商用車傳動軸的傳動效率試驗對比分析

楊曉明　虞陽　江小柯　孫金其

摘 要：有三種商用車傳動軸，進行傳動軸的傳動效率試驗。通過試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，得出影響傳動效率的因素有萬向節(jié)夾角、檔位等。試驗結(jié)果顯示，夾角增加時傳動效率降低；轉(zhuǎn)速升高時傳動效率降低；在低轉(zhuǎn)速傳動效率趨勢較平緩；在高轉(zhuǎn)速傳動效率下降趨勢變快；轉(zhuǎn)速差波動小時，扭矩差曲線也可以得到與傳動效率曲線相似的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：商用車；傳動軸；傳動效率；扭矩差； 對比分析

中圖分類號：U463.216 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2016）06-0088-05

Abstract： There are three kinds of transmission shafts for commercial vehicle， the experiment was done according to the test standard of transmission shaft transmission efficiency test. Based on the comparison and analysis of the test data， it is concluded that the factors affecting the efficiency of the transmission are the angle of the universal joint， the gear position and so on. Test results show that the transmission efficiency decreased with the angle of the universal joint increasing； it decreased with the increasing of speed； in low speed transmission efficiency trend is gentle； in high speed transmission efficiency trend decline； the fluctuations of speed difference of is small， the torque curve can also get the law similar to the transmission efficiency curves.

Key Words： Commercial vehicle； Transmission shaft； Transmission efficiency； Torque difference； Comparative analysis

1 前言

發(fā)動機與驅(qū)動輪之間的動力傳遞裝置為傳動系，傳動性能的好壞將直接影響到商用車行駛性能的優(yōu)劣，對商用車的性能有非常重要的影響。傳動系主要是為了實現(xiàn)商用車的減速增扭、變速、倒檔、輪間差速以及必要時中斷動力傳遞，與發(fā)動機配合工作，能保證商用車在各種工況條件下的正常行駛。

萬向傳動軸一般是由萬向節(jié)、傳動軸和中間支撐組成。傳動軸作用是在汽車行駛過程中傳遞轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運動。萬向傳動軸是傳動系統(tǒng)的核心部分，變速箱的動力通過傳動軸接收，把動力傳遞給后橋，從而驅(qū)動汽車正常行駛。由于傳動軸結(jié)構(gòu)是兩段軸式，即由3個萬向節(jié)與2段軸組成，動力在經(jīng)過傳動軸的過程中，由于軸的材料和結(jié)構(gòu)特性與萬向節(jié)的存在，不可避免的會有能量的損失。由于傳動軸結(jié)構(gòu)本身的運動學(xué)、動力學(xué)特點，工作過程中高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)汽車行駛時，路況的不同，商用車的車輪會上下跳動，使得傳動軸的2個萬向節(jié)軸間夾角不為零且經(jīng)常變化，從而造成傳動系統(tǒng)的能量與效率有所損失；傳動軸工作時傳遞扭矩與功率的不斷變化不利于汽車的平穩(wěn)運行。能量與效率的損失不僅會導(dǎo)致商用車驅(qū)動力變小、燃油消耗增加，會使萬向節(jié)溫度升高、潤滑條件變差，嚴(yán)重時會造成萬向節(jié)磨損、密封膠套破裂[1-4]。商用車的不平穩(wěn)運行將影響經(jīng)濟性、乘用舒適性，甚至使元件破壞、發(fā)生事故等，可見對商用車傳動軸的傳動效率具有一定的研究意義[5]。

本文以三種商用車傳動軸為檢測對象，依據(jù)我國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T29082-1992 《汽車傳動軸總成技術(shù)條件》、美國汽車工程師學(xué)會（SAE）標(biāo)準(zhǔn) J 901《Universal Joints and Driveshaft Nomenclature Terminology Application》和日本汽車標(biāo)準(zhǔn)化組織JASO7208標(biāo)準(zhǔn)《汽車傳動軸總成試驗方法》的要求，在美國寶克（BURKE）公司制造的汽車電控動力傳動系實驗臺上[6]，分別進行了三種商用車傳動軸傳動效率的性能對比試驗。在不同輸入轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入與輸出軸夾角的試驗條件下，檢測商用車傳動軸輸入軸和輸出軸間的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，對比分析了傳動軸的傳動效率。

2 試驗?zāi)康?/p>

對商用車傳動軸進行不同夾角狀態(tài)和不同工況下的傳動效率對比檢測分析，目的是通過主觀評價試驗和統(tǒng)計分析計算，降低汽車油耗，提高傳動效率。

傳動效率是傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)，傳動效率的高低是評價設(shè)計的重要指標(biāo)。，影響萬向節(jié)傳動效率的主要因素為擺角。由于商用車在行駛中路面的波動和車速的變化，擺角和轉(zhuǎn)速也在劇烈轉(zhuǎn)變。因此對不同擺角和不同輸入轉(zhuǎn)速時傳動軸的傳動效率研究具有重要意義，能夠?qū)鲃有侍匦杂懈由钊氲牧私狻?/p>

