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利用光滑粒子流体动力学开展电驱动减速器飞溅润滑仿真分析
摘要：对纯电动汽车传动系统的核心部件电驱动减速器进行有用的润滑是极为必要的。基于无网格的光滑粒子流体动力学方法，利用PreonLab软件对某纯电动车减速器进行润滑仿真，并与试验结果对比，仿真与试验结果在搅油形态上具有较好的一致性，验证了用PH法进行电驱动减速器飞溅润滑仿真效果显著，具有实践应用价值。
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1、前言
电驱动减速器是纯电动汽车传动系统的核心部件。在运行过程中，齿轮齿面间的相对滑动摩擦、齿轮与润滑油之间的摩擦、轴承的摩擦等均会产生大量的热，其润滑性能的好坏直接影响传动系统工作性能的发挥。润滑不充分，轻则影响运动零件的传递效率，重则造成齿轮胶合、轴承烧蚀等失效问题。目前在减速器产品开发初期，为了评估减速器润滑性能的优劣，通常采用制作透明壳体的方法，来对齿轮搅油形态做主观评价[1]。但是这种方法无法做到对设计更改的快速验证，常带来设计上的反复，开发周期长，影响项目进度。
20世纪60年代，计算流体力学（CFD）成为一门独立的学科[2]。国内外学者针对齿轮箱润滑仿真计算开展了诸多分析研究工作。罗攀、张博等对齿轮箱飞溅润滑三维流场和温度场进行仿真研究，解释内流场的分布状态，并提出优化意见[3]；周雅杰基于网格弹性光顺法和网格重构法，利用Fluent软件分析了不同转速条件下齿轮啮合区润滑油液的飞溅变化，啮合点处的压力变化规律，同时得到齿轮阻力矩及搅油损失[4]。然而，基于欧拉方法描述的网格法的有限差分方法（FiniteDifferenceMethods，FDM）和有限元法（FiniteElementMethod，FEM）方法在模拟复杂流体流动中易出现网格畸变和扭曲现象，该问题严重影响计算精度。而基于拉格朗日描述方法的无网格法不存在网格关系，可以避免极度大变形时网格扭曲而造成的精度破坏等问题，逐步被业内重视。其中，SPH方法是无网格法之一，应用范畴十分广泛，在天体物理学、流体力学、固体力学等学科中均有运用。尤其是在流体力学领域，SPH方法可应用于模拟具有各种不同特性的流体问题。
本文基于无网格的SPH方法，利用PreonLab软件对某纯电动车减速器进行润滑仿真，并与试验结果对比，仿真与试验结果在搅油形态上具有较好的一致性，验证了用PH法进行电驱动减速器飞溅润滑仿真的可行性和有效性。
2、SPH方法和PreonLab软件介绍
2.1 SPH方法
SPH（SmoothedParticlesHydrodynamics）方法即光滑粒子流体动力学方法，是以拉格朗日方法描述计算空间的粒子法[4]。系统的状态通过一定数量的粒子来表征，这些粒子承载着各自的材料属性，同时遵循以牛顿经典力学作为控制方程的运动规律，通过追寻各个粒子的运动从而快速获得全部物理系统的特性。如图1所示[5]，SPH方法将所描述的流体计算域视为多体间的相互作用，同时每个个体（粒子）无明显的尖锐边界。图1SPH粒子相互作用关系[5]虽然在软件视图中粒子显示为离散状态，但在数值计算过程中，它们是连续无间断的或称之为光顺的，如图2所示[6]。主粒子的全部属性可以由体积积分公式（1）表征[6]。
图2核函数示意图[6]
式中，
为粒子主属性；
为相邻粒子的属性；
为核函数；
为积分的离散形式对相邻粒子的影响求和（下角标b代表相邻粒子的编号）。
SPH方法计算流程如下。（1）初始化粒子，定义每个粒子最初位置；（2）计算每个粒子的密度、压强、加速度；（3）根据临界条件调整加速度，并根据加速度计算其速度变化；（4）根据每个粒子的速度计算其位置变化；（5）重复步骤2～4直到计算结束。
2.2 PreonLab软件
PreonLab是一款无网格法的计算流体力学（CFD）仿真软件。传统CFD软件对计算空间进行离散是基于欧拉方法，而PreonLab对计算空间进行离散是基于拉格朗日方法，即通过把连续的计算空间离散成互相影响的粒子，各种物理量，如加速度、力、质量等均由粒子承载，通过对各粒子的动力学方程求解及追踪各粒子运动轨迹，来求解全部流场的分布和发展[7]。基于PreonLab软件进行CFD分析计算时，无需生成网格，避免了划分网格的麻烦，同时更规避了网格细化、重构、扭曲等问题。任意复杂程度的三维模型都可利用PreonLab进行分析计算，任意运动规律也可以在PreonLab中快速精准的定义。PreonLab同样适用于求解各种复杂结构中存在自由表面以及大变形的流动问题。同其它基于SPH方法的无网格CFD计算软件相比，PreonLab对求解器进行了一定的改善和加强。PreonLab的求解器使用隐式算法来求解压力方程，允许在计算的过程中使用较大的时间步长，大大提高计算效率。
3、减速器结构及润滑试验
3.1 减速器结构
该减速器采用两级平行轴斜齿轮，集成驻车和差速机构，如图3所示。减速器输入端通过花键和法兰与驱动电机连接，减速器输出端即差速器两端由花键和半轴连接。减速器采用的润滑方式为被动式飞溅润滑。
