赵迁-基于SPH方法的纯电动车减速器润滑仿真.pdf
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Altair 2019 技术大会论文集
1
基于 SPH 方法的纯电动车减速器润滑仿真
赵迁
1
，杨良会
1
，赵勇钢
2
，赵春艳
2
，刘斯倩
3
（1.北京新能源汽车技术创新中心有限公司，北京 100176；
2.北京新能源汽车股份有限公司， 北京 100176；
3. 澳汰尔工程软件(上海)有限公司， 上海 200436）
摘 要: 最高输入转速和最大输入扭矩的逐渐提升给纯电动车减速器的润滑带来了非常大
的挑战。为研究某减速器油液流动形态和功率损耗，用 HyperMesh 软件进行前处理，用基
于 SPH 算法的粒子法求解器 nanoFluidX 对四种工况进行润滑仿真。后处理结果显示，仿
真结果与试验结果在搅油形态上具有较好的一致性，从而验证了该方法的有效性；时域平均
流线图和时域平均油量分布图可以更直观的观测到润滑情况；输出轴扭矩时间历程曲线表明
随着油量的增多和输入转速的提升，搅油带来的效率损失增多。
关键词: 纯电动车；减速器；润滑仿真；SPH
The Lubrication Simulation of Pure Electric Vehicle
Gearbox Based on SPH
Zhao Qian
1
, Yang Lianghui
1
, Zhao Yonggang
2
, Zhao Chunyan
2
& Liu Siqian
3
1. Beijing New Energy Automotive Technology Innovation Center Co., Ltd.
；
2. Beijing Electric Vehicle Co. Ltd.;
3. Altair Engineering Software (Shanghai) Co., Ltd.
Abstract: The gradual increase of maximum input speed and maximum input torque
brings great challenge to the lubrication of pure electric vehicle gearbox. In order to study
the flow pattern and power loss of the lubrication oil in a gearbox, the Hypermesh software
is used for pretreatment, and the particle solver based on SPH algorithm nanoFluidX is
used to simulate the lubrication of the four conditions. The results of post-processing show
that the simulation results are in good agreement with the test results, and the validity of
the method is verified. The time domain average flow graph and the time domain average
oil distribution map can be more intuitively observed. The torque time history curve of the
output shaft shows that with the increase of oil quantity and the input speed，the loss of
efficiency is increased.
Key words: Pure electric vehicle；Gearbox；Lubrication simulation；SPH
Altair 2019 技术大会论文集
2
前言
随着纯电动车动力性能逐渐提升，减速
器的最高输入转速和最大输入扭矩逐渐提
升。例如宝马 i3 减速器最高输入转速为
11400RPM，博格华纳 3103 减速器为 14000
RPM，而特斯拉 Model S 减速器甚至高达
16000 RPM，这给减速器的润滑带来了非常
大的挑战。如果润滑不良，轻则影响运动零
件（齿轮、轴承和油封等）的传递效率，重
则带来齿轮胶合、轴承烧蚀和油封老化等失
效问题。在减速器开发阶段，为了评估润滑
性能好坏，通常在铝制壳体上开观察窗口或
者制作透明壳体，观察齿轮搅油的形态来做
出主观评价。但是这样经常带来设计上的反
复，造成开发周期长和和费用非常高。
20 世纪 60 年代，计算流体力学
（Computational Fluid Dynamics, CFD）成为
一门独立的学科。CFD 在齿轮润滑领域的应
用主要体现在油液流动形态的预测和功率
损耗的预测。国内外学者对齿轮箱润滑仿真
已经开展了大量的研究工作。董春锋、陈黎
卿、Lemfeld 等
[1-3]
对齿轮箱油浴润滑和飞溅
润滑的内部流场进行动态数值模拟，研究了
这两种润滑方式的润滑效果；林银辉等
[4]
仿
真分析了变速器内部油轨的进出油状况，验
证了油轨润滑系统设计的合理性；王延忠等
[5-6]
对不同方位参数的进油口齿轮润滑过程
进行了稳态计算，得到了进油口不同时刻的
射流状态；Concli、Gorla、Seetharaman 等
[7-9]
通过流场仿真计算了齿轮搅油引起的功
率损失，并通过实验进行了验证；彭钱磊等
[10]
提出了基于齿面移动的齿轮副流体域网
格划分方法，并与单向切齿法、双向切齿法、
分离法对比。曹寓
[11]
等基于齿面移动法，利
用 Fluent 软件研究了齿轮喷油润滑时齿轮
箱内两相流的分布情况。
然而，以有限体积法为代表的商业 CFD
软件（例如 Fluent，Star CCM+）在复杂流
动中易出现网格畸变和扭曲现象，该问题严
重影响计算精度，而网格的重构过程通常又
异常复杂。由于无网格方法避免了复杂的网
格相关操作，在这方面具有独特优势，因此
自 20 世纪 90 年代以来被充分重视，光滑粒
子动力学（smoothed particle hydrodynamics，
SPH）是其中之一。SPH 方法的应用范围广
阔，目前在国内外的研究成果多集中于以下
领域：天体物理学、爆炸与高速冲击科学、
采矿工程、流体动力学等。本文基于无网格
的 SPH 方法，利用 nanoFluidX 软件对某纯
电动车减速器进行润滑仿真，并与试验结果
做对比。
1 SPH 方法和 nanoFluidX 软件
简介
1.1 SPH 方法简介
SPH 方法采用拉格朗日方法描述流体
运动。物理量跟随流体质点，而不是跟随静
态空间坐标。使用拉格朗日形式的动量守恒
方程（N-S 方程），去除对流项，使得方程
更容易求解。可以把 SPH 想象成多体（小
钢球）之间的相互作用，同时每个体（粒子）
没有明显的尖锐边缘，如图 1 所示。
图 1 SPH 粒子相互作用关系
前处理软件中
看到的粒子
数 学 计 算
中 真 实 的
粒子
粒子的半径影
响光顺长度
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