汽車傳動系統齒輪箱內潤滑油的運動主要依靠高速轉動的齒輪對潤滑油的作用產生的飛濺效果，從而將潤滑油循環分布到軸承和齒輪上達到潤滑作用。如果齒輪箱的設計存在不足，則會出現某些軸承和齒輪潤滑不足，會造成齒輪箱產品過早失效。有些情況下，齒輪箱設計的不合理會造成某軸承兩側潤滑油流量差別較大，引起同軸軸承兩側壽命不一致。為了達到潤滑目標，往往需要在齒輪箱內布置擋板以改變潤滑油的流向，但是設計的改進需要參考實驗或數值分析的結果。傳統的齒輪箱設計采用透明殼體實驗驗證齒輪箱飛濺潤滑效果和潤滑油的空間分布等，但是透明殼體實驗造價高周期長，而且難以測量潤滑油在殼體內部某空間區域的流量等。使用shonDy軟件可以彌補傳統設計流程中缺失的一環，即齒輪箱潤滑數值仿真。采用數值仿真可以大大減少透明殼體實驗段的重復制造，甚至可以完全替代透明殼體實驗。使用shonDy模擬齒輪箱潤滑，不僅可以獲得潤滑油在殼體內的空間分布，還可以輸出攪油力矩和功率損失。由于攪油力矩隨齒輪箱轉速遞增，攪油功率損失的分析對于高速齒輪箱不容忽視。

變速箱飛濺潤滑數值仿真

變速箱透明殼體實驗

（本圖由合作科研單位重慶理工大學提供）

評價齒輪箱內擋板對潤滑油分布的影響

（本圖由合作設計單位上海眾聯能創提供）

齒輪箱設計流程改進

齒輪箱的設計采用了仿真與實驗相結合的手段，仿真可以快速迭代改進產品設計，實驗用于最終驗證產品的性能。仿真在齒輪箱的結構設計和NVH設計方面已經成為了必不可少的一環，但是在潤滑設計方面仿真曾經是缺失的一環，這主要受限于傳統仿真技術手段。無網格粒子法的出現，成為了潤滑仿真的突破性技術手段，讓快速飛濺潤滑仿真成為了現實。潤滑的數值仿真填補了傳統設計流程中缺失的一環，縮短了研發周期，降低了實驗成本。

齒輪箱設計流程

模擬電驅動橋

電驅動橋集成了電機、減速器和逆變器在內的功率電子模塊到一個外殼中，這為電動汽車的傳動系統提供了三合一的解決方案。由于電驅動橋中的減速器的轉速非常高，潤滑仿真對于新產品的設計至關重要。在下面的工程應用案例中，電驅橋轉速為6000 rpm，爬坡傾斜角度為0°，潤滑油的工作溫度為60℃。該模擬結果給出了潤滑油在殼體內的分布，為電驅橋的潤滑設計提供了依據。    

電驅橋內潤滑油的空間分布

（本圖由合作設計單位上海眾聯能創提供）

攪油力矩計算分析

在齒輪箱飛濺潤滑分析中，齒輪箱的功率損失取決于攪油力矩和轉速。使用shonDy軟件可以輸出每個齒輪軸的攪油力矩。使用德國慕尼黑工大公開發表文獻[1]中齒輪效率實驗數據和shonDy的計算結果做對比驗證，結果如圖所示。圖中紅線是穩態實驗結果和誤差范圍，藍線是數值模擬結果。數值模型中齒輪經過0.1s的旋轉角速度加速后保持恒定轉速，攪油力矩隨著轉速增大而變化。shonDy計算獲得的準穩態力矩與實驗結果符合良好，在實驗誤差范圍內。

計算攪油功率損失與實驗數據對比

[1] Liu H, Jurkschat T, Lohner T, et al. Determination of oil distribution and churning power loss of gearboxes by finite volume CFD method. Tribol Int 2017.

齒輪箱與電機熱分析

在新能源汽車傳動系統的設計中，溫度場分布是一個非常重要的設計指標。齒輪嚙合溫度過高或者電機的繞組過熱都會導致產品的失效。精細的溫度場計算和系統傳熱分析對于產品設計至關重要。shonDy提供了獨特的功能模塊計算齒輪嚙合功率損失、軸承發熱和熱傳導。傳動系統的瞬態溫度變化可以被仿真預測。模擬結果可以給出齒輪系溫度場、潤滑油平均溫度、殼體溫度場和總的功率損失等。    

嚙合發熱造成的齒輪系溫度分布

本文初步介紹了shonDy在傳動系統飛濺潤滑領域的應用。實際上shonDy是一款通用的三維粒子法流體多物理場軟件，在其他工程場景也有廣闊的應用空間。

來源： shonDy粒子法流體仿真