CN111079226A - 一种基于cfd的汽车变速器润滑油液位仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于CFD的汽车变速器润滑油液位仿真方法，包括：S1、建立变速器总成的几何模型；S2、对几何模型进行前处理；S3、将汽车实际行驶工况转化为等效的横向坡度和纵向坡度，作为步骤S4的边界条件；S4、建立变速器润滑系统的计算流体动力学模型，设置其物理模型、边界条件和初始加油量；S5、对计算流体动力学模型进行求解计算并处理其计算结果；S6、根据计算结果进行后处理，得到第一组分析数据；S7、改变加油量n次，并重复n次步骤S4～S6，得到与n次加油量一一对应的n组分析数据；S8、在n+1组分析数据中将满足预设评价标准的最少加油量作为名义加油量。本发明可在变速器设计阶段对其润滑性能及液压系统吸空问题进行快速高效的评估。

Description

一种基于CFD的汽车变速器润滑油液位仿真方法

技术领域

本发明属于汽车变速器技术领域，具体是涉及一种基于CFD的汽车变速器润滑油液位仿真方法。

背景技术

在传统的汽车变速器润滑系统的开发设计过程中，通常是先制作出样箱，接着根据经验主观且粗略地确定出在水平路面工况下的润滑油液位，然后通过大量的润滑试验来不断调整润滑系统结构及润滑油液位。然而，现有润滑试验中的各个工况仅仅是模拟一定坡度下的润滑情况，而没有考虑到实际的加速情况；再有，对润滑性能的评价是在全工况润滑试验后通过快速拆解来主观观察关键部件的油液附着情况，而对于各个工况的润滑过程和细节，尤其是对各种复杂路面工况的润滑状态无法捕捉，导致很难对各个具体工况的润滑性能进行细致全面的考核。

随着数值模拟技术的发展，计算流体动力学(CFD)已经成为在流体研究中并列于试验手段和理论手段的第三种研究方法，其具有结果直观、可重复性高、条件要求低、开发周期短、成本低等优势。目前，计算流体动力学在变速器领域应用较少，尤其对于变速器总成在极多工况下的润滑油液位及油量应用更是空白。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题在于提供一种基于CFD的汽车变速器润滑油液位仿真方法，用以在变速器设计阶段就对润滑性能进行快速、高效的考核。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于CFD的汽车变速器润滑油液位仿真方法，包括以下步骤：

S1、建立变速器总成的几何装配模型；

S2、对几何装配模型进行前处理，包括进行几何清理，建立严格的拓扑结构，制定相应的网格划分策略并生成高质量的计算流体动力学网格；

S3、将汽车实际行驶工况转化为等效的横向坡度和纵向坡度，作为下一步骤中的边界条件；

S4、建立变速器润滑系统的计算流体动力学模型，并设置其物理模型、边界条件和初始加油量；

S5、对变速器润滑系统的计算流体动力学模型进行求解计算，并处理其计算结果；

S6、根据计算结果进行后处理，得到第一组分析数据，包括统计各实际行驶工况下润滑油液位分布情况，统计各旋转部件与润滑油液位的位置关系，统计液压系统吸滤器入口的浸入深度以及综合评估变速器的润滑性能和液压系统的吸空风险；

S7、改变加油量n次，并重复n次步骤S4～S6，得到与n次加油量一一对应的n组分析数据；

S8、在n+1组分析数据中将满足预设评价标准的最少加油量作为名义加油量。

更进一步，所述步骤S3中将汽车实际行驶工况转化为等效的横向坡度和纵向坡度的计算方法如下：

(1)将变速器实际路面工况分解为纵向坡度α和横向坡度β，并将其分别对应等效为纵向加速度a和横向加速度a'，再与重力加速度g形成合体积力矢量，即可得到润滑油自由液面矢量，具体可按如下公式计算：

(2)在汽车实际行驶的纵向坡度和横向坡度分别为θ和θ'的坡道上，由纵向加速度a和横向加速度a'导致的变速器润滑油液面的附加纵向坡度α'和横向坡度β'可按如下公式计算：

(3)由步骤(1)和(2)计算得到汽车实际行驶工况中变速器润滑油液面的纵向坡度为α+α'，横向坡度为β+β'。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：从飞溅润滑原理出发，既考虑到了坡道、加速等复杂行驶工况因素，又严格遵从计算流体动力学(CFD)物理模型和产品结构，这样在变速器设计阶段就可对变速器的润滑性能及液压系统的吸空问题进行快速、高效及可靠的评估考核，同时可初步确定名义加油量并指导加油口的定位和设计，减少润滑试验资源，降低变速器开发成本及缩短开发周期。

附图说明

图1为本发明一种基于CFD的汽车变速器润滑油液位仿真方法的流程图。

图2、图3、图4为汽车实际行驶工况图。

图5为汽车实际行驶工况转化后的map表及其仿真分析数据。

图6为变速器总成的几何装配模型的示意图。

图示说明：10-变速器总成，20-壳体，30-内部部件，31-吸滤器。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步地说明。

如图1所示为本发明一种基于CFD的汽车变速器润滑油液位仿真方法的流程图，该仿真方法具体包括以下步骤：

S1、如图6所示，在整车坐标系下建立变速器总成10的几何装配模型：首先，建立变速器总成10中各部件的三维几何模型，并根据装配图纸将包括壳体20及其内部的齿轮对、轴、轴承、同步器、换挡机构等内部部件30在内的零部件进行装配；然后，根据不同的分析方法和需求，进行相应的几何简化。

