雙離合器自動(dòng)變速器油軌的流場(chǎng)模擬及其潤(rùn)滑效果評(píng)價(jià)

林銀輝 臧孟炎 胡志華 陳 勇

1.華南理工大學(xué)，廣州，510640 2.浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州，311228

0 引言

對(duì)變速器進(jìn)行有效潤(rùn)滑，不但能夠減輕運(yùn)動(dòng)零件（軸齒、齒輪、軸承、同步器等）接觸表面的磨損，而且能夠帶走摩擦面上的雜質(zhì)和熱量，起到清洗和冷卻的作用。此外，潤(rùn)滑油還有密封、防銹和減振緩沖的作用，從而保證變速器的正常工作，延長(zhǎng)變速器的使用壽命［1］。

一般情況下，變速器的潤(rùn)滑主要采用飛濺潤(rùn)滑和油浴潤(rùn)滑。但對(duì)于具有雙輸出軸的雙離合器自動(dòng)變速器，位于油液面之上的輸出軸各運(yùn)動(dòng)零件無(wú)法通過(guò)上述兩種潤(rùn)滑手段進(jìn)行充分的潤(rùn)滑，因而需要采用強(qiáng)制噴油潤(rùn)滑方式進(jìn)行潤(rùn)滑［2］。強(qiáng)制噴油潤(rùn)滑是以變速箱體為油箱，另附加一套潤(rùn)滑裝置（如油軌），通過(guò)潤(rùn)滑油泵控制閥體，在一定壓力的作用下將油池里中的潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)濾器、冷卻器供送到各潤(rùn)滑點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)各工作零件的潤(rùn)滑冷卻［3］。目前對(duì)變速器油軌的流場(chǎng)研究甚少，大多數(shù)是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)研究。王尚勇等［4］采用Flowmaster計(jì)算了高壓共軌噴油系統(tǒng)的噴油特性。蔡珍輝等［5］采用AMESim對(duì)高壓共軌噴油器進(jìn)行了模塊化分析和仿真研究。張功 暉 等［6］使 用 ANSYS Fluent計(jì) 算 了 管路流量。

強(qiáng)制噴油潤(rùn)滑是雙離合器自動(dòng)變速器潤(rùn)滑的重要方式之一，因而使用仿真分析方法評(píng)價(jià)油軌強(qiáng)制噴油潤(rùn)滑效果，具有重要的工程意義。筆者采用ANSYS Fluent，對(duì)某型號(hào)雙離合器自動(dòng)變速器油軌單體的噴油效果進(jìn)行流場(chǎng)模擬，得到油軌各出口油液的質(zhì)量流量和油柱形狀，并將仿真所得各出口油液質(zhì)量流量與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在確認(rèn)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致的基礎(chǔ)上，分析了油溫對(duì)油軌各出口質(zhì)量流量分布的影響。最后以整個(gè)變速器為研究對(duì)象，仿真研究了變速器的工作狀況，并對(duì)變速器油軌的潤(rùn)滑效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，說(shuō)明了油軌噴油潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

1 變速器油軌模型

某雙離合器自動(dòng)變速器的油軌模型如圖1所示，包括1個(gè)入口和7個(gè)出口，且出入口均為圓形，各出入口內(nèi)徑和噴管長(zhǎng)度如表1所示。

圖1 油軌模型

表1 各出入口內(nèi)徑及噴管長(zhǎng)度 mm

2 油軌單體的CFD分析及評(píng)價(jià)

2.1 油軌單體的CFD分析理論

雙離合器自動(dòng)變速器的潤(rùn)滑油為雙離合器自動(dòng)變速器油（以下簡(jiǎn)稱變速器油），相比其他自動(dòng)變速器油，具有更好的潤(rùn)滑特性［1］。潤(rùn)滑分析中，通常認(rèn)為變速器油為不可壓縮流體，并忽略其熱膨脹系數(shù)，以20℃時(shí)的油液物理特性為標(biāo)準(zhǔn)［3］?？紤]到油軌模型的內(nèi)部擾動(dòng)，使用k－ε湍流模型進(jìn)行仿真分析，忽略能量交換等因素的影響［7］。

油軌單體噴油效果仿真計(jì)算中，流體需滿足連續(xù)方程（質(zhì)量守恒方程）和運(yùn)動(dòng)方程（動(dòng)量守恒方程），采用RNGk－ε湍流模型模擬油軌內(nèi)部的流動(dòng)。由于RNGk－ε湍流模型只適于充分發(fā)展的湍流，即大雷諾數(shù)的湍流計(jì)算模型，所以近壁區(qū)內(nèi)的流動(dòng)及雷諾數(shù)較小的流動(dòng)需要通過(guò)壁面函數(shù)法進(jìn)行處理［8］。

