鞏占峰，杜毅斐，席 飛，胡烜華

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

商用車數(shù)量僅占汽車的13%，但污染物的排放占比超過60%。隨著人們對生存環(huán)境關(guān)注程度的提高，以及國家日益嚴(yán)格的降低排放目標(biāo)的確定，新能源商用車產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展。在新能源商用車領(lǐng)域，由于高集成（電機(jī)、電控、減速器等）電驅(qū)動系統(tǒng)具有集成性高、能量密度大、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為各商用車廠家爭相研發(fā)的產(chǎn)品。

在高集成電驅(qū)動系統(tǒng)中，減速器模塊主要由傳動軸、軸承、齒輪副、密封件和殼體構(gòu)成，其作用是降速增扭，并將扭矩合理分配到車輛的兩個輪邊。電驅(qū)動系統(tǒng)減速器結(jié)構(gòu)需要有良好的潤滑設(shè)計，良好的潤滑一方面給齒輪、軸承等摩擦副覆蓋一層油膜，降低摩擦副的摩擦系數(shù)，減少磨損；另一方面帶走各摩擦部位因摩擦或攪動齒輪油產(chǎn)生的熱量，使軸系零件處于一個相對可靠的溫度區(qū)間。商用車電驅(qū)動系統(tǒng)一般采用飛濺潤滑的方式。如何保證減速器殼體設(shè)計能夠滿足軸系關(guān)鍵部位的潤滑成為減速器殼體設(shè)計的關(guān)鍵，目前工程應(yīng)用中主要有以下三種方法。

（1）根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際臺架驗(yàn)證，通過在殼體上開觀察孔的方法，觀測油液在關(guān)注轉(zhuǎn)速下是否能夠滿足潤滑需求。該種方法過度依賴工程師的經(jīng)驗(yàn)，且觀測結(jié)果受限于殼體的結(jié)構(gòu)和油液的飛濺，不容易觀察。（2）采用透明殼體的方法，通過透明殼體觀察電驅(qū)動系統(tǒng)減速器軸系在不同車速下的潤滑情況。該種方法制作周期較長，不能滿足設(shè)計上的反復(fù)修改。（3）進(jìn)行仿真模擬，主要有兩種：第一種是需要劃分網(wǎng)格的有限元法（Finite Element Method, FEM），基于這種方法的軟件以Fluent軟件為代表。該方法開發(fā)較早，功能強(qiáng)大且工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較為豐富，但需要質(zhì)量優(yōu)良的網(wǎng)格模型，前處理時間相對較長，同時在計算過程中，容易出現(xiàn)網(wǎng)格畸變和扭曲現(xiàn)象，對設(shè)計人員的要求較高[1-2]。另一種是不需要劃分網(wǎng)格的光滑粒子流體動力學(xué)（Smoothed Particles Hydrodynamics, SPH）方法，基于這種方法的軟件以PreonLab、shonDy等軟件為代表。這種方法由于不需要劃分復(fù)雜的網(wǎng)格模型，因此入門門檻相對較低，同時有著計算過程中軟件報錯率較少，相對準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，可以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的三維潤滑仿真等優(yōu)點(diǎn)，近些年發(fā)展比較迅速。本文主要敘述基于SPH方法進(jìn)行減速器殼體潤滑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程。

1 SPH方法

SPH方法是一種基于粒子近似而非網(wǎng)格單元近似的無網(wǎng)格計算方法。該方法利用一系列帶有密度、速度、溫度等力學(xué)量的粒子來描述系統(tǒng)的狀態(tài)，通過插值函數(shù)來描述各粒子間的相互作用，避免了網(wǎng)格法容易產(chǎn)生畸變等問題。同時SPH方法可以方便地跟蹤粒子的運(yùn)動來獲得整個物理區(qū)域的特性，可以很方便地模擬物質(zhì)界面移動和光滑場的變量問題，廣泛應(yīng)用于流體域的模擬計算[3]。

理論上任意粒子的連續(xù)函數(shù)的值或其導(dǎo)數(shù)均可以利用周圍粒子的已知值，通過核函數(shù)精確表示，其理論模型為

式中，f是三維空間位置矢量x的函數(shù)；dx’表示體積的微分；Ω表示自變量x的定義域；δ（x-x’）為狄拉克δ的函數(shù)，其表達(dá)式為

為了方便計算，通常情況下用光滑函數(shù)W(x-x’)取代δ函數(shù)的核函數(shù)δ（x-x’），則f(x)變化為

式中，W一般稱為光滑函數(shù)，h是W影響域的光滑長度。

光滑函數(shù)W必須遵循下列條件[4]：

（1）正則化條件：

（2）光滑長度h無限接近0時，具有狄拉克函數(shù)性質(zhì)：

（3）光滑函數(shù)的緊支性：

式中，κ為與點(diǎn)x處光滑函數(shù)相關(guān)的常數(shù)。

滿足以上條件的函數(shù)都可以作為SPH方法的核函數(shù)。通過該核函數(shù)可以將粒子處的場變量擴(kuò)展為其支持域內(nèi)的一組粒子表示。

