混合动力汽车动力分配器热特性分析

【摘要】：油电混合型混合动力是目前混合动力汽车动力源的普遍混合形式，而动力分配器是油电混合型混合动力汽车的核心部件。差速器式动力分配器（简称PSD）即将传统差速器的运动形式应用于油电混合型混合动力汽车的动力耦合系统。PSD使来自发动机与电动机的动力通过一定的控制算法耦合到一起，高效地驱动车轮前进，并且将多余的能量通过发电机得到回收。由于该装置采用行星传动，结构紧凑，且齿轮转速较高，系统发热量较大，研究PSD的热特性对于整个系统的润滑冷却等方面具有重要的指导意义。本文的研究内容得到了国家自然科学基金项目——“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”（项目编号51075179）的支持。本文首先以PSD为研究对象进行系统总体的温度特性研究，其次单独以PSD较多使用的锥齿轮副为研究对象进行锥齿轮副搅油特性的研究，并进一步分析了其在润滑油影响下的瞬态热特性。本文的主要研究内容、方法和结论如下： （1）详细建立了PSD中多种类型的功率损失计算模型，包括齿轮啮合摩擦功率损失、滚动轴承摩擦功率损失、搅油功率损失、风阻功率损失和其他摩擦功率损失。对求解对流热阻的关键参数对流换热系数进行了详细论述，建立了与齿轮有关的、与轴承有关的及与PSD壳体有关的对流换热系数的计算模型。形成了一套可行的建立PSD系统的功率损失和对流换热系数计算模型的方法。 （2）分析了PSD的热传递路线，进行了PSD温度节点的分析与划分。建立了传导、对流和与齿轮啮合有关的热阻模型。根据热传递类型和传热路线，建立了PSD系统总体的热网络模型图。根据电学中的基尔霍夫定律，建立了各个温度节点的热平衡方程，并利用Matlab软件求解出了各个节点所代表位置的温度数据，即系统总体温度场。分析了PSD总体温度场的变化趋势，对外界环境温度及工况的变化对润滑油和行星齿轮平均温度的影响进行了深入分析和研究。 （3）针对PSD中具有多对锥齿轮传动的情况，单独对锥齿轮副的搅油特性进行了深入研究。分析了CFD基础理论，在Catia软件中建立了锥齿轮箱的三维几何计算模型。将模型导入到Gambit软件中进行了流固体区域划分，并进行了合理的网格化处理，设置了计算模型的边界条件。采用动网格技术，基于Fluent软件对锥齿轮箱中瞬态流体分布进行了数值模拟，分析了锥齿轮副流场分布情况，并进一步研究了锥齿轮副在浸油润滑下的搅油损失特性，分析了主从动齿轮的搅油损失随齿轮转速及齿轮浸油深度的影响规律。 （4）在分析锥齿轮副搅油特性的基础上，进一步对浸油润滑状态下锥齿轮箱进行了详细的传热分析。在Gambit软件中对计算网格进行了面群和体群组织，便于模拟热载荷的循环加载。通过经验公式，建立了锥齿轮副输入摩擦热流量的计算模型。采用UDF技术实现了齿轮啮合齿面输入热流量的循环加载。分析了锥齿轮传动初期锥齿轮副及流场温度场的变化规律，深入研究了润滑油对锥齿轮副热特性的影响。 【关键词】：混合动力汽车 动力分配器 集总参数法 热流耦合 热分析
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U469.7
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 基于集总参数法的总体热特性研究12-13
• 1.2.2 基于 CFD 的流场特性研究13-14
• 1.2.3 热流耦合及齿轮热特性研究14-16
• 1.3 本文主要研究内容及技术路线16-19
• 第2章 功率损失和对流换热系数计算模型建立19-31
• 2.1 PSD 驱动机理19-21
• 2.2 功率损失计算模型建立21-27
• 2.2.1 齿轮啮合功率损失22-23
• 2.2.2 滚动轴承功率损失23-25
• 2.2.3 搅油功率损失25
• 2.2.4 风阻功率损失25-26
• 2.2.5 其他摩擦功率损失26-27
• 2.3 对流换热系数计算模型建立27-29
• 2.3.1 与齿轮有关的对流换热系数27
• 2.3.2 与轴承有关的对流换热系数27-28
• 2.3.3 与壳体等有关的对流换热系数28-29
• 2.4 本章小结29-31
• 第3章 基于集总参数法的 PSD 热分析31-43
• 3.1 PSD 传热分析31
• 3.2 基于集总参数法热分析模型的建立31-37
• 3.2.1 温度节点的确定32-34
• 3.2.2 热阻分析与求解34-36
• 3.2.3 热网络模型图建立36-37
• 3.2.4 热平衡方程建立37
• 3.3 PSD 总体温度特性分析37-42
• 3.3.1 PSD 总体温度场分析37-39
• 3.3.2 外界环境对系统温度的影响分析39-40
• 3.3.3 工况对系统温度的影响分析40-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第4章 基于 CFD 的锥齿轮副搅油特性分析43-55
• 4.1 计算模型理论与技术43-46
• 4.1.1 流体基本控制方程43-44
• 4.1.2 湍流模型44-45
• 4.1.3 多相流模型45-46
• 4.1.4 动网格技术46
• 4.2 锥齿轮副计算模型的建立46-49
• 4.2.1 齿轮箱几何模型建立47-48
• 4.2.2 齿轮箱流体网格建立48
• 4.2.3 边界条件的确定48-49
• 4.3 锥齿轮箱数值模拟结果分析49-54
• 4.3.1 锥齿轮箱流场分布模拟49-51
• 4.3.2 锥齿轮副搅油特性分析51-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第5章 基于热流耦合的锥齿轮副瞬态热特性分析55-67
• 5.1 齿轮运转初期锥齿轮箱传热分析55-56
• 5.2 锥齿轮副瞬态热分析模型建立56-59
• 5.2.1 瞬态热平衡方程56
• 5.2.2 网格面群与体群组织56-57
• 5.2.3 齿面输入摩擦热流量计算57
• 5.2.4 齿面热量循环加载57-59
• 5.3 锥齿轮箱瞬态热特性分析59-65
• 5.3.1 锥齿轮箱瞬态温度场分析59-63
• 5.3.2 润滑油对锥齿轮副传热特性影响分析63-65
• 5.4 本章小结65-67
• 第6章 总结与展望67-69
• 6.1 全文总结67-68
• 6.2 研究展望68-69
• 参考文献69-75
• 致谢75

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