基于CFD的双离合器自动变速箱喷射油管流场模拟分析

摘 要：采用CFD方法对双离合器自动变速箱喷射油管的喷油过程进行了动态模拟，得到了各喷口的质量流量与可视化的喷油迹线图，并与测试数据进行了对比，验证了仿真模型的准确性。仿真结果表明了该喷射油管的设计是合理有效的。本研究对变速箱润滑系统的设计评价具有一定的参考价值。

关键词：喷射油管；强制润滑；流场模拟；两相流

中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）18-140-03

Simulation and Analysis of Flow Field of Oil Manifold in Dual Clutch

Transmission Based on CFD

Zhang Fuwei

（ AnHui Jianghuai Automobile Group Co.， Ltd.， Technology Center， Anhui Hefei 230601 ）

Abstract： The dynamic simulation of jet process of Oil Manifold in Dual Clutch Transmission was carried， which was based on CFD approach. The mass flux and streamline of each nozzle were obtained. The accuracy of simulation model was validated by compared with test data. The result of simulation show that the design of Oil Manifold is valid and suitable. This research provides something referential value to the design evaluation of transmission lubrication.

Keywords： oil manifold； forced lubrication； simulation of flow field； two-phase flow

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）18-140-03

引言

双离合器自动变速箱的动力传动与手动变速箱一样，是依靠机械系统中齿轮的啮合作用来完成的[1]。齿轮相互啮合时产生大量的热量，容易发生磨损和点蚀等现象。为避免齿面之间的直接接触，必须通过变速箱油对其进行有效的润滑，以减轻接触表面的磨损，并通过油液带走相关杂质和热量，起到冷却、润滑及清洗的作用[2]。所以，润滑系统的设计对保证变速箱的正常工作、延长变速箱的使用寿命有着非常重要的意义。由于变速箱壳体的存在，齿轴系统全部密闭在变速箱壳体内部。齿轮润滑试验只能观察到部分结果，其余的状态只能在试验完成后通过检查齿轮的表面质量来考察。若是润滑系统设计不理想，则需要进行多次试验，造成了试验资源的浪費与试验周期的延长。

CFD技术就是在一系列控制方程下对流动问题进行的数值模拟，这种数值模拟可以对复杂流场各位置、各时间点的物理量如压力、温度、速度等都可以直观形象的展现出来。通过CFD分析，能够直观、细致对系统各设计参数、设计方案的合理性进行分析与判断。随着软硬件技术的日益发展，采用CFD技术进行润滑系统模拟变速箱内部润滑状态已经成为可能。本文针对某湿式双离合器自动变速箱齿轮润滑的喷射油管，采用CFD方法，对其喷油过程的流场进行了模拟，并结合试验结果，对喷射油管的润滑效果进行了评价分析，说明了喷射油管设计方案的合理性。

1 齿轮润滑方式

变速箱齿轮的润滑方式通常有三种[3]：飞溅润滑、流动润滑与强制润滑，如图1所示。

图1 润滑方式

飞溅润滑[4]是将齿轮副中的某个齿轮或几个放置到油底壳的油液中，随着齿轮的转动，油液被搅动、飞溅，带入到啮合点；由于重力的作用，飞溅出来的油液最终将直接返回到油底壳中，形成循环。对于飞溅润滑比较重要的是，在任何时候，油液必须保持在一个特定的浸没高度。如果油液面太低，将会导致润滑补足，散热不足，进而导致齿轮的胶合。如果油液面太高，搅油力矩增大会导致变速箱的功率损失增加，同时会导致油液中产生大量的泡沫，带来齿轮箱的噪声。

流动润滑是通过设计相关的油道，如空心轴、集油槽等，使油液流动到指定的部件。流动润滑常用于轴承的润滑，也有在齿轮上开孔，通过旋转离心力的作用，使油液流向啮合面。但由于齿轮上每个齿在转动过程中都会产生啮合，如果每个齿侧都开孔，极会导致齿轮的强度出现问题。

