出的与早期SPH方法基本思想类似的数值计算法，用于计算不可压缩流体的运动. 该方法利用具有位置和速度特性的有限数量的粒子代表流体，通过粒子法对流体进行整体模拟，是基于拉格朗日形式的无网格计算方法. 在MPS法中，每个计算步分为显式和隐式2步，对计算结果进行2次修正. 第1次对粒子876浙江大学学报（工学版）第 55 卷的速度和坐标进行显式修正，在通过求解压力泊松方程得到压力场后，对粒子进行第2次隐式修正，可以严格保证流体的不可压缩性. MPS 法通过核函数表达粒子之间的相互作用关系，使用梯度模型、拉普拉斯模型、粒子密度模型、粒子光滑模型等对控制方程进行离散. 由于该方法是无网格法，省去了繁杂的前处理和计算过程中网格的重构更新过程，且具有易于追踪捕捉大变形和强非线性化的自由液面优点，在大变形水力研究中获得广泛应用.1.1 控制方程对于连续不可压缩的牛顿流体，MPS 方法的基础控制方程为连续性方程和Navier-Stokes 方程，形式如下：u p υg ρt 式中：为速度，为压力，为运动黏性系数，为重力加速度，为流体密度，为时间.1.2 核函数w (r )w (r )在MPS 法中，通过梯度模型、拉普拉斯模型、粒子密度模型等各模型来离散控制方程，而这些模型则需要核函数来充当权重函数，用以表征粒子之间相互作用的强弱关系. 粒子之间相隔越近，核函数越大，相互作用越强；相隔越远，核函数越小，作用越弱. 选用核函数如下：r p r e 式中：为粒子之间的间距，为粒子的作用半径.1.3 梯度模型和Laplace 模型i j 在基于网格的Euler 法中，须对对流项连续插值从而容易导致数值扩散，而MPS 法用粒子相互作用的梯度模型和Laplace 来离散控制方程，无须离散N-S 方程的对流项，有效避免了数值扩散问题. 梯度模型用来离散一阶导数项，拉普拉斯模型用来离散二阶导数项[18]. 梯度模型是粒子和其作用域内所有邻域粒子的梯度向量的加权平均值[19]，示意图如图1所示，表达式如下：r i r j d n 0f 式中：、为粒子的坐标矢量，为求解问题的空间维数，为粒子数密度常数，为粒子物理参数.i基于非正常扩散，利用拉普拉斯模型将粒子的物理量根据邻域粒子的距离进行分配. 表达式如下：λ式中：为修正因子.1.4 粒子数密度和压力Poisson 方程n i i 在MPS 法中，通过保证粒子的密度数恒定来确保流体的不可压缩性，粒子数密度指粒子在核函数作用范围内，该粒子和其相邻粒子的函数值的叠加[18]，表达式如下：MPS 采用时间步积分法，数值计算就是迭代的预测和校正过程[18]. 在校正过程中须使用到压力Poisson 方程：∆t k 式中：为计算时间步长，为计算步数，n *为介于2个时间步的中间粒子密度.1.5 边界条件n ∗i <βn 0β∈[0.8,1.0]1.5.1 自由表面判别　在MPS 法中，将自由面粒子的压力设为零作为压力的边界条件. 因此，自由表面的确定对计算的准确性很重要. 根据流体的物理形态，自由表面外的粒子密度应小于流体内的粒子密度，则当时，粒子被认定为自由表面粒子，，本研究取0.97.1.5.2 边界处理办法　在模拟仿真时，须设置边界粒子以防止靠近边界的粒子穿越边界，由于该层边界粒子与流体粒子紧密接触，在实际计算中也图 1 MPS 法梯度模型示意图Fig.1 Schematic diagram of MPS gradient model第 5 期刘桓龙, 等：齿轮箱飞溅润滑流场分布和搅油力矩损失[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(5): 875–886.877会参与压力泊松方程的求解，具有压力值，所以称之为边界压力粒子. 为了避免自由表面的误判，一般情况下，在边界压力粒子之外，还须布置2层虚拟的边界非压力粒子. 因此，在仿真模型中边界均采用3层粒子的布置方法. 如图2所示.