基于CFD的重卡变速器润滑影响因素分析

摘要：文章對多档位的重卡变速器进行简化，利用当前CFD领域中最为普遍的动网格方法模拟了不同档位、不同横向倾角、不同温度下壳体内部润滑油的分布状况，得到了各工况下重卡变速器内部润滑油的运动特性和规律：对比了3个档位对应主动齿轮转速分别为1600r/min、1900r/min、2200r/min下的啮合齿轮润滑状况，结果表明在低转速低档位工况下，齿轮啮合区润滑频率低，但是齿轮表面油液比例高;对比了横向倾角在-20°、0°和20°3个工况下的啮合齿轮润滑状况，结果表明当横向倾角为20°时，由于从动齿轮浸油深度大，齿轮啮合区更容易得到润滑油;对比了润滑油温度在95℃和105℃2个工况下啮合齿轮的润滑状况，结果表明高温下润滑油更稀疏，更容易被飞溅起来;同时研究了不同齿数对变速器内部流场特性的影响，结果表明：润滑油在变速器内部的流动特性随着齿轮级数增加而存在差异。文章结论为重卡变速器润滑系统的设计开发提供了一定的参考。

关键词：重卡变速器;CFD;运动特性;设计开发

中图分类号：U463.212

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）08-0142-06

Analysis of the factors affecting the Lubrication of HeavyTruck Transmission Based on CFD

SUN Feng

（School of Mechanical and Control Engineering， Shengli College China University of Petroleum，Dongying Shandong 257061.China）

Abstract： The paper simplifies the multi-gear heavy truck transmission， using the most common dynamic gridmethod in the current CFD field to simulate the distribution of lubncating oil inside the casing at different gears，different lateral inclination angles， and different temperatures， the movement characteristics and the law of intemallubricating oil of heavy truck transmission under different working conditions were compared： the lubricating condi-tions of the meshed gears at the gear speeds of 1600r/min， 1900r/min， and 2200r/min corresponding to the threegears are compared， the results showed that at low speed and low position condition， the gear meshing zone lubrica-tion frequency is low， but a high proportion of gear surface oil; comparing the lubricating condition of meshinggears under the three operating conditions of lateral inclination angle of-20°，0°and 20°，the results show thatwhen the horizontal angle is 20°， due to the large oil immersion depth of the driven gear， the gear meshing zone iseasier to obtain lubricating oil; lubricating conditions of the meshed gears under the two operating conditions of lu-bricating oil temperature of 95℃ and 105℃ are compared， the result shows that the lubricant oil is more sparse andmore likely to he splashed at high temperature; at the same time. the influence of different number of teeth. the in-temal flow field of the transmission characteristics of the results show that the flow characteristics of lubricating oilin the intemal gear transmission with series increasing differences. The conclusion of this paper prcvides a certainreference for the design and development of the lubrication system of the heavy truck transmission.

Key words ： heavv truck transmission; CFD; motion characteristics; design and development

0引言

车辆行驶性能的好坏，往往取决于汽车的发动机、变速箱和底盘。在乘用车中还在追求这3大件性能优越的同时，还追求时尚运动的造型。而对于重型卡车而言，只能追求性能，而无法兼得优美的造型。变速器作为汽车传动的核心部件，其传动效率直接决定了整车的操纵性、动力性和舒适性等性能。而齿轮作为变速器中传递动力和扭矩的元件，工作过程中齿轮间的相互摩擦势必会散发出大量的热，这些热量如果长时间积累得不到散发的话，可能会恶化变速器的润滑效果、降低齿轮的传动效率甚至引起齿轮的磨损和烧蚀。有的用于航空的特殊变速器润滑也是油气两相流运动[1]，还采用喷射润滑以提高齿轮润滑的效率，根绝喷射角度等参数寻求最佳喷射位置[2]。

