CN112651184A - 一种轴承喷油润滑设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种轴承喷油润滑设计方法，包括设定液压系统的相关参数；建立供油管道模型，获取供油管道的相关参数；建立轴承和与其对应的喷油孔口之间的局部区域的CFD分析模型，通过CFD仿真和计算获得轴承的最低喷孔流速v1；对所有轴承和与其对应的喷油孔口执行上述建模步骤；设定多组主流量和油温数据，对供油管道进行CFD仿真，获得第一数据；对第一数据进行判定：若不符合设计要求，则重复执行步骤S2至步骤S5，直至符合设计要求；作出油温‑主流量‑主油压曲线图，在油温‑主流量‑主油压曲线图上读出轴承的可被润滑区间。
Description
技术领域
本发明涉及轴承润滑设计领域，尤其涉及一种轴承喷油润滑设计方法。
背景技术
轴承是旋转机械的关键零部件之一，一台机械设备的性能能否充分发挥与轴承的润滑是否适当密切相关，润滑是保证轴承正常运转的必要条件，对提高轴承的承载能力和使用寿命起着重要的作用。尤其在高速、高压情况下，将润滑油送入到轴承的相对运动区域而使其形成一层润滑油膜，可以有效分离相对运动区域以减少摩擦和磨损。
目前在轴承的压力润滑设计时，通常只计算设计的工作温度与额定流量下供油管道对轴承的喷油量，并没有评估喷油孔与轴承的相对位置对轴承实际进油量的影响，也没有考虑非设计油温下轴承的润滑情况，因而容易出现设计工况下轴承润滑满足要求，但偏离设计工况后，轴承润滑流量较少甚至根本没有得到润滑的情况。
而目前判断轴承润滑是否满足要求，最常用的方式是通过使用透明壳体模型实验来观察轴承的润滑情况，这种实验方法可以直观观察轴承是否有油润滑，但是也有其局限性：一是实验不能覆盖较大的温度范围，如极低环境下壳体内起雾导致观察困难，高温环境下容易出现壳体漏油；二是不能覆盖较大的转速变化范围，由于透明壳体的强度限制，无法进行高转速下的实验；三是发现轴承存在润滑不良状况后，不能直接给出改善轴承润滑的关键参数。所以目前在设计轴承喷油润滑时很难对润滑的实际情况有全面的认识，也难以提出改善的方案，只能根据实验情况修改设计并重新进行实验验证，大大延长了润滑系统的开发时间。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可用于混合动力汽车的机电耦合系统和电机轴承的压力供油润滑设计的轴承喷油润滑设计方法。
本发明提供的轴承喷油润滑设计方法包括包括以下步骤：
S1:设定液压系统的最大主油压Pmax、油温范围和润滑用油的油品；
S2：建立供油管道模型，获取供油支管的喷油孔口到其对应轴承的最低点的相关距离参数；
S3：建立轴承和与其对应的喷油孔口之间区域的CFD分析模型，进行CFD仿真和计算，获得轴承能被其对应的喷油孔口喷出的润滑油润滑的最低喷孔流速v1。
S4:对所有轴承和与其对应的喷油孔口执行步骤S3，获得所有轴承所对应的喷油孔口的最低喷孔流速v1；
S5:设定多组主供油管道的主流量和油温数据组，根据所述多组主流量和油温数据组对供油管道模型进行CFD仿真，获得与所述多组主流量和油温数据组对应的多组第一数据；
S6：对步骤S5所得的所有第一数据分别进行判定，若任意轴承所对应的第一数据不符合设计要求，则对该轴承所对应的喷油孔口及供油支管重复执行步骤S2至步骤S5，直至其对应的喷油孔口的第一数据符合设计要求；
S7：根据步骤S6中的主流量和油温数据组、以及第一数据，作出油温-主流量-主油压曲线图，在油温-主流量-主油压曲线图上读出轴承的可被润滑区间。
进一步地，所述轴承喷油润滑设计方法还包括基于轴承的可被润滑区间和轴承推荐润滑范围{Qmin,Qmax}获取轴承的最佳润滑区间，所述轴承的最佳润滑区间的获取步骤如下：
通过换算公式将推荐润滑主流量范围{Qmin,Qmax}换算为推荐喷孔流速范围{vmin,vmax}；
在步骤S7中的油温-主流量-主油压曲线图上作出推荐喷孔流速范围{vmin,vmax}曲线并在油温-主流量-主油压曲线图上读出轴承的最佳润滑区间。
进一步地，所述换算公式为v＝Q/A，其中A为喷油孔口的面积。
进一步地，所述步骤S2中的建立供油管道模型包括建立供油主管模型、建立供油支管模型和建立供油支管的喷油孔口到其对应的轴承之间空间的模型。
