目前世界汽車行業(yè)迎來一個(gè)重大挑戰(zhàn)，就是如何在沒有重大技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)也不增加汽車部件成本的基礎(chǔ)上，提升電動(dòng)汽車的能效。然而，變速箱工程設(shè)計(jì)咨詢公司DSD的設(shè)計(jì)主管Matthew Hole卻有獨(dú)到的見解。在他看來，如果能研發(fā)出新的變速箱潤(rùn)滑情況分析技術(shù)，就可以大大節(jié)省能耗，并最終極大地降低汽車的制造成本。

Hole表示，DSD正在和另外兩家專業(yè)公司共同開展相關(guān)項(xiàng)目。其中一家是仿真軟件專家Altair，另一家則是德國(guó)專攻流體活性計(jì)算軟件與硬件的公司FluiDyna。通過進(jìn)一步深入研究新的建模方案，發(fā)掘變速箱設(shè)計(jì)的潛力，就有可能開發(fā)出前面提到的分析技術(shù)。

“從一輛普通電動(dòng)車的穩(wěn)態(tài)測(cè)試結(jié)果看，在從低速到時(shí)速大約80公里的范圍內(nèi)，傳動(dòng)系統(tǒng)都是整輛車?yán)镒詈哪艿牟糠帧?rdquo;Hole表示，“在研發(fā)能效更高的電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的過程中，必須盡可能確保在真實(shí)工況下的續(xù)航里程最大化，同時(shí)不要產(chǎn)生其他附加成本。”


葉輪可使變速箱的每個(gè)角落都能得到有效潤(rùn)滑。

Hole表示，盡管軸承和齒輪摩擦所帶來的能量損失已經(jīng)得到了較為透徹的研究，但很長(zhǎng)時(shí)間來，旋轉(zhuǎn)部件與變速箱油之間的相互作用機(jī)理卻一直不容易分析清楚。

Hole解釋說，“用有限體積的CFD（計(jì)算流體力學(xué)）方法建模需要較長(zhǎng)的運(yùn)算時(shí)間。每次測(cè)試過后，我們都需要花幾個(gè)星期時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，才能獲得幾秒鐘的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。”而新的模型則能將這一運(yùn)算時(shí)間從幾周減少到幾天，這多虧了平滑粒子流體力學(xué)（SPH）方法的應(yīng)用（代碼：nanoFluidX）。


光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法（SPH）模擬仿真圖。

nanoFluidX因子

Hole告訴我們，SPH方法是由FluiDyna研發(fā)的，是一種無網(wǎng)格的計(jì)算方法，可以替代目前常用的有限體積CFD代碼計(jì)算方法。

“一臺(tái)普通的無變速電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部大約有1000萬(wàn)個(gè)粒子，要獲得幾秒鐘的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析運(yùn)算的時(shí)間不超過兩天，運(yùn)算成本也不高。和之前的技術(shù)相比，可以說有了巨大的飛躍。”Hole說，“這一技術(shù)還一并解決了圖形處理器的性價(jià)比問題，從而對(duì)于人工智能的發(fā)展也裨益良多。”

DSD首先是把nanoFluidX應(yīng)用在一臺(tái)行星齒輪變速箱的設(shè)計(jì)上，所搭載的電動(dòng)汽車名稱并未公開。Hole解釋說，行星齒輪組會(huì)有一些潤(rùn)滑問題，比如：傳輸?shù)烬X輪系統(tǒng)正中間恒星齒輪時(shí)，嚙合過程會(huì)不順暢。此外，行星齒輪的軸承常以高速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此需要更穩(wěn)定的潤(rùn)滑油供給。

Hole透露，公司已經(jīng)將nanoFluidX應(yīng)用在了一臺(tái)電動(dòng)車的行星齒輪變速箱上。“通過精確觀察并分析潤(rùn)滑油的使用效果，以及同旋轉(zhuǎn)組件的相互作用，我們研發(fā)出了一套高度優(yōu)化的被動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，可將能耗降到最低。”

Hole解釋說，為了增加潤(rùn)滑油量，以獲得更好的熱能管理效果，同時(shí)不產(chǎn)生太多攪拌和空阻損失，需要在變速箱體內(nèi)隔出一個(gè)距離較遠(yuǎn)的密閉空間作為油底殼。通過葉輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以將潤(rùn)滑油收集到油底殼。這個(gè)依附在行星齒輪架上的油底殼成本很低，葉輪葉片能清掃旋轉(zhuǎn)部件之間的凹槽，并把這些地方的油集中到油底殼中，“而無需增加電泵成本，也不必增加封裝重量”。

油底殼中的殘余壓力會(huì)把出口處的潤(rùn)滑油往外擠，通過一系列隔板，最終到達(dá)行星齒輪軸的中心，而這里恰好是最需要潤(rùn)滑的地方。


DSD的Matt Hole表示：“我們研發(fā)出一套高度優(yōu)化的被動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，可能耗降到最低。”

接下來的研發(fā)計(jì)劃

Hole表示，在實(shí)體元件上做測(cè)試通常視線會(huì)受到限制，但采用nanoFluidX模型測(cè)試時(shí)，全程都能準(zhǔn)確檢測(cè)核心部件，確保有足夠的潤(rùn)滑油進(jìn)入部件的各個(gè)區(qū)域。同時(shí)，這也有助于確認(rèn)泵送是否可以充分快速地完成，確保其他部件正常工作。

在對(duì)一套簡(jiǎn)化系統(tǒng)做了流體運(yùn)動(dòng)和阻力損失的實(shí)體測(cè)試后，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果，研究人員證實(shí)了這一設(shè)計(jì)的可行性。旋轉(zhuǎn)臺(tái)架上的斜齒輪還帶有一個(gè)扭矩傳感器和一臺(tái)高速攝影機(jī)，可以獲取更充足的數(shù)據(jù)，讓研究人員可以信心十足地使用SPH方法分析復(fù)雜行星齒輪系統(tǒng)的工作情況。

Hole指出，nanoFluidX模型可以讓我們更好地了解潤(rùn)滑情況，使DSD更有信心做好設(shè)計(jì)上的升級(jí)。

“實(shí)際上這個(gè)泵雖然有效，但還未達(dá)到必不可少的程度。我們會(huì)修正葉輪，減少葉片數(shù)量，進(jìn)行幾何形狀的修改。”Hole說，“在不用影響潤(rùn)滑的基礎(chǔ)上，我們成功地降低了阻力，此后又把潤(rùn)滑油的總量減少了100毫升，并進(jìn)一步減少了阻力。最終通過反復(fù)嘗試，阻力損失減少了近30%，而并沒有影響變速箱里任何一個(gè)部件的潤(rùn)滑效果。”