某电动汽车减速器润滑流场的仿真分析

摘 要：【目的】为了研究某电动汽车减速器不同输入转速、润滑油液位及润滑油温度，对油液颗粒分布、齿轮搅拌油液时的功率损耗以及轴承润滑性能的影响，开展某电动汽车减速器内部腔体润滑效果的分析和齿轮搅油功率损失的相关研究。【方法】应用ShonDY软件中基于改进的半隐式运动粒子法（MPS）进行仿真分析，通过自带的后处理功能获取减速器内部流场数据，根据获得的数据来分析不同输入转速、润滑油液位及润滑油温度，对油液颗粒分布、齿轮搅拌油液时的功率损耗以及轴承润滑性能的影响。【结果】对仿真数据进行分析得出，不同输入转速、润滑油液位对油液颗粒分布、齿轮搅拌油液时的功率损耗以及轴承润滑性能有显著影响，润滑油温度对润滑效果、油液粒子分布和搅油功率损失的影响较小。【结论】研究结果可为电动汽车减速器内部腔体和齿轮的相关设计提供参考。

关键词：减速器；润滑流场；粒子法；搅油功率损失

中图分类号：U469.72" " " 文献标志码：A" " 文章编号：1003-5168（2024）22-0041-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.009

Simulation Analysis of the Lubrication Flow Field of an Electric Vehicle Reducer

Abstract： [Purposes] In order to study the influence of an electric vehicle reducer at different input speed， lubricating oil level and lubricating oil temperature on the distribution of oil particles， the power loss of gear mixing oil， and the bearing lubrication performance， the analysis of the lubrication effect of the internal cavity of an electric vehicle reducer and the related study of gear stirring oil power loss are carried out. [Methods] In this paper， the simulation analysis is carried out based on the improved semi-implicit moving particle method （ MPS ） in ShonDY software. The data of the internal flow field of the reducer are obtained through the built-in post-processing function. According to the obtained data， the effects of different input speeds， lubricating oil level and lubricating oil temperature on the distribution of oil particles， the power loss of stirring oil and the lubrication performance of the bearing are analyzed. [Findings] The analysis and study of the simulation data can show that different input speed and lubricating oil level have significant effects on the distribution of oil particles， the power loss of of stirring oil and the bearing lubrication performance， and the lubricating oil temperature has little influence on the lubrication effect， oil particle distribution and the power loss of stirring oil. [Conclusions] The obtained results will provide a reference for the design of the internal cavity and gear of an electric vehicle reducer.

Keywords： reducer; lubrication flow field; particle method; power loss of stirring oil

0 引言

减速器作为电动汽车的重要组成部分，在电动汽车的拉动下需求也在快速增加。在减速器工作过程中，齿轮之间、传动轴与壳体之间，需要充分润滑，才能减少传动部件磨损，防止损坏关键零部件、噪声过大以及影响减速器寿命。所以，对减速器润滑流场进行仿真分析对减速器的性能优化具有十分重要的意义。

张广杰等［1］在不改变内部整体结构的前提下，通过控制齿轮与壳体之间的距离，改变齿轮与壳体之间形成局部空间的尺寸，从而改变齿轮与壳体之间的压力，达到为润滑油增压的效果，这就使得齿轮带动的液体润滑油上升的位置更高，并且润滑油在脱离齿轮瞬间具备更高的速度，改善了润滑油喷射的距离和流量。何述华［2］对高速重载减速器进行了研究，发现高速重载减速器结构复杂，运行环境较恶劣，大多采用喷油润滑，合理高效的润滑方案能减少传动构件的摩擦磨损、发热及功率损失，进而提高和延长减速器的使用性能与寿命。张辉［3］为了获得安全可靠、运行稳定的掘进机，以某型号掘进机减速器齿轮为研究对象，对齿轮的润滑特性分类进行分析，运用计算机仿真的方法对运行过程中掘进机减速器齿轮的润滑特性进行仿真分析。谢迟新等［4］基于充分的调研与大量的前期计算分析，利用移动粒子半隐式法（MPS）对轨道车辆用二级传动齿轮箱的飞溅润滑特性进行研究，分析了不同输入轴转速、初始润滑油油量和环境温度下齿轮箱内部润滑油的流场特性。Groenenboom等［5］ 介绍了Smoothed Particle Hydrodynamics（SPH）算法的一些最新进展，并与试验数据进行比较证明该算法的有效性。在简要概述混合SPH-FE方法的工业应用之后，对三个计算研究进行了更详细的讨论。结果表明，SPH-FE方法适用于强流现象和流固耦合问题。Zhe等［6］ 采用无网格光滑粒子流体力学有限体积法（SPH）解决了复杂多相流体的流动问题。Zhu等［7］基于AMESim软件建立电动汽车齿轮减速器热网络仿真模型，考虑减速器各部件的产热和传热过程，对减速器进行热和效率分析。在此基础上，开发了二次开发子模型，实现了基于不同润滑油温度和工况的对流系数实时计算。