图 2 MPS 法边界粒子布置形式Fig.2 MPS boundary particle layout1.6 时间步长标准在仿真过程中，为了保证计算的稳定性，时间步长的确定须满足如下条件：∆t i C l 0u max d i υmax Cl 0/u max ∆t d i l 022(υ+υmax )式中：为初始时间步长，为克朗数，为粒子直径，为粒子最大速度，为扩散系数，为流体的动力黏度最大值. 保证满足Courant-Friedrichs-Lewy (CFL)条件[20]，保证黏度计算的稳定性.1.7 算法流程u i0r i 0n 0u i ∗r i ∗u i n +1r i n +1MPS 的每个计算步分为显示和隐式，是半隐式计算方法. 计算过程如下. 1）输入初始条件并对粒子进行初始化，得到粒子的速度初始值、位移初始值和初始粒子数密度；2）通过显示求解方法进行计算，得到在重力和黏滞力作用下粒子的速度估算值和位移估算值；3）通过隐式求解方法计算压力Piosson 方程和压力梯度项，以此修正粒子的速度和位置，得到下一时间步的速度和位置. 依照上面得到的速度和位置值继续向下循环计算，直至求解结束.2 实验平台与仿真设置由于实验条件限制，引用文献[4]采集的6张润滑油飞溅照片，建立与其相同的几何模型，设置相同的边界条件，运用MPS 进行数值仿真，将两者结果进行比较，验证MPS 法在飞溅润滑流场分布上的准确性. 引用文献[14]采集的6种工况的齿轮搅油损失力矩，建立与其相同的几何模型，设置相同的边界条件，运用MPS 进行数值仿真，将两者结果进行比较，研究MPS 法在搅油力矩损失预测上的准确性.2.1 实验平台m n a b αn β0z d a x 参考文献[4]，采用FZG 齿轮实验机. 采用闭环能量施加原理给精密实验齿轮提供所需载荷，主要由电机、伺服齿轮箱、扭矩测量离合器、透明测试齿轮箱、实验主从动齿轮等构成. 通过该试验机可以获得啮合齿轮的搅油功率损失. 为了获得高速润滑油飞溅照片，在齿轮箱前配备Photron 品牌下的 FASTCAM Mini AX200 型号高速摄像头，拍摄频率为5 000帧/s. 实验齿轮采用FZG C-PT 型齿轮，其几何参数如表1所示. 表中，为法向模数，为中心距，为齿宽，为压力角，为螺旋角，为齿数，为齿顶圆直径，为齿顶修正系数. FZG 齿轮实验机示意图如图3所示.表 1 FZG C-PT 型齿轮几何参数Tab.1 Geometric parameters of FZG C-PT gear参数m n /mm a /mm b /mm αn /(°)β0/(°)z /个d a /mmx主动轮 4.591.5142001682.450.182从动轮4.591.5142024118.350.1712.2 工况设置主要研究验证MPS 方法在齿轮箱飞溅润滑流场分布应用上的准确性，以及其在齿轮搅油力矩损失预算方面的正确性. 在飞溅润滑时，当齿轮在转速较低时，润滑油分布形态简单，易于捕捉和分析对比；在转速较高时，润滑油分布形态复杂，不易捕捉分析，但齿轮副的搅油功率损失较大，方便对其进行分析研究. 因此设置3种低转速、2种型号润滑油和2种油温共9种工况条件，用来分析不同转速和润滑油黏度下齿轮箱飞溅润滑流场的分布情况. 低转速工况具体参数如表2所示. 表中，−32.2 mm 表示齿轮中轴线下32.2 mm ，878浙江大学学报（工学版）第 55 卷n o θh n w γ为主动轮转速，为润滑油油温，为液位高度.设置2种高转速和3种油温一共6种工况用来分析齿轮的搅油功率损失，高转速工况具体参数如表3所示. 表中，为从动轮转速. 与文献[14]不同的是，本研究未考虑油温差异带来的初始液位高度的细微差异. 3种低转速分别为240、360、540 r/min ，对应的齿轮周向速度分别为0.9、1.4、2.1 m/s. 2种高转速分别为1 444、3 474 r/min ，对应的齿轮周向速度分别为8.3、20.0 m/s. 润滑油属性如表4所示. 