對更高效率、更低噪音和更長壽命的工業(yè)齒輪裝置的需求不斷增長。供應商被迫設(shè)計設(shè)備以降低運營成本和資本支出。

 

工業(yè)齒輪裝置的系統(tǒng)效率是通過評估功率損耗來估算的，功率損耗可分為負載相關(guān)損耗和空載相關(guān)損耗。傳遞扭矩時，齒輪和軸承會產(chǎn)生與負載相關(guān)的齒輪功率損耗，而空載損耗則是齒輪箱部件在潤滑劑中受到阻力的結(jié)果。 

 

 

 

對于任何變速箱設(shè)計者來說，減少所有損失，同時確保油在任何操作條件下到達關(guān)鍵位置都不是一個簡單的平衡。達索系統(tǒng)提供集成在統(tǒng)一體驗中的強大建模和仿真工具 (?MODSIM )，幫助設(shè)計人員應對這一挑戰(zhàn)。

 

齒輪箱潤滑設(shè)計的挑戰(zhàn)

對任何工業(yè)齒輪箱行為的理論預測解決起來都很復雜，因為流體力學問題與兩相流、其界面以及它們與任意數(shù)量的旋轉(zhuǎn)部件的相互作用有關(guān)。需要對不同的操作條件進行廣泛的實驗測量，但可能會導致經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式即使設(shè)計變化很小也顯示出很大的偏差。

 

物理測試可以提供準確的信息，以高成本實現(xiàn)最終的生產(chǎn)設(shè)計。然而，有時，由于錯誤的假設(shè)、實驗設(shè)計錯誤或僅僅因為無法衡量關(guān)鍵績效指標 (KPI)，他們無法生成適當?shù)臄?shù)據(jù)。

 

 

 

數(shù)值模擬可以減少物理測試的數(shù)量，為關(guān)鍵績效指標（如潤濕面積、攪拌損失或溫度分布）提供定量預測，而這些指標很難或不可能通過實驗測量。這可以縮短開發(fā)時間和成本，并降低設(shè)計變更成本更高的后期失敗風險。

 

齒輪箱的攪動損失

攪拌損失是一種復雜的現(xiàn)象，在考慮齒輪裝置的飛濺潤滑時會產(chǎn)生顯著的空載損失。在這種潤滑中，部件浸入油浴中，并通過旋轉(zhuǎn)將油“濺”入必要的室中。

 

攪拌損失的大小取決于油位、粘度和轉(zhuǎn)速。調(diào)整油位，使齒輪齒在工作條件下不會完全浸入油浴中。否則，會因油浴的攪動而導致過多的損失。另一方面，當通過使用不同的潤滑劑或升高溫度來降低潤滑劑的粘度時，攪拌損失會減少。然而，粘度必須保持足夠高，以將摩擦系數(shù)保持在安全范圍內(nèi)。最后，除了飛濺模式的明顯變化之外，適度的轉(zhuǎn)速會引起油曝氣，從而改變有效油粘度并增加流體體積，從而增加油位。

 

對于高速工業(yè)齒輪箱，僅使用飛濺潤滑會因所需的油位和轉(zhuǎn)速而導致極高的攪拌損失。因此，它們還包括通過指向接觸表面的噴嘴進行噴射潤滑。這是另一個設(shè)計挑戰(zhàn)，因為離心力會使油流偏轉(zhuǎn)。

 

 

風阻效應使油流偏轉(zhuǎn)。

 

濕潤區(qū)域和飛濺圖案

任何類型潤滑方法的一個常見 KPI 是所有操作條件下的油分布。需要這樣做的原因有很多：調(diào)整油浴液位、優(yōu)化噴嘴質(zhì)量流量和方向、分析熱對流等。

 

 

平均場的仿真可視化可幫助用戶在任何操作條件下進行齒輪箱分析。

 

即使對于中等轉(zhuǎn)速，由于高速油濺，油分布的實驗測量也需要高速相機和圖像后處理。數(shù)值模擬消除了實驗過程中相機位置固定的限制，提供了更大的分析靈活性。

 

齒輪箱油溫熱分析

齒輪箱的功率損耗主要轉(zhuǎn)化為熱量，因此使用適當?shù)睦鋮s系統(tǒng)至關(guān)重要。否則油溫會升高，失去其理想性能并導致系統(tǒng)故障。

 

為了在受控條件下獲得準確的數(shù)據(jù)，潤滑實驗測試通過油冷卻器系統(tǒng)使油保持恒溫。

 

使用類似的數(shù)值模擬方法，可以在流動以及固體旋轉(zhuǎn)和固定幾何形狀的恒定溫度假設(shè)下求解復雜的流場。一旦氣流在幾秒鐘內(nèi)收斂，就可以使用對流傳熱系數(shù) (HTC)來分析組件的加熱情況。

 

 

無需解決溫度的緩慢演變以及快速收斂流，從而實現(xiàn)快速、準確的熱分析。

 

齒輪箱潤滑的數(shù)值模擬

考慮到齒輪箱及其潤滑系統(tǒng)設(shè)計的復雜性，需要大量的設(shè)計迭代是可以理解的。物理測試需要投資并且只能提供有限的信息——計算機輔助工程（CAE）工具提供了降低運營成本和資本支出的可能性。

 

有許多模型和離散化方法。這些應用的主要方法是采用有限體積法 (FVM)或平滑粒子流體動力學 (SPH)離散化方法的納維-斯托克斯 (NS)方程，以及格子玻爾茲曼方程/方法 (LBM)。

由于可以根據(jù)幾何曲率調(diào)整離散化，納維-斯托克斯有限體積法 (FVM) 使用戶能夠準確捕獲流動分離。然而，計算域的拓撲變化或大的元件變形（例如流體在齒輪齒之間被擠壓）需要問題簡化和順序模擬。

 

平滑粒子流體動力學 (SPH) 特別適合交互式應用程序和具有大運動的瞬態(tài)應用程序。盡管它對于潤滑應用來說可能是一個不錯的選擇，但它僅限于以具有競爭力的計算成本和精度求解一個階段。

 

SIMULIA XFlow遵循 LBM 方法，該方法擅長跟蹤任意移動部件，并且由于計算域的自動笛卡爾離散化，預處理工作量較低。與 SPH 不同，LBM 可以在不損失性能或精度的情況下獲得多相解。使用 XFlow，可以模擬和可視化任何速度下空氣和油的行為，揭示因速度而無法用肉眼看到的影響。

 

結(jié)論

齒輪箱內(nèi)潤滑的精確分布對于確保高效性能和長期可靠性至關(guān)重要。油流具有復雜的行為，很難使用物理測試進行分析。統(tǒng)一建模和仿真 ( MODSIM ) 揭示了齒輪箱潤滑的特性，并允許工程師分析和優(yōu)化性能。

 

通過找到攪拌和安全操作之間的最佳粘度權(quán)衡，可以最大限度地減少損失。通過模擬快速計算的關(guān)鍵潤滑 KPI 可確保正確的油浴液位和噴嘴位置以及熱性能。SIMULIA XFlow 提供強大而準確的潤滑模擬工作流程。在格子玻爾茲曼方法的支持下，即使在齒輪之間的狹窄空間中，它也可以有效地模擬油的流動，從而對變速箱效率進行實際分析。

 

XFlow 仿真可加速齒輪箱效率分析，并降低在測試后期或使用過程中發(fā)現(xiàn)問題的風險。MODSIM 降低了開發(fā)成本并縮短了上市時間，使制造商能夠在競爭激烈的市場中保持領(lǐng)先地位。