1 减速器三维模型的建立与前处理

1.1 三维模型的建立

本研究运用三维建模软件创建了电动汽车单级减速器模型，如图1所示。该减速器包括深沟球轴承、圆锥滚子轴承、输入轴、中间轴、输出轴、两组齿轮及两个壳体组件。

1.2 三维模型的前处理

首先，将减速器的模型导入到 HyperMesh 中，将减速器各部分分类。左壳体部分：左壳体、左侧三个轴承的外圈；右壳体部分：右壳体、右侧三个轴承的外圈；输入轴部分：输入轴、输入轴轴承内圈；中间轴部分：中间轴、中间轴轴承内圈；输出轴部分：差速器、输出轴轴承内圈；输入轴轴承滚子，中间轴轴承滚子，输出轴轴承滚子各作为一部分。其次，对模型进行处理形成封闭的容腔。与有限体积法不同，半隐式运动粒子法（MPS）是一种无网格技术，这意味着在模拟过程中不需要对减速器模型进行网格划分，从而能够保留减速器内部复杂的结构细节。由于这种方法保留了模型的所有细节，因此可以实现较高的整体仿真精度。最后，将处理好的模型导入ShonDY软件中生成前处理后模型，如图2所示。

2 确定计算参数

2.1 设立不同参数

本研究根据减速器在不同输入转速、润滑油液位及润滑油温度条件下，对油液颗粒分布、齿轮搅拌油液时的功率损耗以及轴承润滑性能的影响，对不同输入转速、润滑油液位及润滑油温度下的减速器进行研究。

首先，设定不同输入转速对应设定电动汽车实际运行中工况，分别为1 669.25 r/min对应中低速工况，391.12 r/min对应低速工况，2 968.33 r/min对应中高速工况，2 947.38 r/min对应中速工况，7 144.95 r/min对应高速工况，-2 968.33 r/min对应倒车工况。

其次，润滑油温度根据润滑油的工作温度设置3个温度分别为40、70 和100 ℃。最后，油液高度根据输出齿的高度和溢油孔的高度确定，因此选择设置3个高度分别为30、60和80 mm。

2.2 求解器参数设定

在进行仿真计算时，需要考虑以下三方面：每个工况的仿真时间、润滑油粒子的尺寸大小、仿真时间步长。为了进行定量分析，依据减速器输出齿轮旋转20圈的条件，来设置仿真时间。当输入转速分别为1 669.25、391.12、2 968.33、2 947.38、7 144.95和-2 968.33 r/min时，对应的仿真时间分别设置为5.15、21.97、2.90、2.92、1.20和2.90 s。润滑油粒子的尺寸大小会影响计算精度和计算时间。为了满足计算精度并且减少计算量，本研究进行网格独立性验证，最终选择1.5 mm的网格尺寸，总网格数量为3 261 931个。时间步长根据不同的工况进行调整，在经过多次调试后确定了适合的时间步长。

3 数值模拟结果分析

为了分析某电动汽车减速器在不同输入转速、润滑油液位及润滑油温度对油液颗粒分布、齿轮搅拌油液时的功率损耗以及轴承润滑性能的影响，本研究设立了10种工况进行仿真分析，其中工况1到工况6 区别在于输入转速不同，以研究输入转速的影响；工况 4、工况 7 和工况 8 区别在于润滑油油温不同，以研究油温的影响；工况 4、工况 9 和工况10区别在于润滑油油液高度不同，以研究油液高度的影响。10种工况的基本参数见表1。

3.1 输入转速的影响

当减速器润滑油高度为60 mm，润滑油油温为40 ℃，输入转速为1 669.25、391.12、2 968.33、2 947.38、7 144.95和-2 968.33 r/min，并且仿真结果趋于稳定时的润滑油粒子在减速器内部的分布情况如图3至图 7所示。对图3至图7的润滑油粒子进行分析可以得出，随着转速的不断增加，减速器的润滑油粒子覆盖面积越来越大，对齿轮和轴承的润滑性能也逐步提升，但是这种提升随转速达到一定限度时趋于停止。

3.2 油液高度的影响

当减速器输入转速为1 669.25 r/min，润滑油油温为40 ℃，润滑油高度分别为30、60和80 mm，并且仿真结果趋于稳定时润滑油粒子在减速器内部的分布情况如图8至图10所示。由图8可知，当润滑油较少时，输出轴齿轮润滑效果较好。中间轴齿轮和输入轴齿轮未直接接触润滑油，只能通过输出轴的甩油进行润滑，润滑效果不好。由图9可知，当输出轴齿轮和中间轴齿轮都能实现浸油润滑时，输出轴齿轮和中间轴齿轮润滑效果较好，并且可以更好地将润滑油甩到输入轴，使输入轴有更好的润滑效果。由图10知，当润滑油接近溢油孔时，随着润滑油高度的增加，输出轴齿轮、中间轴齿轮和输入轴齿轮都能实现浸油润滑，润滑效果较好。由此可以得出，随着润滑油高度的增加，减速器润滑效果会越来越好。

