本章通过建模仿真进行齿轮箱内流场的模拟，获取一系列的内部流场信息基于流体力学的方法，建立齿轮箱内流场的数值仿真模型。得到不同工况下的流场相关参数，特别是对流道中的润滑油流量做定量分析，总结不同润滑条件对齿轮箱体内油液分布的影响规律。

             本文主要使用的软件是 STAR-CCM+软件，STAR-CCM+以连续介质力学作为其理论基础，主要基于连续介质的多物理场的建模方法。其综合了最先进的软件工程技术、以连续介质力学为基本的数值仿真技术和强大的设计功能在一起。前处理时主要通过定义固体和流体的“连续体”属性，并赋予网格及选取合适的计算方法:求解在各个“区域"中进行并设置边界条件。每一个区域都可以有其对应的连续体，且不同的物理场可根据需求进行不同的运算。可以有效的实现多场耦合、多种求解方程同步进行的计算需求。

        本文涉及到的流体相主要包括润滑油相和空气相两相，第一相设定为空气(gas)，第二相设定为润滑油(oil)。所用润滑油型号为德国巴斯夫全合成齿轮油75W-90，其相关参数与性能见表 2-1。

1.1.5 求解模型方法

      STAR-CCM+可进行二维或者三维的仿真模拟。时间格式也有隐式、显式非稳态、隐式非稳态三种可供选择。流体的流动状态包含无粘性流动、层流、湍流连续体模型包括气体、液体、固体以及混合体等多种。

      在本文中选用三维空间模型，流动状态为湍流。同时设置对于残差的监控，对瞬态计算而言，实时监控的齿轮箱内部迭代过程中的残差收敛曲线，是判断计算是否达到收敛的重要标志[46]。同时由于采用瞬态模拟采用的是非稳态的方法计算时间较长，隐式非稳态求解方法可以实现控制计算的每个物理时间的更新，还可以控制时间步长。因此，选择隐式非稳态求解器控制迭代和时间步。

      另一方面，STAR-CCM+中的求解器类型主要有分离式和耦合式两种，其两者的差异主要体现在其应用对象上。分离求解器主要求解对象是不可压缩或低马赫数压缩性流体，耦合求解器则更多应用于高速可压缩流体。除此之外，两者求解时间与占用内存也有较大差异，耦合式求解方法更趋近与真实状态，收敛性更好，但迭代缓慢，且占用较大内存。

      针对于本文研究对象是两相非稳态问题，属于不可压缩流体，且进行分析的工况诸多，时间有限。因此，选取计算速度更快的基于 SIMPLE算法压力-速度耦合的分离流求解器。

1.2 齿轮箱流场分析模型的构建

1.2.1 几何模型与简化

      本文所采用的铝合金齿轮箱总体模型如图 2-1所示，主要包括齿轮箱体、法兰盘、一对啮合斜齿轮与对应的轴承、轴等零部件构成。齿轮箱共有5个轴承，分别位于输出轴车轮侧和电机侧、输入轴电机侧各一个以及位于输入轴车轮侧有两个，本文为提高计算效率，使用简化的轴承模型。

      原始模型包含太多圆角、倒角以及复杂的外部结构，同时是一个与外界连通的模型，对于 CFD内流场分析是十分困难的，对于模型的简化很有必要。

其中，齿轮的主要参数见表 2-2。 

传动齿轮箱主要技术参数见表 2-3.

齿轮箱选用铝合金 AISi7Mg0.3,齿轮为 17CrNiMo6,物理性能见表 2-4.