表中，为运动黏度.2.3 数值仿真利用Particleworks 软件对模型进行油液单相数值仿真. 综合考虑计算机性能和仿真结果精度，经过粒子直径参数测试，将低转速工况粒子直径设置为0.8 mm ，高转速工况粒子直径设置为1.5 mm ，采用双精度条件求解. 在仿真过程中，考虑粒子受到的重力，重力加速度设置为9.8 m 2/s.为了保证仿真过程的稳定性，压力和黏度项均采用隐式算法. 液体的表面张力采用Potential 模型.由于在飞溅润滑过程中，润滑油运动形态剧烈复杂，采用大涡模拟法(LES)湍流模型. 仿真的初始时间步长设置为5×10−5 s ，Courant 数设置为0.2，满足CFL 条件. 粒子自由表面判断系数取0.97.MPS 法在处理齿轮副齿面接触时容易造成发散，用齿面移动法对齿轮的齿面切除1%厚度可以有效保证仿真的顺利进行. 即在保留所有轮齿和不改变齿轮安装位置的基础上，通过改变轮齿厚度来增大啮合区域间隙，以保证计算的正常进行[21]. 目前，针对齿轮啮合处间隙狭小，给流体域网格划分和求解带来困难的问题，常用的齿轮建模处理方法包括无齿法、单向切齿法、双向切齿法和分离法. 根据彭钱磊等[21]的研究，相对以上的齿轮处理方法，齿面移动法无须改变齿轮副的安装位置，且获得的润滑油飞溅效果符合实际情况，搅油功率与试验结果基本一致，最大误差小于8%.本研究MPS 法数值仿真的所有工况均在普通PC 端完成，配置如下：graphics card: NVIDIA GTX1050Ti, CPU: Intel Core i5-9 400 6-cores, RAM capacity: 8 GB.表 2 齿轮箱飞溅润滑低转速工况参数Tab.2 Low speed operating condition parameters of gearboxsplash lubrication工况n o /(r·min −1)润滑油型号θ /℃h /mm1240FVA340−32.22360FVA340−32.23540FVA340−32.24240FVA3100−32.25360FVA3100−32.26540FVA3100−32.27240FVA240−32.28360FVA240−32.29540FVA240−32.2表 3 齿轮箱飞溅润滑高转速工况参数Tab.3 High speed operating condition parameters of gearboxsplash lubrication工况θ /℃h /mmn w /(r·min −1)润滑油型号160−20.01 444FVA3260−20.03 474FVA3390−20.01 444FVA3490−20.03 474FVA35120−20.01 444FVA36120−20.03 474FVA3表 4 不同型号润滑油的密度与黏度Tab.4 Density and viscosity of different types of lubricants型号ISO VG ρ/(kg·m −3)γ/(mm 2·s −1)θ=40 ℃θ=60 ℃θ=90 ℃θ=100 ℃θ=120 ℃FVA310086495401510.75FVA23285532−−5.4−图 3 FZG 齿轮试验机示意图Fig.3 Schematic diagram of FZG gear testing rig第 5 期刘桓龙, 等：齿轮箱飞溅润滑流场分布和搅油力矩损失[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(5): 875–886.879t s 每种工况求解至从动轮旋转10圈为止. 求解耗时如表5所示. 表中，为耗时.d p t p 数值仿真几何模型参数与上述FZG 实验箱参数保持一致，几何模型主要包括齿轮箱壳体、主动轮、从动轮、空气域和液体域. 在数值仿真前，对液体域进行粒子化，不同液位高度下MPS 粒子个数如表6所示. 仿真几何模型半剖图如图4所示. 