基于AMESim的变速器齿轮搅油损失仿真分析

张志行　张世宇　韦邦暄　代国军　江宇孝

摘 要：以某变速器二级斜齿轮传动系为研究对象，阐述了齿轮搅油损失理论、齿轮齿面及侧面的对流换热系数的计算过程。利用AMESim软件进行相关模型搭建，基于齿轮传动系统的受力情况、热量交换情况，在WLTC工况下对大齿轮在不同浸油深度下的搅油损失进行了模拟仿真，得到了搅油损失功率及温升曲线随时间变化的规律。关键词：搅油损失;AMESim;热量交换中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）11-142-03

Abstract： Taking the secondary helical gear train of a transmission as the research object， the theory of gear oil loss and the calculation process of the convection heat transfer coefficients of the gear tooth surface and the side are explained. Using AMESim software to build relevant models， based on the force and heat exchange conditions of the gear transmission system， under the WLTC operating conditions， the gear oil was simulated under different oil immersion depths. And the law of temperature rise curve with time.Keywords： Oil loss; AMESim; Heat exchangeCLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）11-142-03

前言

汽车变速器大多采用齿轮传动实现改变速度或增大扭矩的作用，使整车满足在不同工况下对驱动力矩以及车速的不同要求。在汽車传动系统中变速器中齿轮传动引起的功率损失占比很大，制约着整车的传动效率。而在飞溅润滑条件下，齿轮传动的功率损失可分为有载功率损失和无载功率损失。在汽车正常行驶的高速低载工况下，其功率损失主要以包括风阻功率损失和搅油功率损失的无载功率损失为主。其中，搅油功率损失占齿轮传动功率损失的30%[1，2]，降低了传动系统的效率，增加了整车油耗。因此，研究变速器内齿轮搅油损失对提高车辆传动效率、整车燃油经济性有着重要意义。

1 搅油损失理论分析

齿轮的搅油损失是由齿轮转动时克服润滑油的粘性阻力引起的功率损失。其主要影响因素有齿轮的转速、齿轮的浸油深度、齿轮的几何参数、环境温度以及润滑油的性质等。齿轮搅油功率损失有理论分析、实验研究以及数值仿真三种方法。因润滑油与变速器内空气形成的二相混合流体的动力特性复杂，直接采用理论分析的方法确定齿轮搅油功率损失十分的困难。目前，国内外学者主要通过搅油实验，得到实验数据，拟合成经验、半经验公式从而得到搅油损失功率的计算模型。

AMESim软件中根据Terekhov[3]提出的计算方法进行搅油损失功率确定。Terekhov法综合考虑了齿轮转速、齿轮浸油深度及润滑油粘度等因素的影响。将搅油损失分为齿轮侧面的搅油损失与齿轮啮合面的搅油损失两部分。其计算公式如下：

式中：cside为齿侧搅油阻力矩，Nm;cteeth为齿面搅油阻力矩，Nm;ρ为润滑油的密度Kg/m3;w为齿轮转速，rad/s; b为齿轮宽度，mm;ht为齿高，mm;Rt为分度圆半径，mm;Rp为齿轮节圆半径，mm。

2 AMESim建模及仿真结果分析

2.1 二级斜齿轮传动模型搭建

该模型的搭建主要有五个部分，分别为二级齿轮传动系统模型的搭建、斜齿轮及轴承受力分析模型的搭建、热量交换模型的搭建、对流换热系数的计算模型以及车辆运行工况模型的搭建。模型中将齿轮传动系统简化成4个斜齿轮节点、6个轴承节点，通过车辆WLTC工况下模拟得到相应输入轴转速，并将斜齿轮与轴承的受力分析予以考虑并输入各个节点。考虑大齿轮的齿面和齿侧搅油损失，小齿轮因其浸入润滑油的深度较小，只考虑其齿面搅油损失。变速器内发生的热量交换过程主要有齿轮与润滑油的热对流、齿轮与轴的热传导、轴承与润滑油的热对流、轴承与箱体的热传导、箱体与外界空气的热辐射及箱体与润滑油的强制对流过程。其中最重要的参数为各个热交换过程中的对流换热系数计算。

齿轮端面的对流换热可简化为滚动圆盘的对流传热分析。根据Cardone[4]提出的理论，润滑油的流动状态可以分为层流、过渡层流动和湍流。在不同的流动类型中，对流换热系数h有相应的计算公式：

式中：λf为润滑油的导热系数，W/（m·K）;L为特征长度，在齿轮中为分度圆直径，m;hm为齿高，m;V为齿轮线速度，m/s。

2.2 主要仿真参数设置（表1）

2.3 仿真结果分析

设置齿轮的浸油深度分别为14mm、18mm、22mm及26mm。得到齿轮搅油损失及变速器内温升曲线随时间的变化如图4、图5所示。

从图4中可以分析出，初期变速器齿轮搅油损失功率较大。主要是由于初始温度较低，润滑油粘度较大，齿轮搅动油液的阻力较大。随着齿轮啮合产生大量热量，变速器内温度上升，润滑油粘度下降，搅油损失减小且趋于常值。并且随着齿轮浸油深度的增加，搅油损失功率也相应增加。

從图5可以分析出，变速器内温度随着时间的推进而升高，且齿轮浸油深度越大，变速器内热平衡时温度越低，润滑效果越好。

3 结论

利用AMESim软件，基于WLTC工况、热量交换等分析，对二级斜齿轮传动系统进行搅油损失模拟仿真。分析结果表明，初期搅油损失较大，随着时间的推进，变速器内温度升高，搅油损失逐渐减小并趋于定值。齿轮浸油深度越大，搅油损失越大，变速器内温度越低，润滑效果越好。

参考文献

[1] Seabra J， Michaelis K， H?hn， Bernd‐Robert， et al. Influence factors on gearbox power loss[J].Industrial Lubrication and Tribology， 2011， 63（1）：46-55.

[2] Fernandes C M C G， Marques P M T， Martins R C， et al. Influence of Gear Loss Factor on the Power Loss Prediction[J]. 2015，24：799- 806.

[3] Terekhov.A. Hydraulic Losses in Gearboxes With Oil Immersion[J]. Vestnik Mashinostroeniya， 1975， 55（5）：13-17.

[4] Gardon G， Astarita T， Carlomagno G M. Heat Transfer Measurements on a Rotating Disk [J]. Optical Diagnostics in Engineering， 1996，1 （2）：1-7.

[5] Handschuh.R F，Litvin F L.A method for determining spiral-bevel  gear tooth geometry for finite element analysis[J]. NASA Technical Paper 3096，1991，91：9-16.