进一步地，所述步骤S2中的相关距离参数包括喷油孔口到轴承最低点的水平距离S和垂直距离h。
进一步地，所述进行CFD仿真和计算，获得轴承能被其对应的喷油孔口喷出的润滑油润滑的最低喷孔流速v1的步骤如下：
根据所述相关距离参数和经验公式计算轴承能被其对应的喷油孔口喷出的润滑油润滑的最低流速v0；
根据得到的最低流速v0和建立的CFD分析模型对供油管道模型进行CFD计算和CFD仿真，修正最低流速v0，获得轴承能被其对应的喷油孔口喷出的润滑油润滑的最低喷孔流速v1；
进一步地，所述经验公式为v0＝S/(2h/g)^0.5,其中g为重力加速度。
进一步地，所述步骤S5中的第一数据包括主油压P和轴承对应的喷孔流速v。
进一步地，所述步骤S6中的设计要求为：在最低工作温度下，喷孔流速v和主油压P均满足v>v1且P<Pmax。
进一步地，所述根据主流量和油温数据组、以及第一数据，作出油温-主流量-主油压曲线图的步骤如下：
根据主流量和油温数据组、以及第一数据，作出油温-主流量-主油压曲线图上的多条主流量等量线；
通过CFD仿真和计算，获得所有轴承的最低喷孔流速v1所对应的临界线；
在油温-主流量-主油压曲线图上作出所有轴承的最低喷孔流速v1所对应的临界线；
根据设定的最大主油压Pmax，在油温-主流量-主油压曲线图上作出最大主油压Pmax曲线。
本发明通过预先设定液压系统的相关参数，建立供油管道模型，然后通过CFD仿真和计算的相结合的方法，快速判断轴承在不同工作油温下是否符合设计要求。本发明还包括对于轴承的可被润滑区间的获取，通过作出油温-主流量-主油压曲线图，根据设定的条件在其上读出轴承的可被润滑区间。本发明还包括对于获取轴承的最佳润滑区间的获取，通过将轴承的可被润滑区间和轴承厂商提供的相关数据换算，得出轴承的最佳润滑区间。本发明为轴承的压力供油润滑设计方案提供快速而全面的评估方法，有利于及时发现设计中存在的问题并及时改正，大大降低了润滑系统的开发时间和开发成本。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明提供的轴承喷油润滑设计方法的主流程示意图。
图2为本发明提供的设计方法中轴承最低点到其对应的喷油孔口的相对位置示意图。
图3为本发明提供的设计方法中涉及的油温-主流量-主油压曲线图示意图。
图4为油温-主流量-主油压曲线图上增加了临界线的示意图。
图5为油温-主流量-主油压曲线图上增加了临界线和最大主油压曲线的示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明详细说明如下。
请参阅图1，本发明的轴承喷油润滑设计方法可用于混合动力汽车的机电耦合系统和电机轴承的压力供油润滑设计，该方法包括以下步骤：
S1:设定液压系统的最大主油压Pmax、油温范围和润滑用油的油品；
具体地，为了保护液压系统的密封件，需要设定液压系统的最大主油压Pmax，在设定液压系统的最大主油压Pmax时，不能将液压系统的最大主油压Pmax设定过低，若设定过低，则会导致在工作温度较低时，即使输入到供油主管的油压达到最大主油压Pmax，喷油孔口流速仍然不足，润滑油无法喷到轴承位置而导致轴承无法被润滑。在本实施例中，Pmax设定为泄压阀的开启临界值3.8bar，由于本实施例的系统中无单向阀，故不需要对Pmin进行设定，默认为零。
设定油温范围时需要参考设备的工作环境温度范围，在设定设备的工作环境温度范围时，需要设定工作环境温度的下限，因为设备的工作环境温度范围的下限对液压系统流量影响最为严重，在低温下，润滑用油的粘度会急剧上升，在供油压力一定的情况下，供油管道内的流量会急剧下降。在本实施例中，油温范围为-30℃至100℃。
设定润滑用油的油品需要考虑油的密度、粘度和表面张力，上述三个润滑用油的参数在步骤S3和步骤S5进行CFD分析时作为输入条件。由于油的粘度受油温影响很大，因而在CFD计算中，油温变化引起粘度变化而导致CFD计算的主油压和各轴承喷孔流速v也会发生相应变化，在选取润滑用油时，油品的低温粘度越低、表面张力越小，对轴承的润滑越有利。
S2：建立供油管道模型，获取供油支管的喷油孔口到其对应轴承的最低点的相关距离参数；