3 技術(shù)要求

3.1 檢測概況：試驗設(shè)備與原理

3.3 傳動軸的試驗狀態(tài)

3.3.1 傳動軸工作狀態(tài)

當(dāng)汽車在不平路面行駛的過程中，由于路面沖擊車輪使懸架系統(tǒng)振動，造成變速器輸出軸與后橋輸出軸軸線的相對位置經(jīng)常發(fā)生變化。

3.3.2 萬向節(jié)夾角的選取

試驗萬向節(jié)夾角角度根據(jù)傳動軸跳動圖的上下跳動的極限位置及最大擺角，進行選取，在試驗過程中第一萬向節(jié)（在車上安裝狀態(tài)從前面算）處夾角一直保持為0度，第二萬向節(jié)與第三萬向節(jié)處設(shè)置相等夾角，分別為0?-0?-0?、0?-2?-2?、0?-4?-4?、0?-6?-6?和0?-8?-8?度，夾角的偏轉(zhuǎn)方向均呈Z型布置狀態(tài)。如圖1所示：

4 傳動軸傳動效率試驗數(shù)據(jù)

4.1 樣件1的傳動效率

樣件1在試驗過程中，六檔工況對應(yīng)的0?-4?-4?、0?-6?-6?、0?-8?-8?以及五檔工況對應(yīng)的0?-8?-8?的轉(zhuǎn)矩傳感器讀數(shù)波動較大，這是由于高速檔時轉(zhuǎn)速過高容易引起樣件抖動而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)現(xiàn)象。為防止樣件破壞，停止試驗，沒有獲得試驗結(jié)果。其他夾角狀態(tài)和載荷工況下的傳動效率結(jié)果列于表3：

可見：1）傳動軸的整體傳動效率較高，都在99%以上。2）隨著檔位的升高，傳動效率有變小的趨勢，但是變化趨勢較平緩。3）隨著夾角的增大，各檔位傳動效率略有降低。4）與其他檔位相比，六檔的兩組效率數(shù)據(jù)出現(xiàn)反常增加的情況。補做兩組試驗，六檔的傳動效率仍然高于同夾角狀態(tài)下的五檔效率。

4.2 樣件2的傳動效率

樣件2在試驗過程中，六檔工況在0?-0?-0?的時候轉(zhuǎn)矩波動就很大，因此后面就沒有做此工況。另外，一檔工況和五檔工況在0?-6?-6?和0?-8?-8?的狀態(tài)下也出現(xiàn)類似的轉(zhuǎn)矩波動問題，也沒有獲得試驗數(shù)據(jù)?？梢?，不僅高轉(zhuǎn)速工況會出現(xiàn)試驗不穩(wěn)定狀況，在轉(zhuǎn)速較低的大轉(zhuǎn)矩工況也會出現(xiàn)試驗狀態(tài)不穩(wěn)定的情況。樣件2各夾角狀態(tài)和載荷工況下的傳動效率結(jié)果列于表4：

根據(jù)表5數(shù)據(jù)可以看出：1）傳動軸的整體傳動效率較高，都在98%以上。2）隨著檔位的升高，傳動效率有變小，且高檔區(qū)變小的趨勢較快。3）隨著夾角的增大，各檔位傳動效率降低，但變化很小。4）與樣件1相比，低檔的傳動效率更高，但高檔位傳動效率下降的幅度更大，因此四、五檔的傳動效率要低于樣件1。

4.3 樣件3的傳動效率

樣件3的傳動效率結(jié)果列于表5。因為六檔工況轉(zhuǎn)矩波動很大而沒有進行此工況試驗，因此在表中沒有體現(xiàn)。另外，一檔、二檔在0?-6?-6?和0?-8?-8?的狀態(tài)下以及五檔在0?-4?-4?、0?-6?-6?、0?-8?-8?狀態(tài)也出現(xiàn)類似的轉(zhuǎn)矩波動問題，也沒有獲得試驗數(shù)據(jù)。

在樣件3的試驗中，個別檔位的試驗結(jié)果出現(xiàn)夾角增大時傳動效率反而增加的情況，與常理相悖。為此，對這幾個檔位有問題的夾角狀態(tài)進行多次試驗測量，但數(shù)據(jù)反常的現(xiàn)象依然存在。

根據(jù)圖表數(shù)據(jù)可以看出：1）在獲得試驗結(jié)果的工況下，傳動軸的整體傳動效率較高，基本都在99%以上。2）隨著檔位的升高，傳動效率有變小的趨勢，且高檔區(qū)變小的趨勢較快。3）隨著夾角的增大，各檔位傳動效率總體上是在降低的，但1、2、3檔的0?-4?-4?傳動效率略高于0?-2?-2?的效率，四檔的0?-8?-8?效率高于0?-6?-6?效率，與常識相反。4）樣件3的低檔傳動效率較高，高檔傳動效率下降幅度較大，其變化趨勢與樣件2的相類似。五檔傳動效率比樣件2的相應(yīng)值稍高，但在試驗過程中轉(zhuǎn)矩波動較大。

