某新能源汽車變速箱滾針軸承潤滑仿真分析及優(yōu)化

徐斌 喬良 莫家奇

對某新能源變速箱在臺架高速試驗時因潤滑不足而出現(xiàn)輸入軸滾針軸承燒毀的問題進行分析。基于Particleworks軟件平臺，建立輸入軸滾針軸承潤滑仿真模型，查看不同轉(zhuǎn)速下的潤滑效果。以改善滾針軸承潤滑為目標(biāo)，分析加長導(dǎo)油嘴在不同轉(zhuǎn)速下對滾針軸承潤滑效果的影響。仿真結(jié)果表明，加長導(dǎo)油嘴可改善滾針軸承潤滑效果，且通過臺架試驗驗證有效。變速箱;滾針軸承;移動粒子半隱式流體分析方法;潤滑系統(tǒng);仿真分析

0 前言

變速箱潤滑系統(tǒng)設(shè)計是變速箱開發(fā)中至關(guān)重要的部分，直接影響變速箱內(nèi)部齒輪、軸承等零部件的使用壽命。一直以來，變速箱潤滑系統(tǒng)設(shè)計主要依靠研究人員的經(jīng)驗，通過設(shè)計殼體特征，確定潤滑形式及油液高度來達到潤滑設(shè)計要求。如果潤滑設(shè)計存在缺陷，則會引起齒輪、軸承等重要零部件的失效，且只能在樣機試驗階段才會發(fā)現(xiàn)。目前，變速箱潤滑系統(tǒng)設(shè)計驗證主要依賴透明殼體臺架試驗。該試驗可以清楚看到殼體上軸承的潤滑情況，然而對于內(nèi)部齒輪和滾針軸承潤滑情況的觀察卻較為局限。由于樣機試制及驗證時間長，難以快速鎖定設(shè)計及改進措施，潤滑系統(tǒng)設(shè)計已成為制約變速箱開發(fā)周期的重要因素。

目前，關(guān)于潤滑方面的研究主要集中在數(shù)值分析計算方面。文獻[1]提出了采用齒面移動法對齒輪進行處理的方法。文獻[2]提出了多相流（VOF）模型，以解決齒輪飛濺潤滑存在的較為復(fù)雜的油氣兩相流現(xiàn)象。針對潤滑系統(tǒng)的設(shè)計，文獻[3]介紹了一般的減速器潤滑系統(tǒng)組成及相關(guān)部件的選擇、計算，并給出了潤滑系統(tǒng)設(shè)計時的注意事項。本文基于移動粒子半隱式流體分析（MPS）方法的Particleworks仿真分析軟件平臺，建立了某新能源變速箱輸入軸滾針軸承潤滑仿真模型。該新能源變速箱的開發(fā)為基金項目，屬于國家重點研發(fā)計劃：2018YFB0105801新型高性價比機電耦合變速箱開發(fā)項目。本文論述了在查看不同轉(zhuǎn)速下滾針軸承的潤滑效果后，結(jié)合某變速箱輸入軸滾針軸承失效問題，指出潤滑不足是滾針軸承失效的根本原因，并提出改進方案，滿足了滾針軸承的潤滑要求，為潤滑系統(tǒng)設(shè)計與改進提供了有力支持。

1 滾針軸承失效分析

相比傳統(tǒng)汽車變速箱，新能源汽車的變速箱要求轉(zhuǎn)速范圍更廣，低速扭矩更大，對潤滑系統(tǒng)的設(shè)計要求也更高。因此，現(xiàn)有經(jīng)驗已無法滿足更高的工況設(shè)計要求，容易出現(xiàn)設(shè)計問題。如圖1所示，某新能源車采用的變速箱在臺架試驗時，在高速工況下出現(xiàn)故障，拆解后發(fā)現(xiàn)輸入軸滾針軸承失效。圖中可見該滾針軸承保持架（工程塑料材質(zhì)）損壞，失效形式表現(xiàn)為典型的因過溫過載導(dǎo)致部件燒毀。在該滾針軸承處，軸內(nèi)設(shè)計有油孔，通過軸內(nèi)導(dǎo)油嘴噴油進行了強制潤滑，但實際的內(nèi)部潤滑情況不得而知，也無法利用透明殼體潤滑試驗直接觀測。此時，研究人員通過潤滑仿真軟件來模擬輸入軸滾針軸承潤滑情況，分析失效原因是最有效的方法。

