混動雙離合變速箱氣液兩相流分析

郭麗芳

摘 要：本文以混動雙離合變速箱實際出現的吸空油問題為例，采用SPH無網格粒子法，運用nanoFluidX軟件模擬變速箱中齒輪的運動規律，進行氣液兩相流仿真分析，分析結果不僅復現了實際現象，而且清晰的解讀了潤滑油及空氣的走向，提供了行之有效的優化方案，直觀而快速的解決了實驗難以解決的實際工程問題，具有很強的工程意義。

關鍵詞：變速箱;混動雙離合;粒子法;兩相流

1 引言

變速箱是動力系統的重要組成部分，其潤滑性能的好壞決定了變速箱的綜合性能及使用壽命，對于具有雙輸出軸以及電機軸的混動雙離合變速箱，位于油液面上的輸出軸及電機軸各部件無法完全通過飛濺潤滑滿足各個工況的充分潤滑，因而需要配合采用強制噴油潤滑方式進行潤滑。強制潤滑以變速箱箱體為油箱，通過油泵控制閥體，在一定壓力的作用下將油池里的潤滑油經過過濾器、冷卻器供給各個潤滑點，從而實現各工作部件的潤滑冷卻。對變速箱潤滑系統的效果進行評價的傳統方法是通過建立實驗樣機，并在實驗樣機部分殼體上進行開窗，使用透明材料進行密封，以觀察關鍵部位的潤滑效果，此種方法較直觀且可靠性高，但因其局部開窗，無法從全局上了解整個潤滑系統的運行情況，即便是全透明殼體，也無法分辨出潤滑油的實際走向;而且實驗方法只能在變速箱開發的后期進行驗證，實驗研究耗費大量的精力和費用;另外傳統的CFD方法難以解決復雜運動部件和自由液面問題，工程應用上限制較大;本文的SPH方法，可以直觀的將變速器潤滑系統的內部流場表現出來，準確的預測潤滑油的走向，可對潤滑效果進行準確評價。

2 仿真方法介紹

光滑粒子流體動力學方法（Smoothed Particle Hydrodynamics）是多年來逐步發展起來的一種無網格方法，SPH法的基本思想是首先將問題域分解成一個個的粒子，其次獲得每個粒子上的物理變量函數及其導數的近似值，然后應用粒子近似函數，使得每個粒子都可由周邊粒子來表示，從而生成一系列離散化的、只與時間相關的常微分方程，最后使用時間積分方法來求解這一系列離散化的常微分方程，進而得到每個粒子的物理量。由于粒子之間不存在網格關系，因此它可避免極大變形時網格扭曲而造成的精度破壞等問題，并且也能較為方便的處理不同介質的交界面。SPH法的主要優點如下：1、對流項直接通過粒子的運動來模擬，完全消除了自由界面上的數值發散問題，保證了自由液面追蹤的清晰準確;2、完全不需要網格，不僅免去了生成網格的麻煩，而且SPH是一種純Lagrange算法，能避免Euler描述中的歐拉網格與材料的界面問題，這些優點使得SPH法可以方便地模擬具有自由液面的大變形的流體流動問題。nanoFluidX是基于SPH方法的流體動力學仿真工具，可用于預測在復雜幾何體中有復雜機械運動的流動。

3 實驗現象

實驗中為便于觀察潤滑油的攪油形態以及各需要強制潤滑軸承和齒輪等處的潤滑情況，后殼體采用透明殼體。變速箱按照設計油量加油，分別模擬不同車速下，變速箱不同轉速、不同檔位的潤滑情況，觀察齒輪、軸承及各強制潤滑管路潤滑情況。

實驗顯示大部分工況下潤滑情況良好，各強制潤滑管路油液充足清澈;M工況下潤滑油量不足，軸承座油液未充滿，油道內充斥大量白色泡沫，出現吸空油現象。如下圖所示：

觀察主油壓有波動，油壓升高，分析失效原因認為變速箱底部吸濾器吸入混合大量空氣粒子的油液，造成吸油不足;排除法測定其它工況后，分析此工況與其它工況的差異性，認為此現象與位于變速箱油液上部的齒輪反轉有關，但是實驗與理論無法判斷具體與哪個齒輪相關，無法獲知潤滑油的走向是如何最終到達底殼吸濾器入口的。

4 仿真分析

4.1 仿真模型搭建及文件配置

將混動雙離合變速箱三維數模導入到SimLab軟件中進行前處理。計算對象是封閉的流體域，為了確保變速箱殼體的封閉性，殼體部分只提取與內部流體接觸的濕表面，將各軸的端面做封閉處理，并截斷各軸伸出殼體外的部分;所有的油封和軸承外圈與殼體固定不動，軸承內圈及滾子一起按照一定的轉速轉動，其它齒輪和軸按各自轉速轉動。

