G 齿轮热分析 · 方法图谱
Group meeting brief · 2026

齿轮热分析
方法图谱

聚焦三个问题：算什么、怎么操作、润滑考虑到哪一步。用 6 类理论 / 数值方法与 1 类试验方法，把接触点、齿轮本体和齿轮箱放在同一张图上。

6 类计算方法1 类试验方法接触 → 零件 → 系统
先确定研究尺度，再选求解方法
同一齿轮系统可以同时使用多种方法
①
接触尺度
齿面瞬时温升 · 微米级油膜
闪温 / EHL
②
零件尺度
轮齿—轮缘—轮毂温度分布
稳态 / 瞬态 FEM
③
系统尺度
齿轮—轴承—油—箱体热平衡
热网络 / CFD
接触温度 ≈ 本体温度 + 闪温
一句话框架

热源从摩擦与损失来，热量在齿轮、油和箱体之间传递。本页的“七类”是按操作路线组织的汇报分类；方法可以耦合使用，并非互斥。

01 / At a glance

七类方法总览

表中“润滑”指模型究竟把油当作给定参数、求解箱内流动，还是求解齿面油膜。

方法尺度 / 时间核心操作润滑考虑主要结果
01 闪温解析法接触 / 瞬时啮合载荷 → 滑动速度 → 摩擦热 → 热分配 → 闪温多通过摩擦系数、油温间接进入；通常不求膜厚沿啮合线接触温度、胶合风险
02 稳态 FEM零件 / 热平衡平均热流 + 分区换热边界 → 三维导热油温、换热系数、摩擦系数作为边界输入本体温度场、热变形输入
03 瞬态 FEM零件 / 随时间移动热源 + 时间步进 → T(x,t)取决于热源和换热条件来源；可接 EHL啮合周期内温升与峰值时刻
04 热网络系统 / 稳态或瞬态节点 + 热阻 + 损失功率 → 热平衡方程含油节点、油路换热与搅油损失；不解微观油膜各部件与油池平均温度
05 CFD / 共轭传热系统 / 流动油气流场 → 油量 / 流速 → 局部换热 → 固体温度直接求宏观供油、飞溅与冷却油液分布、h(x)、油温、固体温度
06 EHL / TEHL / 混合润滑接触 / 微观Reynolds + 弹性 + 能量 / 粗糙峰接触直接求齿面油膜、剪切和摩擦膜厚、压力、摩擦、油膜温度
07 试验测温真实系统 / 实测布点与标定 → 稳定工况 → 测温与同步记录真实油液参与，但温度数据本身不分解润滑机理测点温度、升温曲线、模型校核

FEM = 有限元；CFD = 计算流体力学；EHL = 弹流润滑；TEHL = 热弹流润滑。此表可横向滚动浏览。

02 / Method cards

每一种，具体怎么做

卡片统一给出研究对象、可执行流程、润滑边界、典型输入输出和适用场景。

01 闪温02 稳态 FEM03 瞬态 FEM04 热网络05 CFD06 EHL / TEHL07 试验
01

齿面闪温解析法

移动接触区的短时温升；胶合评估常用起点

接触尺度 · 瞬时

算什么 / 操作流程

沿啮合线各位置的局部闪温及接触温度。

载荷 FN→滑动速度 vs→摩擦热→两齿面分热→闪温
  1. 按啮合位置计算接触载荷、赫兹接触尺寸与两齿面速度。
  2. 给定或估算摩擦系数 μ，算局部热生成，再用分热系数 β 分配到主动轮和从动轮。
  3. 用移动热源 / Blok 型公式求各位置 ΔTflash，与齿面本体温度相加。
q″f ≈ μ p vs　·　Tcontact = Tbulk + ΔTflash
典型输入

