郭丽芳

摘 要：本文以混动双离合变速箱实际出现的吸空油问题为例，采用SPH无网格粒子法，运用nanoFluidX软件模拟变速箱中齿轮的运动规律，进行气液两相流仿真分析，分析结果不仅复现了实际现象，而且清晰的解读了润滑油及空气的走向，提供了行之有效的优化方案，直观而快速的解决了实验难以解决的实际工程问题，具有很强的工程意义。

关键词：变速箱;混动双离合;粒子法;两相流

1 引言

变速箱是动力系统的重要组成部分，其润滑性能的好坏决定了变速箱的综合性能及使用寿命，对于具有双输出轴以及电机轴的混动双离合变速箱，位于油液面上的输出轴及电机轴各部件无法完全通过飞溅润滑满足各个工况的充分润滑，因而需要配合采用强制喷油润滑方式进行润滑。强制润滑以变速箱箱体为油箱，通过油泵控制阀体，在一定压力的作用下将油池里的润滑油经过过滤器、冷却器供给各个润滑点，从而实现各工作部件的润滑冷却。对变速箱润滑系统的效果进行评价的传统方法是通过建立实验样机，并在实验样机部分壳体上进行开窗，使用透明材料进行密封，以观察关键部位的润滑效果，此种方法较直观且可靠性高，但因其局部开窗，无法从全局上了解整个润滑系统的运行情况，即便是全透明壳体，也无法分辨出润滑油的实际走向;而且实验方法只能在变速箱开发的后期进行验证，实验研究耗费大量的精力和费用;另外传统的CFD方法难以解决复杂运动部件和自由液面问题，工程应用上限制较大;本文的SPH方法，可以直观的将变速器润滑系统的内部流场表现出来，准确的预测润滑油的走向，可对润滑效果进行准确评价。

2 仿真方法介绍

光滑粒子流体动力学方法（Smoothed Particle Hydrodynamics）是多年来逐步发展起来的一种无网格方法，SPH法的基本思想是首先将问题域分解成一个个的粒子，其次获得每个粒子上的物理变量函数及其导数的近似值，然后应用粒子近似函数，使得每个粒子都可由周边粒子来表示，从而生成一系列离散化的、只与时间相关的常微分方程，最后使用时间积分方法来求解这一系列离散化的常微分方程，进而得到每个粒子的物理量。由于粒子之间不存在网格关系，因此它可避免极大变形时网格扭曲而造成的精度破坏等问题，并且也能较为方便的处理不同介质的交界面。SPH法的主要优点如下：1、对流项直接通过粒子的运动来模拟，完全消除了自由界面上的数值发散问题，保证了自由液面追踪的清晰准确;2、完全不需要网格，不仅免去了生成网格的麻烦，而且SPH是一种纯Lagrange算法，能避免Euler描述中的欧拉网格与材料的界面问题，这些优点使得SPH法可以方便地模拟具有自由液面的大变形的流体流动问题。nanoFluidX是基于SPH方法的流体动力学仿真工具，可用于预测在复杂几何体中有复杂机械运动的流动。

3 实验现象

实验中为便于观察润滑油的搅油形态以及各需要强制润滑轴承和齿轮等处的润滑情况，后壳体采用透明壳体。变速箱按照设计油量加油，分别模拟不同车速下，变速箱不同转速、不同档位的润滑情况，观察齿轮、轴承及各强制润滑管路润滑情况。

实验显示大部分工况下润滑情况良好，各强制润滑管路油液充足清澈;M工况下润滑油量不足，轴承座油液未充满，油道内充斥大量白色泡沫，出现吸空油现象。如下图所示：

观察主油压有波动，油压升高，分析失效原因认为变速箱底部吸滤器吸入混合大量空气粒子的油液，造成吸油不足;排除法测定其它工况后，分析此工况与其它工况的差异性，认为此现象与位于变速箱油液上部的齿轮反转有关，但是实验与理论无法判断具体与哪个齿轮相关，无法获知润滑油的走向是如何最终到达底壳吸滤器入口的。

4 仿真分析

4.1 仿真模型搭建及文件配置

将混动双离合变速箱三维数模导入到SimLab软件中进行前处理。计算对象是封闭的流体域，为了确保变速箱壳体的封闭性，壳体部分只提取与内部流体接触的湿表面，将各轴的端面做封闭处理，并截断各轴伸出壳体外的部分;所有的油封和轴承外圈与壳体固定不动，轴承内圈及滚子一起按照一定的转速转动，其它齿轮和轴按各自转速转动。

