某新能源汽车变速箱滚针轴承润滑仿真分析及优化

徐斌 乔良 莫家奇

对某新能源变速箱在台架高速试验时因润滑不足而出现输入轴滚针轴承烧毁的问题进行分析。基于Particleworks软件平台，建立输入轴滚针轴承润滑仿真模型，查看不同转速下的润滑效果。以改善滚针轴承润滑为目标，分析加长导油嘴在不同转速下对滚针轴承润滑效果的影响。仿真结果表明，加长导油嘴可改善滚针轴承润滑效果，且通过台架试验验证有效。变速箱;滚针轴承;移动粒子半隐式流体分析方法;润滑系统;仿真分析

0 前言

变速箱润滑系统设计是变速箱开发中至关重要的部分，直接影响变速箱内部齿轮、轴承等零部件的使用寿命。一直以来，变速箱润滑系统设计主要依靠研究人员的经验，通过設计壳体特征，确定润滑形式及油液高度来达到润滑设计要求。如果润滑设计存在缺陷，则会引起齿轮、轴承等重要零部件的失效，且只能在样机试验阶段才会发现。目前，变速箱润滑系统设计验证主要依赖透明壳体台架试验。该试验可以清楚看到壳体上轴承的润滑情况，然而对于内部齿轮和滚针轴承润滑情况的观察却较为局限。由于样机试制及验证时间长，难以快速锁定设计及改进措施，润滑系统设计已成为制约变速箱开发周期的重要因素。

目前，关于润滑方面的研究主要集中在数值分析计算方面。文献[1]提出了采用齿面移动法对齿轮进行处理的方法。文献[2]提出了多相流（VOF）模型，以解决齿轮飞溅润滑存在的较为复杂的油气两相流现象。针对润滑系统的设计，文献[3]介绍了一般的减速器润滑系统组成及相关部件的选择、计算，并给出了润滑系统设计时的注意事项。本文基于移动粒子半隐式流体分析（MPS）方法的Particleworks仿真分析软件平台，建立了某新能源变速箱输入轴滚针轴承润滑仿真模型。该新能源变速箱的开发为基金项目，属于国家重点研发计划：2018YFB0105801新型高性价比机电耦合变速箱开发项目。本文论述了在查看不同转速下滚针轴承的润滑效果后，结合某变速箱输入轴滚针轴承失效问题，指出润滑不足是滚针轴承失效的根本原因，并提出改进方案，满足了滚针轴承的润滑要求，为润滑系统设计与改进提供了有力支持。

1 滚针轴承失效分析

相比传统汽车变速箱，新能源汽车的变速箱要求转速范围更广，低速扭矩更大，对润滑系统的设计要求也更高。因此，现有经验已无法满足更高的工况设计要求，容易出现设计问题。如图1所示，某新能源车采用的变速箱在台架试验时，在高速工况下出现故障，拆解后发现输入轴滚针轴承失效。图中可见该滚针轴承保持架（工程塑料材质）损坏，失效形式表现为典型的因过温过载导致部件烧毁。在该滚针轴承处，轴内设计有油孔，通过轴内导油嘴喷油进行了强制润滑，但实际的内部润滑情况不得而知，也无法利用透明壳体润滑试验直接观测。此时，研究人员通过润滑仿真软件来模拟输入轴滚针轴承润滑情况，分析失效原因是最有效的方法。

2 基于MPS的局部润滑系统模型搭建

2.1 MPS方法及Particleworks软件平台介绍

MPS方法属于流体分析中的无网格法[4]。该方法是将流体计算区域视为由一群粒子构成，其中每个粒子都包含与之相对应的不同流动信息，并以拉格朗日方程为基础，求解各粒子间的相互作用关系方程和离散基本流动方程[5]。研究人员根据各粒子上一时刻的流动信息对下一时刻进行预测和修正，从而获得整个流场的动态流动信息[6]。Particleworks是基于MPS方法开发的1款商业软件平台。在该平台下搭建的变速箱润滑模型可以高效准确地模拟出变速箱内部油液润滑的走向，并生成相应动画。

