某新能源汽車變速箱滾針軸承潤滑仿真分析及優(yōu)化

1、某新能源汽車變速箱滾針軸承潤滑仿真分析及優(yōu)化對某新能源變速箱在臺架高速試驗時因潤滑不足而出現(xiàn)輸入軸滾針軸承燒毀的問題進(jìn)行分析?；赑articleworks軟件平臺,建立輸入軸滾針軸承潤滑仿真模型,查看不同轉(zhuǎn)速下的潤滑效果。以改善滾針軸承潤滑為目標(biāo),分析加長導(dǎo)油嘴在不同轉(zhuǎn)速下對滾針軸承潤滑效果的影響。仿真結(jié)果表明，加長導(dǎo)油嘴可改善滾針軸承潤滑效果,且通過臺架試驗驗證有效。、/4、.前言變速箱潤滑系統(tǒng)設(shè)計是變速箱開發(fā)中至關(guān)重要的部分,直接影響變速箱內(nèi)部齒輪、軸承等零部件的使用壽命。一直以來,變速箱潤滑系統(tǒng)設(shè)計主要依靠研究人員的經(jīng)驗，通過計殼體特征，確定潤滑形式及油液高度來達(dá)到潤滑設(shè)計要求。如果潤

2、滑設(shè)計存在缺陷,則會引起齒輪、軸承等重要零部件的失效,且只能在樣機(jī)試驗階段才會發(fā)現(xiàn)。目前，變速箱潤滑系統(tǒng)設(shè)計驗證主要依賴透明殼體臺架試驗。該試驗可以清楚看到殼體上軸承的潤滑情況，然而對于內(nèi)部齒輪和滾針軸承潤滑情況的觀察卻較為局限。由于樣機(jī)試制及驗證時間長,難以快速鎖定設(shè)計及改進(jìn)措施,潤滑系統(tǒng)設(shè)計已成為制約變速箱開發(fā)周期的重要因素。目前，關(guān)于潤滑方面的研究主要集中在數(shù)值分析計算方面。文獻(xiàn)1提出了采用齒面移動法對齒輪進(jìn)行處理的方法。文獻(xiàn)2提出了多相流（VOF）模型,以解決齒輪飛濺潤滑存在的較為復(fù)雜的油氣兩相流現(xiàn)象。針對潤滑系統(tǒng)的設(shè)計,文獻(xiàn)3介紹了一般的減速器潤滑系統(tǒng)組成及相關(guān)部件的選擇、計算，并給

3、出了潤滑系統(tǒng)設(shè)計時的注意事項。本文基于移動粒子半隱式流體分析（MPS）方法的Paticlewoks仿真分析軟件平臺，建立了某新能源變速箱輸入軸滾針軸承潤滑仿真模型。該新能源變速箱的開發(fā)為基金項目，屬于國家重點研發(fā)計劃：不同2018YFB0105801新型高性價比機(jī)電耦合變速箱開發(fā)項目。本文論述了在查看轉(zhuǎn)速下滾針軸承的潤滑效果后，結(jié)合莫變速箱輸入軸滾針軸承失效問題，指出潤滑不足是滾針軸承失效的根本原因，并提出改進(jìn)方案，滿足了滾針軸承的潤滑要求，為潤滑系統(tǒng)設(shè)計與改進(jìn)提供了有力支持。1滾針軸承失效分析相比傳統(tǒng)：氣車變速箱，新能源汽車的變速箱要求轉(zhuǎn)速范圍更廣，低速扭矩更大,對潤滑系統(tǒng)的設(shè)計要求也更高。

4、因此，現(xiàn)有經(jīng)驗已無法滿足更高的工況設(shè)計要求，容易出現(xiàn)設(shè)計問題。如圖1所示，莫新能源車采用的變速箱在臺架試驗時,在高速工況下出現(xiàn)故障，拆解后發(fā)現(xiàn)輸入軸滾針軸承失效。圖中可見該滾針軸承保持架（工程塑料材質(zhì)）損壞，失效形式表現(xiàn)為典型的因過溫過載導(dǎo)致部件燒毀。在該滾針軸承處,軸內(nèi)設(shè)計有油孔，通過軸內(nèi)導(dǎo)油嘴噴油進(jìn)行了強(qiáng)制潤滑，但實際的內(nèi)部潤滑情況不得而知，也無法利用透明殼體潤滑試驗宜接觀測。此時，研究人員通過潤滑仿真軟件來模擬輸入軸滾針車由承潤滑情況,分析失效原因是最有效的方法。圖6導(dǎo)油嘴示意圖2基于MPS的局部潤滑系統(tǒng)模型搭建2.1 MPS方法及Particleworks軟件平臺介紹MPS方法屬于流體

5、分析中的無網(wǎng)格法。該方法是將流體計算區(qū)域視為由一群粒子構(gòu)成，其中每個粒子都包含與之相對應(yīng)的不同流動信息，并以拉格朗日方程為基礎(chǔ)，求解各粒子間的相互作用關(guān)系方程和離散基本流動方程。研究人員根據(jù)各粒子上一時刻的流動信息對下一時刻進(jìn)行預(yù)測和修正,從而獲得整個流場的動態(tài)流動信息。Particleworks是基于MPS方法開發(fā)的1款商業(yè)軟件平臺。在該平臺下搭建的變速箱潤滑模型可以高效準(zhǔn)確地模擬出變速箱內(nèi)部油液潤滑的走向,并生成相應(yīng)動畫。圖5在轉(zhuǎn)速為6000r/min工況F的油液分布2.2 基于Particleworks的潤滑模型搭建如圖2所示，為了分析輸入軸滾針軸承失效原因，研究人員基于Particle

