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基于 SPH 方法,轻松实现 FZG 齿轮箱流体仿真,解决齿轮箱耐久性和可靠性的测试

  • 2024-08-12
    上海
  • 本文字数:2558 字

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基于SPH方法,轻松实现FZG齿轮箱流体仿真,解决齿轮箱耐久性和可靠性的测试

FZG 标准齿轮箱


FZG 标准齿轮箱


FZG 标准齿轮箱(Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau)是德国齿轮技术研究所制定的一种齿轮箱测试标准。通过模拟实际工作条件下的齿轮传动,进行一系列耐久性和可靠性的测试。测试内容包括齿轮接触应力、齿面疲劳寿命、油膜承载能力、润滑性能等指标的评估。


FZG 标准齿轮箱是国际上广泛使用的标准之一,对于齿轮传动系统的设计和制造具有重要的参考价值。

FZG 标准齿轮箱尺寸


齿轮箱 PIV 试验


PIV 试验是指粒子图像测速(Particle Image Velocimetry)试验,是一种用于测量流体流动速度和方向的方法。在 PIV 试验中,会向流体中注入微小的颗粒,然后通过激光照射流体中的颗粒。相机会拍摄照片来记录颗粒在不同时间间隔内的位置,从而可以计算出流体流速的矢量场分布。


瑞典 Chalmers 大学的 Hartono 等人为了研究 FZG 齿轮箱的内流场,搭建了一个具有透明壳体的 FZG 装置,并对润滑做了特殊处理,以方便光学测量。




Hartono 等人的齿轮箱试验装置


Hartono 等人的齿轮箱透明壳体试验观测结果:


  • 3 列图片分别是高、中、低,3 种油位工况

  • 每一行图片具有相同的齿轮线速度,齿轮速度从上往下逐步提高



透明壳体试验的观测图像, 油温 20℃,齿轮线速度 Vt = 0.35 m/s。


蓝线是由于齿轮搅油造成的流动分界线,红色箭头表示流动的方向,黄线定义了观测切面(侧面)的位置


正面、侧面


PIV 观测显示,当转速较低时,箱体顶部不会产生油溅。润滑油被大小齿轮携带,平稳的离开油池,并在两侧再落回。


齿轮旋转在箱体左右两侧创造了两个相对独立的主要回流区域(红色箭头)。由于大齿轮半径较大,沿齿轮表面的流体路径更长,齿轮表面产生更厚的边界层,可以卷入更多的流体进入左侧的大回流区域。润滑油首先接近左壁面,然后分裂为向上和向下的流动。


在小齿轮的下方产生了三种流态:第一个是顺时针旋转的大范围回流区域,另外两个回流区域是位于小齿轮附近的三维扭曲的流场。


试验表明了光学观测方法的局限性。随着齿轮线速度的增加,产生了大量的气泡。经过几个旋转周期后,油的颜色变为乳白色。起泡油与飞溅相结合阻挡了能见度。齿轮排出的油液撞击侧壁和顶壁并返回在壳体内壁形成了一道油幕,覆盖从正面的能见度。在高油位工况下还有一些从顶部下落的油滴,对观测造成了影响。


FZG 齿轮箱仿真模型


在 nanoFluidX 中搭建 FZG 齿轮箱模型:


  • 两相流(空气+润滑油),表面张力模型,粒子间距 0.6mm 

  • 粒子数量:1 千 4 百万。仿真时间 2.5 秒,计算时间:15 小时 @Nvidia A100 GPU


仿真计算工况和试验一致:


  • 3 组油位高度:高油位(centerline), 中油位(2X modules of pinon), 低油位(2X modules of gear) 

  • 3 组齿轮线速度 Vt: 0.55 m/s, 1.1 m/s, 1.62 m/s,对应的湍流雷诺数(基于小齿轮直径计算)分别是 687.5,1375 ,2025 。环境温度 20 °C


(a) 高油位 centerline


(b) 中油位 2 module of pinion


(c) 低油位 2 module of gear


仿真和试验的流场对比


高油位、中油位、低油位

Vt = 0.55 m/s,上(试验),下(仿真)


高油位、中油位、低油位

Vt = 1.1 m/s,上(试验),下(仿真)


高油位、中油位、低油位

Vt = 1.62 m/s,上(试验),下(仿真)


将 nanoFluidX 流场与 PIV 结果进行比较。可以得出结论:与实验结果相比,CFD 仿真的油液空间分布和旋涡结构都得到了很好的捕获。研究了油位和 RPM 的影响,仿真与实验结果一致。


仿真和试验的搅油速度对比


过齿轮中心线做垂线(红色线所示),将线上的润滑油流速除以齿轮线速度 Vt, 绘制油液速度分布曲线和 PIV 试验值对比。


大齿轮切线位置 


小齿轮切线位置


高油位工况,在不同齿轮转速下流速对比


中油位工况,在不同齿轮转速下流速对比

低油位工况,在不同齿轮转速下流速对比


三个油位高度的 CFD 模型都很好的捕获到回流区。然而,模拟揭示了其中一个工况 Vt = 0.55 m/s,油位中心线处的回流区域,由于实验测量中可能存在的不对称流动,在 PIV 实验中没有表现出来。

需要考虑 PIV 实验不确定性,因此在比较中引入了差异。尽管如此,任然可以得出结论,nanoFluidX 和实验 PIV 结果之间的总体一致性较好。


润滑油起泡现象的仿真


根据 Hartono 等人的研究,在 PIV 实验图像中识别出三种大小的气泡:高度分散在油中的小气泡,几乎是一种背景噪音;中等大小的气泡,当齿轮线速度达到 1.1 m/s 左右,开始出现在润滑油中,其特征是形成清晰的气-液交界面;大气泡通常会出现在齿轮齿之间。

正如预期的那样,试验和仿真的结果均显示三种类型的气泡数量都随着齿轮线速度 Vt 的增加而增加。虽然 PIV 试验很难对气泡数量进行精确的统计并和 CFD 结果定量对比,但是可以看出 nanoFluidX 可以预测润滑油的起泡现象和正确的趋势。


润滑油含气率,高油位工况不同转速对比


01、不同温度下的润滑油充气评估


nanoFluidX 仿真模型分别计算三个不同温度下的工况。


大齿轮 1000RPM, 小齿轮 1500RPM。计算稳定后,在后处理工具中对模型底部区域统计空气粒子的数量。


三种不同温度下的润滑油属性和含气率对比。从仿真结果看,润滑油中的含气率随温度升高而增加。


02、不同温度下的润滑油充气动画效果

(白色为气泡)


T=300K


T=340K

T=380K


  • 不同温度下的润滑油充气效果(白色为气泡),瞬态时间 1 s




  • 不同温度下的润滑油充气效果(白色为气泡),瞬态时间 1.5s




  • 不同温度下的润滑油充气效果(白色为气泡),瞬态时间 2 s




  • 不同温度下的润滑油充气效果(白色为气泡),瞬态时间 2.5 s




总 结


FZG 标准齿轮箱结构简单,便于观测齿轮搅油的内流场。但是在高速工况,由于产生大量的气泡和油幕造成光学观测效果下降。


nanoFluidX 计算了三种转速和三种油位的工况,并和试验对比,无论是搅油形态还是流速对比,都达到了较好的精度。


nanoFluidX 采用气液两相流模型,考虑表面张力,密度,粘度随温度的变化,可以得出结论:随着温度的提高,有更多的空气卷入润滑油,造成含气率的提高。这对齿轮润滑和冷却都带来负面影响,在传动系统设计中需要考虑这个因素。



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