SPH方法具體的計算流程如下[5]：首先定義粒子的初始位置，并計算各粒子的壓強(qiáng)、密度、加速度。根據(jù)定義的臨界條件改變各粒子的加速度，然后根據(jù)各粒子的加速度計算其速度的變化，并根據(jù)其速度的變化計算各粒子的位置。各粒子位置根據(jù)以上步驟迭代計算得出。

2 問題說明

本文主要介紹以SPH為基礎(chǔ)，采用潤滑仿真的方法解決高集成電驅(qū)動系統(tǒng)中減速器的潤滑問題。

高集成電驅(qū)動系統(tǒng)減速器軸系如圖1所示，從上往下依次為Ⅰ軸、Ⅱ軸、Ⅲ軸、Ⅳ軸。電驅(qū)動減速器軸系的主要作用是傳遞由電機(jī)輸出的扭矩，并將扭矩放大，轉(zhuǎn)速降低。軸系中的軸承均依靠飛濺潤滑方式進(jìn)行潤滑。

圖1 高集成電驅(qū)系統(tǒng)軸系

電驅(qū)動系統(tǒng)減速器殼體的作用是對軸系提供支撐、保護(hù)作用，同時通過潤滑結(jié)構(gòu)（油道、刮油板、擋油板等結(jié)構(gòu)）的設(shè)計潤滑軸系的軸承。

減速器殼體主要采用包絡(luò)式設(shè)計方法進(jìn)行初始設(shè)計，初始設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 殼體初始設(shè)計方案

采用減速器殼體初始設(shè)計方案的高集成電驅(qū)動系統(tǒng)在進(jìn)行驅(qū)動橋溫升臺架試驗(yàn)時，發(fā)生因齒輪油溫度異常引起的設(shè)備報警停機(jī)故障。經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)，高集成電驅(qū)動系統(tǒng)在Ⅱ軸左軸承區(qū)域發(fā)生因高溫引起的損壞故障。通過對軸承的失效形式進(jìn)行分析，初步推測是潤滑不足引起的失效，需要對軸系的潤滑進(jìn)行仿真計算，并進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)。

3 仿真分析

本文基于粒子流仿真軟件進(jìn)行高集成電驅(qū)動系統(tǒng)中減速器的潤滑仿真。

3.1 前處理及計算設(shè)置

基于Creo三維建模軟件建立完整的減速器模型。為保證減速器殼體的封閉性可將左右殼體合并為一個實(shí)體，并將殼體輸入和輸出端的端面進(jìn)行封閉處理。同時為了減少零件數(shù)量便于觀察后續(xù)油流分布，可將各軸系軸承外圈與殼體進(jìn)行實(shí)體合并處理設(shè)置為固定不動；各軸系軸承滾子、內(nèi)圈與齒輪軸合并處理設(shè)置為以相同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。

粒子流仿真軟件由于采用無網(wǎng)格方法，因此可將處理后的減速器殼體及相關(guān)的軸系結(jié)構(gòu)直接導(dǎo)入到粒子流仿真軟件進(jìn)行計算設(shè)置。求解器采用軟件自帶求解器并考慮單相流模型、湍流模型設(shè)置。同時考慮到計算精度和時間成本，本次分析模型設(shè)置仿真粒子直徑大小為2 mm，數(shù)量約為80萬個?？紤]齒輪油實(shí)際特性，齒輪油粘度按實(shí)驗(yàn)室實(shí)測80w-90齒輪油35.6 ℃對應(yīng)粘度184 mm2/s進(jìn)行設(shè)置。仿真計算前，按照實(shí)際加油量對計算模型進(jìn)行液面初始化，齒輪油液面初始結(jié)果如圖3所示。

圖3 高集成驅(qū)動系統(tǒng)液面高度

齒輪箱飛濺潤滑失效的最惡劣工況是低速工況。轉(zhuǎn)速較低時，齒輪飛濺的齒輪油動能較低，不能有效飛濺到需要潤滑的部位，尤其是位置較高的齒輪軸。根據(jù)整車極限工況，以最低車速10 km/h校核減速器內(nèi)軸系的潤滑情況。各級齒輪軸的轉(zhuǎn)速如表1所示。

表1 潤滑仿真各軸轉(zhuǎn)速

3.2 后處理及結(jié)果分析

Ⅱ軸左軸承主要依靠齒輪飛濺潤滑的方式進(jìn)行潤滑。由圖1、圖2可知，Ⅱ軸左軸承處于整個減速箱體較高的位置。高集成驅(qū)動系統(tǒng)的液面高度如圖3所示，處于較低的液面位置。油液需通過齒輪的攪動將處于較低位置的油液飛濺到較高的軸承位置處。殼體潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞直接決定了Ⅱ軸左軸承是否潤滑良好。