      而在对齿轮箱的内流场研究时，为减小计算量同时保持准确性，仅选取与内流场有关的零部件:箱体、齿轮、在箱体内部的部分轴，

      首先最主要的是对箱体的简化，主要是简化了复杂的曲面，对过多的圆角、倒角、螺栓孔这些不影响油流的结构做了处理。为了保证分析的准确性，考虑到箱体内部结构的导油、储油作用，将内部润滑系统全部保留。外部散热筋结构对流场分析也十分重要，做了最大程度的保留，以保证仿真的准确性。简化前后箱体模型图如图 2-2 和 2-3 所示。

      然后是对齿轮模型的处理，对于齿轮的啮合传动的模拟，模拟其真实传动过程对研究齿轮润滑性能意义重大。但本文因为还需要对复杂两相流进行模拟，齿轮计算域与油液计算域在此处网格十分密集，导致出现较大网格畸变，无法计算因此本文采用将齿轮按 98%的比例缩小的方法，保证齿轮之间有一定的空隙，并分别设置计算域包裹啮合齿轮，以实现后续对啮合区的网格细化。再通过设置传动比例的旋转速度，保留其齿形特征和旋转啮合的特点。同时本文定义主动和从动的圆柱体流体区域和其包裹的齿轮固体区域各为一个旋转域，形成了一对具有啮合特点的旋转域，如图 2-4所示。

内部流体域:流体域通过布尔运算提取，由箱体内部结构减去包裹着的轴与齿轮等零部件，如图 2-5 所示，从内部流体域可以看到润滑油道和集油槽的主要分布，主要是油气两相流的区域，后续将在其中设置油液，是内流场的主要仿真分析对象，并通过其展示油液的空间分布。同时图 2-5 大小齿轮侧对应的最外部两侧凸出的圆柱位置为轴承位置，为了更好的观测油液向轴承位置的流动，体现出润滑流动轨迹，在研究内流场时先不加入轴承。

1.2.2 网格模型

网格划分主要是对计算域划分，因为模型比较复杂，因此采用多面体非结构网格。在 StarCCM+中，针对复杂计算模型提供多种网格处理方法，本文选取了局部包面和表面重构的方法，为体网格生成器提供较高质量的初始表面。兼用多面体和棱柱层网格生成器，将模型的面划分为二维网格，再进行三维网格的划分。划分后的网格如图 2-6 所示。

1.2.3 计算条件设定

      本文采用保留大多结构的复杂三维模型，且前后模型的两相流及流场有部分差异(轴承处)，不方便同时求解流场和温度场，因此暂不进行有关温度场的计算。本节先进行内流场的模拟仿真，同时观察其收敛性。

      内流场的计算条件主要包括初始运动、温度、浸油深度的设置。以主动、从动轮的中心为原点设置运动坐标系，且根据后续仿真过程中主动轮的旋转情况，来设置两轮以及包裹区域的旋转方向和旋转速度。空气为不可压缩流，密度设置为恒值，初始温度为 25℃℃，铝合金箱体设置其初始温度为50℃，润滑油初始温度设为 40℃℃。浸油深度在y方向上，故利用场函数($$Position[2]<=h)?1:0 设置初始注油高度 h，同时创建关于速度、质量分数的标量函数。考虑到油液回流的问题，需要在物理模型中选择重力，导入模型后重力方向为-Z方向，在初始条件中设重力为[0,0,-9.81] m/s?

      计算收敛的条件为，湍流动能k方程、湍流耗散率ε方程、油液体积分数、空气体积分数、连续性方程方程的残差均小于1x10-5。

1.3.2 内流场速度与压力分析

     通过内流场仿真可以清晰得到稳态时内流场的矢量图和速度云图，如图2-9所示。两个齿轮周围的流体速度都较高，这部分的油液直接受到齿轮的搅动作用尤其是主动轮附近的油液受到高速运转主动轮的吸附作用。除此之外，齿轮箱体内部的最大速度出现在主从动轮啮合处的 53m/s，合区的油液受到主从动轮的作用十分明显，此处进行大量的能量交换，以及存在着巨大的相互作用力。同时在靠近壁面的箱体底部与上部的油槽处都出现了局部的涡流区域，对流动产生了阻碍，这是与齿轮箱内部结构有关系的。

因为齿轮的啮合作用，使得齿轮啮合区上下出现压力差。下方液体因为流动困难出现最大正压 42.4kPa,上方出现负压，上方因为啮出液体容积增大而出现最大负压-62kPa。压力差过大会导致会齿轮变形，影响使用寿命，过小则影响搅油能力，压力场对油流稳定性有较大影响。

