Page 42 - 摩擦学学报2025年第4期

530 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

的齿面润滑环境： 果得到的风阻力矩可以计算出齿轮的风阻功率损失，
由于其主要发生在齿面和端面于流体相互作用而导
(5)
µ = qµ oil +(1−q)µ air
致，因此分别将端面风阻和齿面风阻均匀加在齿轮上.
式中， µ为齿面综合动力黏度，单位为mPa·s； q为油液
根据Stefan-Boltzmann修正公式，由于齿轮运转过程温
体积分数； µ oil 和 µ air 分别为滑油的动力黏度和空气的
度较低，因此可以忽略辐射散失的热量，文献[5]在研
动力黏度，单位为mPa·s.
齿轮风阻损失产生的原因是齿轮对空气和液滴 究齿轮温度时也忽略了通过辐射散失的热量. 由此对
两相产生力的作用，导致流体的动量发生改变，致使 于该对齿轮的温度场，对流换热为其唯一的散热途径.
流体湍动能增加和温度上升. 齿轮风阻力矩主要由黏 在流场中提取端面和齿面对流换热系数，作为散热边
性力矩和惯性力矩构成 [23, 26] ，如图5所示. 利用流场结 界施加到温度场.

Two types of windage torque
Air or oil

Turbulence
Laminar flow

Moving wall
Inertia torque Viscous torque

Fig. 5 Inertia moment and viscous moment
图 5 惯性力矩和黏性力矩

2 流场仿真结果 说明齿轮线速度越高，其对射流的影响越显著. 其原
因是齿轮高速旋转产生的气障对射流造成了显著影
由于该航空弧齿锥齿轮的可能工作转速在10 000~
响，这与一些观察结果类似 [13, 40] ，为保证齿轮润滑散
20 000 r/min，因此研究线速度范围为40~160 m/s，仿
热可靠，此时应采取措施提高喷油速度以克服气障带
真模型的转速范围列于表3中.
来的负面效果.
表 3 仿真模型的转速范围 线速度40和160 m/s下齿面油液分布对比如图7(a)
Table 3 Speed range in simulation 所示. 由于齿面油液主要分布在两齿轮啮合侧±30°，
Gear linear Rotational speed of the Rotational speed of the 因此同时提取该部分齿面油液占比，如图7(b)所示.
velocity/(m/s) pinion/(r/min) gear/(r/min)
40 m/s时齿面油液体积分数在油液刚进入时最大，随
40 6 017.2 4 478
着齿轮啮出，齿面油液体积分数降低，最后被甩离齿
60 9 025.8 6 717
80 12 034.4 8 956 面，此时体积分数大于0.05的面积比例均超过25%. 当
100 15 043.0 11 195 齿轮线速度达到160 m/s时，由于射流破碎搅飞，无法
120 18 051.6 13 434
有更多油液进入啮合区，油液体积分数大于0.05的面积
140 21 060.2 15 673
比例均低于5%. 提取齿轮齿面油液体积分数均值随线
160 24 068.8 17 912
速度变化的情况，如图7(c)所示，可知齿面油液体积分
齿轮线速度在40和160 m/s时齿轮射流液柱的分 数均值随线速度提高而降低，从40 m/s的0.012 75下降
布对比如图6所示. 齿轮40 m/s时射流液柱形状完整， 到160 m/s的0.002 085，下降83.5%，齿轮润滑条件劣化.
能够进入到齿轮啮合部位的油液充足，说明该转速对 为进一步研究油液对对流换热的影响，分析了
射流的影响小. 当线速度为160 m/s时，射流液柱发生 2种典型转速工况齿面对流换热分布，如图8(a~b)所
破碎且向小轮偏移，齿轮啮合部位基本无滑油存留. 示. 从图8中可知油液喷射到齿面上时，齿面对流换热