汽车动力耦合装置锥齿轮润滑仿真分析★

李 健，黄爱维，陶丽娟，郁 成，王 妍

（南通理工学院，江苏 南通 226002）

引言

汽车零部件的磨损问题一直是影响整车使用寿命的关键因素。目前，润滑油已具备可靠的高低温性能、良好的抗氧化性和防腐特性。在混合动力汽车中，动力耦合装置是动力分配的核心部件之一，主要作用是实现发动机、电动机和发电机三者之间的动力匹配，锥齿轮通过旋转，带动壳体底部的润滑油有效覆盖到传动部件，完成相关部件的润滑。

孔龙等[1]在开发动力耦合装置技术的研究中，提供了一种动态接触分析方法。使用Abaqus分析软件，利用齿轮的动态相互作用，对比两个齿轮之间的动态接触结果，分析了不同油深和转速下润滑流场的特性。张文涛[2]等利用数值分析方法，建立流固耦合模型，研究不同油膜厚度对曲轴止推片润滑能力的影响规律。结果表明：油膜的压力场、温度场、壁面切应力的峰值随油膜厚度的增加而降低，随转速的增加而上升。本文对动力耦合装置中的锥齿轮进行有限元建模，分析在1 000 r/min工况下的润滑情况，对锥齿轮的油液分布进行仿真分析，从而为润滑系统的设计提供参考。

1 动力耦合装置

混联式混合动力汽车相比其他形式的混合动力汽车有明显的优势，动力耦合装置可实现发动机、电动机和发电机三者动力源的有效耦合。差速器式动力耦合装置因其构型简单、可靠性高等优点得到了重视。基本原理是：发动机动力输入经转换装置传递到动力耦合装置的壳体，同时耦合装置壳体与行星轴固连，将动力传输到行星轴。耦合装置左半太阳轮连接发电机，耦合装置右半太阳轮通过离合器或其他动力部件连接至电动机，动力耦合装置输出功率与电动机功率耦合后，能有效驱动车辆行驶[3]。

2 模型建立

利用三维软件CATIA构建锥齿轮相关模型，确定壳体的上底面半径为32 mm，下底面半径为24 mm，并进行简化设计，模型如图1所示。锥齿轮与壳体之间的流体为润滑油和空气两相流体，润滑油密度为844 kg/m3，空气密度为1.293 kg/m3，设定锥齿轮转速为1 000 r/min。

图1 锥齿轮润滑装置模型

3 网格划分

锥齿轮旋转运动使锥齿轮周围的油液不断变化，因此，必须采用动网格相关技术（弹性光顺法和局部网格重构法）进行求解。锥齿轮转动时，有些边角的网格质量会遭到破坏，需要进行网格重构，否则计算一般难以收敛。采用局部网格重构法对动网格重新划分，以提高网格质量，保证计算顺利进行。

网格模式分为结构化网格模式和非结构化网格模式。结构化网格为整齐的网格、二维四边形、三维六面体、数量较少但质量要求高。其整体质量相对较高，计算精确度更高。非结构网格模式为不均匀网格、2D—三角形、3D—非六面体、网格数量多、区域适应能力强、质量相对较低。网格划分的重点是在保持网格独立性的前提下，平衡网格的质量和数量。在Fluent中分割网格前要处理好几何文件，删除小间隙。使用六面体网格过程中尽可能使用较少的单元数量进行求解。在详细分析求解精确度相同的时候，六面体网格节点数比四面体网格的节点数少一半。各向异性单元和一对任意几何边界能够相匹配，但六面体网格要形成有效的网格需要诸多步骤[4]。最终划分的网格如图2所示。

图2 网格划分

4 设置物理模型和材料

1）设置求解器类型，本文选用pressure-based求解器类型，求解瞬态流动，设定重力加速度大小为9.81 m/s2。

2）选择湍流模型，在model中选择k-epsilon（2eqn），k-epsilo Model中选择Realizable，其余采取默认设置，如图3所示。

图3 模型设定

3）设置流体材料。在domain中里面找到setup，打开water-liquid，间隙中的流体为润滑油和空气两相流体，润滑油密度为844 kg/m3，黏性系数为0.025 kg/（m·s）；空气密度为1.293 kg/m3，黏性系数为1.79×10-5kg/（m·s）。相关的材料设置如图4、图5所示。

图4 材料参数设置

图5 材料参数设置

5 锥齿轮与止推片油气分布分析

设置好相关参数后，进行润滑过程仿真。不同时刻齿轮与止推片内部的油气分布情况，如图6所示。

由图6-1可知，锥齿轮近乎一半浸入润滑油中，随着锥齿轮旋转，油液跟随齿轮慢慢转动。如图6-2所示，油液逐步溅入第二个轮齿。如图6-3所示，油液开始飞速靠近顶端位置。如图6-4所示，润滑油液到达整个齿轮的顶端。在0.006～0.024 s这段时间，油液在锥齿轮的搅动下沿着齿轮呈周向分布，在不同时间段内润滑油分布差异较大，可模拟出润滑油的润滑过程。

图6 不同时刻润滑油液分布情况

6 结语

动力耦合系统作为混合动力汽车的动力匹配装置，可以实现汽车能量的有效分配，齿轮润滑对耦合装置的使用寿命影响较大，故对其进行仿真分析。首先对锥齿轮、止推片和壳体进行建模，利用Fluent软件对耦合装置中的油、气混合物进行网格划分，并设置相应的边界条件，完成锥齿轮润滑仿真参数的设定。模拟锥齿轮旋转后的润滑情况，可为润滑系统的优化设计提供参考。