基于热流耦合的锥齿轮流场与温度场仿真分析

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1、基于热流耦合的锥齿轮流场与温度场仿真分析SimulationAnalysisonFluidandTemperatureFieldofBevelGearsBasedonHeat-FluidCoupling作者姓名：王忠达专业名称：机械工程研究方向：车辆传动技术指导教师：王继新教授学位类别：工程硕士答辩日期：2015年5月I摘要齿轮传动以高传动效率与高灵活性已经被广泛运用到工程机械、汽车、航空航天等重要领域。然而，在齿轮传动过程中，齿面的相对滑动摩擦会产生大量的热量，如果产生的热不能快速的散发出去，则会引起

2、齿轮箱内的温度急剧上升，会造成齿轮的胶合与点蚀等失效，也会改变润滑油的物性参数，降低其润滑、冷却性能。齿轮箱的流场特性、齿轮几何参数与载荷对齿轮温度场有重要的影响，研究齿轮的流场与温度场对润滑系统的设计与齿轮的热设计具有重要意义。本文部分内容依托国家自然科学基金项目（51075179）“多场耦合条件下混合动力汽车动力耦合器的设计理论与方法”，以动力耦合器为例，对锥齿轮的流场与温度场进行研究，形成用于研究齿轮润滑流场、轮齿对流换热系数与齿轮温度场的仿真分析方法。所包含的主要内容如下：（1）对流体动力学的计

3、算方法进行了简单介绍，并通过对锥齿轮传动模型进行简化、划分网格、设置边界条件等建立了锥齿轮传动的热流耦合仿真模型。（2）从动网格模型、收敛准则以及热流耦合分析流程三个方面分析了流动传热的仿真方法。基于已经建立的仿真模型，运用Fluent软件分析了不同润滑油粘度下流体动压力以及不同转速下流体速度的变化规律。结果表明流体的动压力随润滑油粘度的增大而增大，流体的速度也随着转速的增大而增大，并且流体动压力与速度的最大值均出现在轮齿啮合处。（3）形成了一种求解轮齿各表面对流换热系数的方法。分析了齿轮箱体内部热量的

4、传递路线与热平衡过程，通过求解齿轮传动过程中的齿面相对滑动速度、齿面接触应力以及滑动摩擦系数等参数确定了摩擦产热量及其分布规律。将传热模型与流体流动模型结合起来，进行了热流耦合仿真分析，得到了轮齿各齿面与端面对流换热系数的分布规律，并与经验值进行了对比。结果表明通过热流耦合分析得到仿真结果可以更好的体现轮齿表面对流换热系数的分布情况。（4）总结了齿轮温度场的分析方法与影响因素。依据热流耦合分析得到的对流换热系数，运用Abaqus软件建立温度场的有限元仿真模型，分析了齿宽、模数、变位系数以及载荷对温度场的

5、影响规律。结果表明齿轮几何参数的改变尤其是齿宽以及II载荷的改变均对轮齿的本体温度有较大的影响。（5）对全文进行了总结，并指出了本文存在的不足之处。关键词：锥齿轮；热流耦合；对流换热；温度场；有限元法IIIAbstractWithhightransmissionefficiencyandhighflexibility,gearhasbeenwidelyappliedtothefieldsofengineeringmachine,automobile,aerospace,etc.However,inthe

6、processofgeartransmission,alotofheatwouldbegeneratedastherelativeslidingfrictionbetweentoothsurfaces.Ifthegeneratedheatcan’tbedissipatedquickly,itwouldleadtogearboxtemperaturerisingsharply,whichcancausethegearscuffingfailureandpittingfailure.Inthemeantim

7、e,Itwouldalsochangethephysicalparametersofthelubrication,andthusreducethelubricatingproperty.Thefactors,suchasflowcharacteristicoflubrication,thegeometricparametersandloadofgears,havethemostsignificanteffectsontemperaturefieldofgears.Theresearchoffluidan

8、dtemperaturefieldisverymeaningfulfordesignoflubricationsystemandgears.Inthispaper,partialcontentissupportedbythenationalnaturalsciencefoundationproject-"DesignTheoryandMethodforPowerSplitDevice（PSD）ofHybridElectricVehiclei