日本无码免费高清在线|成人日本在线观看高清|A级片免费视频操逼欧美|全裸美女搞黄色大片网站|免费成人a片视频|久久无码福利成人激情久久|国产视频一二国产在线v|av女主播在线观看|五月激情影音先锋|亚洲一区天堂av

  • 手機站
  • 小程序

    汽車測試網(wǎng)

  • 公眾號

    • 汽車測試網(wǎng)

    • 在線課堂

    • 電車測試

基于移動粒子半隱式法的齒輪攪油損失分析與試驗驗證

2020-07-21 22:59:33·  來源：同濟智能汽車研究所  
　
編者按：本文提出將移動粒子半隱式法應用于齒輪攪油損失分析，以單齒斜齒輪為對象分析在不同浸油深度、齒輪轉(zhuǎn)速和齒輪寬度條件下的攪油損失情況，并進行試驗與仿
編者按：本文提出將移動粒子半隱式法應用于齒輪攪油損失分析，以單齒斜齒輪為對象分析在不同浸油深度、齒輪轉(zhuǎn)速和齒輪寬度條件下的攪油損失情況，并進行試驗與仿真驗證了移動粒子半隱式法在計算攪油損失方面的可行性和準確性。
 
文章來源：
同濟大學學報(自然科學版)
 
作者：
李晏,皮彪,王葉楓,劉林晶,陳辛波
原文鏈接：
http://d.wanfangdata.com.cn/periodical/tjdxxb201803013   
 
摘要：將移動粒子半隱式法應用于齒輪攪油損失分析，以研究齒輪傳動中攪油損失的內(nèi)在特性。以單齒斜齒輪為對象分析其在不同浸油深度、齒輪轉(zhuǎn)速和齒輪寬度條件下的攪油損失情況。分析結(jié)果表明，齒輪轉(zhuǎn)速對攪油損失的影響最大；浸油深度對攪油損失的影響也較為顯著；齒輪寬度對攪油損失的影響則不太明顯。根據(jù)仿真分析結(jié)果建立了單齒斜齒輪攪油損失數(shù)學模型。搭建試驗臺架，通過試驗與仿真數(shù)據(jù)的比較，驗證了移動粒子半隱式法在計算攪油損失方面的可行性和準確性，從而為齒輪傳動攪油損失的進一步研究提供了一種新方法。
 
關鍵詞：齒輪傳動；斜齒輪；攪油損失；移動粒子半隱式法
 
1前言
齒輪在機械行業(yè)中具有廣泛的應用。在汽車傳動系統(tǒng)中齒輪傳動是主要組成部分。齒輪傳動功耗可分為有載功耗和無載功耗。汽車在行駛過程中，主要處在高速低載的工況下，其功率損耗主要為以攪油損失為代表的無載損耗。因此研究齒輪攪油損失的內(nèi)在特性對提高齒輪傳動效率具有重要意義。
齒輪攪油損失與齒輪轉(zhuǎn)速、浸油深度、潤滑油運動黏度、工作溫度等影響因素關系復雜，難以直接用理論分析確定，因此國內(nèi)外對攪油損失的理論研究較少，大多數(shù)采用經(jīng)驗公式，用試驗方法確定。Valeriy等[1]對齒輪傳動無載荷功耗的經(jīng)典文獻進行了綜述，整理了近半個世紀以來學者對攪油損失的計算公式，為后人進一步研究提供了參考。Attila等[2]研究表明，齒輪攪油功率損失主要包括驅(qū)動潤滑油功率損失、飛濺功率損失以及攪油件功率損失，并分別給出了上述3種功率損失的計算公式。Chen等[3]通過試驗發(fā)現(xiàn)，除了眾所周知的因素外，齒輪和齒輪箱內(nèi)壁的相對位置以及內(nèi)壁形狀都對攪油損失具有一定影響，分析過程中應該予以考慮。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬分析也被應用在攪油損失之中，Liu等[4-5]均運用有限體積法建立了三維有限體積CFD(computationalfluid dynamic)模型來分析潤滑油分布和攪油損失，并通過試驗進行了驗證。Gauthier等[6]中作者認為攪油損失與潤滑油中的空氣含量有關，并強調(diào)只通過密度和黏度來估算攪油損失是片面的，還應考慮其他因素。王飛[7]對齒輪攪油損失進行了理論研究與仿真分析，建立攪油損失的動態(tài)模型，用試驗數(shù)據(jù)進行驗證，并使之運用到了汽車輪邊減速器上?；魰詮姷萚8]通過試驗分別研究了油溫、轉(zhuǎn)速和浸油深度對攪油損失的影響，并指出油溫變化對攪油功率損失影響不大，轉(zhuǎn)速對功率損失的影響最大。梁文宏等[9]應用有限元流體力學軟件Fluent對多組不同參數(shù)斜齒輪的三維攪油流場和攪油功率損失進行了數(shù)值仿真，并通過試驗驗證和比對證明了中低轉(zhuǎn)速條件下可以使用仿真的方法預估攪油功率損失的數(shù)值。
 
