某双离合自动变速器产热与传热仿真建模与分析

摘要

车用变速器在传动过程中，轴承、齿轮等运动件由于摩擦将产生一定的功率损失，这部分损失的功率以热量的形式释放出来，若变速器润滑系统不能及时将热量带走，就会使润滑油温度升高，润滑性能下降，导致运动副过度磨损，变速器传动效率下降等。因此，了解变速器的产热与温度分布状况，是合理设计变速器润滑系统，提高元件工作寿命，维持变速器高效率工作的必要环节。所做工作及主要结论如下：　　① 通过对比分析与计算，确定了各热源产热量计算方法并分析了变速器运转及结构因素对各热源产热量的影响规律。结果表明，齿轮模数、齿轮转速和轴承转速分别对齿轮啮合损失、齿轮搅油损失和轴承摩擦损失的影响最大。　　② 根据双离合自动变速器的结构特点，对传动系统输入轴、中间轴和输出轴上的齿轮和轴承受力进行了分析，并基于AMESim软件建立了轴承受力计算模型。针对AMESim软件自带轴承模块在轴承产热计算中所用公式精度低、不适用于变工况瞬态计算的局限性，根据所确定的轴承产热计算方法，并应用AMESim软件的二次开发功能建立了圆锥滚子轴承和深沟球轴承产热计算模型。在此基础上，建立了包括产热计算、轴承受力计算、热量分配和档位控制的变速器产热仿真模型。模型可实现稳态及变工况瞬态条件下的变速器各热源产热量仿真。　　③ 根据双离合自动变速器的结构特点和润滑方式，分析了齿轮、轴承、轴段、箱体、流体等节点间的热量传递路径，对变速器各部位进行了离散化处理，基于热网络理论建立了相应的热网络结构，并利用AMESim软件搭建了变速器的传热仿真模型。根据各部位的导热和换热形式，确定了相应的导热热阻和对流换热热阻计算方法，完成了热阻边界条件的计算。　　④ 根据热源的热量传递路径，将产热与传热模型进行耦合，并应用耦合仿真模型对变速器在输入转速、转矩分别为2160r/min、182.4Nm的六档稳态工况下的产热与传热进行了仿真与台架试验验证。结果表明，仿真结果与实验测试结果吻合较好，各测点温度的最大相对误差小于 3.7%；在变速器总损失中，齿轮啮合损失占比最大，为50.3%，其次是离合器滑摩损失，齿轮搅油损失占比最小；润滑油的平衡温度为 112.0℃，稍高于变速器正常工作温度；六档主动齿轮轮齿、367R中间轴上常啮合齿轮轮齿的平均温度较高，分别为164.9℃、128.8℃，在材料正常工作许可范围内。综合考虑润滑油温度、齿轮接触副表面闪温高于轮齿部分平均温度，若变速器在该工况下工作的频度较高，应考虑提高油冷器的散热量，加强润滑系统的冷却。　　⑤ 在试验工况基础上仅改变环境温度条件下对变速器进行产热与传热仿真，结果表明：油液温度随环境温度的升高，油液粘度逐渐下降，轴承摩擦损失和齿轮搅油损失逐渐下降，齿轮啮合损失逐渐增加，总产热量和箱体散热量基本是恒定值；环境温度由0℃增加到40℃时，相应润滑油温度由91.0℃增加到131.3℃，油温已逐渐超过正常温度工作范围，此时需逐渐提高油冷器的散热量，使油温维持在正常工作范围内。　　⑥ 应用所建变速器产热与传热耦合仿真模型，进行了部分NEDC瞬态工况下的产热与传热仿真，结果表明：完全打滑状态下的离合器产热量远大于各时刻齿轮和轴承的产热量；换挡过程中因转速和转矩的变化，总损失存在明显波动；润滑油温度因离合器完全打滑产热而出现了三次较大的波动，油温最大值为103.2℃；温度最高的部位是奇数档离合器中间位置的钢片，温度最大值为215.3℃；其余各工作部位的温度与润滑油温度的差值不太，处于合理范围内。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 变速器产热计算国内外研究现状

1.2.2 变速器传热分析国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 变速器各热源的功率损失计算

2.1.1 齿轮啮合功率损失计算

2.1.2 齿轮啮合功率损失影响因素分析

2.2.1 齿轮搅油功率损失计算

2.2.2 齿轮搅油功率损失影响因素分析

2.3.1 轴承摩擦功率损失计算

2.3.2 轴承摩擦功率损失影响因素分析

2.4 本章小结

3 某DCT变速器产热建模

3.1 DCT变速器结构及原理介绍

3.2 DCT传动系统力学分析

3.2.1 输入轴轴承受力分析

3.2.2 中间轴轴承受力分析

3.2.3 输出轴轴承受力分析

3.3 产热模型建立

3.3.1 轴承受力计算模型的建立

3.3.2 轴承产热模块的建立

3.3.3 产热量分配模型

3.3.4 DCT变速器产热模型的建立

3.4 本章小结

4 某DCT变速器传热建模

4.1 变速器热量传递路径分析

4.2.1 AMESim软件简介

4.2.2 结构元件的质量块划分及建模方法

4.2.3 变速器传热模型的建立

4.3 热阻计算方法

4.3.1 导热热阻计算

4.3.2 对流换热热阻计算

4.3.3 对流换热系数计算结果

4.4 本章小结

5 变速器产热与传热模型耦合与仿真分析

5.1 变速器产热与传热模型耦合

5.2 模型验证

5.3 稳态热分析

5.4 瞬态热分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