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Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2021, 10(2), 145-152
Published Online April 2021 in Hans. /journal/met
/10.12677/met.2021.102017
朱超，曲婧瑶，施绍有，赵志宇
上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海
收稿日期：2021年1月29日；录用日期：2021年4月1日；发布日期：2021年4月8日
摘要
针对新能源汽车用三合一电驱动系统的减速器，对其齿轮、轴系、壳体等进行润滑系统的建模、仿真、优化和验证。结果表明，仿真手段可以有效模拟润滑油在减速器内部的流动情况，而优化后的润滑系统通过仿真与试验的结果对比，也验证了其设计是满足要求的。 关键词
三合一电驱动系统，润滑系统，仿真，试验验证
Lubrication System Simulation and
Optimization Validation of New
Energy Vehicle Reducer
Chao Zhu, Jingyao Qu, Shaoyou Shi, Zhiyu Zhao
频率补偿Shanghai Electric Group Central Academe, Shanghai
Received: Jan. 29th, 2021; accepted: Apr. 1st, 2021; published: Apr. 8th, 2021
Abstract
Aiming at the reducer of the three-in-one electric drive system for new energy vehicles, the mod-eling, simulation, optimization and test verification of the gear, shafting, housing and other conti-nuous lubrication systems are carried out. The results show that the simulation method can effec-tively simulate the flow of lubricating oil in the reducer, and the optimized lubrication system is verified to meet the requirements by comparing the simulation results with the test results.
朱超 等
Keywords
Three-in-One Electric Drive System, Lubrication Systems, Simulation, Test Verification
Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.
动力电池模拟电源This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).
/licenses/by/4.0/
1. 引言
新能源汽车三合一电驱动系统的性能对整车性能影响较大，而减速器的润滑是电驱系统中的重要组成部分，润滑系统的设计也是三合一电驱动系统设计的难点之一。
目前，新能源汽车的重要指标是最高车速，对应到三合一电驱动系统上就是电机和减速器的最高转速，16,000 rpm 以上的转速已经是很常见的了，而高转速带来的齿轴磨损、胶合和老化也为电驱动系统带来了系统失效风险，因此，高转速减速器对于润滑系统的要求也逐渐提高。
新能源汽车电驱动系统减速箱的润滑仿真是计算流体力学在汽车领域内的应用场景之一，国内外学者对于齿轮箱的润滑仿真已经开展了大量的研究工作，董春峰、陈黎卿等[1] [2] [3]对齿轮箱浸油润滑和飞溅润滑的内部流场进行了仿真分析，对比了两种润滑方式的实际效果；林银辉等[4]对变速器内部油轨的进出油情况进行了仿真分析，验证了油轨润滑系统设计的合理性；彭钱磊等[5]提出了基于齿面移动法的飞溅润滑数值分析，并加以试验验证；曹寓等[6]使用Fluent 软件采用动网格的方法研究了齿轮喷油润滑时齿轮箱内的润滑油分布情况。
本文是基于ParticleWorks 软件，以新能源汽车三合一电驱动减速箱为研究对象，将模拟仿真与试验相结合来研究减速箱内的润滑情况，以此旨在提升电驱动系统的润滑效果。
2. 三合一电驱动润滑系统建模与仿真
2.1. 减速箱模型
三合一电驱动系统中，减速箱主要由输入轴、中间轴和输出轴以及相应的轴承等三条轴系组成，总速 比为9.935，最高输入转速为16,000 rpm ，最大输入扭矩为330 Nm 。其轴系和壳体的详细设计如图1：
Figure 1. Internal shafting and shell structure of the gearbox 图1. 减速箱内部轴系和壳体结构高斯加速器
减速箱采用齿轮搅油飞溅润滑的方式，为了使得减速箱内部轴系润滑充分，在减速箱壳体上设计了导油槽，如图2和图3所示：
朱超 等
Figure 2. The right side shell and oil guide groove structure of the gearbox 图2. 减速箱右侧壳体和导油槽结构
Figure 3. The left side shell and oil guide groove structure of the gearbox 图3. 减速箱左侧壳体和导油槽结构
2.2. 润滑仿真工况
减速箱在高速运转的时候，飞溅润滑是基本能够满足润滑需求的，但是在低速运转的时候，润滑油很难被搅动起来，润滑效果欠佳，因此，对于润滑仿真来说，重要的是模拟低速时的润滑情况，因此，本文主要以低速(本文选取2000 rpm)作为仿真输入条件，分别进行前进、倒车、上坡、下坡、左倾和右倾几种工况(如表1)来对润滑系统设计进行评估。
Table 1. Simulation conditions 表1. 仿真工况
序号 工况 输入轴转速rpm
中间轴转速rpm
输出轴转速rpm
1 水平前进 2000 666.67 204.3
2 水平倒车 2000 666.67 204.