2 基于MPS的局部潤滑系統(tǒng)模型搭建

2.1 MPS方法及Particleworks軟件平臺介紹

MPS方法屬于流體分析中的無網(wǎng)格法[4]。該方法是將流體計算區(qū)域視為由一群粒子構(gòu)成，其中每個粒子都包含與之相對應(yīng)的不同流動信息，并以拉格朗日方程為基礎(chǔ)，求解各粒子間的相互作用關(guān)系方程和離散基本流動方程[5]。研究人員根據(jù)各粒子上一時刻的流動信息對下一時刻進行預(yù)測和修正，從而獲得整個流場的動態(tài)流動信息[6]。Particleworks是基于MPS方法開發(fā)的1款商業(yè)軟件平臺。在該平臺下搭建的變速箱潤滑模型可以高效準(zhǔn)確地模擬出變速箱內(nèi)部油液潤滑的走向，并生成相應(yīng)動畫。

2.2 基于Particleworks的潤滑模型搭建

如圖2所示，為了分析輸入軸滾針軸承失效原因，研究人員基于Particleworks軟件平臺，導(dǎo)入輸入軸及滾針軸承三維模型，建立了局部輸入軸滾針軸承潤滑模型。其中，模型設(shè)置說明如下：（1）輸入軸內(nèi)部為中空油道設(shè)計，每個滾針軸承貼合面有4個油孔，輸入軸賦予軸向轉(zhuǎn)動自由度。（2）齒輪共有5個，從左至右分別標(biāo)記為①②③④⑤號。（3）將①②④⑤號齒輪空套在軸上，可通過結(jié)合套與輸入軸結(jié)合，4個齒輪賦予軸向轉(zhuǎn)動自由度，③號齒輪與輸入軸為一體式設(shè)計。（4）該軸共有4個滾針軸承，分別布置在空套齒輪①②④⑤內(nèi)側(cè)，從左至右分別標(biāo)記為A、B、C、D。滾針軸承與齒輪和輸入軸都為間隙配合，滾針軸承賦予軸向轉(zhuǎn)動自由度。（5）輸入軸滾針軸承為強制潤滑設(shè)計，從右側(cè)導(dǎo)油嘴通過油泵注油，每個軸承潤滑量要求均為0.1 L/min。（6）考慮到潤滑不均，設(shè)計輸入流量為0.5 L/min，潤滑油累積在輸入軸中空部位，通過4個油孔流入滾針軸承，為軸承提供潤滑。

3 潤滑系統(tǒng)仿真分析

通過上述潤滑仿真模型，根據(jù)典型工況轉(zhuǎn)速表，試驗人員分別選取500 r/min、3 000 r/min、6 000 r/min為輸入軸轉(zhuǎn)速點。通過仿真分析，4個滾針軸承內(nèi)部的潤滑狀況結(jié)果如下所述。

（1）如圖3所示，輸入軸在轉(zhuǎn)速為500 r/min的工況下，輸入軸內(nèi)部油道潤滑油充盈，4個滾針軸承內(nèi)的油孔可以明顯看到潤滑油，表明A、B、C、D滾針軸承潤滑狀況良好。

（2）如圖4所示，在輸入軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的工況下，在輸入軸內(nèi)部油道內(nèi)，潤滑油主要聚集在右側(cè)，A、B滾針軸承潤滑狀況較差，C、D滾針軸承潤滑狀況良好。

（3）如圖5所示，在輸入軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/min的工況下，在輸入軸內(nèi)部油道內(nèi)，潤滑油完全聚集在右側(cè)，A、B滾針軸承幾乎無潤滑，C、D滾針軸承潤滑狀況良好。

從仿真結(jié)果可以看出，隨著輸入軸轉(zhuǎn)速的升高，潤滑油越來越難進入輸入軸內(nèi)部油道的左側(cè)，導(dǎo)致潤滑油都從右側(cè)油孔甩出。最左端的滾針軸承在高速工況下幾乎無潤滑，這極易導(dǎo)致滾針軸承因過熱產(chǎn)生失效。這一仿真結(jié)果與高速試驗滾針軸承失效情況基本吻合。

