新能源商用車減速器齒輪潤滑研究

摘要：在新能源商用車減速器中，潤滑油起著非常重要的作用，其性能參數、加注量、溫度、齒輪的轉速、形狀及載荷情況，都直接影響著減速器性能和使用壽命。從潤滑油的選用、黏度及加注量的影響，以及齒輪在不同轉速下的潤滑狀況，進行了詳細的分析計算，最終確定了潤滑油對減速器效率及壽命的影響，并針對某商用車減速器齒輪的潤滑情況，通過透明殼體試驗進行了驗證，驗證了分析的準確性及可靠性。

關鍵詞：減速器；潤滑油；效率

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2024-03-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.030

1 前言

減速器是汽車傳遞動力的關鍵一環，其效率與可靠性是設計和開發時需要著重考慮的內容。在新能源汽車快速發展中，提高新能源汽車減速器的效率和可靠性無疑能給廠家帶來良好的口碑及不錯的銷量。對于新能源商用車來說，提升減速器的效率，意味著能減少能耗，從而增加續航里程。

減速器的效率損失主要集中在攪油損失、齒輪摩擦損失、軸承摩擦損失等方面。通常，齒輪箱最常用的潤滑方式為飛濺潤滑，它依靠齒輪轉動來帶動潤滑油，使潤滑油飛濺到減速器中各零部件上，起到散熱和潤滑的作用。齒輪系統在工作過程中會產生嚙合摩擦功率損失、風阻功率損失和攪油功率損失。其中，攪油功率損失約占上述總功率損失的30%[1]。因此，要降低減速器的攪油效率損失，需要對減速器潤滑油的選用、齒輪的潤滑及攪油狀態進行研究。

本文采用粒子法對齒輪攪油進行了仿真分析，分別研究了潤滑油的黏度、溫度、加注量及轉速對減速器效率的影響，并通過透明殼體試驗進行了驗證，為減速器設計開發提供完整的設計支撐。

2 齒輪潤滑原理

在齒輪傳動過程中，潤滑油會在齒面形成油膜，完整的油膜由邊界油膜和流動油膜組成[2]，如圖1所示。

在齒輪副傳遞動力的過程中，主動齒輪與被動齒輪之間存在滾動和滑動兩種運動，滾動可以攪動潤滑油，使潤滑油飛濺到齒面上，形成油膜，利于齒輪的潤滑和冷卻，滑動則會擠壓齒面形成的油膜，如果將邊界油膜擠壓出去，兩齒輪的齒面就會相互摩擦，產生熱量，降低齒輪傳動效率，嚴重時會損壞齒面。因此，需要選用合適的潤滑油，并對減速器齒輪潤滑進行詳細的分析，保持齒面形成有效的潤滑油膜，減少齒輪摩擦損失，提高傳動效率。

3 潤滑油的選擇

實踐證明，齒輪潤滑狀態與齒輪的載荷、轉速及潤滑油性能存在直接關系，為了提高新能源商用車減速器的工作效率，需要選用黏度低、低溫流動性好的潤滑油。結合以往選用潤滑油的經驗，確定潤滑油相關參數，如表1所示。

4 齒輪潤滑仿真分析

4.1 流體仿真方法

在傳統的流體動力學仿真計算中，通常采用有限元劃分網格的方法，ANSYS Fluent為代表之一。有限元劃分網格的方法特別考驗設計者的網格劃分能力，網格劃分的好壞直接影響計算的準確性。

本文將采用一種新興的流體動力學仿真計算方法，即粒子法，對齒輪箱攪油功率損失進行仿真分析。該方法不需要劃分有限元網格，可以模擬各種復雜的流場，適用于不可壓縮流體的仿真計算[3]，已經被廣泛的用于流體仿真行業。

粒子法遵循拉格朗日形式的質量、動量守恒的流動方程[4]：

[dρdt+ρ?ui?xi=0]  （1）

[ρduidt=??p?xi+?τij?xj+ρfi] （2）

式中，[ρ]為流體的密度；[ui]為流體的速度；P為流體的壓力；[τij]為流體單位質量上的剪切應力；[fi]為流體單位質量上的外力。

該方法通過保證粒子密度的恒定來確保流體的不可壓縮性，將自由面粒子的壓力設為零作為邊界條件[5]，通過數值計算，不斷的迭代和校正，使仿真計算結果趨于實際。

4.2 建立仿真模型

根據設計好的齒輪參數，在CATIA中繪制齒軸三維模型，選用合適的軸承并繪制前后殼體。該新能源商用車減速器采用兩級傳動結構（圖2），上方小齒輪為動力輸入軸，通過其下方的雙聯齒輪將動力傳遞到差速器大齒輪，最后將動力輸出到車輪，驅動車輛前進或后退。

本文采用的流體仿真軟件是XFlow。XFlow是Next Limit科技公司開發的新一代流體動力學（CFD）模擬軟件，可以處理復雜的流體動力學問題，其基于粒子、完整的拉格朗日函數的計算方法，能夠解決汽車、工程、科學等領域復雜的流體動力學問題。

