汽车变速箱齿轮搅油润滑的计算流体动力学分析

张小矛

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。

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，汽車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[1]。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[2]。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。C.Kodela等人在2015年SAE技术论坛上发表的试验模拟，与实际结果较好的吻合[3]。H.Liu等人在2017年研究的单级齿轮箱内润滑油分布和搅油损失，结果与试验呈现出较高的一致性[4];另1种做法是采用粒子流软件对齿轮搅油过程进行分析，如文献[5]的工作。

本文使用CFD方法，在STAR-CCM+软件中，建立变速箱齿轮搅油的完整模型，评估不同旋转速度、不同浸油深度对齿轮搅油扭矩损失的影响，以及齿轮润滑情况，为变速箱开发提供参考。

1 模型建立及数值仿真

如图1所示，本文以某无级变速箱（CVT）为研究对象，计算模型与实际状态尺寸一致。

1.1 数值计算方法

在本文的数值计算中，忽略主动润滑对整体计算的影响。由于齿轮存在啮合现象，在运动过程中，采用缩齿法对部分齿轮特征进行简化。具体做法如下：对变速箱润滑油流动特征影响较大的主要齿轮保留原始特征（例如浸没在油液中），对飞溅润滑起主要作用的差速器输入轴大齿轮;与该齿轮啮合的小齿轮采用缩齿法，即按比例径向缩小。变速箱的其他部分数模可以在ANSA中进行简化后，使用STAR-CCM+进行包面处理。

在运动部件所在区域，如齿轮等，建立单独区域，使用旋转动网格模拟齿轮运动，通过接口与变速箱的主区域连接，进行数据交换。

计算采用流体体积函数（VOF）多相流模型来模拟润滑油和空气的运动。在不考虑搅油过程中流体温度变化的情况下，将空气与润滑油均设为恒密度流体。润滑油材料特性参数如表1所示。

1.2 计算工况

本文主要研究齿轮旋转速度、齿轮浸油深度对齿轮搅油扭矩损失，以及齿轮润滑效果的影响。具体试验工况如表2所示，列出了差速器输入轴齿轮转速，其他齿轮转速根据速比对应换算。图2代表不同浸油深度的示意图，从左到右浸油深度分别为h1=0.105 m，h2=0.070 m，h3=0.045 m。

2 计算结果与分析

2.1 变速箱润滑油瞬态流动形貌分析

图3为工况5变速箱齿轮搅油瞬态流动特征分析。从图3可以看出，飞溅现象极为明显，随着差速器输入轴大齿轮的顺时针旋转，润滑油从变速箱左下侧飞溅至空中，完成齿轮润滑，再经由惯性和重力作用回到变速箱下部，流动状态良好。

2.2 差速器输入轴齿轮转速的影响

本文研究了齿轮转速对搅油扭矩损失的影响。图4为差速器输入轴齿轮转速在200 r/min、500 r/min、1 000 r/min和1 500 r/min时，差速器输入轴齿轮的搅油扭矩损失对比。结果显示，随着齿轮转速的提高，搅油扭矩损失不断增加。转速由200 r/min提升至1 000 r/min时，扭矩损失由0.14 N·m增加至1.00N·m，提高了6倍以上，且随着转速的进一步增加，扭矩损失的增长趋势变得更明显。

2.3 不同浸油深度的影响

图5为浸油深度为h1、h2、h3时，差速器输入轴齿轮的搅油扭矩损失对比。结果显示：随着齿轮浸油深度的增加，齿轮搅油扭矩损失不断提升。在浸油深度增加至70 mm后，差速器输入轴齿轮的搅油扭矩损失由0.31 N·m增加至1.00 N·m。在设计中，为了保证传动效率，建议合理控制变速箱油量加注。

2.4 不同浸油深度齿面润滑分析

如图6所示，浸油深度为h1、h2、h3时，差速器输入轴齿轮表面油量分布对比。当浸油深度为h1时，齿面润滑状态较好;当油量下降至h3时，齿面油量分布较少，存在潜在润滑风险。

综合扭矩损失及齿轮润滑2方面因素，建议浸油深度采用h2，在保证润滑前提下，尽可能降低搅油扭矩损失，提高传动效率。

3 结论

本文采用動网格结合VOF的方法，进行了变速箱搅油润滑瞬态CFD仿真，结论如下：

（1）随着齿轮转速的提高，搅油扭矩损失不断增加，并且随着转速而进一步增加，扭矩损失的增长趋势变得更明显。

（2）随着齿轮浸油深度的增加，齿轮搅油扭矩损失不断提升。在设计中，为保证传动效率，建议合理控制变速箱油量加注过程。

（3）浸油深度为h3时，齿面油量分布较少，存在潜在的润滑缺失风险。综合扭矩损失及齿轮润滑2方面因素，建议浸油深度采用h2。

综上所述，齿轮转速，齿轮浸油深度决定了齿轮搅油扭矩损失的大小及齿轮润滑状态，进一步决定了变速箱传动效率以及耐久性。建议在开发过程中，综合考虑各方面影响，在保证润滑效果前提下，尽量降低搅油损失。

[1]刘骄. 齿轮副搅油损失仿真分析及实验研究[D]. 重庆理工大学， 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.