以上文獻得出的結(jié)果大多停留在經(jīng)驗公式層面，且相關公式的應用需要滿足特定工況，具有較大局限性。而采用以網(wǎng)格為基礎的有限元流體分析方法進行攪油損失分析不僅效率低下而且精度不高，效果不太理想。因此有必要采用其他方法對攪油損失進行研究。本文創(chuàng)新性地將移動粒子半隱式法運用到攪油損失研究當中，針對單齒攪油模型進行了齒輪攪油損失仿真，并通過試驗驗證了仿真結(jié)果的準確性，從而為攪油損失研究提供了一種有效的新途徑。
 
2 斜齒輪攪油損失理論分析
齒輪攪油的主運動為齒輪在潤滑油液中的旋轉(zhuǎn)運動。對于斜齒輪攪油模型，油液的流動為斜齒輪端面和法面上的復合流動。為了建立齒輪攪油時潤滑油液的流體力學動量方程和連續(xù)性方程，建立沿斜齒輪轉(zhuǎn)角Θ、半徑r和齒寬b方向的斜圓柱坐標系
 
圖1中O為齒輪分度圓圓心；A1，A2為齒底圓與油液液面的交點；B為齒輪浸油最低點；h為浸油深度。
令油液沿坐標軸3個方向的流動速度分別為u，v，w，并以斜齒輪端面為基準，在考慮重力的情況下，利用納維斯托克斯方程和邊界層方程建立油液流動的流體力學動量方程和連續(xù)性方程為
 
式中：h為浸油深度，m；µ為潤滑油動力黏度，kg·(m·S2)-1；ρ為潤滑油密度，kg·m-3；Rp為斜齒輪端面基圓半徑，m；g為重力加速度，m·s-2。
流動邊界條件為：壁面處；無窮遠處。
 
 
齒輪攪油功耗的主要影響因素包括齒輪參數(shù)、潤滑油參數(shù)及運行工況參數(shù)3部分，其中齒輪參數(shù)包含齒輪齒數(shù)z、模數(shù)mn、齒寬b和螺旋角β；潤滑油參數(shù)包含潤滑油運動黏度υ和潤滑油密度ρ；運行工況參數(shù)包含齒輪轉(zhuǎn)速ω、齒輪浸油深度h和當?shù)刂亓铀俣萭。引人雷諾數(shù)Re和弗勞德數(shù)Fr，用齒輪節(jié)圓半徑R替代z和mn的影響，則攪油損失Pchum可表達成上述參數(shù)的函數(shù)
 
根據(jù)量綱分析π定理，選取R，ω，ρ為基本量綱。根據(jù)Seetharaman等[10]的分析，在諸多攪油損失影響因素中，較為顯著的3個因素為：齒輪浸油深度、齒輪轉(zhuǎn)動角速度和齒寬。故選取h，ω，b作為影響因素，并將其量綱歸一化后得到齒輪輪攪油損失表達式如式(3)所示。
 
式中：Cm、A、B、C、D為待確定系數(shù)。為計算方便，公式中單位均采用國際單位制。

3 移動粒子半隱式法
3.1 基本原理
MPS(moving particle semi-implicit method)即移動粒子半隱式流體分析方法，是由東京大學Koshizuka等學者于20世紀90年代提出的求解不可壓縮流體的無網(wǎng)格數(shù)值解法。使用該方法進行流體計算不需生成有限元網(wǎng)格，因而可以方便地模擬各類復雜流場。該方法以拉格朗日方法為基礎，廣泛適用于不可壓縮流體的流動計算。該方法的基本原理是將流體計算區(qū)域視為由一群粒子構(gòu)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。由于粒子的物理場之間存在相對耦合關系，因此可根據(jù)各粒子上一時刻的流動信息對下一時刻進行預測和修正，隨著時間步的推進，即可獲得整個流場的動態(tài)流動信息[11]。