强制润滑是一种强制的流动润滑。给定油液一定的压力，使其通过开缝的喷口或开孔的喷管，直接喷射至接触区。

对于双离合器自动变速箱来说，主减齿轮位置较低，可以采用飞溅润滑的方式。而挡位齿轮副大都在油液面以上，其啮合部位较高，仅靠搅油所产生的油液很难飞溅到所需位置，故需通过喷射油管来实现挡位齿轮的强制润滑，将润滑油直接喷射到各档齿轮啮合点上。

2 润滑流场模拟

2.1 数学模型

喷射油管工作时，变速箱中的液压控制系统给定一定的压力，使主油路的油液经过冷却器，将冷却后的油液分流到喷射油管用来润滑齿轮。为便于分析，计算模型对油液及其流动状态进行如下设置：

1）油液不可压缩，忽略其热膨胀系数及能量交换。

2）油液满足三维定常湍流流动的连续性方程和运动方程[5]。

连续性方程：

（1）

运动方程：

（2）

式中：x，y，z为坐标方向；Jx， Jy， Jz分别为各方向的单位质量力；p为压力；ρ为油液密度；υ为油液的运动黏度。

采用标准k-ε湍流模型分析油液流动，并对近壁面区的流动及雷诺数较小的流动采用壁面罚函数法进行处理。

标准k-ε湍流方程：

（3）

式中：Cμ为经验系数，取0.09；k为湍动能；ε为湍动能耗散率；μt为湍流黏性系数。

4）考虑重力对油液的影响g=9.81m2/s。

2.2 仿真模型

某双离合自动變速箱的喷射油管几何模型如图2所示。

对喷射油管的几何模型进行流体域抽取，并导入至软件进行CFD网格划分。喷射油管的网格模型如图3所示。

喷射油管的工作环境是变速箱壳体内的油气混合的两相流场，所以仿真采用包含油液与空气的两相流模型。空气域模型是在喷射油管的出口附件建立一个长方形的BOX，BOX大小与箱体的区域接近，如图4所示。

为提高计算精度，需对喷油口与BOX交互区域的网格进行精细化处理，如图5所示。

完成网格模型后，在软件中进行油管的出口、入口及油气数据交换面的定义与数据设置。初始状态下，喷射油管的入口处全是油液，故油液体积分数为1，空气体积分数为0；其余区域均为空气，故油液体积分数为0，空气体积分数为1。其它仿真参数及边界条件如下表所示。

3 结果分析

图6为入口压力为1.75bar时的入口流量，入口压力稳定后，入口流量稳定在3.5L/min左右，与试验给定的入口流量一致。

图7为计算得到的各喷油口的流量曲线，流量稳定后，各喷口的质量流量之和与入口流量基本相等。表2为仿真得到的流量与试验测试数据的对比。仿真结果与测试结果基本一致，表明了仿真模型是可信的。

利用CFD软件对结果的可视化效果，将变速箱的齿轴部件按仿真模型的坐标导入，可观测到各喷口油液是否能到达齿轮副啮合面或轴承处，如图8所示。从图中可以看出，各喷口的喷油轨迹均能达到相应的齿轮或轴承处。

4 结论

喷射油管是双离合自动变速箱实现齿轴强制润滑的重要元件，其喷油效果的好坏直接影响到齿轴系统的是否能够正常工作。本文利用CFD方法对喷射油管的喷油过程进行了流场模拟，得到各喷口的油液质量流量和喷射轨迹等可视化的结果，并将仿真结果与测试结果进行了对比验证，一方面验证了仿真结果的可信性，另一方面也表明了该变速箱的喷射油管设计合理，能够达到齿轴强制的润滑的效果。

本研究不仅为喷射油管的设计开发提供了有效的数据，而且对于变速箱润滑系统的设计评价具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 玛瑙海姆.汽车自动变速器理论基础，选择，设计与应用[M].宋进桂等译.北京：机械工业出版社，2013.11.

[2] 林银辉，臧孟炎等.双离合器自动变速器油轨的流场模拟及其润滑效果评价[J].中国机械工程，2013，24（22）：3052-3056.

[3] 吴晓玲.润滑设计手册[M].北京：化学工业出版社，2006.

[4] 徐晓春，朱洪等.汽车变速器润滑[J].汽车工程师，2011（6）：107-110.

[5] 陈晖，李良光等.基于CFD的压机充液阀流道设计[J].液压气动与密封，2013，12：48-50.