電驅(qū)動系統(tǒng)減速箱體油液分布仿真結(jié)果如圖4所示，由圖可知，3 s以后殼體的油液基本不變，此時可認(rèn)為進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，計算完成。

圖4 殼體初始設(shè)計方案油液分布

由仿真結(jié)果可以看到，減速器初始設(shè)計殼體方案中，油液在差速器齒輪的旋轉(zhuǎn)攪動下，齒輪油由較低位置被攪動到較高的位置，但始終聚集在Ⅲ軸齒輪、差速器被動圓柱齒輪和殼體的空腔位置處，無法到達(dá)Ⅱ軸左軸承處。Ⅱ軸左軸承無法得到齒輪油的潤滑，產(chǎn)生的熱量也無法隨齒輪油排出。證實(shí)了Ⅱ軸左軸承潤滑不足是造成軸承燒蝕故障主要原因猜想，需要對殼體的潤滑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4 殼體潤滑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

Ⅲ軸處的殼體初始設(shè)計方案細(xì)節(jié)如圖5(a)所示，由仿真分析可知，齒輪油在Ⅲ軸齒輪和差速器齒輪嚙合“泵油”后，聚集在Ⅲ軸齒輪、差速器被動圓柱齒輪和殼體的空腔位置處。此處缺少設(shè)計可以“引導(dǎo)”齒輪油向Ⅱ軸左軸承飛濺的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了Ⅱ軸左軸承處的潤滑油進(jìn)油困難，Ⅱ軸左軸承潤滑不良。此處潤滑設(shè)計不能滿足軸承潤滑需求，需對該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖5 殼體潤滑結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化后的Ⅲ軸處減速器殼體如圖5(b)所示。與初始設(shè)計方案相比，在Ⅲ軸的主動齒輪處的殼體部位增加了引流板結(jié)構(gòu)。引流板起始于Ⅲ軸齒輪和差速器齒輪的嚙合位置，并包絡(luò)Ⅲ軸主動齒輪。通過合理設(shè)計引流板與齒輪的間隙可以引導(dǎo)由齒輪副“泵出”的油液到達(dá)Ⅱ軸左軸承進(jìn)油口處，并通過Ⅱ軸左軸承進(jìn)油口到達(dá)Ⅱ軸左軸承處潤滑該軸承。

按與初始設(shè)計方案相同的參數(shù)設(shè)置，對采用優(yōu)化后減速器殼體的電驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行潤滑仿真計算，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 殼體優(yōu)化方案油液分布

由仿真結(jié)果可以看到，同樣的計算時間區(qū)域內(nèi)，優(yōu)化后的殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)于初始設(shè)計方案。齒輪油從Ⅲ軸齒輪和差速器齒輪嚙合位置“泵出”后，隨三軸齒輪及導(dǎo)流板通過Ⅱ軸進(jìn)油口進(jìn)入Ⅱ軸左軸承處潤滑Ⅱ軸左軸承處。殼體潤滑優(yōu)化后的引流板結(jié)構(gòu)可以有效導(dǎo)流，滿足Ⅱ軸左軸承的潤滑需求。

5 臺架驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化后殼體是否滿足潤滑要求，重新對裝配優(yōu)化后減速器殼體的高集成電驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動橋溫升臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，并記錄試驗(yàn)過程中齒輪油的油液溫度。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 臺架驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高集成電驅(qū)動系統(tǒng)減速箱體的油液溫度可控，同時拆解后發(fā)現(xiàn)Ⅱ軸左軸承完好，未發(fā)生高溫?fù)p壞故障。實(shí)驗(yàn)證明了齒輪、軸承部位處的潤滑良好，優(yōu)化后減速器殼體油路設(shè)計合理，潤滑結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效。

6 結(jié)論

本文通過仿真及試驗(yàn)的方法對某高集成電驅(qū)動系統(tǒng)減速器的潤滑性能進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并得出以下結(jié)論：

（1）基于SPH方法利用仿真分析得出該高集成電驅(qū)動系統(tǒng)減速器初始設(shè)計方案不能滿足軸承的潤滑需求。

（2）在最低車速工況下，通過在減速器殼體上增加導(dǎo)油板結(jié)構(gòu)，對高集成電驅(qū)動系統(tǒng)減速器軸系潤滑方案進(jìn)行了優(yōu)化。通過仿真分析驗(yàn)證了優(yōu)化后殼體可提高系統(tǒng)的潤滑性能。

（3）結(jié)合臺架試驗(yàn)結(jié)果，減速器內(nèi)部關(guān)鍵部件未出現(xiàn)異常磨損且溫升情況良好，證明了潤滑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性。

本文可為同類產(chǎn)品潤滑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。