Page 39 - 摩擦学学报2025年第4期

第 4 期 文武翊, 等: 高速航空锥齿轮线速度对喷油润滑流场与温度场影响研究 527

研究 [20-21] 通过试验分析了齿轮风阻损失演变规律，并 真分析并利用测试装置测量了齿轮温度，仿真与试验
[22]
形成风阻损失经验公式. Massini等 研制了转速最高 结果相近；还对4种不同表面处理的齿轮胶合能力进
可达15 000 r/min的流场研究试验台，该试验台能够利 行试验研究，发现DLC涂层对齿轮抗胶合性能作用最
[32]
[33]
用粒子图像测速(PIV)技术实现对齿轮搅动的空气流 好 . 余国达等 通过建立考虑温度-模量效应和摩擦
[23]
场研究. Hill等 通过试验台测量4种不同直径和齿宽 热流-滞后热通量多热源效应的塑料齿轮运行温度场
的齿轮风阻损失并与仿真结果进行对比，发现空气在 有限元模型，预测了脂润滑下塑料齿轮的温度场分布
[34]
齿间存在多个漩涡. 除了试验方式外，CFD方法也被 规律. Chen等 研究了齿形和表面处理对齿轮胶合的
[25]
广泛利用于研究齿轮的风阻损失 [23-24] . Concli等 在齿 影响，结果显示光整相比磨削能提升30%的齿轮抗胶
轮传动系统非负载功率损失预测方面综合比较了基 合性能. 目前对齿轮的温度分析主要集中在中低速情
于试验的经验模型和数值模型，认为CFD方法的有限 况下，且换热条件大都采用经验公式计算，无法与高
体积(FV)法在预测非负载功率损失方面拥有较高的 线速度下齿轮流场对应的复杂对流环境相适应，导致
[26]
精度. Zhu等 利用Fluent对航空弧齿锥齿轮的风阻力 高速齿轮的温度分析存在不合理性.
矩进行了分析，并认为高速下合理采用导流罩可以降 针对线速度对弧齿锥齿轮喷油润滑特性和温度
低80%的风阻损失. Arisawa等 [27] 采用FLOW-3D软件 影响规律不清的问题，本文中以某航空发动机附件机
将齿轮润滑对应的流体动力损失进行分类，为导流罩 匣弧齿锥齿轮为研究对象，利用CFD方法进行高线速
优化提供方向. 齿轮风阻损失除了对提高流体的湍 度下齿轮流场分析和风阻功率损失研究，并进行考虑
动能外，还是高速情况下滑油和齿轮温升的主要原 摩擦、风阻多热源及基于流场的散热边界实现齿轮温
因 [19, 21, 28] . 然而现有研究中对齿轮风阻损失和齿轮温 度场计算，获取不同线速度下齿轮温度分布规律，为
度的影响的关联研究较少，高速下近指数增加的风阻 高速航空齿轮传动提供设计边界和理论支撑.

使得有必要考虑风阻损失带来的齿轮温度影响.
高速相比低速而言，由于齿轮啮合频率增加、与 1 流-热耦合分析模型
流体摩擦和对流加剧，将表现出不一样的温度峰值和 该齿轮副用于某航空发动机的附件机匣传动系
规律. 一些文献中 [29-30] 利用热-流耦合模型研究了喷油 统，如图1所示，用于整个机匣的功率输入，属于典型的
流场对温度场的影响，为喷油润滑设计提供指导. Lu 高速重载的齿轮副. 其传递额定功率为 P 0 =223.50 kW，
[5]
等 利用CFD手段得到直升机中间减速器弧齿锥齿轮 小齿轮的额定转速为 n 1 =13 800.85 r/min (分度圆线速
搅油润滑情况下的对流换热系数，并将其作为齿轮固 度为91.70 m/s)，额定扭矩 T 1 =154.66 N·m. 该对弧齿锥
体域和流体域的换热边界. 通过该手段得到的油池温 齿轮润滑劣化将造成其迅速升温，胶合风险加剧，严
度与试验相近，说明在计算系统温度场时需要考虑系 重影响装备可靠性，亟需开展多场特性的研究.
统流场分布. Chen等 对喷油润滑齿轮进行了温度仿 建立了基于有限体积法的航空弧齿锥齿轮热-流
[31]

Z 1 =32 Z 2 =43
Input rotational speed: 13 800.85 r/min M n =3.25 M n =3.25 Shaft
Input power: 223.5 kW Bevel gear pair
Spur gear pair

Output 1

Output 2
Power
distribution
Output 3

Output 4
Output 4 Output 3 Output 2 Output 1

Fig. 1 Spiral bevel gear in the transmission system of aeroengine accessory
图 1 航空发动机附件传动系统中的弧齿锥齿轮