1.4 不同仿真工况流场分析

      本节考虑在不同齿轮转速、浸油深度以及齿轮转向等参数变化时，齿轮箱内部流场所对应的改变情况，从而模拟出油液分布状态及相质量流量的变化规律。齿轮箱内部油液分布与齿轮转速、浸油深度以及齿轮转向相关，定性的分析出各种情形下的齿轮箱内稳定的油液空间分布，和定量的计算评估流道内的润滑油量有助于定性定量的全面掌握不同工况下箱内油液的特点，诊断评估箱体内各个零部件的润滑条件。

1.4.1 不同转速对内流场的影响

      为探究主动轮转速对箱体内部流体的分布规律及流道质量流量的影响，参考表 2-3 技术参数，考虑到车辆在不同工况及路段下速度发生改变，同时结合齿轮箱运行实际情况。主动轮顺时针运动,润滑油为 40℃℃时的标准，浸油深度为 2.5 倍齿高 45mm,转速为 1500rpm、3000rpm、4500rpm、6000rpm 的工况下开展对比仿真。待运行 t=3s后，得到如 2-13 和 2-14的油液随着主动轮转速改变的分布图。

      由图 2-13a)和 2-14a)当主动轮转速为 1500rpm 时，明显看到箱底有部分油液积聚于此。随着齿轮飞溅参与润滑的油量相应就有所减少，箱体壁面润滑油量较少，且可发现油液难以从齿轮啮合区脱离;当转速达到 3000rpm 时，箱底油量减少，大量的油液分布到了齿轮啮合区与箱壁上面。对应着在图 2-14 中可以看到，c)和 d)所代表的油液空间分布的质量分数要远高于 a)和 b),转速在 3000rpm 及以下时，润滑油流经壁面的较少，而当转速在 3000rpm 以上时，油液较多的粘附在箱体壁上，壁面得到充分的冷却润滑，且在高速情况下，润滑油分布差异并不明显由此可见，当润滑油充足时，齿轮的旋转速度对于油液飞溅润滑的效果有较大的影响。车辆低速运行时，齿轮对润滑油的卷吸作用较弱，润滑油更倾向于保留在箱体底部，而高速时则由齿轮的强烈作用带动其向箱体各处飞溅。

1.4.2 不同浸油深度对内流场的影响

      齿轮箱在其他工况不变时，存在一个最佳供油量值，最佳供油量相较于其他工况系统温度最低。尤其是对于轴承和齿轮来说，当两者供油量小于需油量时，难以形成使其有效润滑的油膜。反之，当浸油量过大，供油过余时，齿轮和轴承搅油量增大，产生大量热功率。在工程实际中，一般采用理论计算或者试验的方

      法测定相关工况下的齿轮与轴承的需油量以更好的设计齿轮箱的供油量区间。本文因条件有限，综合仿真所得油液润滑分布与温度场分布的情况，提出最佳注油量的建议，使系统兼具润滑效果又不产生过热现象。

      通过对比不同浸油深度对内部流场以及润滑油道油量的影响，可以为最佳润滑油量提供重要参考。在 0.5h~3h 的标准范围中选择4个深度进行对比，即 h、1.5h、2h 和 2.5h，h 为齿高，其数值等于齿顶高与齿根高之和为 18mm。除浸油量其余条件工况设置为相同的，主动轮以6000rpm 的速度顺时针旋转，保证油液充分运动，同时设定润滑油温度为 40℃℃。

      如图 2-16 和 2-17 所示，随着浸油深度的增加，油液的分布范围更加广泛润滑效果变好。在浸油深度为1h时，油液大多分布在合区，几乎对于箱体壁没有润滑。在浸油深度达到 1.5h后，油液在齿轮箱中飞溅的更充分，弥散在箱壁轴承和齿轮的油液都有明显增加。但同时由 2-17d)也能看出油液并不是越多越好太多容易积累在箱体底部，增大搅油功率损失。反而在2h时，从中截面图和壁面看出，油液在箱体、齿轮啮合和轴承处都分布均匀。因此，可以初步确定浸油深度在 2h 附近即可具有较好的润滑效果。同时确定最佳润滑油量要参考各流道的实际需求量，结合轴承的需求流量和仿真流量分析，也要参考后续的温度场计算，结合分析获得最佳注油量，在保证润滑的同时满足冷却条件。