具体地，步骤S2包括：建立供油管道模型；以及根据建立的供油管道模型获取供油支管的喷油孔口到其对应轴承的最低点的相关距离参数。
请一并参阅图2，建立供油管道模型包括建立供油主管模型、建立供油支管模型和建立供油支管的喷油孔口到其对应的轴承之间区域的空间模型，而需要获取的相关距离参数包括喷油孔口到轴承最低点的水平距离S和垂直距离h，在本实施例中，需要建模的供油支管包括驱动电机前轴承、驱动电机后轴承、中间轴后轴承和中间轴前轴承所分别对应的供油支管。
建立供油主管模型需要确定供油主管的主流量范围，建立供油支管的模型需要确定供油支管的流量范围。由于供油支管的喷油孔口直径决定了其所对应的轴承的最低润滑流量，而所有供油支管的流量之和即为供油主管的流量，因此在建立供油管道模型时，一旦设定了所有供油支管的喷油孔口的直径D，也就设定了该供油支管的流量范围以及供油主管的主流量范围。
S3：建立轴承和与其对应的喷油孔口之间区域的CFD分析模型，进行CFD仿真和计算，获得轴承能被其对应的喷油孔口喷出的润滑油润滑的最低喷孔流速v1；
进一步地，CFD仿真和计算的步骤如下：
根据所述相关距离参数和经验公式计算轴承能被其对应的喷油孔口喷出的润滑油润滑的最低流速v0；
根据最低流速v0和CFD分析模型对供油管道模型进行CFD计算和CFD仿真，修正最低流速v0，获得轴承能被其对应的喷油孔口喷出的润滑油润滑的最低喷孔流速v1；
具体地，在进行CFD计算前，需要通过预估矫正法获取一个预估的最低流速v0来提升获取真实的最低喷孔流速v1的效率。
由于CFD仿真本身较为耗时，如果没有较为接近真实值的预估值，则只能通过在较大数据范围内反复猜测多次设计来缩小真实值的范围，此过程中可能需要多次调整。但通过经验公式计算得到最低流速v0这个初值后，在获取最低喷孔流速v1时所需的CFD仿真和CFD计算次数就会减少许多，大大提升了工作效率。
根据经验公式v0＝S/(2h/g)^0.5，喷油孔口到轴承最低点的相对位置关系决定了轴承能被其对应的喷油孔口润滑的最低流速v0，在本实施例中，图2所示的轴承最低点到其对应的喷油孔口的水平距离S为30mm，垂直距离h为10mm，则可计算出该轴承能被其对应的喷油孔口润滑的最低流速v0为0.66m/s。
根据经验公式所得的v0为0.66m/s，通过CFD仿真，通过调整喷孔的流速使油柱刚好喷入轴承内，在考虑空气阻力、表面张力影响的条件下通过CFD计算对喷孔的流速进行修正，仿真修正得到轴承能被其对应的喷油孔口润滑的最低喷孔流速v1为0.78m/s，即当该喷油孔口的流速低于0.78m/s时，其对应的轴承无法被正常润滑。
S4:对所有轴承和与其对应的喷油孔口执行步骤S3，获得所有轴承所对应的喷油孔口的最低喷孔流速v1；
具体地，在本实施例中，轴承包括驱动电机前轴承、驱动电机后轴承、中间轴后轴承和中间轴前轴承，这些轴承都需要被执行步骤S3。
S5:设定多组主供油管道的主流量和油温数据组，根据所述多组主流量和油温数据组对供油管道模型进行CFD仿真，获得所述多组主流量和油温数据组对应的多组第一数据；
主流量数据的范围来源于对设备冷却润滑总需求油量的评估，本实施例中的主流量范围设定为1L/min至12/min，油温数据则根据步骤S1中设定为-30℃至100℃。数据组间隔的选取是为了以一定作图精度作出油温-主流量-主油压曲线图，本实施例中的油温数据获取间隔为5℃，主流量数据获取间隔为1L/min。
请一并参阅图3，具体地，通过CFD仿真，由多组主流量和油温数据得到与主流量和油温对应的多组第一数据，第一数据包括主油压P和轴承对应的喷孔流速v。
S6：对步骤S5所得的所有第一数据分别进行判定，若任意轴承所对应的第一数据不符合设计要求，则对该轴承所对应的喷油孔口及供油支管重复执行步骤S2至步骤S5，直至其对应的喷油孔口的第一数据符合设计要求；
具体地，设计要求为：在最低工作温度下，喷孔流速v和主油压P满足v>v1且P<Pmax。
S7：根据步骤S6中的主流量和油温数据组、以及多组第一数据，作出油温-主流量-主油压曲线图，在油温-主流量-主油压曲线图上读出轴承的可被润滑区间；
进一步地，步骤S7中的作出油温-主流量-主油压曲线图的步骤如下：
根据步骤S6中的主流量和油温数据组、以及多组第一数据，作出油温-主流量-主油压曲线图上的多条主流量等量线；
