基于SPH方法的高集成電驅動殼體潤滑結構優化

鞏占峰，杜毅斐，席 飛，胡烜華

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

商用車數量僅占汽車的13%，但污染物的排放占比超過60%。隨著人們對生存環境關注程度的提高，以及國家日益嚴格的降低排放目標的確定，新能源商用車產業得到了快速發展。在新能源商用車領域，由于高集成（電機、電控、減速器等）電驅動系統具有集成性高、能量密度大、成本低等諸多優點，已成為各商用車廠家爭相研發的產品。

在高集成電驅動系統中，減速器模塊主要由傳動軸、軸承、齒輪副、密封件和殼體構成，其作用是降速增扭，并將扭矩合理分配到車輛的兩個輪邊。電驅動系統減速器結構需要有良好的潤滑設計，良好的潤滑一方面給齒輪、軸承等摩擦副覆蓋一層油膜，降低摩擦副的摩擦系數，減少磨損；另一方面帶走各摩擦部位因摩擦或攪動齒輪油產生的熱量，使軸系零件處于一個相對可靠的溫度區間。商用車電驅動系統一般采用飛濺潤滑的方式。如何保證減速器殼體設計能夠滿足軸系關鍵部位的潤滑成為減速器殼體設計的關鍵，目前工程應用中主要有以下三種方法。

（1）根據工程師的經驗，結合實際臺架驗證，通過在殼體上開觀察孔的方法，觀測油液在關注轉速下是否能夠滿足潤滑需求。該種方法過度依賴工程師的經驗，且觀測結果受限于殼體的結構和油液的飛濺，不容易觀察。（2）采用透明殼體的方法，通過透明殼體觀察電驅動系統減速器軸系在不同車速下的潤滑情況。該種方法制作周期較長，不能滿足設計上的反復修改。（3）進行仿真模擬，主要有兩種：第一種是需要劃分網格的有限元法（Finite Element Method, FEM），基于這種方法的軟件以Fluent軟件為代表。該方法開發較早，功能強大且工程應用經驗較為豐富，但需要質量優良的網格模型，前處理時間相對較長，同時在計算過程中，容易出現網格畸變和扭曲現象，對設計人員的要求較高[1-2]。另一種是不需要劃分網格的光滑粒子流體動力學（Smoothed Particles Hydrodynamics, SPH）方法，基于這種方法的軟件以PreonLab、shonDy等軟件為代表。這種方法由于不需要劃分復雜的網格模型，因此入門門檻相對較低，同時有著計算過程中軟件報錯率較少，相對準確的仿真結果，可以快速實現產品的三維潤滑仿真等優點，近些年發展比較迅速。本文主要敘述基于SPH方法進行減速器殼體潤滑結構優化的過程。

1 SPH方法

SPH方法是一種基于粒子近似而非網格單元近似的無網格計算方法。該方法利用一系列帶有密度、速度、溫度等力學量的粒子來描述系統的狀態，通過插值函數來描述各粒子間的相互作用，避免了網格法容易產生畸變等問題。同時SPH方法可以方便地跟蹤粒子的運動來獲得整個物理區域的特性，可以很方便地模擬物質界面移動和光滑場的變量問題，廣泛應用于流體域的模擬計算[3]。

理論上任意粒子的連續函數的值或其導數均可以利用周圍粒子的已知值，通過核函數精確表示，其理論模型為

式中，f是三維空間位置矢量x的函數；dx’表示體積的微分；Ω表示自變量x的定義域；δ（x-x’）為狄拉克δ的函數，其表達式為

為了方便計算，通常情況下用光滑函數W(x-x’)取代δ函數的核函數δ（x-x’），則f(x)變化為

式中，W一般稱為光滑函數，h是W影響域的光滑長度。

光滑函數W必須遵循下列條件[4]：

（1）正則化條件：

（2）光滑長度h無限接近0時，具有狄拉克函數性質：

（3）光滑函數的緊支性：

式中，κ為與點x處光滑函數相關的常數。

滿足以上條件的函數都可以作為SPH方法的核函數。通過該核函數可以將粒子處的場變量擴展為其支持域內的一組粒子表示。

SPH方法具體的計算流程如下[5]：首先定義粒子的初始位置，并計算各粒子的壓強、密度、加速度。根據定義的臨界條件改變各粒子的加速度，然后根據各粒子的加速度計算其速度的變化，并根據其速度的變化計算各粒子的位置。各粒子位置根據以上步驟迭代計算得出。

