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輸入軸滾針軸承燒毀的問題進行分析?；赑articleworks軟件平臺,建立輸入軸滾針軸承潤滑仿真模型,查看不同轉速下的潤滑效果。以改善滾針軸承潤滑為目標,分析加長導油嘴在不同轉速下對滾針軸承潤滑效果的影響。仿真結果表明，加長導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設計是變速箱開發(fā)中至關重要的部分,直接影響變速箱內部齒輪、軸承等零部件的使用壽命。一直以來,變速箱潤滑系統設計主要依靠研究人員的經驗，通過計殼體特征，確定潤滑形式及油液高度來達到潤滑設計要求。如果潤

2、滑設計存在缺陷,則會引起齒輪、軸承等重要零部件的失效,且只能在樣機試驗階段才會發(fā)現。目前，變速箱潤滑系統設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，然而對于內部齒輪和滾針軸承潤滑情況的觀察卻較為局限。由于樣機試制及驗證時間長,難以快速鎖定設計及改進措施,潤滑系統設計已成為制約變速箱開發(fā)周期的重要因素。目前，關于潤滑方面的研究主要集中在數值分析計算方面。文獻1提出了采用齒面移動法對齒輪進行處理的方法。文獻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雜的油氣兩相流現象。針對潤滑系統的設計,文獻3介紹了一般的減速器潤滑系統組成及相關部件的選擇、計算，并給

3、出了潤滑系統設計時的注意事項。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新型高性價比機電耦合變速箱開發(fā)項目。本文論述了在查看轉速下滾針軸承的潤滑效果后，結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，并提出改進方案，滿足了滾針軸承的潤滑要求，為潤滑系統設計與改進提供了有力支持。1滾針軸承失效分析相比傳統：氣車變速箱，新能源汽車的變速箱要求轉速范圍更廣，低速扭矩更大,對潤滑系統的設計要求也更高。

4、因此，現有經驗已無法滿足更高的工況設計要求，容易出現設計問題。如圖1所示，莫新能源車采用的變速箱在臺架試驗時,在高速工況下出現故障，拆解后發(fā)現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）損壞，失效形式表現為典型的因過溫過載導致部件燒毀。在該滾針軸承處,軸內設計有油孔，通過軸內導油嘴噴油進行了強制潤滑，但實際的內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導油嘴示意圖2基于MPS的局部潤滑系統模型搭建2.1 MPS方法及Particleworks軟件平臺介紹MPS方法屬于流體

5、分析中的無網格法。該方法是將流體計算區(qū)域視為由一群粒子構成，其中每個粒子都包含與之相對應的不同流動信息，并以拉格朗日方程為基礎，求解各粒子間的相互作用關系方程和離散基本流動方程。研究人員根據各粒子上一時刻的流動信息對下一時刻進行預測和修正,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確地模擬出變速箱內部油液潤滑的走向,并生成相應動畫。圖5在轉速為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，模型設置說明如下：（1）輸入軸內部為中空油道設計，每個滾針軸承貼合面有4個油孔，輸入軸賦予軸向轉動自由度。（2）齒輪共有5個，從左至右分別標記為號。（3）將號齒輪空套在軸上，可通過結合套與輸入軸結合，4個齒輪賦予軸向轉動自由度，號齒輪與輸入軸為一體式設計。（4）該軸共有4個滾針軸承，分別布置在空套齒輪內側，從左至右分別標記為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動自由度。（5）輸入軸滾針軸承為強制潤滑設計,從右側導油嘴通過油泵注油,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在轉速為500r/minT.況下的油液分布圖8在轉速為3000r/minT.況下的油液分布圖9在轉速為6000r/min丁況下的油液分布3潤滑系統仿真分析通過上述潤滑仿真模型，根據典型工況轉速表，試驗人員分別選取500r/min、3000r/min、6000r/min為輸入軸轉速點。通過仿真分析,4個滾針軸承內部的潤滑狀況結果如下所述。(1)如圖3所示，輸入軸在轉速為500r/min的工況下，輸入軸內部油道潤滑油充盈，4個滾針軸承內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，在輸入軸轉速為3000r/min的工況下,在輸入軸內部油道內,潤滑油主要聚集在右側,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，在輸入軸轉速為6000r/min的工況下,在輸入軸內部油道內，潤滑油完全聚集在右側，A、B滾針軸承幾乎無潤滑，C、D滾針軸承潤滑狀況良好。從仿真結果可以看出,隨看輸入軸轉速的升高,潤滑油越來越難迸入輸入軸內部油道的左側，導致潤滑油都從右側油孔甩出。最左端的滾針軸承在高速工況下幾乎無潤滑，這極易導致滾針軸承因過熱產生失效。這一仿真結果與高速試驗滾針軸承失效情況基本吻合。4設計改進及試驗驗證為了改善左

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

10、可以看出，在500/min、3000r/min,6000r/min這3個輸入軸轉速下,3個軸承均可以得到有效潤滑。尤其在6000r/min下,左側A、B滾針軸承從原先的基本無潤滑變成潤滑狀況良好。潤滑油可以順利進入輸入軸左側軸孔內部,向滾針軸承提供充足的潤滑。仿真結果表明,加長導油嘴可以明顯改善在高速工況下的輸入軸左側滾針軸承的潤滑狀況。根據仿真結果,研究人員對原導油嘴進行了工程樣件改制,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致滾針軸承失效的重要原因,且驗證了加長導油嘴的方案有效。5結論根據上述仿真和試驗結果，得出以下結論。(1)潤滑不足是導致滾針軸承失效的主要原因。(2)基于MPS的Partic