自動(dòng)變速器功率損失探討

周能文，代旭濤

（西安雙特智能傳動(dòng)有限公司，陜西 西安 710119）

自動(dòng)變速器功率損失探討

周能文，代旭濤

（西安雙特智能傳動(dòng)有限公司，陜西 西安 710119）

∶文章簡要介紹了在自動(dòng)變速器中造成功率損失的各方面因素，并介紹了各個(gè)因素引起的功率損失的計(jì)算方法。采用此方法可以在樣機(jī)試制前對自動(dòng)變速器總的功率損失進(jìn)行分析，對確定自動(dòng)變速器的效率目標(biāo)和減少開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)非常有幫助。同時(shí)在開發(fā)過程中，可以對引起功率損失比較大的因素進(jìn)行著重考慮，減少整個(gè)自動(dòng)變速器的功率損失。

∶自動(dòng)變速器；功率損失

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.054

CLC NO.: U463.212Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-154-03

引言

效率是自動(dòng)變速器一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，因?yàn)樾实偷淖兯倨?，功率損失非常大，油耗也就非常高。而當(dāng)前的自動(dòng)變速器設(shè)計(jì)，基本是在樣機(jī)試制完成后在臺(tái)架上測試才能獲取變速器的效率，如果效率低下，基本宣告整個(gè)開發(fā)工作失敗。所以如何根據(jù)傳動(dòng)路線和初步布置提前分析變速器的效率顯得尤為重要。本文就是在此前提下，對影響自動(dòng)變速器功率損失的各方面因素進(jìn)行了探討，并介紹了各個(gè)因素引起功率損失的計(jì)算方法，通過本文可以基本計(jì)算除變矩器之外的自動(dòng)變速器總體效率。

1、影響自動(dòng)變速器功率損失的因素和計(jì)算方法

影響自動(dòng)變速器功率損失的主要因素分為受速度影響的損失和受扭矩影響的損失。其中和速度有關(guān)的損失有齒輪嚙合損失，離合器和制動(dòng)器拖曳損失，密封元件摩擦損失，風(fēng)損，齒輪和軸承空轉(zhuǎn)損失，油泵損失等；和扭矩有關(guān)的損失有齒輪嚙合損失，軸承摩擦損失及油泵損失等。下面分別就各項(xiàng)影響因素及計(jì)算方法進(jìn)行說明。計(jì)算實(shí)例基于艾利遜3000傳動(dòng)路線，計(jì)算其在輸入轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分，輸入扭矩1000牛米條件下的功率損失，計(jì)算時(shí)選用的各齒輪齒數(shù)如表1所示。

齒輪嚙合損失是齒輪運(yùn)動(dòng)，摩擦系數(shù)，轉(zhuǎn)速和傳遞扭矩共同作用的結(jié)果。齒輪運(yùn)動(dòng)包括滾動(dòng)和滑動(dòng)，摩擦系數(shù)取決于潤滑油特性，傳遞載荷和相對轉(zhuǎn)速。計(jì)算方法參考AGMA6123-B06，計(jì)算得到示例中所有齒輪嚙合損失如圖1所示。

表1　行星輪系各齒輪齒數(shù)

圖1　齒輪嚙合損失

軸承摩擦損失取決于摩擦系數(shù)，軸承載荷，軸承尺寸和轉(zhuǎn)速。實(shí)際計(jì)算時(shí)考慮行星輪系中的所有軸承，包括止推軸承，圓錐滾子軸承，滾針軸承和滑動(dòng)軸承。計(jì)算公式參考AGMA 6123 B06，計(jì)算時(shí)各軸承所受徑向或軸向載荷可以通過在給定輸入條件下，由ROMAX建模得到。計(jì)算時(shí)所用軸承摩擦系數(shù)可以參考軸承廠家推薦的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，本文基于SKF提供的數(shù)據(jù)，見表2，計(jì)算得到示例中所有行星架上滾針軸承的摩擦損失如圖2所示：

表2　軸承摩擦系數(shù)

風(fēng)阻損失只考慮變速器中尺寸比較大的零件，比如齒圈。計(jì)算方法參考AGMA 6123-A88。計(jì)算得到示例中三個(gè)齒圈的風(fēng)阻如圖3所示，從圖中可以看出風(fēng)阻對整個(gè)變速器功率損失影響非常小。

圖2　滾針軸承摩擦損失

圖3　風(fēng)阻造成的功率損失

當(dāng)變速器處于某個(gè)檔位時(shí)，未結(jié)合的離合器和制動(dòng)器的拖曳損失對整個(gè)變速器的功率損失影響非常大，貢獻(xiàn)了大約20%的功率損失[3]。拖曳損失主要受摩擦片數(shù)量和尺寸，溫度，摩擦片間隙和潤滑油流量的影響。計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)3，從文獻(xiàn)中可以看出，拖曳扭矩和摩擦片相對轉(zhuǎn)速有關(guān)，不受輸入扭矩影響，同時(shí)對進(jìn)入離合器和制動(dòng)器的潤滑油流量非常敏感。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，指定了摩擦片尺寸數(shù)量和間隙后，為了盡可能減小離合器和制動(dòng)器拖曳損失，需要想辦法減少進(jìn)入未結(jié)合的離合器和制動(dòng)器的潤滑油流量。本示例采用了離合器和制動(dòng)器選擇性潤滑，即離合器和制動(dòng)器不工作時(shí)，通過控制手段，減少進(jìn)入其的潤滑油流量。由于離合器和制動(dòng)器中還有殘余油液或可能由變速器其他部位濺入的油液，計(jì)算時(shí)仍然假定不結(jié)合時(shí)還有部分潤滑油液進(jìn)入，見表3所示。計(jì)算得到的離合器和制動(dòng)器拖曳損失造成的功率損失如圖4所示。