齿形、载荷、转速、材料热物性、μ、齿面本体温度

典型输出

沿啮合线 ΔTflash、峰值接触温度、胶合评价量

适用场景

快速定位高风险啮合位置，初步比较工况与润滑方案

依据：[1] ISO/TS 6336-20 · [2] AGMA 925-B22
02

稳态有限元温度场

求长期运行达到热平衡后的齿轮本体温度

零件尺度 · 稳态

算什么 / 操作流程

齿面、齿根、轮缘和轮毂的三维温度分布。

几何与材料→平均热流→分区换热→稳态导热
  1. 建整轮、齿轮副或单齿周期模型；指定导热率 k，划分网格。
  2. 由运动学和摩擦损失算热源，再按啮合时间与受热面积折算平均热流密度 qm。
  3. 啮合面同时施加 Heat Flux 与 Convection；齿顶、齿根、非啮合面、端面分别给 h 和环境 / 油温。
  4. 求稳态温度场；需要时把温度导入结构分析求热变形。
Pf=μFNvs　·　q″in=q″m−h(Ts−Toil)
∇·(k∇T) + Q = 0
典型输入

齿轮几何、k、平均 qm、各表面 h、油温 / 气温

典型输出

T(x)、最高温位置、齿面与轮毂温差、热应力 / 变形输入

适用场景

比较转速、载荷或换热条件对本体温度与热变形的影响

依据：[3] Joule 等，稳态 FEM 与边界条件；原对话所述 2020 年 ANSYS 单齿论文
03

瞬态有限元温度场

让热源随接触点移动，求温度在啮合周期内的变化

零件尺度 · 瞬态

算什么 / 操作流程

何时、何处出现温升峰值，而不只是一张平均温度云图。

接触载荷 F(t)→移动 q(x,t)→时间步进→T(x,t)
  1. 从齿轮啮合计算 / LTCA 取得随时间变化的载荷、接触区域与滑动速度。
  2. 求 q(x,t) 并将热源位置映射到齿面；设置随时间变化的换热边界。
  3. 选择能分辨热源移动的网格与时间步；以初始本体温度为起点求瞬态导热。
ρc ∂T/∂t = ∇·(k∇T) + Q(x,t)
典型输入

F(t)、vs(t)、μ(t)、接触轨迹、初温、材料热物性

典型输出

T(x,t)、峰值位置与时刻、一个或多个周期的温升曲线

适用场景

研究移动热源、短时高温及稳态平均处理的适用性

依据：[4] 机车牵引齿轮稳态—瞬态 FEM 与闪温对照
04

热网络法

把齿轮箱抽象成温度节点与传热热阻

系统尺度 · 集总参数

算什么 / 操作流程

齿轮、轴、轴承、油池和箱体的平均温度与热流。

节点+热阻+损失功率→热平衡方程
  1. 划分齿轮、轴、轴承、油、箱体和环境节点；确定节点接触关系。
  2. 估算啮合、轴承、搅油及密封等功率损失；建立导热和对流热阻。
  3. 对每个节点列热平衡方程；稳态解代数方程，瞬态加热容项。
Rcond=L/(kA)　·　Rconv=1/(hA)　·　Σ(Ti−Tj)/Rij=Qi
瞬态：micidTi/dt = Qi − Σ(Ti−Tj)/Rij
典型输入

各处损失功率、质量与热容、材料导热率、h、几何接触面积

典型输出

节点温度、油池温度、热流路径、稳态或升温过程

适用场景

完整齿轮箱快速热平衡、参数扫描、系统级边界估计

依据：[5] 高速列车齿轮箱热网络—有限元研究
05

CFD / 共轭传热

求油在箱内怎么流、到哪里、怎样带走热

系统尺度 · 宏观流动

算什么 / 操作流程

油气分布、局部换热能力；共轭传热时同时求固体温度。

油气流域→齿轮运动→VOF / 流场→h(x) / CHT
  1. 建立箱体流域与油气初始分布、进出口 / 喷嘴和齿轮旋转边界。
  2. 按问题选 VOF 等多相模型；根据精度选 MRF、滑移网格或动网格，飞溅瞬态计算需分辨随时间变化的流动。
  3. 求油体积分数、速度、流体温度；从壁面热通量得到局部换热，或与固体域直接共轭传热。
  4. 也可把 h(x)、Tf(x) 映射给热 FEM；比较油位、流量、喷嘴位置等。
αoil + αair = 1　·　q″conv=h(x)[Tw−Tf]
典型输入