3.2 控制方程及粒子作用模型
由于MPS以拉格朗日方法為基礎，故給出拉格朗日形式下的流體運動質(zhì)量和動量守恒方程
質(zhì)量守恒方程
 
動量守恒方程
 
式中：u為流體速度矢量；ρ為流體密度；p為壓力；µ為流體動力黏性系數(shù)；f為作用在流體單位質(zhì)量上的外力矢量。方程左端均以拉格朗日時間微分形式表達，對流項包含在其中。
    在MPS中，粒子通過核函數(shù)與周圍粒子發(fā)生作用，這里給出Shakibaeinia等[12]建立的核函數(shù)
 
式中：rp是粒子之間的距離；re稱為粒子作用半徑。從式(6)中可以看出，當時，粒子之間無相互作用，即粒子僅與位于其粒子作用半徑re范圍內(nèi)的粒子發(fā)生相互作用，故核函數(shù)具有緊支集特性。
根據(jù)核函數(shù)，可得到粒子數(shù)密度模型、梯度矢量模型和拉普拉斯模型分別如下：
 
 
式(7)～(9)中：d為求解問題的空間維數(shù)；n0為粒子數(shù)密度常數(shù)；ψ為粒子物理參數(shù)標量值；λ為修正因子。上述各模型的粒子作用半徑re并不要求一致。
3.3 算法和邊界條件
MPS方法采用半隱式時間推進算法。在每個時層內(nèi)，首先顯式計算動量方程中的黏性項及源項，得到粒子速度及位置的估算值，然后隱式求解連續(xù)方程獲得粒子速度及位置的修正值，最終得到粒子在下一時層的速度及位置。通過對各個粒子在各時層運動規(guī)律的追蹤，獲得整個流場的流動信息。
與傳統(tǒng)數(shù)值方法相比，MPS方法對邊界條件的處理要容易許多。
使用MPS方法可以很容易判定自由表面。由于在自由表面的外部區(qū)域沒有粒子存在，因此自由表面上粒子的粒子數(shù)密度較小。計算中凡滿足
 
條件的粒子即可認為是自由表面粒子，其中β為一個小于1的常數(shù)。
對于固體壁面則可以很簡便地以固定粒子表示，這些固定粒子速度總為0。為使流體粒子不進入固壁區(qū)域，固壁粒子中靠近流體的第一層粒子需與流體粒子一起參與壓力計算，固壁粒子的層數(shù)則必須滿足計算粒子團密度所需的層數(shù)[12]。
4 斜齒輪攪油損失MPS分析
4.1 參數(shù)設置
如前所述，選取潤滑油浸油深度、齒輪轉(zhuǎn)速和齒輪齒寬3個變量作為斜齒輪單齒攪油損失的主要影響因素。在實際齒輪傳動系統(tǒng)中，攪動潤滑油產(chǎn)生飛濺潤滑效果的齒輪主要是輸出軸大齒輪，考慮實際汽車行駛工況，選定其轉(zhuǎn)速分別為500、750和1000r·min-1，對應輪胎型號為205／55R16，車輪直徑為631.9mm，相應車速分別為60、90和120 km·h-1，涵蓋了汽車日常使用中常見的中低速、中高速和高速不同工況，浸油深度和齒輪寬度對應地取3個常用值，如表1所示。所選齒輪相關參數(shù)如表2所示。
表 1 影響因素參數(shù)
 
表2 斜齒輪參數(shù)
 
潤滑油選用85W／90的車用變速箱齒輪油，通過查詢相關手冊可知，潤滑油密度；40℃時，運動黏度；100℃時，運動黏度。為便于與后文試驗對照，取12℃的運動黏度。
 
 
 
 
 
4.2 分析結(jié)果
選用L9(34)正交表，運用MPS方法分析后得到各狀態(tài)的攪油損失情況如表3所示。
表 3 各狀態(tài)攪油損失
 
由表3可得出浸油深度、齒輪轉(zhuǎn)速、齒輪齒寬分別對攪油損失的影響如表4所示。各影響因素單獨作用下的潤滑油飛濺狀態(tài)如圖2所示。
表 4 各因素對攪油損失的影晌
從表4可得到：齒輪轉(zhuǎn)速對攪油損失的影響最大；浸油深度對攪油損失的影響也較為顯著；齒輪寬度對攪油損失的影響則不太明顯。圖2a為不同浸油深度下潤滑油飛濺情況，從圖中可以看出，隨著浸油深度的增加，潤滑油飛濺更加劇烈；圖2b為不同齒輪轉(zhuǎn)速下潤滑油飛濺情況，潤滑油飛濺趨勢與圖2a相似；圖2c為不同齒輪寬度下潤滑油飛濺情況，從圖中可知不同齒寬下的潤滑油飛濺情況對比不太明顯。由此可說明表4與圖2的結(jié)論相互吻合。
 