重型卡车变速器轴系结构复杂、齿轮档位多，如图1所示。其内部的各个档位齿轮更是工作在高负荷、大扭矩等恶劣工况下，如果润滑不足将可能引起齿轮高温失效、变速器漏油等故障，严重者甚至因为齿轮传动失效而引发交通事故。因此，对重型卡车变速器内流场进行模拟具有很强的现实意义。但变速器内流场除了润滑油外，还存在空气，在流场运动过程中润滑油和空气状态处于一个瞬时变化的过程，可以涉及流体力学、空气动力学和传热学等多学科，是一个相当复杂的课题。重型卡车变速器内部润滑油的流动特性承担着减少齿轮啮合摩擦和带走壳体内部热量的关键角色，这对重型卡车变速器开发工程师们的开发工作提出了更高的要求。文章对重卡变速器内部油液流动特性的影响进行研究，对于HW系列重型卡车变速器的开发工作有着重要的意义。

1重卡变速器CFD模型简化

为了节省研发周期[3]，文章尚未直接对图1中的整个大型重卡变速器进行研究，而是参考国内外学者的研究思路，将重卡变速器内流场简化为单级齿轮润滑模型[4]，如图2所示，以图中的简化模型为研究对象展开对变速器内部油液流动特性影响因素分析。图2中2齿轮模数均为6，齿轮A和B的齿数分别为36和25，齿轮A位于输入轴上，属于主动齿轮。齿轮B位于输出轴，CFD模型内部的流体包含油液和空气两相介质。其中油液为重卡变速器常用的重负荷齿轮油85W/90GL-5，其运动粘度值为14mm2/s～24mm2/s左右。流体网格在ANSYS ICEM軟件中采用非结构化网格一律采用非结构化网格，参考图3中的齿轮网格分布。网格尺寸在0.5-3mm范围内，对于齿轮啮合区等部位进行网格细化，面网格数量223652，体网格数量为4961537。

2CFD控制方程

重卡变速器内部流体流动特性与其他流体一样，运动过程中主要遵循质量、动量和能量三大守恒。相应的控制方程如下：

1）连续性方程

式中，p为流体的密度，单位是kg/m3;t为时间，单位是s;u、v和w分别为速度矢量u在3个直角坐标系上的分量，单位为m/s。重卡变速器箱体内部齿轮润滑是包含润滑油和空气的的两相流运动，其中润滑油是不可压缩流体，而空气是可压缩流体，二者运动均遵循连续性方程。

2）动量守恒方程

式中，p为单位流体体积压力;τxx、τxy和τxz等是单位流体体积上的粘性应力分量;f是作用在单位质量微元体上的体积力;fx、fy和fz是其在x、y、z三个方向上的分量。

3）能量守恒方程

式中，cp为比热容，单位为J/（kg·K）;T是温度，单位是K;k是流体的传热系数;ST是流体的内热源以及在流体粘性的作用下流体的机械能转化为热能的部分，也即粘性耗散项[5]。

上述3个守恒方程其实就是计算流体力学中经典的Navier-Stokes方程，下文简称NS方程。在模拟重卡变速器内部润滑油运动特性过程中，润滑油和空气的运动虽然复杂多变，但是遵循上述质量、能量和动量守恒定律[6]。因此在对重卡变速器内部润滑油的流动特性进行数值模拟过程中，各个流体参数的求解均是通过NS方程求解。

3边界施加和求解算法

作为目前计算流体力学领域最为流行的软件之一，Fluent软件中的动网格技术已经被研究人员广泛运用于工程实际中。江帆等人运用动网格技术研究了离心泵的内流场特性[7]，黄思等人基于动网格技术模拟了转子式压缩机内部瞬态流场[8]，董春峰还将动网格技术运用到齿轮箱的油液和流速分析中[9]，最近几年林银辉[10]、陈黎卿[11]等人也成功将动网格技术运用于研究变速器的内流场分析中。在国外，MiadYazdani等学者先后在2014年运用动网格方法研究齿轮的喷射润滑，并结合热分析对齿轮的热流进行了详细的研究[12]，然后在2015年有用棱柱一四面体网格方法对齿轮热流运动进行了分析，获得了更高精度的结果[13]。V.Chemorav等学者还利用试验研究结合CFD的研究方法研究了齿轮飞溅润滑过程中油滴和气泡的运动状况[14]。文中重卡变速器的旋转运动也借助于网格技术实现。齿轮旋转运动通过UDF用户白定义函数控制，具体命令如下：