S2、对上述步骤中的几何装配模型进行前处理：1)严格按照拓扑几何要求，对变速器总成进行几何清理，删除重复面、破碎面，修补交错边、自由边，使各部件进行拓扑封闭并保证曲面的外法线方向朝向流体同一侧；2)根据不同的分析方法对几何的需求，对各封闭部件间的位置关系进行处理：如对于包括有限体积法、有限差分法、有限元法等在内的网格法，各部件间不能发生干涉，且必须有一定的间隙以保证流体拓扑性；而对于包括光滑粒子流体动力学法、半隐式运动粒子法、格子玻尔兹曼法等在内的非网格法，维持各部件间的装配关系即可；3)制定网格划分策略以匹配相应的分析方法：如对于网格法，先基于拓扑几何划分面网格，再基于面网格生成计算流体动力学体网格；而对于无网格法，只需对几何三角剖分即可。

S3、将汽车实际行驶工况转化为等效的横向坡度和纵向坡度，作为下一步骤中的边界条件。其中，将汽车实际行驶工况转化为等效的横向坡度和纵向坡度的计算方法具体如下：

(1)将变速器实际路面工况分解为纵向坡度α和横向坡度β，并将其分别对应等效为纵向加速度a和横向加速度a'，再与重力加速度g形成合体积力矢量，即可得到润滑油自由液面矢量，具体可按如下公式计算：

(2)在汽车实际行驶的纵向坡度和横向坡度分别为θ和θ'的坡道上，由纵向加速度a和横向加速度a'导致的变速器润滑油液面的附加纵向坡度α'和横向坡度β'可按如下公式计算：

(3)由步骤(1)和(2)计算得到汽车实际行驶工况中变速器润滑油液面的纵向坡度为α+α'，横向坡度为β+β'。

(4)根据汽车实际行驶工况及法规要求，坡度通常要求不超过45°，故取横向加速度和纵向加速度与重力加速度的比值，制定成如图5所示的汽车实际行驶工况转化后的map表，作为下一步骤中计算的边界条件。当然，上述汽车实际行驶工况转化后的map表并不仅限这些工况，可根据实际工况以及转化公式进行补充和修改。

S4、基于计算流体动力学网格，建立变速器润滑系统的计算流体动力学模型，设置三维多相流模型、界面捕捉VOF模型、表面张力模型、湍流模型、壁面函数等，并根据汽车实际行驶工况转化后的map表设置合体积力矢量，以及根据飞溅润滑原理、变速器润滑系统布局、水平匀速路面工况或者静置工况确定预设初始润滑油液位及相应的加油量。

S5、对变速器润滑系统的计算流体动力学模型进行求解计算，并处理其计算结果。

S6、根据上述计算结果进行后处理，得到第一组分析数据，包括统计各实际行驶工况下润滑油液位分布情况，统计各旋转部件与润滑油液位的位置关系，统计液压系统吸滤器31入口的浸入深度以及综合评估变速器的润滑性能和液压系统的吸空风险。

S7、改变加油量n次，并重复n次步骤S4～S6，得到与n次加油量一一对应的n组分析数据。

S8、在n+1组分析数据中将满足预设评价标准的最少加油量作为名义加油量，其中预设评价标准即为各实际行驶工况下润滑油液位分布情况，各旋转部件与润滑油液位的位置关系，液压系统吸滤器31入口的浸入深度以及变速器的润滑性能和液压系统的吸空风险。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种基于CFD的汽车变速器润滑油液位仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立变速器总成的几何装配模型；

S2、对几何装配模型进行前处理，包括进行几何清理，建立严格的拓扑结构，制定相应的网格划分策略并生成高质量的计算流体动力学网格；

S3、将汽车实际行驶工况转化为等效的横向坡度和纵向坡度，作为下一步骤中的边界条件；

S4、建立变速器润滑系统的计算流体动力学模型，并设置其物理模型、边界条件和初始加油量；

S5、对变速器润滑系统的计算流体动力学模型进行求解计算，并处理其计算结果；

S6、根据计算结果进行后处理，得到第一组分析数据，包括统计各实际行驶工况下润滑油液位分布情况，统计各旋转部件与润滑油液位的位置关系，统计液压系统吸滤器入口的浸入深度以及综合评估变速器的润滑性能和液压系统的吸空风险；

S7、改变加油量n次，并重复n次步骤S4～S6，得到与n次加油量一一对应的n组分析数据；

S8、在n+1组分析数据中将满足预设评价标准的最少加油量作为名义加油量。

2.根据权利要求1所述的基于CFD的汽车变速器润滑油液位仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中将汽车实际行驶工况转化为等效的横向坡度和纵向坡度的计算方法如下：

(1)将变速器实际路面工况分解为纵向坡度α和横向坡度β，并将其分别对应等效为纵向加速度a和横向加速度a'，再与重力加速度g形成合体积力矢量，即可得到润滑油自由液面矢量，具体可按如下公式计算：

(2)在汽车实际行驶的纵向坡度和横向坡度分别为θ和θ'的坡道上，由纵向加速度a和横向加速度a'导致的变速器润滑油液面的附加纵向坡度α'和横向坡度β'可按如下公式计算：

(3)由步骤(1)和(2)计算得到汽车实际行驶工况中变速器润滑油液面的纵向坡度为α+α'，横向坡度为β+β'。

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