通过CFD仿真和计算，获得所有轴承的最低喷孔流速v1所对应的临界线；
在油温-主流量-主油压曲线图上作出所有轴承的最低喷孔流速v1所对应的临界线；
根据步骤S1中设定的最大主油压Pmax，在油温-主流量-主油压曲线图上作出最大主油压Pmax曲线。
请一并参阅图4，具体地，油温-主流量-主油压曲线图包括多根主流量等量线，在通过传感器获得主油压和油温后，能够以查阅图4上的主流量等量线的方式获得供油主管内的主流量。
请一并参阅图5，所有轴承的最低喷孔流速v1所对应的临界线本质上也是主流量的等量线，在本实施例中，中间轴前轴承所对应的喷孔的最低喷孔流速v1为0.78m/s，在油温为0℃时候，由CFD计算可得当主流量为1.5L/min时候，该孔的喷孔流速v小于0.78m/s，当主流量为2L/min时候，该孔的喷孔流速v大于0.78m/s，理论上该孔的喷孔流速v等于0.78m/s时，供油主管的主流量会在1.5L/min与2L/min之间。但为了增加系统安全系数，取主流量为2L/min更保险，即把临界线定在2L/min的位置而不再进一步计算这个处在1.5L/min与2L/min之间的真实主流量临界值。
进一步地，以上述方法作出所有轴承的最低喷孔流速v1所对应的临界线，临界线即为对应轴承的润滑临界值曲线。在这些曲线左侧的喷孔流速v等量线的部分所代表的喷孔流速v低于轴承的最低喷孔流速v1，无法被润滑。
请一并参阅图5，具体地，最大主油压Pmax在步骤S1中已经被设定为3.8bar，当主油压超过该值时则泄压阀会自主开启，主油压会因此无法再升高。
具体地，从油温-主流量-主油压曲线图上的非阴影区域中即可以读出轴承的可被润滑区域。在本实施例中，在当前最大油压为3.8bar的前提下，该轴承润滑系统设计能满足油温-5℃以上的轴承润滑需求。
进一步地，本发明还包括基于轴承的可被润滑区间和轴承厂商提供的轴承推荐润滑范围{Qmin,Qmax}获取轴承的最佳润滑区间，所述轴承的最佳润滑区间的获取步骤如下：
通过换算公式将轴承厂商所提供的推荐润滑主流量范围{Qmin,Qmax}换算为推荐喷孔流速范围{vmin,vmax}；
具体地，换算公式为v＝Q/A，其中A为喷油孔口的面积，Q为流量。
以步骤S7中作出轴承的最低喷孔流速v1所对应的临界线的方式，在步骤S7中的油温-主流量-主油压曲线图上作出推荐喷孔流速范围{vmin,vmax}所对应的临界线；
在油温-主流量-主油压曲线图上读出轴承的最佳润滑区间。
综上所述，本发明通过预先设定液压系统的相关参数，建立供油管道模型，然后通过CFD仿真和计算的相结合的方法，快速判断轴承在不同工作油温下是否符合设计要求。本发明还包括对于轴承的可被润滑区间的获取，通过作出油温-主流量-主油压曲线图，根据设定的条件在其上读出轴承的可被润滑区间。本发明还包括对于获取轴承的最佳润滑区间的获取，通过将轴承的可被润滑区间和轴承厂商提供的相关数据换算，得出轴承的最佳润滑区间。本发明为轴承的压力供油润滑设计方案提供快速而全面的评估方法，有利于及时发现设计中存在的问题并及时改正，大大降低了润滑系统的开发时间和开发成本。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种轴承喷油润滑设计方法，其特征在于：所述轴承喷油润滑设计方法包括以下步骤：
S1:设定液压系统的最大主油压Pmax、油温范围和润滑用油的油品；
S2：建立供油管道模型，获取供油支管的喷油孔口到其对应轴承的最低点的相关距离参数；
S3：建立轴承和与其对应的喷油孔口之间区域的CFD分析模型，进行CFD仿真和计算，获得轴承能被其对应的喷油孔口喷出的润滑油润滑的最低喷孔流速v1。
S4:对所有轴承和与其对应的喷油孔口执行步骤S3，获得所有轴承所对应的喷油孔口的最低喷孔流速v1；
S5:设定多组主供油管道的主流量和油温数据组，根据所述多组主流量和油温数据组对供油管道模型进行CFD仿真，获得与所述多组主流量和油温数据组对应的多组第一数据；
S6：对步骤S5所得的所有第一数据分别进行判定，若任意轴承所对应的第一数据不符合设计要求，则对该轴承所对应的喷油孔口及供油支管重复执行步骤S2至步骤S5，直至其对应的喷油孔口的第一数据符合设计要求；