3.3 油温的影响

当减速器转速为2 947.38 r/min，润滑油的油液高度为60 mm，润滑油油温分别为40、70和100 ℃，并且仿真结果趋于稳定时的润滑油粒子在减速器内部的分布情况如图11至图13所示。将3幅图中的油液粒子分布情况进行对比可以发现，油液粒子分布基本一致，由此可以得出润滑油油温对润滑效果影响不大。

3.4 搅油功率损失分析

上文探讨了不同输入转速、润滑油液位及润滑油温度对油液颗粒分布、轴承润滑效果的影响，是从定性角度进行分析的。下文将从定量角度进行分析不同输入转速、润滑油液位及润滑油温度对搅油功率损失的影响。

减速器输出轴的搅油功率损失在仿真过程中会趋于稳定状态，通过软件的后处理功能，选取趋于稳定的时间段进行时域平均处理，获取输出轴的搅油功率损失数据，具体见表2。

由表2可知，工况1～6显示的是润滑油高度为60 mm，润滑油油温为40 ℃，输入转速分别为1 669.25、391.12、2 968.33、2 947.38、7 144.95和-2 968.33 r/min，并且仿真结果趋于稳定时的输出轴平均搅油功率损失。当输入转速较低，具体为391.12 r/min时，输出轴的搅油功率损失最小，可以忽略不计；而当输入转速较高，具体为7 144.96 r/min时，搅油功率损失明显增大，上升幅度急剧增加。这表明搅油功率损失随输入转速的提高而增加。

从表 2还可以发现，工况4、工况7和工况8在输入转速为2 947.38 r/min，油液高度为60 mm，油温分别为 40、70和100 ℃工况下的搅油功率损失情况为油温为 40 ℃时搅油功率损失最高，油温为100 ℃时搅油功率损失最低。这表明搅油功率损失随着油温的提高呈现减少的趋势。

从表 2还可以发现，工况4、工况9和工况10输入转速在2 947.38 r/min，油温为 40 ℃，油液高度分别为30、60、80 mm工况下的搅油功率损失。油液高度从30 mm提升到80 mm会导致搅油功率损失提高218倍。这表明搅油功率损失随着油温的提高呈现增加的趋势。

3.5 轴承润滑效果分析

分析减速器内流场分布可知，润滑油油量直接影响齿轮箱的流场分布，从而影响齿轮的润滑效果。当减速器箱体中润滑油油量较少时，箱体中飞溅的润滑油油粒较少，减速器各元件表面温度不能被及时传导走，导致各元件表面温度过高，从而影响其表面油膜厚度，较高的温度会导致齿轮齿面和轴承损伤［8］。

本研究对某电动汽车减速器输入轴、中间轴、输出轴的两侧轴承的润滑效果进行分析，轴承的外径和内径参数，输入轴、中间轴、输出轴的两侧轴承的基本参数见表3。对6个轴承进行编号，输入轴上的两侧轴承分别命名为轴承 1 和轴承 2，中间轴上的两侧轴承分别命名为轴承 3 和轴承 4，输出轴上的两侧轴承分别命名为轴承 5 和轴承 6。6个轴承设定的名称对应的位置如图 14所示。

单个滚动轴承所需润滑油油量[Q]的经验公式见式（1）。

式中：[d]为轴承外径；[b]为轴承宽度；[n]为轴承转速。

考虑轴承的内圈、滚动体和外圈在实际运行中的情况，将轴承内圈和旋转轴合并成一个部件，将轴承外圈和壳体合并成一个部件，轴承滚动体在运行过程中是旋转的，根据实际经验设置深沟球轴承的滚动体为旋转轴转速的一半，圆锥滚子轴承为旋转轴转速的1/3。将轴承的参数和输入转速代入式（1）中进行计算，得出对应转速下6个轴承的理论润滑油油量见表 4。

通过ShonDY软件自带的后处理功能，得到各个工况下所对应的6个轴承流量监控面的平均体积流量曲线。以工况4（输入转速为2 947.38 r/min，油液高度为60 mm）为例，得到工况4所对应的6个轴承的平均体积流量曲线。选取整个计算时间内各监控面的平均体积流量曲线中的最大值作为仿真数值与理论数值进行对比。

