基于CFD的雙離合器自動變速箱噴射油管流場模擬分析

張付偉

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基于CFD的雙離合器自動變速箱噴射油管流場模擬分析

張付偉

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230061）

采用CFD方法對雙離合器自動變速箱噴射油管的噴油過程進行了動態(tài)模擬，得到了各噴口的質(zhì)量流量與可視化的噴油跡線圖，并與測試數(shù)據(jù)進行了對比，驗證了仿真模型的準確性。仿真結(jié)果表明了該噴射油管的設(shè)計是合理有效的。本研究對變速箱潤滑系統(tǒng)的設(shè)計評價具有一定的參考價值。

噴射油管；強制潤滑；流場模擬；兩相流

引言

雙離合器自動變速箱的動力傳動與手動變速箱一樣，是依靠機械系統(tǒng)中齒輪的嚙合作用來完成的[1]。齒輪相互嚙合時產(chǎn)生大量的熱量，容易發(fā)生磨損和點蝕等現(xiàn)象。為避免齒面之間的直接接觸，必須通過變速箱油對其進行有效的潤滑，以減輕接觸表面的磨損，并通過油液帶走相關(guān)雜質(zhì)和熱量，起到冷卻、潤滑及清洗的作用[2]。所以，潤滑系統(tǒng)的設(shè)計對保證變速箱的正常工作、延長變速箱的使用壽命有著非常重要的意義。由于變速箱殼體的存在，齒軸系統(tǒng)全部密閉在變速箱殼體內(nèi)部。齒輪潤滑試驗只能觀察到部分結(jié)果，其余的狀態(tài)只能在試驗完成后通過檢查齒輪的表面質(zhì)量來考察。若是潤滑系統(tǒng)設(shè)計不理想，則需要進行多次試驗，造成了試驗資源的浪費與試驗周期的延長。

CFD技術(shù)就是在一系列控制方程下對流動問題進行的數(shù)值模擬，這種數(shù)值模擬可以對復雜流場各位置、各時間點的物理量如壓力、溫度、速度等都可以直觀形象的展現(xiàn)出來。通過CFD分析，能夠直觀、細致對系統(tǒng)各設(shè)計參數(shù)、設(shè)計方案的合理性進行分析與判斷。隨著軟硬件技術(shù)的日益發(fā)展，采用CFD技術(shù)進行潤滑系統(tǒng)模擬變速箱內(nèi)部潤滑狀態(tài)已經(jīng)成為可能。本文針對某濕式雙離合器自動變速箱齒輪潤滑的噴射油管，采用CFD方法，對其噴油過程的流場進行了模擬，并結(jié)合試驗結(jié)果，對噴射油管的潤滑效果進行了評價分析，說明了噴射油管設(shè)計方案的合理性。

1 齒輪潤滑方式

變速箱齒輪的潤滑方式通常有三種[3]：飛濺潤滑、流動潤滑與強制潤滑，如圖1所示。

圖1 潤滑方式

飛濺潤滑[4]是將齒輪副中的某個齒輪或幾個放置到油底殼的油液中，隨著齒輪的轉(zhuǎn)動，油液被攪動、飛濺，帶入到嚙合點；由于重力的作用，飛濺出來的油液最終將直接返回到油底殼中，形成循環(huán)。對于飛濺潤滑比較重要的是，在任何時候，油液必須保持在一個特定的浸沒高度。如果油液面太低，將會導致潤滑補足，散熱不足，進而導致齒輪的膠合。如果油液面太高，攪油力矩增大會導致變速箱的功率損失增加，同時會導致油液中產(chǎn)生大量的泡沫，帶來齒輪箱的噪聲。

流動潤滑是通過設(shè)計相關(guān)的油道，如空心軸、集油槽等，使油液流動到指定的部件。流動潤滑常用于軸承的潤滑，也有在齒輪上開孔，通過旋轉(zhuǎn)離心力的作用，使油液流向嚙合面。但由于齒輪上每個齒在轉(zhuǎn)動過程中都會產(chǎn)生嚙合，如果每個齒側(cè)都開孔，極會導致齒輪的強度出現(xiàn)問題。

強制潤滑是一種強制的流動潤滑。給定油液一定的壓力，使其通過開縫的噴口或開孔的噴管，直接噴射至接觸區(qū)。

對于雙離合器自動變速箱來說，主減齒輪位置較低，可以采用飛濺潤滑的方式。而擋位齒輪副大都在油液面以上，其嚙合部位較高，僅靠攪油所產(chǎn)生的油液很難飛濺到所需位置，故需通過噴射油管來實現(xiàn)擋位齒輪的強制潤滑，將潤滑油直接噴射到各檔齒輪嚙合點上。

2 潤滑流場模擬

2.1 數(shù)學模型

噴射油管工作時，變速箱中的液壓控制系統(tǒng)給定一定的壓力，使主油路的油液經(jīng)過冷卻器，將冷卻后的油液分流到噴射油管用來潤滑齒輪。為便于分析，計算模型對油液及其流動狀態(tài)進行如下設(shè)置：