S7：根据步骤S6中的主流量和油温数据组、以及第一数据，作出油温-主流量-主油压曲线图，在油温-主流量-主油压曲线图上读出轴承的可被润滑区间。
2.根据权利要求1所述的轴承喷油润滑设计方法，其特征在于：所述轴承喷油润滑设计方法还包括基于轴承的可被润滑区间和轴承推荐润滑范围{Qmin,Qmax}获取轴承的最佳润滑区间，所述轴承的最佳润滑区间的获取步骤如下：
通过换算公式将推荐润滑主流量范围{Qmin,Qmax}换算为推荐喷孔流速范围{vmin,vmax}；
在步骤S7中的油温-主流量-主油压曲线图上作出推荐喷孔流速范围{vmin,vmax}曲线并在油温-主流量-主油压曲线图上读出轴承的最佳润滑区间。
3.根据权利要求2所述的轴承喷油润滑设计方法，其特征在于：所述换算公式为v＝Q/A，其中A为喷油孔口的面积。
4.根据权利要求1所述的轴承喷油润滑设计方法，其特征在于：所述步骤S2中的建立供油管道模型包括建立供油主管模型、建立供油支管模型和建立供油支管的喷油孔口到其对应的轴承之间空间的模型。
5.根据权利要求1所述的轴承喷油润滑设计方法，其特征在于：所述步骤S2中的相关距离参数包括喷油孔口到轴承最低点的水平距离S和垂直距离h。
6.根据权利要求1所述的轴承喷油润滑设计方法，其特征在于：所述进行CFD仿真和计算，获得轴承能被其对应的喷油孔口喷出的润滑油润滑的最低喷孔流速v1的步骤如下：
根据所述相关距离参数和经验公式计算轴承能被其对应的喷油孔口喷出的润滑油润滑的最低流速v0；
根据得到的最低流速v0和建立的CFD分析模型对供油管道模型进行CFD计算和CFD仿真，修正最低流速v0，获得轴承能被其对应的喷油孔口喷出的润滑油润滑的最低喷孔流速v1。
7.根据权利要求6所述的轴承喷油润滑设计方法，其特征在于：所述经验公式为v0＝S/(2h/g)^0.5,其中g为重力加速度。
8.根据权利要求1所述的轴承喷油润滑设计方法，其特征在于：所述步骤S5中的第一数据包括主油压P和轴承对应的喷孔流速v。
9.根据权利要求1所述的轴承喷油润滑设计方法，其特征在于：所述步骤S6中的设计要求为：在最低工作温度下，喷孔流速v和主油压P均满足v>v1且P<Pmax。
10.根据权利要求1所述的轴承喷油润滑设计方法，其特征在于：所述根据主流量和油温数据组、以及第一数据，作出油温-主流量-主油压曲线图的步骤如下：
根据主流量和油温数据组、以及第一数据，作出油温-主流量-主油压曲线图上的多条主流量等量线；
通过CFD仿真和计算，获得所有轴承的最低喷孔流速v1所对应的临界线；
在油温-主流量-主油压曲线图上作出所有轴承的最低喷孔流速v1所对应的临界线；
根据设定的最大主油压Pmax，在油温-主流量-主油压曲线图上作出最大主油压Pmax曲线。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117113885A (zh) * | 2023-10-21 | 2023-11-24 | 河南平和滤清器有限公司 | 一种基于cfd的电驱流量分配系统仿真方法 |
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| CN105718607A (zh) * | 2014-12-02 | 2016-06-29 | 广州汽车集团股份有限公司 | 一种基于k&c特性的悬架硬点优化方法 |
| CN110116223A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-08-13 | 青岛理工大学 | 电卡辅助内冷织构车刀及纳米流体微量润滑智能工作系统 |
-
2019
- 2019-10-10 CN CN201910960629.3A patent/CN112651184A/zh active Pending
Patent Citations (2)
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| CN117113885B (zh) * | 2023-10-21 | 2024-02-02 | 河南平和滤清器有限公司 | 一种基于cfd的电驱流量分配系统仿真方法 |
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