油位 / 流量、油品物性、转速、流域几何、热源、壁面热条件

典型输出

αoil(x,t)、u(x,t)、Tf、壁面热流或 h(x)、CHT 温度

适用场景

优化飞溅 / 喷油供油、箱内冷却与换热边界

依据：[6] SAE 齿轮箱 CFD/VOF 验证 · [7] 行星齿轮组油流与共轭传热
06

EHL / TEHL / 混合润滑热分析

真正进入齿面接触区，求油膜承载、剪切与生热

接触尺度 · 微观油膜

算什么 / 操作流程

膜厚、压力、摩擦；TEHL 进一步求油膜温度。

载荷 / 速度 / 曲率→Reynolds 方程↔弹性变形↔能量方程
  1. 沿啮合线给出载荷、卷吸速度、滑滚比、曲率与油品 η(p,T) 关系。
  2. 耦合 Reynolds 润滑方程与齿面弹性变形，迭代求压力 p 与膜厚 h。
  3. TEHL 再求油膜和固体的热传递、黏度变化与剪切生热；混合润滑加入粗糙峰接触分担载荷。
  4. 由摩擦 / 热流连接 FEM，可进一步求齿轮本体温度与接触闪温。
h = hgeometry + δ　·　W = Wfilm + Wasperity
典型输入

接触载荷、表面几何 / 粗糙度、速度、油品 η(p,T) 与热物性

典型输出

hmin、p(x,y)、摩擦系数、油膜温度、粗糙峰载荷份额

适用场景

胶合、油膜不足、摩擦生热及润滑方案的机理分析

依据：[8] 瞬态齿轮 TEHL · [9] 混合 EHL + 热 FEM
07

试验测温与模型校核

在真实负载、转速与润滑条件下记录温度响应

实测方法 · 验证

算什么 / 操作流程

实际测点温度、升温过程及稳定温度；用于检验模型。

确定测点→传感器标定→工况运行→同步记录→模型对照
  1. 明确油池、箱体、轴承及齿轮表面测点；选择热电偶、红外或旋转件遥测。
  2. 控制载荷、转速、油量 / 油温并记录环境条件；待热稳定或记录全过程。
  3. 检查传感器热惯性、红外发射率 / 视线与旋转件信号；给出测量不确定度。
  4. 将实测点与网络 / FEM / CFD 相同位置和时刻对照，反校热源与 h。
ΔTmeas(t) = Tpoint(t) − Tinitial
典型输入