2.2 油軌噴油效果CFD仿真與試驗(yàn)

油軌的工作環(huán)境是變速箱內(nèi)油氣混合的復(fù)雜兩相流場(chǎng)，為確認(rèn)油軌噴油效果和仿真分析方法的有效性，在油軌出口方向建立圖2所示的長(zhǎng)方體空間，各出口到壁面的距離與油軌在變速器整體模型中各出口到對(duì)應(yīng)潤(rùn)滑對(duì)象的距離相近。初始狀態(tài)下，油軌內(nèi)部為變速器油，外部為空氣。

圖2 油軌噴油效果仿真的兩相流模型

采用Gambit對(duì)圖2所示的兩相流模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格（Tetra4）劃分，其中油軌的網(wǎng)格模型如圖3所示。通過(guò)ANSYS Fluent完成相關(guān)定義并生成CFD計(jì)算模型，進(jìn)而進(jìn)行瞬態(tài)仿真計(jì)算。20℃下，變速器油的密度為839.7kg／m3，動(dòng)力黏度為0.0324Pa·s；對(duì)應(yīng)的空氣密度為1.225kg／m3，動(dòng)力黏度為1.789×10－5Pa·s；油軌入口處的設(shè)計(jì)體積流量為4L／min。

圖3 油軌的網(wǎng)格模型

t＝0.02s時(shí)，入口質(zhì)量流量與各出口質(zhì)量流量之和基本相等，且之后保持不變，說(shuō)明油軌噴油系統(tǒng)開始進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)下各出口的質(zhì)量流量分布如表2所示。其中，出口1流量最小，出口3、4、5、6流量較大，出口2、7流量居中。圖4所示為油軌單體噴油試驗(yàn)臺(tái)（在各出口處裝有流量計(jì)）。試驗(yàn)條件：變速器油溫度為20℃，入口的體積流量為4L／min（通過(guò)調(diào)節(jié)油泵壓力獲得，與仿真條件相同）。通過(guò)試驗(yàn)可以觀察到各出口的噴油狀況，并獲得各出口的體積流量。為便于比較，將試驗(yàn)得到的體積流量轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量且列入表2。由表2可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，說(shuō)明了仿真分析方法的有效性。

表2 各出口質(zhì)量流量的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果 g／s

圖5為油軌部分出口在0.05s時(shí)變速器油液的體積分?jǐn)?shù)云圖。與圖4所示的噴油試驗(yàn)效果相似，各出口所噴油液均呈現(xiàn)連續(xù)柱狀，油柱能夠到達(dá)長(zhǎng)方體的壁面。

圖4 油軌單體噴油試驗(yàn)

圖5 出口1、2、3的油液體積分?jǐn)?shù)云圖

2.3 油溫對(duì)油軌各出口質(zhì)量流量的影響

為研究油溫變化對(duì)噴油流量的影響［9］，筆者對(duì)兩種極端溫度（－40℃、100℃）進(jìn)行仿真分析。不同溫度下變速器油的相關(guān)材料物性值如表3所示［1］。

表3 不同溫度下變速器油材料物性

當(dāng)油液進(jìn)入噴油穩(wěn)定狀態(tài)后，不同油溫下各出口質(zhì)量流量分布情況如表4所示。由表4的數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，出口1的質(zhì)量流量隨著溫度的升高而增大，出口3、4、5、6則剛好相反，質(zhì)量流量隨溫度的升高而減少，出口2、7基本保持不變。這一仿真結(jié)果說(shuō)明，油溫對(duì)油軌各出口流量分布有明顯的影響，所以在氣溫變化較大的使用環(huán)境下，需要采取有效措施保證油軌噴油潤(rùn)滑效果。

表4 不同溫度下各出口的質(zhì)量流量 g／s

3 油軌在變速器內(nèi)的潤(rùn)滑效果評(píng)價(jià)

3.1 變速器整體模型

為評(píng)價(jià)油軌噴油的實(shí)際潤(rùn)滑效果，需分析油軌在雙離合器自動(dòng)變速器內(nèi)的工作狀況及飛濺油液對(duì)噴油效果的影響，因而需建立圖6所示的雙離合器自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)的整體CFD計(jì)算模型。

圖6 雙離合器自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)

CFD計(jì)算模型建立的基本方法：首先對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行大量的幾何清理，抽取零件表面，然后形成由齒輪表面和箱體等構(gòu)成的封閉容腔。