参考文献[14]中使用SPH 粒子法对FZG 试验台进行数值仿真，其仿真的基本参数如表7所示.表中，为粒子直径，为仿真物理时长.表 5 齿轮箱飞溅润滑不同工况求解耗时Tab.5 Computational time of gearbox splash lubrication un-der different operating conditions低转速工况t s /h高转速工况t s /h1140.2123.6276.7214.7361.0326.24153.3417.1585.3530.1642.3619.57171.4−−8101.1−−990.1−−3 流场分析为了验证MPS 法在齿轮箱飞溅润滑油液分布上的细节表现和预测能力，选取低转速工况下，油温为40 ℃时的6种工况结果进行分析.3.1 流场分布对粒子化的油液进行表面化后处理，使得仿真结果在液体的形态特征上表现得更加贴切. 将获得的6种工况的数值仿真结果（润滑油分布图片）与文献[4]采集的高速摄像FZG 试验机搅油图片进行对比分析，以验证MPS 法在流场分布形态预测上的准确性. 仿真图片与实验图片中的齿轮旋转状态选取为同一时刻. 如图5所示为主动轮旋转0.450圈时的油液分布形态. 仿真与试验对比如图6、7所示. 图6中从左至右3种工况展示的分别为主动轮旋转至0.360、0.376、0.450圈时的油液分布形态；图7中从左至右3种工况展示的分别为主动轮旋转至0.360、0.412、0.386圈时的油液分布形态.由图5可以看到，由于齿轮副的旋转，浸没在润滑油中的轮齿产生低压区，箱体上部的空气被吸入油中，在轮齿附近产生大小不一的气泡，甚至在齿顶圆周处形成明显的弧形气液交界线. 随着齿轮旋转角度的增大，可以看到，一部分油液由于黏性附着在轮齿根部，在轮齿上形成一个月牙形区域，而从动齿轮更多的浸没在油液中，相对于主动齿轮，其月牙形区域覆盖面积更大，表现得更明显；另一部分油液由于齿轮旋转时离心力的作用和液体表面张力的作用，在主从动轮两侧的齿顶处分别形成清晰可见的油迹.在图6、7中，从动轮侧面的每一个齿顶上均有一条清晰均匀的油迹，而主动齿轮侧面的油迹相对散乱，这是由于齿轮运转时，主动轮受到的离心力较大，约为从动轮的1.5倍，导致黏着在轮齿上的油液受到更大的作用力而更容易向外飞溅. 分别对比圆周转速v t =0.9、1.4、2.1 m/s 的工况，可以发现速度越大，齿轮侧面的油迹被甩开的张角越大，油液被甩的越远；同时，油迹的形状由圆表 6 齿轮箱飞溅润滑不同液位高度下粒子数Tab.6 Number of particles in gearbox with splash lubricationat different liquid levelsh /mm粒子数/个−32.2565 538−20.0383 103表 7 SPH 法数值仿真基本参数Tab.7 Basic parameters of SPH numerical simulationn w /(r·min −1)硬件d p /mm t p /s∆t /st s /h1 444NVIDIA Tesla K40m 1.02 1.9×10−6723 474NVIDIA Tesla K40m1.029.1×10−792图 4 齿轮箱飞溅润滑仿真几何模型Fig.4 Geometric model of gearbox splash lubrication880浙江大学学报（工学版）第 55 卷v t v t v t v t 滑连续变得零散间断，甚至油迹消失，在空中形成散乱分布的油粒. 这是由于=1.4 m/s 时齿轮所受离心力为=0.9 m/s 时的2.25倍，=2.1 m/s 时所受离心力为=1.4 m/s 时的2.25倍. 速度增大，齿轮所受离心力逐渐增大，油液更容易脱离齿轮而向外飞溅.为了分析黏度对油液飞溅分布的影响，设置FVA3和FVA2这2种型号润滑油的对比工况，在40 ℃时，两者的密度相近，而FVA2动力黏度约为FVA3的1/3. 