      通过改变浸油量获取不同工况下的流道流量，在经过足够的时间后，油液分布与各个油道中的质量流量基本稳定，得到如下的计算结果，如图 2-18所示。

      可以看到各个流道的润滑油量随着浸油量增加而增长的规律，且基本呈线性变化，可见增加浸油量对各流道质量流量有明显的影响。同时2h后，流道润滑油量随着浸油深度的变化增加速度变缓，部分流道2h与 2.5h 时的流量差异不大。

1.4.3 不同齿轮转向对内流场的影响

      考虑到列车往返行驶过程中行车方向改变，主动轮转向发生变化，研究正反转工况对齿轮箱内流场的影响是十分必要的。与上述条件设置相同，仅改变齿轮转向，进行反转工况下不同主动轮转速的仿真，得到如图2-19 所示的反转质量流量。此处仅选取浸油量为 2h，转速为 4500rpm 的正反转油液分布云图进行展示。

      如图 2-19 所示，表现出主动轮逆时针运动时，对于输入轴部分来说，油液在右侧集聚较多，左侧较少:对于输出轴侧来说，油液在左侧较多，右侧较少。得到反转工况下的流道流量随不同转速、浸油深度变化的数据图 2-20 和 2-21。

       如图 2-20 所示，反转时主动轮侧流道油液明显增多，从动轮侧油液减少，这与其所表现的油液分布是一致的，其规律也基本呈随转速增加。且随着主动轮速度增大，输入轴流道受转速影响逐渐减小，而输出轴流道受到的影响逐渐增大。可见，流道油液质量的分布和齿轮转向存在着关联。

      如图 2-21 所示，可以发现与正转相同的规律，都是流道的质量流量随着注油量增加先迅速增大后缓慢增加，在浸油深度到达 2h后增大趋势变缓同时，综合上图 2-20 和 2-21，主动轮反转时，与正转时相比齿轮箱内各流道流量占比发生巨大变化。其中流道a和流道b的油量明显增大，其余流道中c和左侧1流道也都有所增大，左侧箱体得到较好润滑。而输出侧分布的2、3、4、5流道的油量都有所减小，尤其是流道4和5，其流量减小量较大，对应于图 2-19的质量分布图，可看出位于流道4至流道5之间箱体壁面油液极少，润滑较差，形成了润滑直区。

1.5 本章小结

     本章主要完成了齿轮箱内流场的建模仿真与分析，分析了瞬态内流场随时间的变化规律，以及达到稳态后的油液分布情况。同时基于本文的三维简化模型，对油液三维分布规律以及流道分布进行了阐述。主要取得以下结论:

       通过对比不同转速下的油液空间分布与流道油量分布，发现现有流道作用较为明显，分布也较为合理，基本起到了输送油液的作用。对于从动轮侧来说，右侧挡油板、集油槽设计合理，左侧与下侧油量充足，右侧与上侧供油稍有不足，可考虑改进优化。对于主动轮侧，上方两个进油孔作用明显，下方出油孔作用也很显著，仅在主动轮侧箱体的水平方向薄壁处存在润滑盲区，可考虑改进设计。

      通过对比不同浸油深度下的油液空间分布与流经润滑油道的流量，发现浸油深度与流道质量流量基本呈线性正相关。考虑到油液润滑的需求，对最佳润滑油量选取提供了参考，基本在浸油深度为 2h 附近。

      综合流场分析结构，可得齿轮转速、初始注油量、转向等因素对油液空间分布及通过流道传输的质量流量都有关系，后续流道改进设计要参考前面所研究的规律。

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