2 問題說明

本文主要介紹以SPH為基礎，采用潤滑仿真的方法解決高集成電驅動系統中減速器的潤滑問題。

高集成電驅動系統減速器軸系如圖1所示，從上往下依次為Ⅰ軸、Ⅱ軸、Ⅲ軸、Ⅳ軸。電驅動減速器軸系的主要作用是傳遞由電機輸出的扭矩，并將扭矩放大，轉速降低。軸系中的軸承均依靠飛濺潤滑方式進行潤滑。

圖1 高集成電驅系統軸系

電驅動系統減速器殼體的作用是對軸系提供支撐、保護作用，同時通過潤滑結構（油道、刮油板、擋油板等結構）的設計潤滑軸系的軸承。

減速器殼體主要采用包絡式設計方法進行初始設計，初始設計方案如圖2所示。

圖2 殼體初始設計方案

采用減速器殼體初始設計方案的高集成電驅動系統在進行驅動橋溫升臺架試驗時，發生因齒輪油溫度異常引起的設備報警停機故障。經拆解發現，高集成電驅動系統在Ⅱ軸左軸承區域發生因高溫引起的損壞故障。通過對軸承的失效形式進行分析，初步推測是潤滑不足引起的失效，需要對軸系的潤滑進行仿真計算，并進行相關結構的優化改進。

3 仿真分析

本文基于粒子流仿真軟件進行高集成電驅動系統中減速器的潤滑仿真。

3.1 前處理及計算設置

基于Creo三維建模軟件建立完整的減速器模型。為保證減速器殼體的封閉性可將左右殼體合并為一個實體，并將殼體輸入和輸出端的端面進行封閉處理。同時為了減少零件數量便于觀察后續油流分布，可將各軸系軸承外圈與殼體進行實體合并處理設置為固定不動；各軸系軸承滾子、內圈與齒輪軸合并處理設置為以相同轉速轉動。

粒子流仿真軟件由于采用無網格方法，因此可將處理后的減速器殼體及相關的軸系結構直接導入到粒子流仿真軟件進行計算設置。求解器采用軟件自帶求解器并考慮單相流模型、湍流模型設置。同時考慮到計算精度和時間成本，本次分析模型設置仿真粒子直徑大小為2 mm，數量約為80萬個。考慮齒輪油實際特性，齒輪油粘度按實驗室實測80w-90齒輪油35.6 ℃對應粘度184 mm2/s進行設置。仿真計算前，按照實際加油量對計算模型進行液面初始化，齒輪油液面初始結果如圖3所示。

圖3 高集成驅動系統液面高度

齒輪箱飛濺潤滑失效的最惡劣工況是低速工況。轉速較低時，齒輪飛濺的齒輪油動能較低，不能有效飛濺到需要潤滑的部位，尤其是位置較高的齒輪軸。根據整車極限工況，以最低車速10 km/h校核減速器內軸系的潤滑情況。各級齒輪軸的轉速如表1所示。

表1 潤滑仿真各軸轉速

3.2 后處理及結果分析

Ⅱ軸左軸承主要依靠齒輪飛濺潤滑的方式進行潤滑。由圖1、圖2可知，Ⅱ軸左軸承處于整個減速箱體較高的位置。高集成驅動系統的液面高度如圖3所示，處于較低的液面位置。油液需通過齒輪的攪動將處于較低位置的油液飛濺到較高的軸承位置處。殼體潤滑結構設計的好壞直接決定了Ⅱ軸左軸承是否潤滑良好。