运用上述处理方法，对其他数据进行处理，可以获得工况4下轴承1～6的平均体积流量最大值分别为35、6.5、80、45、55和27 mL/min。其中，输入轴轴承的润滑油量小于42.16 mL/min，中间轴轴承的润滑油量大于22.56 mL/min，而输出轴两端轴承的润滑油油量一端小于39.44 mL/min，另一端大于39.44 mL/min。因此，在工况4下，6个轴承中只有3个轴承的润滑效果良好。

使用相同的处理方法，对其他工况进行处理，得到对应工况下6个轴承的平均体积流量数值，具体见表5。

由表5可知，工况1、工况3至工况6中对应的轴承3、4的平均体积流量均超过对应的中间轴轴承所需的理论润滑油量，表明轴承 3 和轴承 4 的润滑效果良好。而轴承1 比轴承2润滑效果好一些，但都远远小于所需的润滑油量，表明轴承 1 和轴承 2 的润滑效果不理想。轴承5 和轴承6平均体积流量和所需的润滑油量相近，润滑效果良好。

综上所述，当减速器输入转速从391.12 r/min逐步增加到7 144.95 r/min时，获取每个工况下6个轴承的平均体积流量，可以得出平均体积流量随输入转速的增加而增大，并且转速对各个监控面的流量影响也是不一样的，例如，对监控面轴承3和监控面轴承4的影响最大，对监控面轴承1和监控面轴承2的影响较小。在润滑油高度方面，润滑油高度提升对润滑效果的提升也是巨大的。例如，当润滑油高度从30 mm 提升到80 mm 时，监控面轴承3、监控面轴承4、监控面轴承5、监控面轴承6的平均体积流量分别提高了2.2倍、3倍、3.3倍、2.3倍，可以看出轴承 4和轴承 5的润滑效果受润滑油高度的影响显著。

同时经过与理论润滑油油量进行对比，可得出当输入转速为2 968.34、2 947.38和7 144.96 r/min 时，轴承3的平均体积流量是其理论润滑油量的4.0倍、3.5倍和5.7倍，之所以轴承3的润滑油油量较高，是因为其更靠近输出轴上的齿轮，在高速运转中，离心力比较大，飞溅的润滑油更多地被甩到轴承3上，从而导致油量增多。

4 结论

本研究以某电动汽车减速器为研究对象，首先建立了减速器的三维模型，并根据ShonDY软件的需求对模型进行前处理；其次根据不同输入转速、润滑油液位及润滑油温度，确立了10种不同的计算工况；最后采用基于改进的半隐式运动粒子法（MPS）对减速器进行润滑仿真分析。通过仿真模拟研究了不同输入转速、油液高度和油温对减速器内部油液粒子分布、搅油功率损失及轴承润滑效果的影响，得出以下结论。

①随着减速器输入转速的增加，油液粒子分布面积越来越大，润滑油油液可以更好地飞溅到中间轴和输入轴，从而使润滑性能越好，但润滑效果随着转速升高到一定范围趋于平稳。同时也可以得到输入转速升高会使搅油功率损失不断增加，因此减速器转速运行在2 968.34 r/min 和2 947.38 r/m为宜。

②随着润滑油高度的增加，同样使油液粒子分布面积越来越广，中间轴和输入轴可以进入浸油润滑模式，从而增加轴承的润滑效果，但随着润滑油高度的升高，搅油功率损失急剧增加，比转速对搅油功率损失的影响更大，因此减速器转速运行在油液高度为60 mm为宜。

参考文献：

［1］张广杰，庄磊.纯电动汽车减速机润滑性能改善的研究［J］.时代汽车， 2023（16）： 111-113.

［2］何述华.高速重载减速器润滑与热特性研究［D］.重庆：重庆大学， 2022.

［3］张辉.基于计算机仿真掘进机减速器齿轮润滑特性分析［J］.煤炭技术，2022， 41（11）： 224-226.

［4］谢迟新，刘桓龙，贾瑞河，等.基于MPS方法的二级齿轮箱飞溅润滑特性研究［J］.中国机械工程， 2021， 32（15）： 1827-1835，1843.

［5］GROENENBOOM P，CARTWRIGHT B，MCGUCKIN D，et al. Numerical studies and industrial applications of the hybrid SPH-FE method［J］.Computers and Fluids，2019，184.

［6］ZHE J，MILOS S，ERWIN A H，et al.Numerical simulations of oil flow inside a gearbox by smoothed particle hydrodynamics （sph） method［J］.Tribology International，2018，127：47-58.

［7］ZHU B，XIANG W，LUO L，et al.Influence of lubricant supply on thermal and efficient performances of a gear reducer for electric vehicles［J］.J. Tribol，2021：1-22.

［8］ 王翔.基于效率及热平衡分析的纯电动汽车减速器最佳油量研究［D］.合肥：合肥工业大学，2021.