變速器效率影響因子及匹配因素分析

張宏超 牟連嵩 王永超 馬 肖 劉雙喜 高海洋

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

近20年來汽車工業(yè)發(fā)展成為我國工業(yè)制造業(yè)的支柱型產(chǎn)業(yè)之一，2016年底我國汽車保有量已接近2億輛[1]，2016年中國汽車年產(chǎn)量已超過兩千八百萬輛[2]，汽車成為我國社會活動中的重要組成部分。與此同時，由于汽車帶來的能源與環(huán)保問題也愈發(fā)突出，汽車整體“節(jié)能減排”技術(shù)壓力加大[3]。

隨著汽車工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)階段汽車“節(jié)能減排”技術(shù)進(jìn)入了微利時代，即不可能通過某個單一技術(shù)或部件的改進(jìn)帶來燃油經(jīng)濟(jì)性的顯著提高，通過對各個部件效率的優(yōu)化積累成整車燃油經(jīng)濟(jì)性的提升這種方式越來越受到重視[4]。作為汽車動力傳遞路徑中的重要一環(huán)，變速器的傳遞效率對于提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性影響顯著，對影響變速器效率因素的研究和變速器效率的精確測量也就變得尤為重要[5]。

本文基于AVL動力總成測試臺架，研究了變速器效率高精度測量方法，分析了影響變速器效率的因素，通過正交設(shè)計試驗方法對變速器的效率影響因素進(jìn)行了試驗驗證，為通過變速器高效工況區(qū)匹配、外界因子優(yōu)化來提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性提供了技術(shù)手段。

1 測試平臺

動力總成測試平臺主要由測功機(jī)系統(tǒng)、執(zhí)行器系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)系統(tǒng)、車輛動力學(xué)實時仿真系統(tǒng)、其它附屬設(shè)備等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 AVL臺架總體圖

1.1 測功機(jī)系統(tǒng)

主動和負(fù)載測功機(jī)系統(tǒng)分別采用AVL Dyno－Prime模塊和AVL DynoTrain模塊。主動電機(jī)用于模擬發(fā)動機(jī)的動態(tài)工況；負(fù)載電機(jī)用于模擬車輪工況?？梢愿鷵?jù)用戶需求對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行實時調(diào)整，以真實地模擬車輛行駛過程。

1.2 執(zhí)行器系統(tǒng)

執(zhí)行器系統(tǒng)包括換擋機(jī)器人、離合器操縱機(jī)構(gòu)和油門執(zhí)行器等。它們的主要功用是模擬真實環(huán)境中，對動力總成的操作動作。如換擋機(jī)器人的換擋臂有三個自由度，可以對變速桿處于不同擋位時的坐標(biāo)位置進(jìn)行標(biāo)定，實現(xiàn)不同操作路徑的換擋操作[6]。

1.3 控制及數(shù)據(jù)系統(tǒng)

測功機(jī)綜合控制和數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)是整個動力總成系統(tǒng)的中樞，采用AVL PUMA Open動力總成測控系統(tǒng)，提供了人性化的人機(jī)界面和豐富的數(shù)據(jù)管理手段?；谟嬎銠C(jī)技術(shù)和數(shù)字化通訊原理，試驗臺采用閉環(huán)控制的方式對系統(tǒng)進(jìn)行有效和準(zhǔn)確的監(jiān)控，控制各測功機(jī)、變速器按照設(shè)定的工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)運轉(zhuǎn)。同時，它實現(xiàn)了4臺負(fù)載測功機(jī)、1臺動力測功機(jī)、油耗儀、空氣流量計、各種溫度、濕度和壓力傳感器等測試儀器的信號集中處理，為試驗的數(shù)據(jù)效果提供了保障。

1.4 車輛動力學(xué)實時仿真系統(tǒng)

動力總成臺架車輛動力學(xué)實時仿真系統(tǒng)可根據(jù)被試車型的設(shè)計參數(shù)和所選用的動力總成實物，對變速器進(jìn)行目標(biāo)車輛環(huán)境的測試試驗，整車參數(shù)與動力總成匹配優(yōu)化試驗，目標(biāo)車輛排放性能和油耗性能評價等。

1.5 附屬設(shè)備

其它附屬設(shè)備，包括瞬時油耗儀、排放分析儀、發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)可以為帶有發(fā)動機(jī)的試驗項目提供發(fā)動機(jī)相關(guān)測試手段。

2 變速器效率測試影響因素

指定工況點變速器效率受多種外界因素影響，這些影響因素或增加了效率測試數(shù)據(jù)的誤差，或影響了特定工況點下的效率真值。這將會導(dǎo)致變速器效率優(yōu)化與預(yù)期不一致。影響測試結(jié)果的主要因素有傳感器精度、半軸安裝角度、潤滑油溫度等。

