Thermo-elastohydrodynamics of hypoid gears with formulated lubricants

Abstract

One of the main design criteria currently used by the automotive industry us that of designing fuel efficient vehicles. Strict regulations imposed within the European Union and the United States, dictate progressively lower limits of greenhouse gases emissions, either via imposed taxation or, in extreme cases via refraining the distribution of certain vehicle models. Friction itself is one of the sources responsible for increased fuel consumption. Consequently, its understanding on a full scale system level is of essential importance in employing improved design methodologies and fuel efficient lubricants. The present study focuses its attention on the theoretical prediction of the power losses and the conjunctional efficiency of hypoid gear pairs which are located in the differential units of modern cars. Particular attention is paid on the effect of the lubricant formulation on the efficiency performance of the system. This is realised through the rheological characterisation of the lubricating oil under well controlled laboratory conditions, such as those appearing in viscometers. A total of 6 gear lubricants of the same viscosity grade (SAE 75W-90), blended with the same additive pack are examined. The key difference between each lubricant is on the type and the concentration of the Viscosity Modifier (VM). The viscosity of each fluid is characterised for high temperature, high pressure and high shear rate, conditions usually encountered in the Elastohydrodynamic (EHD) conjunctions of highly loaded hypoid gears. The conjunctional efficiency of three different hypoid gear pair geometries is examined under the influence of different lubricant formulation. The actual contact geometry of each gear-set is captured through a quasi-static Finite Element (FE) procedure known as Tooth Contact Analysis (TCA). The torsional gear dynamics of the gear pair are also captured through a 4 Degree of Freedom (DoF) lumped parameter model, highlighting the impact of the inertial properties of the system on its efficiency performance.

Ένα από τα βασικά κριτήρια σχεδιασμού που εφαρμόζονται σήμερα στη βιομηχανία αυτοκινήτων είναι η ανάπτυξη οχημάτων υψηλής ενεργειακής απόδοσης. Οι αυστηροί κανονισμοί που έχουν θεσπιστεί στην Ευρωπαϊκή Ένωση και στις Ηνωμένες Πολιτείες επιβάλλουν προοδευτικά χαμηλότερα όρια εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, είτε μέσω φορολογικών επιβαρύνσεων είτε, σε ακραίες περιπτώσεις, με την απαγόρευση διάθεσης συγκεκριμένων μοντέλων στην αγορά. Η τριβή αποτελεί έναν από τους βασικούς μηχανισμούς που συμβάλλουν στην αυξημένη κατανάλωση καυσίμου. Ως εκ τούτου, η εις βάθος κατανόηση του φαινομένου σε επίπεδο ολοκληρωμένων μηχανολογικών συστημάτων καθίσταται κρίσιμη για την ανάπτυξη βελτιωμένων μεθοδολογιών σχεδιασμού και τη χρήση ενεργειακά αποδοτικών λιπαντικών.Η παρούσα μελέτη εστιάζει στη θεωρητική πρόβλεψη των απωλειών ισχύος και της συζευκτικής απόδοσης ζευγών ιπποειδών οδοντωτών τροχών, οι οποίοι αποτελούν βασικά εξαρτήματα των διαφορικών μονάδων στα σύγχρονα οχήματα. Ιδιαίτερη έμφαση δίδεται στην επίδραση της χημικής σύνθεσης των λιπαντικών στην ενεργειακή απόδοση του συστήματος. Η διερεύνηση πραγματοποιείται μέσω του ρεολογικού χαρακτηρισμού λιπαντικών ελαίων υπό ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες, όπως αυτές που απαντώνται σε μετρήσεις με ιξωδόμετρα. Εξετάζονται έξι λιπαντικά οδοντωτών τροχών της ίδιας κατηγορίας ιξώδους (SAE 75W-90), παρασκευασμένα με το ίδιο πακέτο πρόσθετων. Η κύρια διαφοροποίηση μεταξύ τους αφορά τον τύπο και τη συγκέντρωση του τροποποιητή ιξώδους (Viscosity Modifier, VM). Το ιξώδες των υπό μελέτη υγρών χαρακτηρίζεται υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής πίεσης και υψηλού ρυθμού διάτμησης, οι οποίες είναι τυπικές στους ελαστοϋδροδυναμικούς (EHD) συζευκτικούς μηχανισμούς των ιπποειδών οδοντωτών τροχών. Η συζευκτική απόδοση τριών διαφορετικών γεωμετριών ιπποειδών ζευγών διερευνάται υπό την επίδραση διαφορετικών συνθέσεων λιπαντικών. Η πραγματική γεωμετρία επαφής κάθε ζεύγους προσδιορίζεται μέσω ημι-στατικής ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element, FE), γνωστής ως Ανάλυση Επαφής Οδόντων (Tooth Contact Analysis, TCA). Επιπλέον, η στρεπτική δυναμική των ζευγών γραναζιών περιγράφεται μέσω ενός συγκεντρωμένου παραμετρικού μοντέλου τεσσάρων βαθμών ελευθερίας (4-DoF), το οποίο αναδεικνύει τον ρόλο των αδρανειακών ιδιοτήτων του συστήματος στη συνολική ενεργειακή του απόδοση.