表3　離合器和制動(dòng)器不工作時(shí)潤滑油流量

密封元件摩擦損失主要考慮變速器中有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的密封元件的摩擦損失，比如油封和軸上使用的旋轉(zhuǎn)密封圈，由于活塞上的密封圈沒有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所有不計(jì)算其對功率損失的影響。計(jì)算時(shí)假定在每mm直徑上有4Nmm密封損失，參考AGMA6123-A88 圖9-4。本示例中共有8個(gè)旋轉(zhuǎn)密封圈，根據(jù)各密封圈直徑，計(jì)算得到密封元件摩擦損失如圖5所示。可以看出，在所有檔位，密封元件摩擦損失基本不變。

圖4　離合器和制動(dòng)器拖曳造成的功率損失

圖5　密封元件摩擦損失

油泵是自動(dòng)變速器中必不可少的零件。油泵功率由油泵的排量，效率和工作壓力決定。本示例中假定油泵排量=50.6毫升/轉(zhuǎn)，效率=85%，工作壓力=2兆帕。

計(jì)算時(shí)假定在所有檔位時(shí)工作壓力保持不變。計(jì)算得到的油泵損失如圖6所示，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以考慮在不同工況時(shí)，減小工作壓力，以減小油泵損失，提高效率。

圖6　油泵引起的功率損失

將上述影響功率損失的因素疊加起來，得到整個(gè)變速器的功率損失如圖7所示。

圖7　自動(dòng)變速器總功率損失

從圖7中可以看出，對功率損失影響較大的是油泵損失，齒輪嚙合損失和離合器和制動(dòng)器拖曳損失。本示例是在假定某一輸入扭矩和輸入轉(zhuǎn)速的條件下計(jì)算的，實(shí)際計(jì)算時(shí)需要考慮不同的輸入扭轉(zhuǎn)的輸入轉(zhuǎn)速的組合。同時(shí)在計(jì)算過程中我們發(fā)現(xiàn)，功率損失對油泵工作壓力和未結(jié)合離合器和制動(dòng)器的潤滑流量非常敏感。

2、結(jié)論

（1）在自動(dòng)變速器中，對功率損失影響較大的是油泵損失，齒輪嚙合損失和離合器和制動(dòng)器拖曳損失。本結(jié)論可以指導(dǎo)技術(shù)人員在選取傳動(dòng)路線時(shí)，選取在各檔時(shí)參與功率流傳遞齒輪數(shù)量最少的路線，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，考慮如何在減少油泵損失以及離合器和制動(dòng)器拖曳損失方面采取措施，以提高效率，減少功率損失。

（2）當(dāng)傳動(dòng)路線選定后，由于功率損失在各種輸入扭矩、輸入轉(zhuǎn)速以及檔位條件下不盡相同，在確定自動(dòng)變速器效率目標(biāo)時(shí)，需要指定輸入扭矩和轉(zhuǎn)速以及檔位。當(dāng)樣機(jī)試制完成后可以在臺(tái)架上按相同的輸入條件測量變速器實(shí)際的功率損失，以驗(yàn)證本分析的正確性。

[1] AGMA6123-B06 Design Manual for Enclosed Epicyclic Gear Drives.

[2] AGMA6123-A88 Design Manual for Enclosed Epicyclic Gear Drives.

[2] ShinkFilm Wet Clutch Drag Method from Venu, Wet Clutch Modelling Techniques, Chalmers University of Technology, 2013.

Power Loss of Automatic Transmission

Zhou Nengwen, Dai Xutao
（Xi'an FC intelligence transmission co., LTD, Shaanxi Xi'an 710119）

Lots of items affected power loss of automatic transmission will be introduced in this paper, the calculation methods induce power loss will also be introduced. The overall power loss will be analyzed before prototype manufacture that helpful for setting the efficiency target and reducing risk. And the items which make the majority of power loss will be focused to improve the efficiency of the automatic transmission.

Automatic transmission; Power loss

∶U463.212

∶A

∶1671-7988 (2016)09-154-03

周能文（1981-），男，工程師，就職于西安雙特智能傳動(dòng)有限公司，主要從事汽車自動(dòng)變速器研發(fā)工作。

代旭濤（1984-），男，工程師，就職于西安雙特智能傳動(dòng)有限公司，主要從事汽車自動(dòng)變速器研發(fā)工作。