4.3 公式擬合
如前所述，將式(3)中的第1式兩邊取對數(shù)可得
 
a不同浸油深度下潤滑油飛濺情況
 
b不同齒輪轉(zhuǎn)速下潤滑油飛濺情況
 
c不同齒輪齒寬下潤滑油飛濺情況
圖2 各影響因素單獨作用下潤滑油飛濺狀態(tài)
將表3數(shù)據(jù)代入式(11)后，可得
 
對式(12)進行最小二乘法求解可得單齒輪攪油損失擬合公式
 
式中相關數(shù)據(jù)在求解前均已轉(zhuǎn)換為國際單位制。
5 試驗驗證與誤差分析
如圖3所示斜齒輪單齒攪油試驗臺由伺服電機、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器和單級齒輪箱組成。測試控制系統(tǒng)以D2P快速原型開發(fā)平臺Motohawk為核心，上位機PC通過LABVIEW發(fā)送報文給Motohawk，Motohawk將報文處理后發(fā)送給伺服電機驅(qū)動器，驅(qū)動器控制電機運行，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器將檢測到的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號再經(jīng)Motohawk發(fā)送給上位機PC處理，LABVIEW將接收到的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號轉(zhuǎn)化為攪油損失實時顯示和記錄。試驗臺架如圖4所示。
 
圖3 斜齒輪單齒攪油試驗方案
 
圖4 斜齒輪單齒攪油試驗臺架
齒輪參數(shù)、潤滑油黏度以及各影響因素均與前文MPS分析時保持一致。為消除隨機誤差對試驗的影響，每組試驗重復3次取平均值。
如前所述，選用如表3所示的正交表進行正交試驗，得到各組的攪油損失與MPS分析結(jié)果對比如圖5所示。
 
圖5 試驗與仿真結(jié)果對比
從圖5可知試驗與仿真結(jié)果吻合得較好，平均誤差控制在10％以內(nèi)，部分組別誤差甚至達到1％以下。試驗與仿真誤差主要體現(xiàn)在以下方面：首先，試驗中齒輪的轉(zhuǎn)速波動、浸油深度的測量誤差、齒寬的加工誤差以及傳感器的測量精度都會對攪油損失采集造成影響；其次，仿真分析中溫度設定為恒定值，試驗時由于試驗環(huán)境的溫度變化以及攪油過程中油液溫度的變化也會對攪油損失造成影響。從試驗與仿真的結(jié)果對比可以證明，MPS分析在齒輪攪油損失應用方面具有較好的可行性和準確性，為齒輪攪油損失進一步研究提供了一種有效的新方法。
6 結(jié)論
本文針對電動汽車傳動系統(tǒng)無載功耗特性，通過對斜齒輪單齒攪油損失的理論分析、仿真和試驗研究，得出以下結(jié)論：
(1)以浸油深度、齒輪轉(zhuǎn)速和齒輪齒寬為變量建立了斜齒輪單齒攪油損失數(shù)學模型。
(2)運用移動粒子半隱式法(MPS)對齒輪攪油損失進行正交仿真分析，發(fā)現(xiàn)齒輪轉(zhuǎn)速對攪油損失的影響最大；浸油深度對攪油損失的影響也較為顯著；齒輪寬度對攪油損失的影響則不太明顯。
(3)根據(jù)MPS分析結(jié)果，建立了斜齒輪單齒攪油損失計算公式。
(4)進行斜齒輪單齒攪油對照試驗，發(fā)現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)吻合得較好。證明了MPS分析在攪油損失應用方面的可行性和準確性，為齒輪攪油損失進一步研究提供了一種有效的新方法。
 
 
 
 
 
 
 
 
聯(lián)系人：唐老師  
電話：021-69589116
郵箱：20666028@#edu.cn
 
 
分享到：
 
反對 0 舉報 0 收藏 0 評論 0
滬ICP備11026917號-25