新能源商用车减速器齿轮润滑研究

摘要：在新能源商用车减速器中，润滑油起着非常重要的作用，其性能参数、加注量、温度、齿轮的转速、形状及载荷情况，都直接影响着减速器性能和使用寿命。从润滑油的选用、黏度及加注量的影响，以及齿轮在不同转速下的润滑状况，进行了详细的分析计算，最终确定了润滑油对减速器效率及寿命的影响，并针对某商用车减速器齿轮的润滑情况，通过透明壳体试验进行了验证，验证了分析的准确性及可靠性。

关键词：减速器；润滑油；效率

中图分类号：U469.7 收稿日期：2024-03-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.030

1 前言

减速器是汽车传递动力的关键一环，其效率与可靠性是设计和开发时需要着重考虑的内容。在新能源汽车快速发展中，提高新能源汽车减速器的效率和可靠性无疑能给厂家带来良好的口碑及不错的销量。对于新能源商用车来说，提升减速器的效率，意味着能减少能耗，从而增加续航里程。

减速器的效率损失主要集中在搅油损失、齿轮摩擦损失、轴承摩擦损失等方面。通常，齿轮箱最常用的润滑方式为飞溅润滑，它依靠齿轮转动来带动润滑油，使润滑油飞溅到减速器中各零部件上，起到散热和润滑的作用。齿轮系统在工作过程中会产生啮合摩擦功率损失、风阻功率损失和搅油功率损失。其中，搅油功率损失约占上述总功率损失的30%[1]。因此，要降低减速器的搅油效率损失，需要对减速器润滑油的选用、齿轮的润滑及搅油状态进行研究。

本文采用粒子法对齿轮搅油进行了仿真分析，分别研究了润滑油的黏度、温度、加注量及转速对减速器效率的影响，并通过透明壳体试验进行了验证，为减速器设计开发提供完整的设计支撑。

2 齿轮润滑原理

在齿轮传动过程中，润滑油会在齿面形成油膜，完整的油膜由边界油膜和流动油膜组成[2]，如图1所示。

在齿轮副传递动力的过程中，主动齿轮与被动齿轮之间存在滚动和滑动两种运动，滚动可以搅动润滑油，使润滑油飞溅到齿面上，形成油膜，利于齿轮的润滑和冷却，滑动则会挤压齿面形成的油膜，如果将边界油膜挤压出去，两齿轮的齿面就会相互摩擦，产生热量，降低齿轮传动效率，严重时会损坏齿面。因此，需要选用合适的润滑油，并对减速器齿轮润滑进行详细的分析，保持齿面形成有效的润滑油膜，减少齿轮摩擦损失，提高传动效率。

3 润滑油的选择

实践证明，齿轮润滑状态与齿轮的载荷、转速及润滑油性能存在直接关系，为了提高新能源商用车减速器的工作效率，需要选用黏度低、低温流动性好的润滑油。结合以往选用润滑油的经验，确定润滑油相关参数，如表1所示。

4 齿轮润滑仿真分析

4.1 流体仿真方法

在传统的流体动力学仿真计算中，通常采用有限元划分网格的方法，ANSYS Fluent为代表之一。有限元划分网格的方法特别考验设计者的网格划分能力，网格划分的好坏直接影响计算的准确性。

本文将采用一种新兴的流体动力学仿真计算方法，即粒子法，对齿轮箱搅油功率损失进行仿真分析。该方法不需要划分有限元网格，可以模拟各种复杂的流场，适用于不可压缩流体的仿真计算[3]，已经被广泛的用于流体仿真行业。

粒子法遵循拉格朗日形式的质量、动量守恒的流动方程[4]：

[dρdt+ρ∂ui∂xi=0]  （1）

[ρduidt=−∂p∂xi+∂τij∂xj+ρfi] （2）

式中，[ρ]为流体的密度；[ui]为流体的速度；P为流体的压力；[τij]为流体单位质量上的剪切应力；[fi]为流体单位质量上的外力。

该方法通过保证粒子密度的恒定来确保流体的不可压缩性，将自由面粒子的压力设为零作为边界条件[5]，通过数值计算，不断的迭代和校正，使仿真计算结果趋于实际。

4.2 建立仿真模型

根据设计好的齿轮参数，在CATIA中绘制齿轴三维模型，选用合适的轴承并绘制前后壳体。该新能源商用车减速器采用两级传动结构（图2），上方小齿轮为动力输入轴，通过其下方的双联齿轮将动力传递到差速器大齿轮，最后将动力输出到车轮，驱动车辆前进或后退。

