微型汽車驅(qū)動橋傳動效率的試驗研究

章德平,莫易敏*2,高勇3,楊軍勝

(1.武漢輕工大學機械工程學院， 湖北武漢430048；2.武漢理工大學機電工程學院， 湖北武漢430070;3.上汽通用五菱汽車股份有限公司， 廣西柳州545007)

0 引言

因化石能源消耗量不斷增加而導致的氣候變暖問題，早已引起各國際環(huán)保組織的高度關(guān)注。由于車用能源消耗占化石能源總消耗的比例相對較大，為了積極推進節(jié)能減排的相關(guān)工作和促進我國汽車工業(yè)的健康發(fā)展，我國適時推出了《乘用車燃料消耗量限值》第四階段標準，該標準所規(guī)定的燃油消耗量限值與前幾個階段相比變得越來越嚴格。

總體而言，微型汽車正常行駛時燃油消耗量主要取決于兩大關(guān)鍵因素：一是其發(fā)動機系統(tǒng)的技術(shù)性能，二是其傳動系統(tǒng)的工作狀況[1]。而對于微型汽車傳動系統(tǒng)而言，其傳動效率值作為一項關(guān)鍵性能指標，能夠直接反映出微型汽車的燃油消耗大小。而驅(qū)動橋作為微型汽車傳動系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵部件之一，其工作性能的優(yōu)劣在很大程度上對微型汽車的燃油經(jīng)濟性具有直接影響。因此，降低微型汽車驅(qū)動橋工作時系統(tǒng)內(nèi)部的各類功率損耗，提高驅(qū)動橋的傳動效率，對于改善微型汽車的燃油經(jīng)濟性具有直接幫助。

為了有效開展基于燃油經(jīng)濟性的微型汽車驅(qū)動橋優(yōu)化設計，就有必要快速而準確地獲取驅(qū)動橋的傳動效率值，而獲取傳動效率值最直接的方式就是利用試驗技術(shù)。基于試驗測試來開展機械傳動的相關(guān)研究，能夠借助對試驗數(shù)據(jù)的分析與處理，對相應的理論分析結(jié)論進行直接驗證，從而使得研究和實踐之間聯(lián)系更為緊密。

1 微型汽車驅(qū)動橋傳動效率的影響因素分析

1-驅(qū)動車輪； 2-輪轂軸承； 3-主減速器總成； 4-差速器總成； 5-橋殼； 6-半軸圖1 某型國產(chǎn)微型汽車驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of a certain type of mini-car drive axle

作為微型汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部件之一，驅(qū)動橋的基本功用是將手動變速箱經(jīng)由萬向傳動裝置傳遞進來的動力合理分配給兩側(cè)驅(qū)動車輪，同時還需承受各類外界作用力[2]。圖1為某型國產(chǎn)微型汽車驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)示意圖。

微型汽車驅(qū)動橋的傳動效率是指微型汽車驅(qū)動橋處于某一工作狀態(tài)時兩側(cè)驅(qū)動車輪輸出總功率與輸入功率之間的比值[3]。傳動效率作為衡量驅(qū)動橋綜合性能的一項重要指標，非常適合用于評估應用于驅(qū)動橋系統(tǒng)的相關(guān)節(jié)能技術(shù)的有效性。其具體表達式如下：

η=Po/Pi=(Pi-PL)/Pi,

(1)

式中：Po為驅(qū)動橋系統(tǒng)工作時的輸出總功率；Pi為驅(qū)動橋系統(tǒng)工作時的輸入功率；PL為驅(qū)動橋系統(tǒng)工作過程中的功率總損耗。

就微型汽車驅(qū)動橋而言，其正常工作時功率總損耗PL大致分為兩大類：一是系統(tǒng)工作時內(nèi)部旋轉(zhuǎn)零件因為攪動高粘度齒輪油而受到的阻力所造成的功率損失[4-5]，二是系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時構(gòu)成運動副的聯(lián)接零件之間的機械摩擦阻力所引起的功率損失。具體來說，微型汽車驅(qū)動橋工作時功率損耗PL主要包含以下四類：

1.1 錐齒輪嚙合功率損失

在微型汽車驅(qū)動橋的內(nèi)部，主減速器總成與差速器總成之間的動力傳遞依靠的是錐齒輪副[6]，其嚙合功率損失PHG又可以分為兩類：一是滑動摩擦功率損失PH，二是滾動摩擦功率損失PG。因此PHG可以表示為：

PHG=PH+PG。

(2)

