体积流体仿真助力齿轮设备冷却系统优化

丰田公司如何提高齿轮箱的热传导效率

轮滑油在齿轮箱中不仅仅是作为润滑系统，它也作为冷却剂，确保系统不会过热甚至着火。

齿轮箱在许多行业中是常见的，包括汽车制造业。设计师们也需要一个快速且经济的方法去优化它们的冷却系统。为此丰田公司用ANSYS Fluent模拟了驱动装置的冷却系统。

齿轮箱过热的原因

齿轮系统中的热量通常来自摩擦。这种摩擦主要由齿轮啮合和轴承和轴的运动产生。这种热形成机制在它影响到周围的环境之前会把热量转移到外壳的轮滑油中。

“为了测试系统，仅仅确保任何齿轮接触点的轮滑是不够的。.还必须评估冷却性能与油流动损耗。.Dr. Gilles Eggenspiele，一位资深产品经理解释说：“ 这有助于确定油面的最佳高度,”

为了更好地评估驱动装置，工程师们不仅要分析油的流动，而且要分析外部空气的流动。一般来说这是一个很复杂的流体仿真，需要计算机具备极其强大的计算能力。目前的方法是将流体和车辆气流建模分别采用数据耦合。这便使得计算步骤减少了很多，大大地减少了计算量。

齿轮箱轮滑油的模拟仿真过程

对流体体积的模拟仿真通常被用来研究轮滑油与驱动单元中空气的表面作用。这项技术是用来检测两种互不相溶流体的相互作用。Eggenspieler说 “表面相互作用可以生成表面张力所形成的液滴。随着液体的流动，网格将动态细化基于接口的位置”。 一旦界面区域显示出来，通过仿真过程我们就能知晓油与空气的动态特征。

Eggenspieler补充道：“围绕着接口，网格会更完善，通常是2-3梯度的单元细化，这种细化需要对仿真过程进行适当的求解。没有接口的区域网格就会粗化,” 这种网格细化同时也不会降低求解速度。如果不是模型网格较好，那么仿真过程会需要很强大的计算机性能才能进行求解。

在模拟仿真中，齿轮建模使用了动态网格。Eggenspieler解释道. “建立动态网格必须定义一个齿轮重新啮合时的区域。基于ANSYS进行第一设定转速表面运动。本质上这种系统是以模拟时长乘以位移速度。这种表面作用会自动地重新划分网格,”这意味着齿轮几何形状必须精确建模这样划分网格才可以确保准确的流体流动。Eggenspieler 建议 “如果你一开始的网格建立的很完善，那么接下来的一切事情都很好解决.。毕竟齿轮是完全对称的几何体。最初画网格，你必须确保你有一个尺寸函数。一般来说齿宽是齿高的10分之一。 当然每个公司都有他们自己的网格绘制方法。”

然而，绘制网格并不像它听起来这么容易。 Eggenspieler 澄清道, “需要2-3次的试验才能确定网格的精确优化与快速求解.。当你绘制一个能根据水/油相互作用而自动细化的网格时，你仅仅只得到了第一次仿真的最佳方案。工程师们必须确保他们有最佳的模拟装置。首先，这会使得工程师们节省一大笔在选择方案一还是方案二时所用的时间。这些最优实践法能够重复使用多次甚至数年。一旦确定流体流动，运用冯卡门类比法可以确定油的传热系数 。当这些数据加上空气流动的仿真之后，驱动装置热传播的精确结果就能够计算出来了。一个齿轮系统的仿真实例（不代表丰田的设计）看下面的视频：

体积流体仿真的好处

最终仿真过程模型需要130万个网格。 该模型显示驱动单元的底部冷却适当而顶部过热。通过重新定位驱动装置散热片，丰田公司能在加热装置初始设计时就被固定的情况下减少整机重量。

但是模拟仿真也有缺点，毕竟仿真不能代替所有试验。工程师们还是必须进行一些现场试验。 Eggenspieler 指出, “我们的模拟仿真与现场试验之间误差率是很小的。 但是人们最终还是会做现场试验。进行模拟仿真的意义是: 需要进行100次试验才能做的设计，通过仿真以后你可能只需要做3-4次试验以及余下一些极端情况下的试验。仿真不可能完全代替试验，但是可以用来加快设计速度，并且在设计初期就能够提出性能评估，即使在第一台样机已经生产出来的情况下。丰田为例，使用模拟仿真技术，可以减少他们的驱动单元的重量达10%，同时提高了冷却性能。

至于体积流体仿真方法的应用，除了齿轮还有很多，其他应用包括船体运动，空泡螺旋桨，熔融金属，海浪，石油和天然气以及更多。

译自：http://www.engineering.com/DesignSoftware/DesignSoftwareArticles/ArticleID/8526/Optimize-Gear-Cooling-with-Volume-of-Fluid-Simulations.aspx

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