DEFINE_CG_MOTION（driver，dt，vel，omega，time，dtime）

{

NV_S（vel，=，0.0）;

NV_S（omega，=，0.0）;

omega[2]=167.6;

if （！Data_Valid_P（））

retum;

}

重卡变速器工作过程中，其内部除了润滑油外，还存在空气运动，属于典型的气液两相流运动。Flu-ent中的VOF（volume of fraction体积分数的意思）模型能够真实模拟相与相之间的信息传递、相互作用，实时跟踪其运动情况并传递相应的流体信息。该方法核心思想是在流体空间内定义一个整体体积，该体积内部包含油液和空气两相物质。用一个函数α表示流体体积与整体体积之比，α=1表示该定义的体积内部全部充满流体，而α=0则表示该定义的体积内部全部为空气，而0<α<1时该体积内部既包含流体又包含空气相，两相之间的相互作用通过相交界面体现出来[15]。

应用Fluent中的PISO压力耦合方程算法求解。为保证运算结果的精度，时间不长设置为le-7，同时设置Double运算，计算过程中动态观察各项参数的变化情况，必要时调整时间步长和其他参数，保证运算过程的稳定性和收敛性。计算电脑的性能为CPU18核主频2.9GHz，内存32C，以啮合区润滑油的分布稳定为1个计算周期，计算1次约7个工作日。

4流动特性影响因素分析

4.1不同档位下油液流动特性

在一款重卡变速器齿轮箱体中，其前进档位多达10多个，不同档位之间齿轮传动比和转速均不一样，而不同转速齿轮动量的差异则会影响到变速器内部润滑油的流动特性，进而最终影响到变速器内部润滑油的运动特性。

设置CFD模型中主动齿轮转速分别为1600r/mm、1900r/min、2200r/min，对这3个档位下的CFD模型进行计算并对结果进行对比。为了更明显的发现不同档位工况下润滑油流动特性的影响，分别从图4和图5中齿轮周围以及齿轮白身表面2个角度进行分析。图4中，润滑油均在齿轮的转动下分布在齿轮的外圈，但是随着转速增加，润滑油被甩开的迹象更加明显，尤其是转速在2200r/min时，从动齿轮已经将油液甩到了箱体顶部。不难理解，齿轮转速越高，润滑油从齿轮获得的动量越大，被甩起的高度也越高;从润滑油运动路程的长短看，随着转速增加，润滑油随齿轮的运动路程也更长，图4中1600r/min的中润滑油距离啮合区还有很长一段距离，但是2200r/min的齿轮啮合区已经开始有润滑油进入，主要因为转速增加后，单位时间内齿轮转过的角度更大，从而啮合频率更大，因此啮合区的润滑频率也会增加。

不同档位工况下齿轮表面润滑油分布对比如图5。从齿轮表面润滑油比例分布状况，可知不同转速下齿轮表面润滑油分布存在差异，这会引起齿轮啮合区润滑频率的差别。

4.2不同横向倾角下油液流动特性

重型卡车工作的路面大多还是路况较差的山路，而我国目前交通道路系统中，山路路况常有坑洼状态，卡车在行驶过程中发生颠簸、侧倾等状况，此时重型卡车上变速器内部的润滑油液面也会发生横向倾斜，产生横向倾角，横向倾角的存在主要影响变速器内部齿轮的浸油深度，在工作过程中影响润滑油的运动分布。