2.2 基于Particleworks的润滑模型搭建

如图2所示，为了分析输入轴滚针轴承失效原因，研究人员基于Particleworks软件平台，导入输入轴及滚针轴承三维模型，建立了局部输入轴滚针轴承润滑模型。其中，模型设置说明如下：（1）输入轴内部为中空油道设计，每个滚针轴承贴合面有4个油孔，输入轴赋予轴向转动自由度。（2）齿轮共有5个，从左至右分别标记为①②③④⑤号。（3）将①②④⑤号齿轮空套在轴上，可通过结合套与输入轴结合，4个齿轮赋予轴向转动自由度，③号齿轮与输入轴为一体式设计。（4）该轴共有4个滚针轴承，分别布置在空套齿轮①②④⑤内侧，从左至右分别标记为A、B、C、D。滚针轴承与齿轮和输入轴都为间隙配合，滚针轴承赋予轴向转动自由度。（5）输入轴滚针轴承为强制润滑设计，从右侧导油嘴通过油泵注油，每个轴承润滑量要求均为0.1 L/min。（6）考虑到润滑不均，设计输入流量为0.5 L/min，润滑油累积在输入轴中空部位，通过4个油孔流入滚针轴承，为轴承提供润滑。

3 润滑系统仿真分析

通过上述润滑仿真模型，根据典型工况转速表，试验人员分别选取500 r/min、3 000 r/min、6 000 r/min为输入轴转速点。通过仿真分析，4个滚针轴承内部的润滑状况结果如下所述。

（1）如图3所示，输入轴在转速为500 r/min的工况下，输入轴内部油道润滑油充盈，4个滚针轴承内的油孔可以明显看到润滑油，表明A、B、C、D滚针轴承润滑状况良好。

（2）如图4所示，在输入轴转速为3 000 r/min的工况下，在输入轴内部油道内，润滑油主要聚集在右侧，A、B滚针轴承润滑状况较差，C、D滚针轴承润滑状况良好。

（3）如图5所示，在输入轴转速为6 000 r/min的工况下，在输入轴内部油道内，润滑油完全聚集在右侧，A、B滚针轴承几乎无润滑，C、D滚针轴承润滑状况良好。

从仿真结果可以看出，随着输入轴转速的升高，润滑油越来越难进入输入轴内部油道的左侧，导致润滑油都从右侧油孔甩出。最左端的滚针轴承在高速工况下几乎无润滑，这极易导致滚针轴承因过热产生失效。这一仿真结果与高速试验滚针轴承失效情况基本吻合。

4 设计改进及试验验证

为了改善左侧滚针轴承润滑效果，需要让润滑油在高速工况下也能到达输入轴内部油道左侧，并经过左侧油孔甩出，为左侧滚针轴承提供润滑。如图6所示，图中虚线位置为原导油嘴长度，研究人员考虑加长原导油嘴长度。在高速工况下，由于离心力的作用，润滑油可能聚集在右侧内壁上，且右侧油道空腔直径较大，润滑油往左侧流动时存在阶梯，大部分润滑油可能会从最右侧油孔甩出。在加长导油嘴后，喷出的润滑油直接越过内部空腔的階梯，同时左侧油道直径相同。通过利用导油嘴喷油的初速度，可以让润滑油尽量往左侧流动。

在对导油嘴重新建模后，研究人员选取上述相同的3个工况进行润滑仿真分析，并查看4个滚针轴承的润滑情况。结果如下文所述。

从图7、图8和图9可以看出，在500 r/min、3 000 r/min，6 000 r/min这3个输入轴转速下，3个轴承均可以得到有效润滑。尤其在6 000 r/min下，左侧A、B滚针轴承从原先的基本无润滑变成润滑状况良好。润滑油可以顺利进入输入轴左侧轴孔内部，向滚针轴承提供充足的润滑。仿真结果表明，加长导油嘴可以明显改善在高速工况下的输入轴左侧滚针轴承的润滑状况。

根据仿真结果，研究人员对原导油嘴进行了工程样件改制，并重新启动了新一轮高速试验。最终试验顺利通过，验证了润滑不足是导致滚针轴承失效的重要原因，且验证了加长导油嘴的方案有效。

5 结论

根据上述仿真和试验结果，得出以下结论。

（1）润滑不足是导致滚针轴承失效的主要原因。

（2）基于MPS的Particleworks软件平台搭建的输入轴滚针轴承仿真模型可以准确地模拟试验样机，并进行润滑仿真分析。

（3）在加长导油嘴后，在500 r/min、3 000 r/min，6 000 r/min这3个输入轴转速下，润滑油都可以直接越过油道阶梯。因此，输入轴左侧的滚针轴承润滑得到改善。台架试验验证该改进方案有效，满足了滚针轴承润滑要求。

[1]彭钱磊， 桂良进， 范子杰.基于齿面移动法的齿轮飞溅润滑性能数值分析与验证[J].农业工程学报，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]张玉梅， 国晓顺， 薛澎皓. 传动装置中减速器润滑系统的设计[J]. 橡塑技术与装备， 2013， 039（007）：57-59.

[4]孙中国， 李帝辰， 陈啸，等. 移动粒子半隐式法在流体机械数值模拟中的应用[J]. 排灌机械工程学报， 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.