4 設(shè)計改進及試驗驗證

為了改善左側(cè)滾針軸承潤滑效果，需要讓潤滑油在高速工況下也能到達輸入軸內(nèi)部油道左側(cè)，并經(jīng)過左側(cè)油孔甩出，為左側(cè)滾針軸承提供潤滑。如圖6所示，圖中虛線位置為原導(dǎo)油嘴長度，研究人員考慮加長原導(dǎo)油嘴長度。在高速工況下，由于離心力的作用，潤滑油可能聚集在右側(cè)內(nèi)壁上，且右側(cè)油道空腔直徑較大，潤滑油往左側(cè)流動時存在階梯，大部分潤滑油可能會從最右側(cè)油孔甩出。在加長導(dǎo)油嘴后，噴出的潤滑油直接越過內(nèi)部空腔的階梯，同時左側(cè)油道直徑相同。通過利用導(dǎo)油嘴噴油的初速度，可以讓潤滑油盡量往左側(cè)流動。

在對導(dǎo)油嘴重新建模后，研究人員選取上述相同的3個工況進行潤滑仿真分析，并查看4個滾針軸承的潤滑情況。結(jié)果如下文所述。

從圖7、圖8和圖9可以看出，在500 r/min、3 000 r/min，6 000 r/min這3個輸入軸轉(zhuǎn)速下，3個軸承均可以得到有效潤滑。尤其在6 000 r/min下，左側(cè)A、B滾針軸承從原先的基本無潤滑變成潤滑狀況良好。潤滑油可以順利進入輸入軸左側(cè)軸孔內(nèi)部，向滾針軸承提供充足的潤滑。仿真結(jié)果表明，加長導(dǎo)油嘴可以明顯改善在高速工況下的輸入軸左側(cè)滾針軸承的潤滑狀況。

根據(jù)仿真結(jié)果，研究人員對原導(dǎo)油嘴進行了工程樣件改制，并重新啟動了新一輪高速試驗。最終試驗順利通過，驗證了潤滑不足是導(dǎo)致滾針軸承失效的重要原因，且驗證了加長導(dǎo)油嘴的方案有效。

5 結(jié)論

根據(jù)上述仿真和試驗結(jié)果，得出以下結(jié)論。

（1）潤滑不足是導(dǎo)致滾針軸承失效的主要原因。

（2）基于MPS的Particleworks軟件平臺搭建的輸入軸滾針軸承仿真模型可以準(zhǔn)確地模擬試驗樣機，并進行潤滑仿真分析。

（3）在加長導(dǎo)油嘴后，在500 r/min、3 000 r/min，6 000 r/min這3個輸入軸轉(zhuǎn)速下，潤滑油都可以直接越過油道階梯。因此，輸入軸左側(cè)的滾針軸承潤滑得到改善。臺架試驗驗證該改進方案有效，滿足了滾針軸承潤滑要求。

[1]彭錢磊， 桂良進， 范子杰.基于齒面移動法的齒輪飛濺潤滑性能數(shù)值分析與驗證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31（ 10）：51.

[2]HIRT C W， NICHOLS B D. Volume of fluid （VOF） method for the dynamics of free boundaries[J]. Computational Physics， 1981， 39（1）：201-225.

[3]張玉梅， 國曉順， 薛澎皓. 傳動裝置中減速器潤滑系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 橡塑技術(shù)與裝備， 2013， 039（007）：57-59.

[4]孫中國， 李帝辰， 陳嘯，等. 移動粒子半隱式法在流體機械數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J]. 排灌機械工程學(xué)報， 2013， 031（011）：921-927.

[5]SHAKIBAEINIA A， JIN Y C. MPS mesh-free particle method for multiphase flows[J]. Computer Methods in Applied Mechanics & Engineering， 2012， 229-232（1）：13-26.

[6]KOSHIZUKA S， AND A N， OKA Y. Numerical analysis of breaking waves using the moving particle semi-implicit method[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids， 1998，26： 751-769.