试验台、传感器布点与标定、负载 / 转速 / 油品 / 油量

典型输出

温度曲线、稳定温度、工况对比、模型误差

适用场景

实机热表现评估、校准计算边界、检验供油改进效果

依据：[3] 齿轮箱 FEM 研究中的测温与油流观察 · [10] NASA 齿轮箱测温试验
03 / Lubrication depth

润滑究竟“考虑”到哪一层

不要只回答“考虑了 / 没考虑”。先说哪些量是输入，哪些量是模型直接求出来的。

0

未显式建油

摩擦系数、油温或换热取固定值；模型本身并不描述润滑过程。某些闪温或 FEM 简化模型属于这一层。

1

油以参数 / 边界进入

μ、Toil、hoil、搅油损失或油节点进入热平衡；典型为基础 FEM 与热网络。

2A

求宏观供油与冷却

CFD / 共轭传热直接求箱内油气流动、油量、油温及局部换热；研究油能否到达目标位置。

2B

求微观齿面油膜

EHL / TEHL 直接求接触区的膜厚、压力、剪切、摩擦与油膜温度；研究油进入齿面后如何承载。

3

双向耦合

油温改变黏度 → 膜厚与摩擦改变热源 → 齿轮温度改变油与固体换热；按研究问题将 CFD、EHL、热网络、FEM 耦合。

2A 与 2B 是两个并行方向，不是“先 CFD 再 EHL”的固定先后顺序；所需边界数据可以相互传递。

04 / Core distinction

CFD 与 EHL，究竟差在哪

两者都“考虑润滑”，求解对象与输出完全不同。

CFD

宏观供油 / 冷却

油怎么流到齿轮上，并把热带走？
研究位置
齿轮箱、喷嘴、油池和壁面周围
典型尺度
毫米到箱体尺度
重点输出
油气分布、流速、油温、壁面换热
交给热 FEM
局部 h(x)、Tf(x) 或热流边界
VS

EHL / TEHL

微观接触 / 摩擦

油进入两齿面后，如何成膜、承载并生热？
研究位置
啮合齿面的薄膜与接触区
典型尺度
微米级膜厚及局部接触区
重点输出
膜厚、压力、摩擦、油膜温度
交给热 FEM
摩擦热流 q(x,t)、摩擦系数 μ(x,t)
两条线可在热分析中会合：CFD 给冷却边界　+　EHL 给摩擦热源　→　FEM / 热网络求齿轮与箱体温度。
05 / Choose by question

组会上如何解释方法选择

先说具体问题，再给最小可行计算路线；试验用于校准和验证。

问题 01 · 哪个齿面位置有胶合风险？

接触温度路线

沿啮合线算载荷、滑动速度与摩擦热；以闪温解析法筛查。若摩擦和油膜是关键不确定量，加入 EHL / TEHL。

闪温 → 必要时 TEHL → 试验
问题 02 · 齿轮本体会热到多少、变形多少？

固体温度路线

先算摩擦热与分区换热，再做稳态 FEM；若关心短时移动热点，则改用瞬态 FEM。

热源 + 边界 → FEM → 实测校准
问题 03 · 喷油 / 飞溅冷却是否有效？

系统供油路线

热网络先估整箱热平衡；CFD 检查油能否到达关键位置及其局部换热，必要时与固体共轭传热。

热网络 → CFD / CHT → 试验
06 / References

核对依据

标准与论文原始页面；卡片中的编号对应这里。公式为工程化概括，具体计算以原文假设和边界为准。

  1. [1]
    ISO/TS 6336-20:2022 — Flash temperature methodBlok 接触温度概念与胶合风险评价
  2. [2]
    AGMA 925-B22 — Effect of Tribology and Lubrication on Gear Surface Distress润滑膜厚与瞬时接触温度
  3. [3]
    Joule et al., Thermal Analysis of a Spur Gearbox, Part 1稳态有限元边界、温度测量与油流观察
  4. [4]
    Shi et al., Analysis of bulk temperature field and flash temperature for locomotive traction gear稳态及瞬态 FEM 与 Blok 闪温对照，2016
  5. [5]
    A novel model for thermal equilibrium of a high-speed train gearbox热网络—有限元、润滑流动及多热源，2025
  6. [6]
    Li et al., Numerical Investigation on Fluid Flow of Gear Lubrication齿轮箱飞溅润滑 CFD、动态网格、VOF 与实验可视化
  7. [7]
    Dhar et al., Lubricant Flow and Temperature Prediction in a Planetary Gearset油流与共轭传热，2011
  8. [8]
    Transient thermoelastohydrodynamic lubrication analysis of an involute spur gear瞬态膜厚、压力、摩擦与温升，2004
  9. [9]
    Gan et al., Temperature behavior of spiral bevel gears under mixed lubrication混合 EHL 摩擦热与单齿热 FEM 耦合，2019
  10. [10]
    NASA · Preliminary Investigation of the Thermal Behavior of High-Speed Helical Gear Trains高速斜齿轮试验与齿轮箱热电偶测点布置，2002

注：原对话所述《基于 ANSYS Workbench 齿轮稳态温度场有限元分析》（任敏强等，2020）提供了单齿分区边界示例；页面用 [3] 作为可直接核对的同类方法论来源。此页面可离线打开，文献链接需要联网。