电驱变速箱润滑CFD仿真

0 前言

    随着苛刻的内燃机车排放限制以及非可再生能源耗尽，各国都在大力发展新能源汽车。中国计划到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆。电动汽车作为新能源汽车的主流技术方案，除了里程担忧、充电及成本问题外，未来发展电动汽车的挑战将是提供与传统动力汽车一样的驾驶性，包括起步性能、高速巡航及坡路起步性能等，变速箱将是实现这些性能的一个有效路径。此外，变速箱能够充分发挥驱动电机的使用效率，从而减少对电池容量及电机功率的要求。相对于传统内燃机变速箱，电动车变速箱的开发也绝非易事。最显著的区别在于电驱变速箱的最高转速通常在万转每分钟，从而带来新的润滑、冷却、传动效率、耐久及NVH等相关问题。本文将以某单速电驱变速箱为案例，研究电驱变速箱飞溅润滑CFD仿真。

1 齿轮润滑仿真介绍

1.1 齿轮润滑

    动力传输是指能量从动力产生装置传递到执行有效功的装置。通常经由齿轮、皮带、绳索、链条、联轴器和摩擦离合器传递动力。其中齿轮传动是指经由齿轮和轮系传递动力。齿轮传动装置主要应用于汽车、农业机械、风力涡轮机、工业、建筑、采矿等行业。

    齿轮润滑油的主要功能是提供足够的润滑，以及为齿轮组件提供冷却。齿轮润滑系统主要分为油脂润滑、飞溅润滑和强迫喷淋式润滑。油脂润滑适用于各种封闭式和开放式齿轮系统，且仅用于低速齿轮。飞溅润滑是指齿轮浸入油池，利用齿轮旋转带动油液进入啮合区域和轴承区域的润滑方式，所以难以预测其润滑性能。强迫喷淋式润滑是一种可控润滑方式，油液被泵入齿轮机构，然后再流入储油池以循环泵出。通常变速箱是采用飞溅润滑，其比强迫喷淋式润滑结构简单紧凑，不需要额外泵油系统。

    齿轮润滑面临的挑战是既要保证适当的润滑和有效的冷却，又要降低功率损耗。而功率损耗不但包含取决于负载的功率损耗，如由于接触摩擦损耗的机械能；又包含独立于负载的功率损耗，例如，和粘滞效应相关的搅拌损耗和气流损耗。基于电驱变速箱的高转速特性，轴承的润滑显得更为苛刻，既要考虑低速时的轴承润滑又要考虑高速时的轴承润滑。而常规透明壳体又无法承载高速润滑实验。

1.2 润滑仿真

    计算流体力学在齿轮润滑领域的应用主要体现在油液流动形态的预测和功率损耗的预测。从CFD仿真的油液流动形态结果可以判断润滑是否适当，以及冷却性能是否最优化。影响功率损失的因素主要有齿轮转速、油液流体材料、齿轮几何特征、齿轮箱壳体等。基于CFD结果，我们可以对壳体和轮系进行重新布局优化。