變速器工作時(shí)，齒輪的動(dòng)力傳遞通過(guò)齒輪對(duì)的嚙合接觸實(shí)現(xiàn)，齒輪表面附著的油膜起潤(rùn)滑和散熱作用。一對(duì)嚙合齒輪的CFD計(jì)算容易實(shí)現(xiàn)［7，10］，但對(duì)如此復(fù)雜規(guī)模的變速器，要描述多對(duì)齒輪對(duì)的嚙合過(guò)程是非常困難的。因此，本文采用切齒法以簡(jiǎn)化計(jì)算模型，即在任何嚙合齒對(duì)中切除一個(gè)齒輪的齒形，如圖7所示。在變速器整體模型中，輸入軸（輸入1軸、2軸重合）上的主動(dòng)齒輪同時(shí)要與輸出1軸、2軸的多對(duì)從動(dòng)齒輪嚙合，為減小切齒給油液飛濺效果造成的影響，切除位于變速器油面之上的輸入軸主動(dòng)齒輪的齒形，保留輸出1軸、2軸上從動(dòng)齒輪的齒形。采用切齒法具有一定的局限性。嚙合齒對(duì)中一個(gè)齒輪的齒形被切掉，這導(dǎo)致無(wú)齒形齒輪表面上的油液流動(dòng)情況與實(shí)際情況會(huì)有所差別，所以仿真結(jié)果具有一定的誤差。

圖7 嚙合齒對(duì)的簡(jiǎn)化

幾何清理和簡(jiǎn)化后的變速器的整體模型如圖8所示，變速器上部空間充滿空氣，下部空間充滿變速器油，油軌各出口的方向正對(duì)著輸出1軸上的不同齒輪和換擋同步器等，對(duì)這些工作零件進(jìn)行相應(yīng)的潤(rùn)滑。各出口的噴油方向與嚙合方向同向，圖8中的箭頭為輸出1軸的旋轉(zhuǎn)方向，其他各工作零件的旋轉(zhuǎn)方向與之相對(duì)應(yīng)。

圖8 變速器整體模型

3.2 整體模型CFD分析及油軌潤(rùn)滑效果評(píng)價(jià)

對(duì)圖8所示的變速器整體模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，初始網(wǎng)格數(shù)目達(dá)到260萬(wàn)，如圖9所示。仿真分析條件如下：工作溫度為20℃，重力沿z軸負(fù)方向，輸入軸轉(zhuǎn)速為1000r／min，工作擋位為1擋，油軌入口體積流量為4L／min，油液面位于主減速器齒輪中心面以下36.8mm處。由于齒輪處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因而采用RNGk－ε模型描述變速器油液的湍流運(yùn)動(dòng)［11］。齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)使流體區(qū)域發(fā)生變化，這需要采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行模擬。通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，使旋轉(zhuǎn)區(qū)域周圍網(wǎng)格在計(jì)算過(guò)程中不斷調(diào)整，從而保證網(wǎng)格質(zhì)量，使計(jì)算得以順利進(jìn)行［8］。雖然采用切齒法最大限度簡(jiǎn)化了模型，但由于研究對(duì)象結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，網(wǎng)格數(shù)量增加幅度較大，從而影響計(jì)算效率。

圖9 變速器整體網(wǎng)格模型

針對(duì)最關(guān)心的齒輪潤(rùn)滑效果問(wèn)題，圖10列出了t＝0.024s時(shí)，出口2、4、5、7的噴油情況。由圖10可知，各出口在油壓的作用下，都能形成噴射液柱并到達(dá)相應(yīng)的齒輪表面，這一結(jié)果在變速器樣機(jī)試驗(yàn)中也得到了確認(rèn)。

圖11所示為t＝0.024s時(shí)，從變速器正面觀測(cè)到的變速器油液分布情況，油軌出口2、4、5、7噴出的油液清晰可見(jiàn)。由圖11可知，輸出2軸上的齒輪及主減速器齒輪甩起的油液并不會(huì)打斷油軌出口噴出的油液。圖12所示為同一時(shí)刻，出口2噴出油液與齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)的情形。由圖12可以看出，到達(dá)齒輪的噴射油液能夠克服齒輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，并同齒輪一起旋轉(zhuǎn)至嚙合處。