電驅動系統減速箱體油液分布仿真結果如圖4所示，由圖可知，3 s以后殼體的油液基本不變，此時可認為進入穩定狀態，計算完成。

圖4 殼體初始設計方案油液分布

由仿真結果可以看到，減速器初始設計殼體方案中，油液在差速器齒輪的旋轉攪動下，齒輪油由較低位置被攪動到較高的位置，但始終聚集在Ⅲ軸齒輪、差速器被動圓柱齒輪和殼體的空腔位置處，無法到達Ⅱ軸左軸承處。Ⅱ軸左軸承無法得到齒輪油的潤滑，產生的熱量也無法隨齒輪油排出。證實了Ⅱ軸左軸承潤滑不足是造成軸承燒蝕故障主要原因猜想，需要對殼體的潤滑結構進行優化設計。

4 殼體潤滑結構優化設計

Ⅲ軸處的殼體初始設計方案細節如圖5(a)所示，由仿真分析可知，齒輪油在Ⅲ軸齒輪和差速器齒輪嚙合“泵油”后，聚集在Ⅲ軸齒輪、差速器被動圓柱齒輪和殼體的空腔位置處。此處缺少設計可以“引導”齒輪油向Ⅱ軸左軸承飛濺的結構，導致了Ⅱ軸左軸承處的潤滑油進油困難，Ⅱ軸左軸承潤滑不良。此處潤滑設計不能滿足軸承潤滑需求，需對該處結構進行優化設計。

圖5 殼體潤滑結構優化

優化后的Ⅲ軸處減速器殼體如圖5(b)所示。與初始設計方案相比，在Ⅲ軸的主動齒輪處的殼體部位增加了引流板結構。引流板起始于Ⅲ軸齒輪和差速器齒輪的嚙合位置，并包絡Ⅲ軸主動齒輪。通過合理設計引流板與齒輪的間隙可以引導由齒輪副“泵出”的油液到達Ⅱ軸左軸承進油口處，并通過Ⅱ軸左軸承進油口到達Ⅱ軸左軸承處潤滑該軸承。

按與初始設計方案相同的參數設置，對采用優化后減速器殼體的電驅動系統進行潤滑仿真計算，其結果如圖6所示。

圖6 殼體優化方案油液分布

由仿真結果可以看到，同樣的計算時間區域內，優化后的殼體結構優于初始設計方案。齒輪油從Ⅲ軸齒輪和差速器齒輪嚙合位置“泵出”后，隨三軸齒輪及導流板通過Ⅱ軸進油口進入Ⅱ軸左軸承處潤滑Ⅱ軸左軸承處。殼體潤滑優化后的引流板結構可以有效導流，滿足Ⅱ軸左軸承的潤滑需求。

5 臺架驗證

為了驗證優化后殼體是否滿足潤滑要求，重新對裝配優化后減速器殼體的高集成電驅動系統進行驅動橋溫升臺架試驗驗證，并記錄試驗過程中齒輪油的油液溫度。試驗結果如表2所示。

表2 臺架驗證試驗結果

實驗結果表明，高集成電驅動系統減速箱體的油液溫度可控，同時拆解后發現Ⅱ軸左軸承完好，未發生高溫損壞故障。實驗證明了齒輪、軸承部位處的潤滑良好，優化后減速器殼體油路設計合理，潤滑結構優化有效。

6 結論

本文通過仿真及試驗的方法對某高集成電驅動系統減速器的潤滑性能進行了結構優化設計，并得出以下結論：

（1）基于SPH方法利用仿真分析得出該高集成電驅動系統減速器初始設計方案不能滿足軸承的潤滑需求。

（2）在最低車速工況下，通過在減速器殼體上增加導油板結構，對高集成電驅動系統減速器軸系潤滑方案進行了優化。通過仿真分析驗證了優化后殼體可提高系統的潤滑性能。

（3）結合臺架試驗結果，減速器內部關鍵部件未出現異常磨損且溫升情況良好，證明了潤滑結構優化的有效性。

本文可為同類產品潤滑結構的優化設計提供參考。