求解器nanoFluidX中有四種不同的粒子類型，分別為固體壁面粒子WALL，運動壁面粒子MOVINGWALL、流量監測粒子MASSFLOW和流體粒子FLUID。仿真計算中變速箱殼體作為一個密閉的容器，為WALL類型的粒子;不同轉速的旋轉齒輪和旋轉軸，為MOVINGWALL類型的粒子;潤滑油和空氣為FLUID類型的粒子。如下圖所示，綠色的為潤滑油粒子，淡藍色為空氣粒子，紅色為殼體及各固定不動部件粒子，其它為各旋轉部件粒子。粒子間距設為1.2mm，粒子總數二千六百萬，其中油粒子約三百萬，空氣粒子約九百六十萬。潤滑油及空氣的物性參數如表1所示。

計算開啟氣液兩相流模型、表面張力模型和粘滯阻力模型。計算兩個工況，即M工況正轉與反轉兩種工況。兩種工況油液高度一致，電子泵流量9.75L/min，計算物理時間保持一致，保證在整個仿真過程中，輸出軸轉動20圈，計算物理時間設為10秒;兩工況的計算規模相仿，采用相同的硬件資源，即4塊V100顯卡，每個工況在2天內完成計算。

4.2 仿真結果分析

針對本文的分析目的，對吸濾器入口部位進行了重點監測，分析結果見下圖，均為差速器轉滿一定圈數后，同一時刻、兩種工況的空氣粒子在吸油口的分布;圖片中黃色粒子為空氣粒子，圖中只顯示了空氣粒子，隱藏油液粒子;動畫可觀測到M工況正轉時吸濾器吸口附近存在較少空氣粒子，空氣粒子在吸濾口較遠的側邊出現。M工況反轉時空氣粒子幾乎直接沖著吸濾器口而來，吸濾器吸口附近空氣粒子較多，更容易吸入混雜空氣的油液，造成吸空現象（圖4、圖5）。

為了更清晰的了解潤滑油是如何到達吸濾器口的，且主要由哪些齒輪攪動帶動空氣粒子到達吸濾器口，我們放置監測器在吸濾器口，直接觀測到了空氣粒子的一個走向。見上圖所示，M工況正轉時，空氣粒子在齒輪轉動的帶動下，繞過撥叉部件，被固定部件阻擋后，改變方向來到油底殼，此情況下，進入吸濾器的空氣粒子較少;M工況反轉時，空氣粒子在齒輪轉動的作用下，遠離油底殼方向走向，但因為殼體內凹曲面的阻擋，空氣粒子反彈回來，順著殼體壁面滑向吸濾器口部位，幾乎是直沖著吸濾器口而來，因此，M工況反轉進入吸濾器的空氣粒子較多。

由以上分析可以看到，仿真分析與實驗結果具有很好的一致性，且仿真分析很清晰的解決了空氣粒子從哪里來，要到哪里去的這一問題，找到了問題的根源，為進一步的模型優化提供了理論基礎和事實依據。

5 優化方案及實驗驗證

根據仿真分析結果，考慮可加工，可制造，降低成本，可快速進行實驗驗證的優化方案。在A齒來流方向加擋板，遮擋過濾器口，讓其沿著擋板順著旋轉方向延伸出去，不會流向油底殼部。實驗結果顯示加擋板后M工況反轉吸空油現象明顯改善，油壓穩定，仿真分析結果也顯示加擋板后吸濾器口空氣粒子含量明顯降低，仿真分析與實驗結果保持了高度的一致性，仿真與實驗同時驗證了優化方案的有效作用（圖6）。

經過實驗驗證優化方案可行后，后續設計殼體在相關部位添加加強筋，最終完成優化設計方案。

6 結束語

本文的實際案例顯示以SPH方法為基礎的nanoFluidX為解決變速箱潤滑問題提供了一種行之有效的解決方案，快速有效的解決了本文中所遇到的實驗難以預測和解決的實際工程問題。一直以來，基于變速箱箱潤滑系統開發的CFD應用受到集群計算機成本和仿真計算效率的制約，很多時候只是停留在課題研究階段。而基于SPH和GPU的nanoFluidX給予了我們可行的新方向，讓我們從新審視了CFD在傳動系統領域的應用，使快速仿真分析實現前期設計優化，解決實際工程問題成為可能。

參考文獻：

[1]林銀輝.變速器潤滑系統的流場模擬及其潤滑效果評價.華南理工大學.2013.

[2]林銀輝.臧孟炎.胡志華.陳勇.雙離合自動變速器油軌的流場模擬及其潤滑效果評價.中國機械工程.第24卷 第22期 2013年11月下半月.

[3]段振云.二維矩形水槽晃蕩過程的SPH方法模擬.上海交通大學.2008.

[4]趙良會.趙遷.趙春艷.劉斯倩.基于SPH方法的純電動車減速器潤滑仿真.中國汽車工程學會年會.2018.

[5]許洲.電驅變速箱潤滑CFD仿真.Altair2017用戶大會論文.2017.