求解器nanoFluidX中有四种不同的粒子类型，分别为固体壁面粒子WALL，运动壁面粒子MOVINGWALL、流量监测粒子MASSFLOW和流体粒子FLUID。仿真计算中变速箱壳体作为一个密闭的容器，为WALL类型的粒子;不同转速的旋转齿轮和旋转轴，为MOVINGWALL类型的粒子;润滑油和空气为FLUID类型的粒子。如下图所示，綠色的为润滑油粒子，淡蓝色为空气粒子，红色为壳体及各固定不动部件粒子，其它为各旋转部件粒子。粒子间距设为1.2mm，粒子总数二千六百万，其中油粒子约三百万，空气粒子约九百六十万。润滑油及空气的物性参数如表1所示。

计算开启气液两相流模型、表面张力模型和粘滞阻力模型。计算两个工况，即M工况正转与反转两种工况。两种工况油液高度一致，电子泵流量9.75L/min，计算物理时间保持一致，保证在整个仿真过程中，输出轴转动20圈，计算物理时间设为10秒;两工况的计算规模相仿，采用相同的硬件资源，即4块V100显卡，每个工况在2天内完成计算。

4.2 仿真结果分析

针对本文的分析目的，对吸滤器入口部位进行了重点监测，分析结果见下图，均为差速器转满一定圈数后，同一时刻、两种工况的空气粒子在吸油口的分布;图片中黄色粒子为空气粒子，图中只显示了空气粒子，隐藏油液粒子;动画可观测到M工况正转时吸滤器吸口附近存在较少空气粒子，空气粒子在吸滤口较远的侧边出现。M工况反转时空气粒子几乎直接冲着吸滤器口而来，吸滤器吸口附近空气粒子较多，更容易吸入混杂空气的油液，造成吸空现象（图4、图5）。

为了更清晰的了解润滑油是如何到达吸滤器口的，且主要由哪些齿轮搅动带动空气粒子到达吸滤器口，我们放置监测器在吸滤器口，直接观测到了空气粒子的一个走向。见上图所示，M工况正转时，空气粒子在齿轮转动的带动下，绕过拨叉部件，被固定部件阻挡后，改变方向来到油底壳，此情况下，进入吸滤器的空气粒子较少;M工况反转时，空气粒子在齿轮转动的作用下，远离油底壳方向走向，但因为壳体内凹曲面的阻挡，空气粒子反弹回来，顺着壳体壁面滑向吸滤器口部位，几乎是直冲着吸滤器口而来，因此，M工况反转进入吸滤器的空气粒子较多。

由以上分析可以看到，仿真分析与实验结果具有很好的一致性，且仿真分析很清晰的解决了空气粒子从哪里来，要到哪里去的这一问题，找到了问题的根源，为进一步的模型优化提供了理论基础和事实依据。

5 优化方案及实验验证

根据仿真分析结果，考虑可加工，可制造，降低成本，可快速进行实验验证的优化方案。在A齿来流方向加挡板，遮挡过滤器口，让其沿着挡板顺着旋转方向延伸出去，不会流向油底壳部。实验结果显示加挡板后M工况反转吸空油现象明显改善，油压稳定，仿真分析结果也显示加挡板后吸滤器口空气粒子含量明显降低，仿真分析与实验结果保持了高度的一致性，仿真与实验同时验证了优化方案的有效作用（图6）。

经过实验验证优化方案可行后，后续设计壳体在相关部位添加加强筋，最终完成优化设计方案。

6 结束语

本文的实际案例显示以SPH方法为基础的nanoFluidX为解决变速箱润滑问题提供了一种行之有效的解决方案，快速有效的解决了本文中所遇到的实验难以预测和解决的实际工程问题。一直以来，基于变速箱箱润滑系统开发的CFD应用受到集群计算机成本和仿真计算效率的制约，很多时候只是停留在课题研究阶段。而基于SPH和GPU的nanoFluidX给予了我们可行的新方向，让我们从新审视了CFD在传动系统领域的应用，使快速仿真分析实现前期设计优化，解决实际工程问题成为可能。

参考文献：

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