所属栏目：新闻中心发布时间：2026-04-28浏览量:677
重庆大学高端装备机械传动全国重点实验室、中国航发四川燃气涡轮研究院文武翊、刘怀举团队在《摩擦学学报(中英文)》发表论文《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》。该研究针对航空发动机附件传动系统中高速弧齿锥齿轮面临的润滑失效与异常温升难题，通过建立精细的热-流耦合仿真模型，首次系统揭示了齿轮线速度在高达160 m/s 的超高速范围内对喷油润滑流场、功率损失及齿轮温度场的深远影响规律。研究发现，射流破碎、风阻损失剧增是导致高速条件下润滑失效与效率下降的关键，为新一代高功率密度航空齿轮的可靠润滑与热管理设计提供了关键理论支撑。
弧齿锥齿轮是航空发动机与直升机传动系统的核心部件，常在超10000 r/min 的极端高速下运行。传统的喷油润滑设计依赖于经验公式，无法反映高速旋转产生的“气障”对射流的复杂干扰，极易导致乏油、润滑失效，进而引发齿轮胶合、点蚀等致命故障，威胁飞行安全。为此，研究团队以某型航空发动机附件机匣弧齿锥齿轮为研究对象，构建了基于计算流体动力学 的精密仿真模型，系统探究了40 m/s至160 m/s线速度下的流场与温度场演变。
研究首先揭示了高速对喷油流场的颠覆性影响。仿真结果清晰显示，随着线速度从40 m/s提升至160 m/s，高速旋转产生的强大气流屏障使得润滑射流发生严重破碎并向小轮偏移，导致能有效进入啮合区的油液锐减。定量分析表明，齿面平均油液体积分数急剧下降83.5%，在120 m/s后齿面已出现明显的“乏油”状态。这不仅直接削弱了润滑效果，还显著影响了散热：在120 m/s之前，啮合区对流换热系数随转速升高而增加;但超过此临界速度后，由于油液匮乏，对流换热条件反而恶化，加剧了局部过热风险。
其次，研究量化了高速下急剧攀升的“风阻损失”及其主导地位。风阻损失源于齿轮与周围空气、油雾的剧烈摩擦。仿真发现，风阻损失随线速度提高呈现近似指数级的增长。在80 m/s线速度后，风阻损失已取代啮合摩擦损失，成为齿轮传动功率损失的最主要来源;当线速度达到160 m/s时，风阻损失占总功率损失的比例超过80%。这一发现修正了传统设计中忽略风阻产热的认知，明确了高速工况下散热设计必须优先考虑风阻产热这一核心矛盾。
最终，热-流耦合模型精准预测了齿轮的温度场分布与演变。综合计入风阻产热、啮合摩擦生热及基于真实流场的散热边界后，仿真获得了齿轮的稳态温度场。结果表明，齿轮最高温度随线速度单调显著上升：从40 m/s时的169.7°C飙升至160 m/s时的293.7°C，升幅达73%，胶合失效风险急剧增大。同时，齿轮轮体不同部位间的温差也随转速扩大(如大轮温差增加约70°C)，这将导致显著的热应力和热变形，进而影响啮合精度与传动稳定性。
该研究通过高保真的多物理场耦合仿真，首次全面阐明了线速度对航空弧齿锥齿轮喷油润滑性能与热态行为的复杂作用机制，明确了射流破碎、风阻损失、乏油散热是制约其高速性能的三大瓶颈。研究成果不仅为现有航空齿轮传动系统的故障分析与性能提升提供了直接理论依据，其建立的“流场-热场”耦合分析方法与获得的关键数据，更为未来突破200 m/s 乃至更高速度极限的下一代航空齿轮传动系统的高可靠性润滑设计、高效热管理与轻量化提供了不可或缺的核心设计输入与验证基准，具有重要的工程指导价值。