圖10 油軌各出口噴油效果

圖11 正面觀測(cè)到的變速器油液分布圖（油液體積分?jǐn)?shù)）

歸納以上仿真分析結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)油軌噴出的油柱不受飛濺油液的影響，能夠順利到達(dá)相應(yīng)齒輪，并與齒輪一同旋轉(zhuǎn)至嚙合點(diǎn)潤(rùn)滑嚙合齒輪，說(shuō)明了油軌強(qiáng)制噴油潤(rùn)滑的有效性。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用ANSYS Fluent，對(duì)某型號(hào)雙離合器自動(dòng)變速器油軌的噴油特性進(jìn)行了仿真研究。由油軌單體的噴油效果仿真分析得到了油軌各出口油液的質(zhì)量流量分布，以及油溫對(duì)質(zhì)量流量分布的影響。由包含油軌的整個(gè)變速器CFD模型仿真分析，得到了油軌在變速器內(nèi)部的噴油狀況及飛濺油液不會(huì)干擾油軌噴出油液的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了該款雙離合器自動(dòng)變速器油軌噴油潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。研究結(jié)果說(shuō)明了流體仿真分析可以在變速器潤(rùn)滑設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)中發(fā)揮重要作用。然而，齒輪嚙合部位的模型化方法顯然是制約仿真分析精度和影響仿真計(jì)算效率的重要因素，有待更深入地研究。

圖12 側(cè)面觀測(cè)到的變速器油液分布圖（油液體積分?jǐn)?shù)）

［1］湯耿波，陳勇，羅大國(guó)，等.雙離合器自動(dòng)變速器油的研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2011，36（6）：107－110.Tang Gengbo，Chen Yong，Luo Daguo.Study on Dual Clutch Transmission Fluid［J］.Lubrication Engineering，2011，36（6）：107－110.

［2］徐曉春，朱洪，吳妙仙.汽車變速器潤(rùn)滑［J］.汽車工程師，2011（6）：61－62.Xu Xiaochun，Zhu Hong，Wu Miaoxian.The Lubrication of Automotive Transmission［J］.Auto Engineer，2011（6）：61－62.

［3］吳曉鈴.潤(rùn)滑設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［4］王尚勇，張曉力，徐春龍.高壓共軌電控噴油器的仿真模擬計(jì)算［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2002（4）：16－19.Wang Shangyong，Zhang Xiaoli，Xu Chunlong.The Simulation of Electronic Control Injector for High Pressure Common Rail［J］.Vehicle Engine，2002（4）：16－19.

［5］蔡珍輝，楊海青，杭勇，等.基于AMESim的高壓共軌噴油器的建模及分析［J］.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2008，15（1）：4－9.Cai Zhenhui，Yang Haiqing，Hang Yong，et al.The Modeling and Analysis of Injector for High Pressure Common Rail by AMESim［J］.Design ＆ Manufacture of Diesel Engine，2008，15（1）：4－9.

［6］張功暉，黎志航，周志鴻.基于Fluent流場(chǎng)數(shù)值仿真的管路流量計(jì)算［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2010（12）：41－43.Zhang Gonghui，Li Zhihang，Zhou Zhihong.Airpassage Structure Improving of Pneumatic Electromagnetic Valve Based on Flow Field Simulation withing Fluent［J］.Hydraulics Pneumatics ＆ Seals，2010（12）：41－43.

［7］江帆，陳維平，李元元，等.潤(rùn)滑用齒輪泵內(nèi)部流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)模擬［J］.現(xiàn)代制造工程，2007（6）：116－118.Jiang Fan，Chen Weiping，Li Yuanyuan.Dynamic Simulation of Flow Field inside of Lubricate Gear Pump［J］.Modern Manufacturing Engineering，2007（6）：116－118.

［8］董春鋒，林騰蛟，何澤銀.基于動(dòng)網(wǎng)格的齒輪箱內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.機(jī)械研究與運(yùn)用，2011（2）：17－19.Dong Chunfeng，Lin Tengjiao，He Zeyin.Numerical Simulation of Flow Field in the Gearbox Based on Moving Mesh［J］.Mechanical Research and Application，2011（2）：17－19.

［9］Lemfeld F，F(xiàn)rana K，Unger J.Numerical Simulations of Unsteady Oil Flows in the Gearboxes［J］.Journal of Applied Science in the Thermodynamics and Fluid Mechanics，2007，1（1）：1－5.

［10］Vande V J，Vierendeels J，Dick E.Flow Simulations in Rotary Volumetric Pumps and Compressors with the Fictitious Domain Method［J］.Journal of Computational and Applied Mathematics，2004，168（1／2）：491－499.

［11］Armfield S W，F(xiàn)letcher C A J.Comparison of k－ε and Algebraic Reynolds Stress Models for Swirling Diffuser Flow［J］.International Journal for Numerical Methods in Fluids，1989，9（8）：987－1009.