对比图6、7，可以看出，由于低黏气泡油迹月牙形图 5齿轮箱飞溅润滑油液形态分布Fig.5 Oil distribution of gearbox splash lubrication(a)数值仿真结果(b) 实验结果[4]图 6 FVA3型润滑油时齿轮箱飞溅润滑仿真与试验对比图Fig.6 Comparison of simulation and test of gearbox splash lubrication with FVA3 lubricant(a)数值仿真结果(b)实验结果[4]图 7 FVA2型润滑油时齿轮箱飞溅润滑仿真与试验对比图Fig.7 Comparison of simulation and test of gearbox splash lubrication with FVA3 lubricant第 5 期刘桓龙, 等：齿轮箱飞溅润滑流场分布和搅油力矩损失[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(5): 875–886.881度润滑油的抗剪切应力能力较差，在油液分布形态上存在3点区别. 1）当润滑油黏度较高时，齿顶形成的油迹厚而连续，当黏度较低时，形成的油迹薄而间断，甚至呈油粒状. 2）当润滑油黏度较高时，轮齿附近产生的气泡数量少、体积大且形状规整；当黏度较低时，轮齿附近产生的气泡数量变多，体积变小且形状不规则. 3）当润滑油黏度较高时，黏着在轮齿根部的月牙形油液区域面积大，说明其从轮齿上滑落的速度慢；当黏度较低时，月牙形区域面积明显变小，且形状接近于弓形，说明油液滑落的速度快.对比试验所得的图片，可以看到数值仿真方法可以较准确地捕捉到浸没在油液中的齿间气泡以及在齿轮对两侧散开的弧形油迹之类的油液分布细节特征，同时可以清晰表现出不同转速和润滑油黏度工况下齿轮箱内油液分布形态的差异，说明MPS 法在齿轮箱飞溅润滑油液分布形态的预测上具有较好效果.3.2 速度场分析相对传统的试验方法，CFD 方法可以容易地获得油液的相关数据信息，比如液体的速度场云图、压力场云图和迹线分布状况等. 为了更好地了解流场特性，提取低转速工况下润滑油速度场分布云图，结果如图8所示.可以看出，在各工况中，具有速度的粒子主要为齿轮搅动区域附近的粒子和被甩到空中的粒子，而齿轮箱中大部分粒子的速度均约为零. 在油位以下齿轮附近的粒子速度较低，随着其被旋转的齿轮逐渐搅起，更多的能量传递到油液粒子中，粒子动量逐渐增大，速度逐渐增大，最终与附着处齿轮的局部速度大小一致. 部分齿顶处粒子在速度等于齿顶圆圆周速度后，在离心力和重力作用下脱离齿顶，并在惯性作用下继续飞溅. 这表明该计算具有较好的物理一致性，因为根据Stocks 黏性条件，运动壁上的牛顿流体粒子的速度与壁速相同.此外，与预想的一样，在润滑油黏度一定时，随着齿轮转速的提高，润滑油粒子的速度逐渐增加. 在40 ℃时，FVA3型号润滑油黏度约为FVA2的3倍；在100 ℃时，FVA3型号润滑油黏度约为40 ℃时FVA2润滑油的1/3. 对比分析图8可以看v t =0.9 m/s FV A3 40℃v t =1.4 m/s FV A3 40℃v t =2.1 m/s FV A3 40℃v t =0.9 m/s FV A2 40℃v t =1.4 m/s FV A2 40℃v t =2.1 m/s FV A2 40℃v t=0.9 m/s FV A3 100℃v t =1.4 m/s FV A3 100℃v t =2.1 m/s FV A3 100℃0.71.42.12.8v /(m·s −1)图 8 齿轮箱飞溅润滑不同工况下速度场分布图Fig.8 Distribution of velocity field of gearbox splash lubrication under different operating conditions882浙江大学学报（工学版）第 55 卷。