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电驱变速箱润滑CFD仿真

2017/11/27    来源:e-works    作者:许洲      
关键字:计算流体动力学  光滑粒子流体动力学  电驱变速箱  nanoFluidx  GPU  
本文主要研究电驱动变速箱飞溅润滑CFD仿真的方法。

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0 前言

    随着苛刻的内燃机车排放限制以及非可再生能源耗尽,各国都在大力发展新能源汽车。中国计划到2020年,纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆。电动汽车作为新能源汽车的主流技术方案,除了里程担忧、充电及成本问题外,未来发展电动汽车的挑战将是提供与传统动力汽车一样的驾驶性,包括起步性能、高速巡航及坡路起步性能等,变速箱将是实现这些性能的一个有效路径。此外,变速箱能够充分发挥驱动电机的使用效率,从而减少对电池容量及电机功率的要求。相对于传统内燃机变速箱,电动车变速箱的开发也绝非易事。最显著的区别在于电驱变速箱的最高转速通常在万转每分钟,从而带来新的润滑、冷却、传动效率、耐久及NVH等相关问题。本文将以某单速电驱变速箱为案例,研究电驱变速箱飞溅润滑CFD仿真。

1 齿轮润滑仿真介绍

1.1 齿轮润滑

    动力传输是指能量从动力产生装置传递到执行有效功的装置。通常经由齿轮、皮带、绳索、链条、联轴器和摩擦离合器传递动力。其中齿轮传动是指经由齿轮和轮系传递动力。齿轮传动装置主要应用于汽车、农业机械、风力涡轮机、工业、建筑、采矿等行业。

    齿轮润滑油的主要功能是提供足够的润滑,以及为齿轮组件提供冷却。齿轮润滑系统主要分为油脂润滑、飞溅润滑和强迫喷淋式润滑。油脂润滑适用于各种封闭式和开放式齿轮系统,且仅用于低速齿轮。飞溅润滑是指齿轮浸入油池,利用齿轮旋转带动油液进入啮合区域和轴承区域的润滑方式,所以难以预测其润滑性能。强迫喷淋式润滑是一种可控润滑方式,油液被泵入齿轮机构,然后再流入储油池以循环泵出。通常变速箱是采用飞溅润滑,其比强迫喷淋式润滑结构简单紧凑,不需要额外泵油系统。

    齿轮润滑面临的挑战是既要保证适当的润滑和有效的冷却,又要降低功率损耗。而功率损耗不但包含取决于负载的功率损耗,如由于接触摩擦损耗的机械能;又包含独立于负载的功率损耗,例如,和粘滞效应相关的搅拌损耗和气流损耗。基于电驱变速箱的高转速特性,轴承的润滑显得更为苛刻,既要考虑低速时的轴承润滑又要考虑高速时的轴承润滑。而常规透明壳体又无法承载高速润滑实验。

1.2 润滑仿真

    计算流体力学在齿轮润滑领域的应用主要体现在油液流动形态的预测和功率损耗的预测。从CFD仿真的油液流动形态结果可以判断润滑是否适当,以及冷却性能是否最优化。影响功率损失的因素主要有齿轮转速、油液流体材料、齿轮几何特征、齿轮箱壳体等。基于CFD结果,我们可以对壳体和轮系进行重新布局优化。

    从20世纪60年代,CFD成为一门独立的学科。然而,以有限体积法为代表的商业CFD软件直到今天仍然难以解决复杂运动几何体和自由液面问题。例如,使用传统的有限体积法CFD仿真一个转速为几千转每分钟的齿轮可能需要几周时间才能模拟出变速箱的几个转动周期而已,在工程应用中受到极大限制。

2 采用SPH方法的nanoFluidX软件介绍

2.1 nanoFluidX介绍

    nanoFuidX是位于德国慕尼黑的FluiDyna公司开发的一款无网格CFD求解器,基于SPH方法,主要用于预测在复杂几何体中有复杂机械运动的流动。它可以用于预测有旋转轴和齿轮的传动系统润滑并分析系统每个部件的力和力矩。使用GPU技术能够对真实的几何形状进行高性能仿真。和更笨重的CPU相比较,GPU计算提供了显著的性能优势和能源节约。采用SPH方法的nanoFluidX十分易于处理高密度比的多相流(例如水-空气),并不需要增加额外的计算工作量。流体界面是SPH方法自然得到的副产品,并不需要额外的分界面重构算法,因此节约了计算时间。

    nanoFuidX的操作流程很简单。不再需要传统意义下的网格,只要导入几何,选择单元并生成粒子,不需要更多时间做前处理和生成足够好的网格,如图1所示。其显著的优势体现在:快速的仿真计算方法以实现前期设计优化,更容易学习和实施工程应用,完全GPU算法大幅度缩减硬件成本。

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    图1 nanoFluidX的仿真流程

2.2 SPH介绍

    SPH方法采用拉格朗日方法描述流体运动。物理量跟随流体质点,而不是跟随静态空间坐标。使用拉格朗日形式的动量守恒方程(N-S方程),去除对流项,使得方程更容易求解。我们可以把SPH想象成多体(小钢球)之间的相互作用,同时每个体(粒子)没有明显的尖锐边缘。如图2所示。

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    图2 SPH粒子相互作用关系

    虽然看起来粒子是离散的点。但是,在数值求解计算中,他们是连续的,或者称之为光顺。如图3,主粒子的所有属性都可以通过下面的体积积分公式(1)表达出来。

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    图3 核函数示意图

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    综上所述:SPH方法是一种精确的,与时间历程无关的,求解连续性方程的方法。可以描述很完美的平流问题。没有本质性的能量耗散,所有的耗散能量都是通过人为添加。如添加粘性项。精确求解质量、动量、角动量、能量和熵值,同时保证守恒。它可以确保粒子处于最小能量状态。求解物理量时使用质点坐标(拉格朗日),而不是向欧拉坐标一样在空间体内描述。

2.3 GPU计算

    SPH方法中的每一个粒子仅仅和相邻的粒子之间进行相互作用力的计算,而且每一个粒子的位置可以相互独立地直接更新。所以,SPH非常适合使用GPU(图形处理单元的通用计算)计算,而GPU具有非常强大的并行计算能力。

责任编辑:张纯子
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