齿轮副搅油损失仿真分析及试验研究

摘要

近年来，随着新能源汽车的发展，以电机驱动的新能源汽车减速器已成为变速器企业竞相研发的传动齿轮箱之一。齿轮副作为汽车传动齿轮箱的关键零部件之一，其传递效率对整车的传动效率、动力性能以及燃油经济性具有决定性影响。齿轮副的传递效率主要与齿轮传递过程中所受的功率损耗有关，齿轮副的搅油损失是齿轮副在油浴中旋转受到润滑油的阻力作用产生的功率损失，在高速低载工况下，齿轮副的搅油损失占齿轮传动总功率损耗的重要部分。然而，国内外对齿轮副在高转速下的动态能耗特性展开深入研究的成果并不多，由于齿轮副搅油损失受诸多因素的影响，其中包括润滑油参数、齿轮几何参数及工况参数的影响，且各影响因素之间关系复杂，求解非常困难，同时现有的经验公式适用范围有限。本课题正是针对现阶段新能源汽车减速器高速化发展过程中，齿轮副搅油损失引起的效率问题而展开，基于移动粒子半隐式法（MPS）建立了多因素影响下的齿轮副流固耦合分析模型，并对模型进行了求解，获得了齿轮搅油损失仿真计算结果，同时设计并搭建了齿轮副搅油损失测试台架对齿轮副搅油损失进行试验研究以及模型验证，从而对多因素影响下的齿轮副搅油损失及润滑油瞬态分布情况进行深入研究，研究结果对新能源汽车减速器的开发和优化具有重要工程指导意义。主要研究内容及结论如下：　　1.研究了齿轮副搅油损失的产生机理和关键影响参数，对国内外学者们基于大量试验提出的搅油损失经验公式进行了深入研究，得到了几种典型搅油损失计算模型的适用范围，并从齿轮副搅油损失产生的机理出发，对齿轮副搅油损失计算模型进行了研究，同时对各计算模型进行了对比分析。　　2.对移动粒子半隐式法的基本原理及算法等相关理论进行了研究，确定了影响齿轮副搅油损失的齿轮宽度、螺旋角、转速、润滑油粘度和密度、浸油深度等关键参数，基于MPS方法对各参数影响下的齿轮副的动态能耗特性建立了流固耦合分析模型，并以其中一个典型算例的仿真结果为例，分析了不同转速下，齿轮箱内润滑油的瞬态飞溅情况和速度矢量分布，获取了飞溅润滑过程中齿轮副随转速变化的搅油功率损失，然后对齿轮副搅油损失台架试验结果与仿真结果进行了对比验证，证明了基于MPS的齿轮副搅油损失仿真模型的有效性。　　3.设计并搭建了一种多功能齿轮搅油损失试验装置，并基于台架试验工况及试验方法，进行不同转速、浸油深度、润滑油（不同粘度和密度）、齿宽、螺旋角等参数影响下的齿轮副搅油功率损失试验研究。试验研究表明：随着输入轴转速的提高，齿轮副的搅油损失不断增加，且转速越高，其搅油损失的增长趋势越明显；齿轮的浸油深度越高，润滑油粘度和密度越高，齿轮宽度、螺旋角越大，齿轮副的搅油损失越大；通过对比研究发现，在相同输入转速下润滑油的粘度和密度对齿轮副搅油损失的影响最大，其次是齿轮螺旋角，然后是齿轮宽度和齿轮浸油深度。　　4.基于所建的MPS流固耦合仿真分析模型，分析了不同齿宽、不同螺旋角、不同浸油深度、不同温度下不同润滑油粘度和密度等参数影响下齿轮箱内润滑油飞溅情况及速度矢量分布；研究了高速工况不同影响参数下齿轮副搅油功率损失的变化规律；综合分析各影响参数对齿轮副搅油功率损失的影响规律。研究表明：齿轮副在高转速下的搅油损失非常大；润滑油的温度、粘度和密度对齿轮副搅油功率损失的影响较为显著；齿轮螺旋角对齿轮副搅油功率损失的影响主要体现在其线速度上；齿轮的浸油深度和齿宽对齿轮副搅油功率损失的影响则较小。为实际工程应用中减速箱搅油损失的研究提供了参考。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 齿轮搅油损失国内外研究现状

1.2.1 齿轮搅油损失理论研究

1.2.2 齿轮搅油损失数值仿真研究

1.2.3 齿轮搅油损失试验研究

1.3 主要研究内容及技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

2 齿轮副搅油损失计算模型研究

2.1 搅油损失的定义及影响因素

2.2 基于试验测试的搅油损失计算模型

2.3 基于物理模型的搅油损失计算模型

2.3.1 拖拽功率损失

2.3.2 齿轮齿隙腔填充产生的功率损失

2.3.3 啮合区顶隙泵排油产生的功率损失

2.4 搅油损失计算模型对比分析

2.5 本章小结

3 齿轮副搅油损失MPS仿真分析

3.1 移动粒子半隐式法

3.1.1 移动粒子半隐式法的基本原理

3.1.2 控制方程

3.1.3 MPS算法

3.1.4 粒子数密度与核函数

3.1.5 粒子作用模型

3.1.6 边界条件

3.2 基于MPS齿轮搅油仿真建模

3.2.1 三维模型的建立

3.2.2 模型的网格划分及质量检查

3.2.3 流体仿真模型及参数设置

3.3 仿真结果分析

3.3.1 润滑油瞬态分布分析

3.3.2 齿轮副搅油损失分析

3.4 试验验证与误差分析

3.5 本章小结

4 齿轮副搅油损失试验研究

4.1 试验目的

4.2 试验台架的设计与搭建

4.2.1 台架整体设计

4.2.2 齿轮箱的设计

4.2.3 电器元件选型

4.2.4 控制系统的设计

4.2.5 齿轮搅油损失试验台搭建

4.3 齿轮搅油损失台架试验

4.3.1 试验条件及方法

4.3.2 试验工况

4.4 试验结果分析

4.5 本章小结

5 高速工况搅油损失影响因素分析

5.1 齿宽对齿轮副搅油损失的影响分析

5.1.1 不同齿宽齿轮副搅油的润滑油分布

5.1.2 不同齿宽齿轮副搅油损失分析

5.2 浸油深度对齿轮副搅油损失的影响分析

5.2.1 不同浸油深度下齿轮副搅油的润滑油分布

5.2.2 不同浸油深度下的齿轮副搅油损失分析

5.3 润滑油温度、粘度对齿轮副搅油损失的影响分析

5.3.1 不同温度、粘度下齿轮副搅油的润滑油分布

5.3.2 不同温度、粘度下齿轮副搅油损失分析

5.4 螺旋角对齿轮副搅油损失的影响分析

5.4.1 不同螺旋角齿轮副搅油的润滑油分布

5.4.2 不同螺旋角齿轮副搅油损失分析

5.5 本章小结

6总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果