3 3 上坡5.7˚ 2000 666.67 204.3
4 上坡16.7˚ 2000 666.67 204.3
5 下坡5.7˚ 2000 666.67 204.3
6 下坡16.7˚ 2000 666.6
7 204.3 7 右倾16.7˚ 2000 666.67 204.3 8
左倾16.7˚
2000
汽车烧甲醇
666.67
204.3
减速箱润滑油牌号德士龙6，加注量1 L ，仿真分析取油温为40℃，该油温下润滑油密度为834 kg/m 3，粘度为29.8 cSt 。仿真过程中，需要在仿真软件Particle Works
中设定，减速箱输入轴、中间轴和输出轴
朱超等
的轴系为运动部件，而减速箱的壳体部分为静止部分。
各工况下，减速箱内部齿轮转向可以参考车辆的前进方向，如图4和图5所示。
Figure 4. Gear steering of each axis in horizontal forward, up and down slope and left and right inclination conditions
图4. 水平前进、上下坡和左右倾工况各轴齿轮转向
Figure 5. Gear steering of each axis in reverse conditions
图5. 倒车工况各轴齿轮转向
2.3. 各工况仿真结果
如图6，从水平前进工况的仿真结果来看，润滑充分的轴承包括：输入轴左轴承、输入轴右轴承、中间轴左轴承、中间轴右轴承、输出轴左轴承、输出轴右轴承。因此，该工况下，减速箱内的润滑情况总体良好。
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Figure 6. Right and left side view of oil distribution in horizontal forward condition
图6. 水平前进工况油液分布右侧和左侧视图
如图7，从水平倒车工况的仿真结果来看，润滑充分的轴承包括：输入轴左轴承、输入轴右轴承、中间轴左轴承、中间轴右轴承、输出轴左轴承、输出轴右轴承。因此，该工况下，减速箱内的润滑情况总体良好。
如图8、图9和图10，从上坡5.7˚、上坡16.7˚，下坡5.7˚的工况仿真结果来看，润滑充分的轴承：输入轴左轴承、输入轴右轴承、中间轴左轴承、中间轴右轴承、输出轴左轴承、输出轴右轴承。因此，这几种工况下，减速箱内的润滑情况总体良好。
朱超 等
Figure 7. Right and left side views of oil distribution in horizontal reverse condition 图7. 水平倒车工况油液分布右侧和左侧视图
Figure 8. Right and left views of oil distribution in uphill 5.7˚ condition 图8. 上坡5.7˚工况油液分布右侧和左侧视图
Figure 9. Right and left views of oil distribution in uphill 16.7˚ condition 图9. 上坡16.7˚工况油液分布右侧和左侧视图
Figure 10. Right and left views of oil distribution in downhill 5.7˚ condition 图10. 下坡5.7˚工况油液分布右侧和左侧视图
如图11，从下坡16.7˚的工况仿真结果来看，输入轴右轴承的润滑油油量明显较少，其它轴承的润滑情况良好。从输入轴右轴承室的导油槽来看，输出轴右轴承上面的导油槽未见有油持续流入，而输出轴右轴承下面的导油槽有小量润滑油流入，因此，输出轴右轴承润滑流量明显要较其它轴承小，此工况下，减速箱的润滑存在一定风险，需要改进。
如图12，从右倾16.7˚
的工况仿真结果来看，右侧的三个轴承以及输入轴右轴承和中间轴右轴承
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