2.1 轉(zhuǎn)矩傳感器

轉(zhuǎn)矩傳感器因溫度、自身零點漂移等因素可能造成讀數(shù)誤差[7]。AVL動力總成臺架各傳感器精度很高，試驗用轉(zhuǎn)矩傳感器精度為0.05%，但轉(zhuǎn)矩傳感器都有零點漂移現(xiàn)象，必須加以考慮。

轉(zhuǎn)矩傳感器零點漂移后會在變速器靜止時就產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，而此轉(zhuǎn)矩在實際中是不存在的，由于漂零轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，會使得變速器所測得的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生偏差，此偏差會直接影響到變速器的傳動效率。在測試高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩時影響可能相對較小，但在低轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩時會使得測得的變速器效率嚴(yán)重失真，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)矩傳感器飄零導(dǎo)致結(jié)果失真

2.2 半軸安裝角度

在車輛運動中，由于懸架不斷調(diào)整姿態(tài)以適應(yīng)道路路況的變化，造成半軸與差速器軸向基準(zhǔn)的夾角不為零且隨路況及駕駛工況變化。為研究半軸與差速器軸向基準(zhǔn)夾角對效率測試結(jié)果的影響，設(shè)計不同上述夾角試驗工況。在試驗中，上述夾角稱為半軸安裝角度。

內(nèi)側(cè)萬向節(jié)夾角2°，外側(cè)萬向節(jié)夾角分別是2°、10°、25°的低、高轉(zhuǎn)速（200 r/min 和 800 r/min）傳動效率曲線如圖3、4所示?？梢?，內(nèi)側(cè)萬向節(jié)夾角對傳動效率的影響較大，2°和10°曲線相對應(yīng)效率值差異基本在1%左右。

圖3 轉(zhuǎn)速200 r/min變速器效率

圖4 轉(zhuǎn)速800 r/min變速器效率

2.3 潤滑油溫度

變速器潤滑油溫度也是影響變速器效率的一個重要因素。油溫降低，潤滑油的粘度增大，油膜增厚，承載能力強(qiáng)，流動性能差，攪油損失增大。油溫過高，油的粘度小，攪油損失減小，但油膜薄，承載能力降低，也不能形成良好的潤滑條件[8]。

常規(guī)工況測試過程中以變速器溫度作為變量（60℃、80℃、100℃），同時保持變速器潤滑油種類以及油量相同。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 某擋位下不同油溫效率測試結(jié)果

從圖5可以看出，變速器傳動效率會隨著油溫的增加而增加，但此種趨勢僅在60～80℃條件下表現(xiàn)得較為明顯。在80～100℃的變化過程中，傳動效率變化不大，部分工況點，傳動效率會隨著溫度的增大而降低，因此，變速器油溫在80℃左右時可以獲得較高的綜合傳動效率。

3 多維正交實驗點陣研究

變速器傳動效率影響因素多，各因素存在非線性相關(guān)性。對影響變速器效率的全部因子進(jìn)行工況獨立的全覆蓋試驗，工作量巨大，且不利于分析各因素對于變速器效率的實際影響。本文采用正交設(shè)計理念，來解決存在多維影響因素的試驗設(shè)計問題。正交試驗設(shè)計方法通過正交表的引入，在試驗點陣數(shù)量大大縮減的同時，保證了試驗工況覆蓋的全面性及均勻性。并且可以分析不同因素間的相關(guān)性，優(yōu)化試驗環(huán)境，提高數(shù)據(jù)精度[9-10]。

本文正交表用Ln（mk）表示。其中k為因素數(shù)，m為水平數(shù)，n為試驗次數(shù)。三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

影響變速器傳動效率的因素有：轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、半軸安裝角度、轉(zhuǎn)矩傳感器誤差、潤滑油油溫、傳動比（擋位）等。對其影響傳動系統(tǒng)效率的主要因素進(jìn)行試驗，確保了后續(xù)試驗的可行性，控制了試驗規(guī)模。因此所設(shè)計的因素水平如表1所示。

表1 變速器效率測試正交設(shè)計表

表1中各因素物理意義如下：

A為變速器輸入轉(zhuǎn)矩（N·m）；

B為變速器輸入轉(zhuǎn)速（r/min）；

C為變速器運行擋位（－）；

D為半軸安裝角度（°）；

E為轉(zhuǎn)矩傳感器誤差（N·m）；

F為變速器油溫（℃）。

其中轉(zhuǎn)速從1 000 r/min到變速器最大轉(zhuǎn)速5 000 r/min平均選??；轉(zhuǎn)矩根據(jù)實際情況進(jìn)行選??；被試變速器為五擋手動變速器，擋位數(shù)為5；半軸角度 2°～5°表示半軸內(nèi)角度為 2°，半軸外角度為 5°；轉(zhuǎn)矩傳感器的誤差為輸出端的轉(zhuǎn)矩傳感器，其誤差為-2～0 N·m之間平均選取，如果轉(zhuǎn)矩傳感器誤差為正數(shù)時，所得的效率會變大，甚至違反實際情況，因此此處的誤差水平為負(fù)數(shù)。油溫為變速器油底殼溫度，因為變速器的工作油溫一般會在60℃到100℃之間，過低或過高都不符合正常情況，因此油溫的選取范圍從60℃～100℃平均選取。