图6是横向倾角分别为-20°、0°、20°工况下相同时刻齿轮周围润滑油运动分布。由于3个工况下主动齿轮和从动齿轮浸油深度的差异，导致润滑油随齿轮分布存在差异，尤其体现在从动轮周围，在-20°工况下从动轮浸油深度最小，润滑油在该时刻运动到其顶端，0°工况下则运动到左上角，却并未进入啮合区。20°工况下，润滑油已经被小齿轮带入到啮合区。因此不同的横向倾角，也会影响润滑油在齿轮周围的分布，进而影响润滑油在啮合区的分布状况。

4.3不同温度下油液流动特性

重卡变速器工作负荷大、工作时间长，润滑油的工作温度经常在100℃以上。车辆载重、档位切换以及外界环境温度等均会影响到齿轮受力、轴承发热量等，而润滑油时刻与这些产热部位接触，其粘度值将会随着这些部位温度变化而变化。根据重负荷齿轮油85W/90GL-5的粘度和温度变化关系，分别设置温度为95℃和105℃下润滑油的运动粘度值为20mm2/s和14mm2/s进行仿真。润滑油在壳体内部的流动分布状况如图7所示。2个不同粘度值下润滑油分布状况大体类似，但是如果以润滑油分布面积作为搅油量的衡量指标，则根据图中标记部位的对比可知，粘度值增加（对应温度降低），搅油量将会有所增加。因为粘度值高的润滑油粘稠性更强，被齿轮搅起的量也会有所增加。而粘度值低的润滑油则具有更强的稀疏特性，被齿轮搅起的难度会有所增加。

4.4齿轮数量变化后油液流动特性

重卡变速器内部轴系结构复杂是其一大特性，因此除了运用单级齿轮研究润滑油运动特性的影响因素外，也有必要对比单级齿轮和两级齿轮之间润滑油流动特性的差异，从而保证在重卡变速器设计开发阶段能够更加系统的布置齿轮轴系结构。

图8和图9分别是单级齿轮和两级齿轮周围的润滑油分布情况。结果表明：2个齿轮模型中2个齿轮均浸没在润滑油中，润滑油能够随着2个齿轮运动一起往啮合区方向运动。对于啮合区而言，其润滑油的来源除了与齿轮运动有关外，还与箱体壁面的導油效果有关;3个齿轮模型中只有右侧2个齿轮又浸油深度，左侧齿轮则悬置在空气中，但是与该齿轮啮合的中间齿轮能够将润滑油搅起分布在啮合区，该位置的润滑油分布主要源于中间齿轮的搅油效果，与箱体壁面的导油关系不大。而右侧2个齿轮啮合区润滑油的分布状况，与图8中的润滑油分布类似。因此，随着齿轮个数增加，箱体在横向（垂直于中间轴的方向）的尺寸也随之增加，润滑油在箱体内部的运动状况和分布与齿轮数量和分布也有一定的关系。

5结语

1）通过对重卡变速器内部流场进行简化，获得了研究其内部润滑油流动特性影响因素分析的单级齿轮模型，同时说明了变速器内部润滑油和空气的两相流运动遵循质量、能量和动量守恒。

2）运用fluent软件中的动网格技术和VOF模型进行了重卡变速器润滑油运动特性的影响因素分析。结果表明：齿轮转速增加，单位时间内润滑油运动路程增加，啮合区的润滑频率也会增加;不同横向倾角将会影响到变速器内部齿轮的浸油深度，进而影响到润滑油运动到啮合区的时间;温度增加，润滑油的运动粘度值降低，润滑油具有更明显的稀疏特性，从而引起齿轮的搅油量有所减少;齿轮个增加后，不具备浸油深度的齿轮也会在其他具有浸油深度齿轮的搅油作用下获得润滑油。

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收稿日期：2020-03-04

作者简介：孙凤（1984-），女，汉族，山东淄博人，硕士学位，讲师，研究方向：机械制造、设备管理与质量控制。

基金项目：《互换性与测量技术》在线课程建设（编号：XJKC201801）