為了將繪制好的模型導入XFlow進行流體仿真，需要將三維模型進行相應的簡化，保留內部流場的空間并更改格式，簡化后不影響仿真結果，流體仿真的模型如圖3所示。

4.3 設置仿真工況

在XFlow中，以殼體為邊界，將殼體內部設置為內流場，潤滑油處在殼體內部，根據潤滑油加注量設置潤滑油高度，并對各軸設置相應的轉速。為了使仿真結果接近實際情況，還需要考慮重力的影響，并將粒子大小設置的盡可能小，本文粒子大小設置為0.1 mm。

本文主要研究潤滑油的黏度、加注量及齒輪轉速對減速器攪油損失的影響，所得到的工況詳細參數如表2所示。

4.4 仿真計算結果

根據工況1到工況5的參數，在仿真軟件中分別設置好，并進行分析計算，匯總各工況下齒輪攪油功率損失，得到圖4所示的功率損失曲線。

從圖4可以看出，在0～0.2 s時間段內，潤滑油從靜止到開始被攪動，功率損失在0.2 s時達到最大值，其原因在于初始狀態下潤滑油全部處于底部，當齒輪開始旋轉時，所攪動的潤滑油量最大，因此系統的攪油功率損失就越大。在0.2 s之后，攪油功率損失逐漸趨于穩定，與實際相符。

a.工況1和工況2的差別在于潤滑油粘度不同，工況1黏度大約是工況2黏度的兩倍，從圖4中可以看出，工況1的齒輪攪油功率損失大于工況2，約為5 W，由此可知潤滑油黏度越大，齒輪攪油功率損失就越大。

b.工況2和工況3的差別在于潤滑油的加注量不同，工況2為1 L，工況3為2 L，從圖4中可以看出，潤滑油加注量從1 L增加到2 L之后，齒輪攪油功率損失明顯增加，約為12 W，可知潤滑油加注量越多，攪油功率損失越大。

c.工況3、工況4和工況5分別考慮了齒輪轉速為500 r/min、1 000 r/min及1 500 r/min時的齒輪攪油功率損失，從圖4可以看出，齒輪轉速越大，攪油功率損失就越大，在1 500 r/min時功率損失達到了20 W左右。

d.在XFlow中，分別觀察了工況2和工況3的齒輪潤滑狀況，如圖5和圖6所示。

從圖5可以直觀地看出，加注1 L潤滑油時，差速器大齒輪上潤滑油很少，未得到充分的潤滑，存在齒面磨損的風險。圖6是加注2 L潤滑油的齒輪攪油狀態，可以看出，所有齒輪和軸承都處于潤滑狀態，且潤滑情況良好。因此，在減速器設計開發過程中，要綜合考慮齒輪攪油功率損失和零部件的潤滑情況，得出最佳的潤滑油加注量。

5 試驗分析

為了進一步驗證齒輪攪油潤滑仿真的可靠性，根據三維模型繪制工程圖，制作出透明的前后殼體，進行臺架試驗。本次試驗采用工況3的相關參數，在達到穩定的工作狀態時，減速器潤滑結果如圖7和圖8所示。

從透明殼體潤滑試驗中可以看出，大齒輪攪動潤滑油飛濺到小齒輪和殼體內壁上，潤滑油會順著殼體內壁再流回到殼體底部，齒輪之間也會相互攪動并飛濺潤滑油，在加注2 L潤滑油的狀態下，減速器齒輪和軸承等部件都得到了充分的潤滑，與XFlow仿真結果一致。

6 結語

本文通過齒輪攪油的流體仿真分析，并結合透明殼體潤滑試驗，可以得出以下結論：

a.齒輪攪油功率損失隨著潤滑油黏度的增大而增大。

b.齒輪攪油功率損失隨著潤滑油加注量的增加而增大，但加大潤滑油加注量可以優化齒輪的潤滑狀態，因此潤滑油加注量需要權衡功率損失和潤滑效果綜合分析，得出合理的加注量。

c.齒輪轉速越大，攪油功率損失就越大。

參考文獻：

[1]Concli F，Conrado E，Gorla C.Analysis of power losses in an industrial planetary speed reducer： measurements and computational fluid dynamics calculations[J].Journal of Engineering Tribology，2014，44（2）：1–3.

[2]齒輪手冊編委會.齒輪手冊[M].北京：機械工業出版社，2000.

[3]李晏，皮彪，王葉楓，等.基于移動粒子半隱式法的齒輪攪油損失分析與試驗驗證[J].同濟大學學報（自然科學版）.2018（3）：368-371.

[4]鄭光澤，楊航，郝濤，等.齒輪攪油功率損失與減速器傳動效率分析[J].機械傳動，2020（12）：49-54.

[5]劉桓龍，謝遲新，李大法，等.齒輪箱飛濺潤滑流場分布和攪油力矩損失[J].浙江大學學報：工學版，2021（5）：875-886.

作者簡介：

蔣文俊，男，1984年生，研究方向為新能源動力系統。