4 試驗數(shù)據(jù)分析

直觀分析法對于正交試驗數(shù)據(jù)處理有很好的效果[11]，本文采用直觀分析法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 正交試驗設(shè)計分析

表2中各因素物理意義如下：

A為變速器輸入轉(zhuǎn)矩（N·m）；

B為變速器輸入轉(zhuǎn)速（r/min）；

C為變速器運行擋位（－）；

D為半軸安裝角度（°）；

E為轉(zhuǎn)矩傳感器誤差（N·m）；

F為變速器油溫（℃）。

試驗數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析過程采用直觀分析方法進(jìn)行。其中Ki表示各因素在i水平上的試驗結(jié)果的算術(shù)平均值；R為極差，為對應(yīng)因素Ki的最大值與最小值的差。

直觀分析法的主要核心是極差分析。極差反應(yīng)了各影響因素對于試驗結(jié)果的影響度。根據(jù)極差分析，變速器效率試驗的影響因素對于試驗結(jié)果的影響程度排序為：C（擋位）、A（轉(zhuǎn)矩）、E（轉(zhuǎn)矩傳感器誤差）、D（半軸安裝角度）、F（變速器油溫）、B（轉(zhuǎn)速）。試驗表明，最優(yōu)方案為：A5B2C3D1E1F3（見表2），即轉(zhuǎn)矩取145 N·m，轉(zhuǎn)速取2 000 r/min，擋位取3擋，半軸安裝角度取 2°～ 2°，轉(zhuǎn)矩傳感器誤差為 0 N·m，油溫取80℃作為本試驗傳動效率最大的優(yōu)化方案。

以上正交設(shè)計的數(shù)據(jù)應(yīng)用方差分析法進(jìn)行分析，如表 3 所示[12]。

表3 方差分析表

表3中各因素物理意義如下：

A為變速器輸入轉(zhuǎn)矩（N·m）；

B為變速器輸入轉(zhuǎn)速（r/min）；

C為變速器運行擋位（－）；

D為半軸安裝角度（°）；

E為轉(zhuǎn)矩傳感器誤差（N·m）；

F為變速器油溫（℃）。

由于F1=7.079＞F0.01（4，8）=7.01，所以因素A（轉(zhuǎn)矩）的水平改變對試驗指標(biāo)有高度顯著影響。

由于F3=9.209＞F0.01（4，8）=7.01，所以因素C（擋位）的水平改變對試驗指標(biāo)有高度顯著影響。

比較F值大小確定因素的主次順序：C（擋位）、A（轉(zhuǎn)矩）、E（轉(zhuǎn)矩傳感器誤差）、D（半軸角度）、F（油溫）、B（轉(zhuǎn)速）。綜上所述，發(fā)動機(jī)與變速器匹配參數(shù)（擋位、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速）是變速器傳動效率的重大影響因素，在現(xiàn)階段油耗法規(guī)越來越嚴(yán)格的趨勢下，半軸角度與工作油溫的合理匹配，是提高整車油耗性能的重要技術(shù)方向。

5 結(jié)論

通過多維因素試驗設(shè)計及試驗數(shù)據(jù)，分析出了變速器輸入轉(zhuǎn)矩、變速器輸入轉(zhuǎn)速、變速器運行擋位、半軸安裝角度、轉(zhuǎn)矩傳感器誤差及變速器潤滑油溫度對變速器效率的影響和每個因素對變速器效率的影響程度；揭示了半軸角度與工作油溫是提高傳動系統(tǒng)工作效率的重要途徑。通過正交設(shè)計的變速器效率測試方法，可更加快速、高效地測得變速器的各項性能指標(biāo)、最佳效率工況點、各影響因素的比重大小，對變速器的評估和改進(jìn)提供方案和證據(jù)

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，影響變速器效率的主要因素依次為變速器運行擋位、變速器輸入轉(zhuǎn)矩、半軸安裝角度、變速器潤滑油溫度和變速器輸入轉(zhuǎn)速，通過各因素對變速器運行效率的影響力大小和動力總成匹配要求，結(jié)論如下：

1）提高變速器運行效率的最佳途徑為通過發(fā)動機(jī)和變速器的匹配，使變速器的常用工況運行于變速器最佳擋位和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。

2）半軸安裝角度對變速器運行效率影響較大，半軸安裝角度設(shè)計時應(yīng)考慮對變速器效率影響。

3）變速器潤滑油溫度對變速器效率有影響，在本案例中，80℃的油溫變速器有優(yōu)秀的效率表現(xiàn)。應(yīng)通過變速器熱管理手段，對變速器溫升歷程及運行油溫進(jìn)行控制。

4）變速器輸入轉(zhuǎn)速對變速器效率影響相對較小，在動力總成效率匹配中處于次要位置。