本文采用的流体仿真软件是XFlow。XFlow是Next Limit科技公司开发的新一代流体动力学（CFD）模拟软件，可以处理复杂的流体动力学问题，其基于粒子、完整的拉格朗日函数的计算方法，能够解决汽车、工程、科学等领域复杂的流体动力学问题。

为了将绘制好的模型导入XFlow进行流体仿真，需要将三维模型进行相应的简化，保留内部流场的空间并更改格式，简化后不影响仿真结果，流体仿真的模型如图3所示。

4.3 设置仿真工况

在XFlow中，以壳体为边界，将壳体内部设置为内流场，润滑油处在壳体内部，根据润滑油加注量设置润滑油高度，并对各轴设置相应的转速。为了使仿真结果接近实际情况，还需要考虑重力的影响，并将粒子大小设置的尽可能小，本文粒子大小设置为0.1 mm。

本文主要研究润滑油的黏度、加注量及齿轮转速对减速器搅油损失的影响，所得到的工况详细参数如表2所示。

4.4 仿真计算结果

根据工况1到工况5的参数，在仿真软件中分别设置好，并进行分析计算，汇总各工况下齿轮搅油功率损失，得到图4所示的功率损失曲线。

从图4可以看出，在0～0.2 s时间段内，润滑油从静止到开始被搅动，功率损失在0.2 s时达到最大值，其原因在于初始状态下润滑油全部处于底部，当齿轮开始旋转时，所搅动的润滑油量最大，因此系统的搅油功率损失就越大。在0.2 s之后，搅油功率损失逐渐趋于稳定，与实际相符。

a.工况1和工况2的差别在于润滑油粘度不同，工况1黏度大约是工况2黏度的两倍，从图4中可以看出，工况1的齿轮搅油功率损失大于工况2，约为5 W，由此可知润滑油黏度越大，齿轮搅油功率损失就越大。

b.工况2和工况3的差别在于润滑油的加注量不同，工况2为1 L，工况3为2 L，从图4中可以看出，润滑油加注量从1 L增加到2 L之后，齿轮搅油功率损失明显增加，约为12 W，可知润滑油加注量越多，搅油功率损失越大。

c.工况3、工况4和工况5分别考虑了齿轮转速为500 r/min、1 000 r/min及1 500 r/min时的齿轮搅油功率损失，从图4可以看出，齿轮转速越大，搅油功率损失就越大，在1 500 r/min时功率损失达到了20 W左右。

d.在XFlow中，分别观察了工况2和工况3的齿轮润滑状况，如图5和图6所示。

从图5可以直观地看出，加注1 L润滑油时，差速器大齿轮上润滑油很少，未得到充分的润滑，存在齿面磨损的风险。图6是加注2 L润滑油的齿轮搅油状态，可以看出，所有齿轮和轴承都处于润滑状态，且润滑情况良好。因此，在减速器设计开发过程中，要综合考虑齿轮搅油功率损失和零部件的润滑情况，得出最佳的润滑油加注量。

5 试验分析

为了进一步验证齿轮搅油润滑仿真的可靠性，根据三维模型绘制工程图，制作出透明的前后壳体，进行台架试验。本次试验采用工况3的相关参数，在达到稳定的工作状态时，减速器润滑结果如图7和图8所示。

从透明壳体润滑试验中可以看出，大齿轮搅动润滑油飞溅到小齿轮和壳体内壁上，润滑油会顺着壳体内壁再流回到壳体底部，齿轮之间也会相互搅动并飞溅润滑油，在加注2 L润滑油的状态下，减速器齿轮和轴承等部件都得到了充分的润滑，与XFlow仿真结果一致。

6 结语

本文通过齿轮搅油的流体仿真分析，并结合透明壳体润滑试验，可以得出以下结论：

a.齿轮搅油功率损失随着润滑油黏度的增大而增大。

b.齿轮搅油功率损失随着润滑油加注量的增加而增大，但加大润滑油加注量可以优化齿轮的润滑状态，因此润滑油加注量需要权衡功率损失和润滑效果综合分析，得出合理的加注量。

c.齿轮转速越大，搅油功率损失就越大。

参考文献：

[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]齿轮手册编委会.齿轮手册[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]李晏，皮彪，王叶枫，等.基于移动粒子半隐式法的齿轮搅油损失分析与试验验证[J].同济大学学报（自然科学版）.2018（3）：368-371.

[4]郑光泽，杨航，郝涛，等.齿轮搅油功率损失与减速器传动效率分析[J].机械传动，2020（12）：49-54.

[5]刘桓龙，谢迟新，李大法，等.齿轮箱飞溅润滑流场分布和搅油力矩损失[J].浙江大学学报：工学版，2021（5）：875-886.

作者简介：

蒋文俊，男，1984年生，研究方向为新能源动力系统。