6、works軟件平臺，導(dǎo)入輸入軸及滾針軸承三維模型，建立了局部輸入軸滾針軸承潤滑模型。具中，模型設(shè)置說明如下：（1）輸入軸內(nèi)部為中空油道設(shè)計，每個滾針軸承貼合面有4個油孔，輸入軸賦予軸向轉(zhuǎn)動自由度。（2）齒輪共有5個，從左至右分別標(biāo)記為號。（3）將號齒輪空套在軸上，可通過結(jié)合套與輸入軸結(jié)合，4個齒輪賦予軸向轉(zhuǎn)動自由度，號齒輪與輸入軸為一體式設(shè)計。（4）該軸共有4個滾針軸承，分別布置在空套齒輪內(nèi)側(cè)，從左至右分別標(biāo)記為A、B、C、Do滾針軸承與齒輪和輸入軸都為間隙配合,滾針軸承賦予軸向轉(zhuǎn)動自由度。（5）輸入軸滾針軸承為強(qiáng)制潤滑設(shè)計,從右側(cè)導(dǎo)油嘴通過油泵注油,每個軸承潤滑M要求均為0.1L/mino（

7、6透慮到潤滑不均z設(shè)計輸入流M為0.5L/min，潤滑油累積在輸入軸中空部位f通過4個油孔流入滾針軸承z為軸承提供潤滑。圖7在轉(zhuǎn)速為500r/minT.況下的油液分布圖8在轉(zhuǎn)速為3000r/minT.況下的油液分布圖9在轉(zhuǎn)速為6000r/min丁況下的油液分布3潤滑系統(tǒng)仿真分析通過上述潤滑仿真模型，根據(jù)典型工況轉(zhuǎn)速表，試驗人員分別選取500r/min、3000r/min、6000r/min為輸入軸轉(zhuǎn)速點。通過仿真分析,4個滾針軸承內(nèi)部的潤滑狀況結(jié)果如下所述。(1)如圖3所示，輸入軸在轉(zhuǎn)速為500r/min的工況下，輸入軸內(nèi)部油道潤滑油充盈，4個滾針軸承內(nèi)的油孔可以明顯看到潤滑油,表明AB、C、

8、D滾針軸承潤滑狀況良好。(2)如圖4所示，在輸入軸轉(zhuǎn)速為3000r/min的工況下,在輸入軸內(nèi)部油道內(nèi),潤滑油主要聚集在右側(cè),A、B滾針軸承潤滑狀況較差,C、D滾針軸承潤滑狀況良好。(3)如圖5所示，在輸入軸轉(zhuǎn)速為6000r/min的工況下,在輸入軸內(nèi)部油道內(nèi)，潤滑油完全聚集在右側(cè)，A、B滾針軸承幾乎無潤滑，C、D滾針軸承潤滑狀況良好。從仿真結(jié)果可以看出,隨看輸入軸轉(zhuǎn)速的升高,潤滑油越來越難迸入輸入軸內(nèi)部油道的左側(cè)，導(dǎo)致潤滑油都從右側(cè)油孔甩出。最左端的滾針軸承在高速工況下幾乎無潤滑，這極易導(dǎo)致滾針軸承因過熱產(chǎn)生失效。這一仿真結(jié)果與高速試驗滾針軸承失效情況基本吻合。4設(shè)計改進(jìn)及試驗驗證為了改善左

9、側(cè)滾針軸承潤滑效果,需要讓潤滑油在高速工況下也能到達(dá)輸入軸內(nèi)部油道左側(cè)，并經(jīng)過左側(cè)油孔甩出，為左側(cè)滾針軸承提供潤滑。如圖6所示,圖中虛線位置為原導(dǎo)油嘴長度，研究人員考慮加長原導(dǎo)油嘴長度。在高速工況下,由于離心力的作用，潤滑油可能聚集在右側(cè)內(nèi)壁上,且右側(cè)油道空腔直徑較大,潤滑油往左側(cè)流動時存在階梯，大部分潤滑油可能會從最右側(cè)油孔甩出。在加長導(dǎo)油嘴后,噴出的潤滑油宜接越過內(nèi)部空腔的P皆梯,同時左側(cè)油道宜徑相同。通過利用導(dǎo)油嘴噴油的初速度,可以讓潤滑油盡量往左側(cè)流動。在對導(dǎo)油嘴重新建模后，研究人員選取上述相同的3個工況進(jìn)行潤滑仿真分析，并查看4個滾針軸承的潤滑情況。結(jié)果如下文所述。從圖7、圖8和圖9

10、可以看出，在500/min、3000r/min,6000r/min這3個輸入軸轉(zhuǎn)速下,3個軸承均可以得到有效潤滑。尤其在6000r/min下,左側(cè)A、B滾針軸承從原先的基本無潤滑變成潤滑狀況良好。潤滑油可以順利進(jìn)入輸入軸左側(cè)軸孔內(nèi)部,向滾針軸承提供充足的潤滑。仿真結(jié)果表明,加長導(dǎo)油嘴可以明顯改善在高速工況下的輸入軸左側(cè)滾針軸承的潤滑狀況。根據(jù)仿真結(jié)果,研究人員對原導(dǎo)油嘴進(jìn)行了工程樣件改制,并重新啟動了新輪高速試驗。最終試驗順利通過，驗證了潤滑不足是導(dǎo)致滾針軸承失效的重要原因,且驗證了加長導(dǎo)油嘴的方案有效。5結(jié)論根據(jù)上述仿真和試驗結(jié)果，得出以下結(jié)論。(1)潤滑不足是導(dǎo)致滾針軸承失效的主要原因。(2)基于MPS的Partic