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驱动单元 冷酷地“玩” 对驱动单元制冷进行 CFD仿真有助于提高可靠性。 作者：Tadashi Yamada ，日本东京丰田汽车公司 传动系统单元工程设计部 油的冷却效果对车辆驱动单元（如变速器与差速器等）的功能和耐用 润滑、动力传输和冷却性能至关重要， 性至关重要。此前，汽车研发团队需要创建原型、将其安装在车中并 同时也涉及如何避免负面影响，例如涡 机进行风洞测试才能对冷却性能进行评估。通过使用带高性能计算 动损失，也就是机油和齿轮以高转速运 (HPC)功能的自由表面多相流建模，我们就能通过现有的计算资源准 行时摩擦造成的动力损失。 确地预测油的冷却性能。作为业界领先的汽车制造商，丰田公司采用此方案在产品 对驱动单元的冷却效果进行仿真需 研发流程的早期阶段就能对更多不同的设计方案进行评估。 要预测内部机油流动模式，这涉及自由 典型的驱动单元包括可容纳由轴承支持的动力传输轮杆等内部转动部件的外 表面、外部气流和从机油到空气的复杂 壳。这些转动部件被油和空气包围。机油可实现各种不同的功能，例如润滑、功率 3D热流。关键难点在于，虽然对整个车 传输以及冷却等。驱动单元中的主要热源是齿轮的啮合、轴承和转轴之间的滑动摩 辆进行建模可以足够准确地求解外部气 擦、齿轮运动产生的扰动机油等。生成的热量传递给机油，再通过机油传递到外壳 流问题，但分析内部温度分配需要大约 的内表面；并由此传递到壳的外表面和周边空气。变速箱中的机油流动模式对高效 一个小时，这样才能达到饱和温度。此 ANSYS ADVANTAGE Best of Automotive 2016 29 丰田公司采用这种方案在产品研发的早期阶段 就能对更多设计方案进行评估。 前，由于物理问题非常复杂，加上空间 后再耦合交换数据，从而确定整个系统 能计算出机油和内部组件的温度分配。 体量大和时间长，一直需要大量计算资 的行为。 丰田采用ANSYS Fluent对内部液体流动 源，仿真时间难以在规定的时限内完 对内部机油流动进行求解可获得内 进行求解。 成，从而影响设计进程要求。 部组件和流体之间以及流体和外壳之间 在驱动单元中，随着不断旋转的部 在必威体育精装版版的CFD软件中，物理模型 的传热系数。整车气流仿真能获得外壳 件搅动机油，在机油和空气的界面形成 和HPC性能获得的成果推动丰田工程师 和外部空气之间的传热系数。丰田工程 自由面。工程师采用Fluent的流体体积 不断进取、寻求新方案，即对驱动单元 师使用内部和整车仿真结果搭配不同组 (VOF)法通过网状网格界面对表面进行 中的机油冷却性能进行仿真。在强耦合 件的生热率作为热计算模型的边界条件， 跟踪，并在界面处应用边界条件。工程 方案中，往往用公式来计算整个计算 该模型仅包括单元的固态部件，机油温 师采用显式区域重构法对界面行为进行 域，计算强度极大。因此，需要对内部 度作为未知变量。对该模型一直进行迭 求解，从而获得不同阶段之间最真实的 机油流动和车辆气流分别进行仿真，随 代，直到获得能量平衡求解为止，从而 界面。由于齿轮几何模型对自由面形成 适用于CFD仿真关联的简化型差动单元 采用CFD对机油分配进行计算，使用VOF模型识别自由面 ANSYS.COM © 201 6 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE Best of A utomotive 2016 30 驱动单元 非常重要，因此工程师要尽可能准确地 对齿轮几何模型进行建模，同时使用移 动网格功能使围绕齿轮的计算网格旋转 起来。 工程师在翼诱导阻力和车体波阻力 之间采用冯卡门模拟方法，并通过内部 机油流动瞬态仿真来计算局部传热系数。 随后，工程师应用用户定义函数(UDF) 求出所得结果的时间平均值。这种方法 通过在配备了单个交错轴环形齿轮的差 动驱动单