旋轉吧，齒輪箱！顛覆傳統的流固耦合模擬工業應用初探之齒輪甩油

高速旋轉的齒輪箱里齒輪帶動潤滑油的流動屬於固定運動剛體與流體的相互作用問題。在齒輪箱的設計中，潤滑油的運動是核心問題之一。

為什麼需要模擬齒輪甩油？

齒輪箱內潤滑油的液位是一個非常敏感的參數，與齒輪的工作轉速和空間布置都有關係。

如果齒輪液位過低，會導致齒輪潤滑不足，引起齒輪過熱和壽命縮短。

如果齒輪液位過高，則會導致系統的粘性阻力太大，影響效率。

另外，工作條件下潤滑油在箱內的流動分布也會影響潤滑性能。

如何研究齒輪甩油問題？

作為一個工程問題，自然是實驗和模擬兩手都要抓。

1.實驗研究

對於齒輪箱的甩油實驗，可以採用PIV的測量方法獲得潤滑油的速度場。這種方法可以準確獲得設計原型的流場。但是實驗方法存在費用高，周期長，設計改進需要重新實驗。對於複雜的齒輪箱，很難做到可視化研究。

齒輪箱轉速與液位對甩油的影響（圖片來源於Erwin Adi Hartono, et al. Chalmers University of Technology.）

2.數值模擬

成熟的數值模擬技術無疑能夠加速齒輪箱產品的設計改進。但是模擬方法也有很多種。傳統的方法依賴於網格技術，尤其在齒輪嚙合的過程中，可能會出現網格體積過小或aspect ratio過大的問題，從而影響到計算的收斂。因此，採用傳統的方法需要在網格生成上花費大量的精力。另外一種新的方法就是本文所使用的粒子法，導入齒輪及外殼模型，給定齒輪轉速，定義潤滑油初始區域後即可開始計算。可以獲得高速轉動下齒輪箱內潤滑油的流場以及潤滑油的粘性阻力力矩。

典型齒輪箱的模擬

本文所演示的齒輪箱計算的幾何素材來源於互聯網，已獲得CAD文件作者的授權同意。

圖片來源於grabcad.com

CAD模型中與流固耦合計算不相關的零件可以移除，例如螺絲，螺帽和墊片等與潤滑油不接觸的小零件。這樣的簡化，不會影響計算的結果，能夠提高模型初始化的速度。

速度場分布

自由界面重構後的可視化展示

粒子法在該問題上的優勢和局限

1.只需要對齒輪箱的CAD模型進行簡單的處理，去掉些無關緊要的部件，就可以導入粒子法求解器進行計算。無需複雜的網格劃分。快速模擬，優化設計。

2.一般情況下，不考慮氣相的運動，潤滑油被當作單相液體分析，這裡不可能模擬空氣摩擦，非接觸的相互作用與粒子影響半徑有關，某公眾號文章曲解了計算結果並誤導了讀者。當然，我們的shonDy求解器是支持多相流計算的，如果有需要，也可以嘗試箱內氣液兩相模擬。

3.有業內人士諮詢過我油膜的問題。如果單獨分析某個齒上的油膜分布和運動，例如潤滑油噴淋到單個齒輪上的局部流動，這個是可以模擬分析的。但是對於齒輪箱的整體模擬模擬，計算尺度暫時無法細到分析油膜的行為。

編外曲

中興事件炒得沸沸揚揚，讓盛世黨認清了中美尖端技術差距，一個國家並不是出了一個共享單車或一款手機遊戲就跨入了發達國家水平。作為核心競爭力，高端製造業的差距需要從基礎的問題上一點一滴地填補。一定要擺脫中國人常有的「差不多就行了」的思想，細節決定成敗。在一個外國同事眼裡，中國是「One generation was missing!」。但是80和90一代讓世界重新認識了中國，相信很快將徹底改變中國的工業面貌。