5 傳動軸傳動效率試驗分析

5.1 傳動效率的計算

輸入、輸出測功機各有一個轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器（圖8），其測量值分別是傳動軸兩端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。由于傳動軸樣件在試驗過程中滿足雙十字軸萬向節(jié)等速傳動條件，因此可以認(rèn)為輸入、輸出端的轉(zhuǎn)速總是相等的。這樣，傳動軸的傳動效率就變成了它輸出端轉(zhuǎn)矩與輸入端轉(zhuǎn)矩的比值。

對于轉(zhuǎn)矩傳感器來說，其測量值等于轉(zhuǎn)矩真實值、零漂和傳感器測量誤差的和。其中，零漂可以在沒有加載的狀態(tài)下讀出并且假設(shè)在本實驗狀態(tài)下保持不變；傳感器誤差也可以近似測量出。這樣就可以得到傳動軸樣件兩端的真實轉(zhuǎn)矩T入、T出，而傳動軸的傳動效率就等于二者的比值，即η= T出/T入。

試驗中，軸的夾角狀態(tài)有5種。試驗工況根據(jù)等速驅(qū)動軸在車上6種檔位的使用工況決定。

理論上等速驅(qū)動軸0°夾角試驗傳動效率為100%，實際汽車行駛的狀態(tài)和試驗中都存在誤差，誤差主要來源于傳動軸萬向節(jié)結(jié)構(gòu)中的細微間隙，萬向節(jié)與聯(lián)結(jié)件之間的細微間隙，這都是影響驅(qū)動軸傳動效率的因素。

通過試驗測量得到的各軸0°夾角狀態(tài)傳動效率很接近100%，所以，在試驗數(shù)據(jù)的處理過程中，設(shè)定每一根軸的零夾角狀態(tài)傳動效率為100%，而用其他夾角狀態(tài)的傳動效率與之其的比值作為它們的效率。

汽車的行駛速度的要求，是通過變速箱改變傳動比，車速可變快或變慢，此試驗設(shè)備就是模擬變速箱，來設(shè)定各檔位的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，這樣就能模擬出商用車相應(yīng)檔位的狀態(tài)。

5.2 傳動軸輸入與輸出的扭矩差分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，每個傳動軸的三檔和四檔有全套的數(shù)據(jù)，所以本文中僅繪出三檔和四檔傳動軸輸入與輸出的扭矩差曲線，見圖2及圖3。通過試驗數(shù)據(jù)分別繪出夾角0?-0?-0?；0?-2?-2?；0?-4?-4?；0?-6?-6?；0?-8?-8?時輸入與輸出軸間的轉(zhuǎn)矩差隨傳動軸轉(zhuǎn)速變化的曲線。由于傳動軸的傳動效率等于輸出軸的功率除以輸入軸的功率，功率又等于扭矩和轉(zhuǎn)速的乘積，轉(zhuǎn)速差的波動范圍很小在幾轉(zhuǎn)內(nèi)，所以效率的大小主要與扭矩差有關(guān)，因此扭矩差曲線中也可以得到與效率曲線的相似的規(guī)律。隨著軸間夾角的加大，扭矩差也在逐漸加大，在扭矩、轉(zhuǎn)速和軸間夾角相同情況下，樣件1比樣件2和樣件3的扭矩差要大，而且樣件1和樣件2在不同夾角時的扭矩差波動也比較大，對比三檔和四檔，樣件3的數(shù)據(jù)比較趨于平穩(wěn)。

6 結(jié)束語

通過傳動軸在不同試驗工況下進行的傳動效率的試驗分析，由分析結(jié)果可知

傳動軸的傳動效率較高，在此次工況下能達到98%以上，夾角增加導(dǎo)致傳動效率降低，相同樣件的相同檔位下，萬向節(jié)夾角變大則傳動效率會降低，但在本次試驗的夾角范圍內(nèi)傳動效率值變化不大；

轉(zhuǎn)速升高導(dǎo)致傳動效率降低的趨勢，在低轉(zhuǎn)速的傳動效率下降的趨勢較平緩，高轉(zhuǎn)速的傳動效率下降趨勢變快。夾角比轉(zhuǎn)速對傳動效率的影響大；輸出轉(zhuǎn)速的波動將疊加至最大，相對誤差可能達到2%以上，嚴(yán)重影響傳動軸的性能。

從樣件3的0?-2?-2?試驗數(shù)據(jù)中分析，轉(zhuǎn)速增加使得傳動效率降低，最低車速時傳動效率達到99.96%，最高車速時傳動效率為98.99%，它們相差0.97%，說明轉(zhuǎn)速對傳動效率影響不大。

三個樣件相比較，樣件1的傳動效率值比較穩(wěn)定，獲得的試驗數(shù)據(jù)點相對較多，初步判斷這是與采用彈性連軸器有關(guān)。樣件2和樣件3的傳動效率基本相近，變化趨勢也基本一致，低檔傳動效率較高，高檔傳動效率下降幅度較大。

轉(zhuǎn)速差的波動范圍很小在幾轉(zhuǎn)內(nèi)，所以效率的大小主要與扭矩差有關(guān)，因此扭矩差曲線中也可以得到與效率曲線的相似的規(guī)律。

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