1）油液不可壓縮，忽略其熱膨脹系數(shù)及能量交換。

2）油液滿足三維定常湍流流動的連續(xù)性方程和運動方程[5]。

連續(xù)性方程：

運動方程：

式中：,,為坐標方向；J,J,J分別為各方向的單位質(zhì)量力；為壓力；為油液密度；為油液的運動黏度。

采用標準-ε湍流模型分析油液流動，并對近壁面區(qū)的流動及雷諾數(shù)較小的流動采用壁面罰函數(shù)法進行處理。

標準-ε湍流方程：

式中：C為經(jīng)驗系數(shù)，取0.09；為湍動能；為湍動能耗散率；μ為湍流黏性系數(shù)。

4）考慮重力對油液的影響g=9.81m2/s。

2.2 仿真模型

某雙離合自動變速箱的噴射油管幾何模型如圖2所示。

圖2 噴射油管幾何模型

對噴射油管的幾何模型進行流體域抽取，并導入至軟件進行CFD網(wǎng)格劃分。噴射油管的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 噴射油管網(wǎng)格模型

圖4 兩相流模型

噴射油管的工作環(huán)境是變速箱殼體內(nèi)的油氣混合的兩相流場，所以仿真采用包含油液與空氣的兩相流模型。空氣域模型是在噴射油管的出口附件建立一個長方形的BOX，BOX大小與箱體的區(qū)域接近，如圖4所示。

為提高計算精度，需對噴油口與BOX交互區(qū)域的網(wǎng)格進行精細化處理，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格細化

完成網(wǎng)格模型后，在軟件中進行油管的出口、入口及油氣數(shù)據(jù)交換面的定義與數(shù)據(jù)設(shè)置。初始狀態(tài)下，噴射油管的入口處全是油液，故油液體積分數(shù)為1，空氣體積分數(shù)為0；其余區(qū)域均為空氣，故油液體積分數(shù)為0，空氣體積分數(shù)為1。其它仿真參數(shù)及邊界條件如下表所示。

表1 仿真參數(shù)

3 結(jié)果分析

圖6為入口壓力為1.75bar時的入口流量，入口壓力穩(wěn)定后，入口流量穩(wěn)定在3.5L/min左右，與試驗給定的入口流量一致。

圖6 入口流量曲線

圖7 各噴油口流量曲線

圖7為計算得到的各噴油口的流量曲線，流量穩(wěn)定后，各噴口的質(zhì)量流量之和與入口流量基本相等。表2為仿真得到的流量與試驗測試數(shù)據(jù)的對比。仿真結(jié)果與測試結(jié)果基本一致，表明了仿真模型是可信的。

利用CFD軟件對結(jié)果的可視化效果，將變速箱的齒軸部件按仿真模型的坐標導入，可觀測到各噴口油液是否能到達齒輪副嚙合面或軸承處，如圖8所示。從圖中可以看出，各噴口的噴油軌跡均能達到相應的齒輪或軸承處。

表2 各噴口質(zhì)量流量的仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比

4 結(jié)論

噴射油管是雙離合自動變速箱實現(xiàn)齒軸強制潤滑的重要元件，其噴油效果的好壞直接影響到齒軸系統(tǒng)的是否能夠正常工作。本文利用CFD方法對噴射油管的噴油過程進行了流場模擬，得到各噴口的油液質(zhì)量流量和噴射軌跡等可視化的結(jié)果，并將仿真結(jié)果與測試結(jié)果進行了對比驗證，一方面驗證了仿真結(jié)果的可信性，另一方面也表明了該變速箱的噴射油管設(shè)計合理，能夠達到齒軸強制的潤滑的效果。

本研究不僅為噴射油管的設(shè)計開發(fā)提供了有效的數(shù)據(jù)，而且對于變速箱潤滑系統(tǒng)的設(shè)計評價具有一定的參考價值。

圖8 各噴油口噴油軌跡

[1] 瑪瑙海姆.汽車自動變速器理論基礎(chǔ),選擇,設(shè)計與應用[M].宋進桂等譯.北京:機械工業(yè)出版社,2013.11.

[2] 林銀輝,臧孟炎等.雙離合器自動變速器油軌的流場模擬及其潤滑效果評價[J].中國機械工程,2013,24(22):3052-3056.

[3] 吳曉玲.潤滑設(shè)計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社,2006.

[4] 徐曉春,朱洪等.汽車變速器潤滑[J].汽車工程師,2011（6）:107-110.

[5] 陳暉,李良光等.基于CFD的壓機充液閥流道設(shè)計[J].液壓氣動與密封,2013,12:48-50.

Simulation and Analysis of Flow Field of Oil Manifold in Dual Clutch TransmissionBased on CFD

Zhang Fuwei

( AnHui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Technology Center, Anhui Hefei 230601 )

The dynamic simulation of jet process of Oil Manifold in Dual Clutch Transmission was carried, which was based on CFD approach. The mass flux and streamline of each nozzle were obtained. The accuracy of simulation model was validated by compared with test data. The result of simulation show that the design of Oil Manifold is valid and suitable. This research provides something referential value to the design evaluation of transmission lubrication.

oil manifold; forced lubrication; simulation of flow field; two-phase flow

B

1671-7988(2018)18-140-03

U467

B

1671-7988(2018)18-140-03

CLC NO.: U467

張付偉，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.048