對(duì)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(yīng)商被迫設(shè)計(jì)設(shè)備以降低運(yùn)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(píng)估功率損耗來估算的，功率損耗可分為負(fù)載相關(guān)損耗和空載相關(guān)損耗。傳遞扭矩時(shí)，齒輪和軸承會(huì)產(chǎn)生與負(fù)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(duì)于任何變速箱設(shè)計(jì)者來說，減少所有損失，同時(shí)確保油在任何操作條件下到達(dá)關(guān)鍵位置都不是一個(gè)簡單的平衡。達(dá)索系統(tǒng)提供集成在統(tǒng)一體驗(yàn)中的強(qiáng)大建模和仿真工具 (?MODSIM )，幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

 

齒輪箱潤滑設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

對(duì)任何工業(yè)齒輪箱行為的理論預(yù)測(cè)解決起來都很復(fù)雜，因?yàn)榱黧w力學(xué)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(duì)不同的操作條件進(jìn)行廣泛的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，但可能會(huì)導(dǎo)致經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式即使設(shè)計(jì)變化很小也顯示出很大的偏差。

 

物理測(cè)試可以提供準(zhǔn)確的信息，以高成本實(shí)現(xiàn)最終的生產(chǎn)設(shè)計(jì)。然而，有時(shí)，由于錯(cuò)誤的假設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或僅僅因?yàn)闊o法衡量關(guān)鍵績效指標(biāo) (KPI)，他們無法生成適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)。

 

 

 

數(shù)值模擬可以減少物理測(cè)試的數(shù)量，為關(guān)鍵績效指標(biāo)（如潤濕面積、攪拌損失或溫度分布）提供定量預(yù)測(cè)，而這些指標(biāo)很難或不可能通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量。這可以縮短開發(fā)時(shí)間和成本，并降低設(shè)計(jì)變更成本更高的后期失敗風(fēng)險(xiǎn)。

 

齒輪箱的攪動(dòng)損失

攪拌損失是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，在考慮齒輪裝置的飛濺潤滑時(shí)會(huì)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(huì)完全浸入油浴中。否則，會(huì)因油浴的攪動(dòng)而導(dǎo)致過多的損失。另一方面，當(dāng)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(shí)，攪拌損失會(huì)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(huì)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(duì)于高速工業(yè)齒輪箱，僅使用飛濺潤滑會(huì)因所需的油位和轉(zhuǎn)速而導(dǎo)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(jìn)行噴射潤滑。這是另一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)殡x心力會(huì)使油流偏轉(zhuǎn)。

 

 

風(fēng)阻效應(yīng)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(gè)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(duì)流等。

 

 

平均場(chǎng)的仿真可視化可幫助用戶在任何操作條件下進(jìn)行齒輪箱分析。

 

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

 

齒輪箱油溫?zé)岱治?/span>

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

 

為了在受控條件下獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，潤滑實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)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(fù)雜的流場(chǎng)。一旦氣流在幾秒鐘內(nèi)收斂，就可以使用對(duì)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(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)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(jì)的復(fù)雜性，需要大量的設(shè)計(jì)迭代是可以理解的。物理測(cè)試需要投資并且只能提供有限的信息——計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）工具提供了降低運(yùn)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(yīng)用的主要方法是采用有限體積法 (FVM)或平滑粒子流體動(dòng)力學(xué) (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(zhǔn)確捕獲流動(dòng)分離。然而，計(jì)算域的拓?fù)渥兓虼蟮脑冃危ɡ缌黧w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(dòng)力學(xué) (SPH) 特別適合交互式應(yīng)用程序和具有大運(yùn)動(dòng)的瞬態(tài)應(yīng)用程序。盡管它對(duì)于潤滑應(yīng)用來說可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但它僅限于以具有競(jìng)爭(zhēng)力的計(jì)算成本和精度求解一個(gè)階段。

 

SIMULIA XFlow遵循 LBM 方法，該方法擅長跟蹤任意移動(dòng)部件，并且由于計(jì)算域的自動(dòng)笛卡爾離散化，預(yù)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(duì)于確保高效性能和長期可靠性至關(guān)重要。油流具有復(fù)雜的行為，很難使用物理測(cè)試進(jìn)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(jì)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(qiáng)大而準(zhǔn)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(dòng)，從而對(duì)變速箱效率進(jìn)行實(shí)際分析。

 

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