3.2 润滑试验
为了对电驱动减速器进行润滑性能评价，现阶段常采用制作透明壳体的方法，如图4所示。试验人员通过观察润滑油的搅油形态以及啮合齿轮、各轴承等润滑部位及在各工况下的润滑程度，对润滑系统的性能进行主观评价。
图4减速器润滑试验
4、仿真建模及结果分析
4.1 前处理
在生成粒子之前，需要对原始数模做一定程度的简化处理。减速器3D数模的前处理过程在ANSYS前处理软件SpaceClaim中完成。为了确保减速器壳体的封闭性，将输入和输出端的端面封闭处理，所有的油封和轴承外圈与壳体固定不动，轴承内圈及滚子与齿轮轴以相同转速转动。
4.2 计算设置和计算时间
中间轴齿轮和输出轴差速器大齿轮转速可以根据减速器输入转速和速比计算得出，如表1所示。表1各轴转速两个仿真工况采用相同的求解器设置，包括考虑单相流,采用FreeSurface模型和表面张力模型，总成布置角度为-10°，加油量与试验加油量一致，油液面距离输入轴旋转中心81mm，润滑油密度为827.2kg/m3，运动粘度为33.59mm2/s。根据转速不同，设定不同的计算物理时间。总体来说，设定的时间值应保证在整个仿真过程中，输出轴可以转动10圈。故本仿真分析中，输入轴转速1000r/min时，物理计算时间设为6s；输入轴转速2000r/min时，计算物理时间设为3s。各工况的计算规模相仿，采用相同的硬件资源，粒子数为672228，每个工况都能在8h内完成计算，如图5所示。
图5仿真计算模型
4.3 后处理及结果分析
飞溅润滑仿真计算结果如图6和图7所示，可以看出，1000r/min和2000r/min两种转速下均有润滑油液进入各轴承油道。但2000r/min工况条件下，润滑油液可以更多地到达各油道位置，润滑效果更优。这得益于2000r/min工况条件下，减速器内的润滑油液可以被各齿轮更充分地搅动，油液滴飞溅速度更快,且差速器大齿轮会将更多的润滑油搅到输入轴位置。
图6输入转速1000r/min仿真结果;图7输入转速2000r/min仿真结果
飞溅润滑试验结果如图8、图9所示，分别与图6、图7的仿真计算结果对比可以观察到，1000r/min工况下，润滑油很难由差速器大齿轮直接甩到输入轴轴承位置，润滑油在标示的灰框三角区内累积，有相对较少的润滑油抵达输入轴位置；当转速提高至2000r/min时，差速器大齿轮可以将较多的润滑油搅到输入轴轴承处，获得更好的润滑效果，仿真结果可以客观地复现该试验现象。另外，无论输入转速是1000r/min还是2000r/min,仿真得到的各油道及集油槽位置油液分布情况与试验结果均有较好的一致性。
5、结论
本文首先介绍了SPH方法和PreonLab软件，然后阐述了某纯电动车的减速器结构和润滑试验。在此基础上重点对两种不同输入转速的工况进行了润滑仿真，得到以下结论。（1）从搅油形态上来看，仿真计算结果与台架润滑试验结果一致性较好。仿真得到的搅油形态能在很大程度上反映与试验相似的关键物理现象，证明了SPH方法应用于电驱动减速器飞溅润滑的可行性和有效性，为衡量不同转速工况下的润滑效果提供客观而可靠的依据。（2）随着输入转速的提高，润滑油液在差速器大齿轮的作用下会甩得更远，可以避免润滑油液在某一空间局域堆积的情况，更充分地覆盖到对润滑有需求的位置，获得更优异的润滑性能。综上所述，基于SPH方法的润滑仿真可在产品开发初期评估润滑性能优劣，指导设计更改方向，并快速验证，极大地缩短开发周期。
参考文献:
[1]朱红伟,赵娟,孙庆泽,等.齿轮箱飞溅润滑试验台设计与研究[J].机械设计学报,2019(S1):113-116.
[2]赵迁,杨良会,赵春艳,等.基于MPS方法的纯电动车减速器润滑仿真[C].中国汽车工程学会,2019:361-365.
[3]强洪夫.光滑粒子流体动力学新方法及应用[M].北京:科学出版社,2017:21-23.
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金子嵛,刘志勇,张冰,吕文平,白学斌.基于SPH方法的电驱动减速器飞溅润滑仿真[J].汽车文摘,2020(3):48-51.
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2020-08-10
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期刊名称：力学学报
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院力学研究所
出版地方：北京
专业分类：科学
国际刊号：0459-1879
国内刊号：11-2062/O3
邮发代号： 2-814
创刊时间：1957年
发行周期：双月刊
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2020-04-02
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