為了使得計算結(jié)果更為接近實際情況，將錐齒輪傳動的滑動摩擦功率損失用平均滑動功率損失表示[7]，其計算公式為：

PH=fFnvs×10-3，

(3)

式中：f為摩擦系數(shù)；Fn為平均齒面法向載荷，N；vs為嚙合點處的平均滑動速度,m/s。

其中，摩擦系數(shù)f的計算公式為：

(4)

式中：β為分度圓螺旋角；vr為嚙合點處的平均滾動速度，m/s；μ0為潤滑油動力粘度，kg/(m·s)；b為齒寬，取錐齒輪副中齒寬較小者,mm。

出于簡化考慮，選取平均滾動功率損失來近似表示錐齒輪傳動的滾動摩擦功率損失[8-9]，其數(shù)學計算公式為：

PG=90 000vrh0bεα/cosβ，

(5)

式中：h0為嚙合齒廓之間所形成的潤滑油膜厚度，mm；εα為端面重合度。

而油膜厚度h0可以表示為：

(6)

式中：Re為當量接觸半徑，mm。

1.2 滾動軸承摩擦功率損失

在微型汽車驅(qū)動橋中，主減速器總成和差速器總成所選用軸承均為圓錐滾子軸承，由于軸承工作時需要承受較大沖擊，因此均采取了預緊措施；輪轂軸承出于潤滑方式的考慮，選用的是密封球軸承。

為了計算滾動軸承正常工作時所產(chǎn)生的摩擦功率損失PB，必須先對滾動軸承摩擦力矩M的大小進行估算。作為滾動軸承的一項重要性能參數(shù)，摩擦力矩指的是各類相關(guān)摩擦因素對滾動軸承旋轉(zhuǎn)運動所產(chǎn)生的阻力矩。PB和M兩者之間的關(guān)系可以表示為：

PB=M·n·π/30。

(7)

估算滾動軸承的摩擦力矩時，通常將其摩擦力矩分為兩個組成部分[10]：一是與滾動軸承所承受載荷無關(guān)的M0；二是與滾動軸承所承受載荷有關(guān)的M1。對應計算式如下：

M=M0+M1，

(8)

(9)

M1=f1QDm，

(10)

式中：f0為考慮軸承結(jié)構(gòu)和潤滑方法的經(jīng)驗系數(shù)；f1為載荷系數(shù)；ν為驅(qū)動橋內(nèi)部齒輪油的運動粘度，m2/s；n為軸承轉(zhuǎn)速，r/min；Dm為軸承節(jié)圓平均直徑mm；Q為當量動載荷，N。

1.3 油封功率損失

驅(qū)動橋輸入法蘭的位置附近設置有油封，該油封的作用包括兩個方面：一是防止驅(qū)動橋內(nèi)的齒輪潤滑油經(jīng)入口滲出，二是防止外部有害雜質(zhì)如水分等侵入。油封功率損失的主要形式為摩擦損失，并且與主軸的轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)很大，油封的功率損失PY的計算常使用如下經(jīng)驗公式[11]：

PY=9.8×10-7n2+0.006965n+5.4075，

(11)

式中：n為旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，r/min。

1.4 攪油功率損失

微型汽車驅(qū)動橋的齒輪潤滑方式為浸油潤滑，錐齒輪副有很大一部分是浸入特制齒輪潤滑油之中的，而齒輪潤滑油的運動粘度值較高，這就使得錐齒輪工作時會產(chǎn)生較大的攪油功率損失。

攪油功率損失PC與齒輪軸的轉(zhuǎn)速、錐齒輪浸油深度及齒輪潤滑油的溫度等因素呈復雜的函數(shù)關(guān)系[12]。引起攪油功率損失的原因主要包括:(1)處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的錐齒輪與高粘度齒輪潤滑油之間的相互作用；(2)錐齒輪嚙合時齒廓間封閉區(qū)域空隙的周期性變化，使得齒輪潤滑油周而復始地被吸入與排出。工程實際中關(guān)于齒輪攪油功率損失PC的計算大都基于經(jīng)驗公式，最常用的經(jīng)驗公式如下[13]：

PC=1/2ρω3Sm(Dp/2)3Cm，

(12)

式中：ρ為齒輪潤滑油的密度，kg/m3；ω為攪油錐齒輪的角速度，rad/s；Sm為攪油錐齒輪浸入齒輪潤滑油的端面面積，m2；DP為攪油錐齒輪的節(jié)圓直徑，mm；Cm為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

2 試驗臺架與試驗方法的設計

開展微型汽車驅(qū)動橋傳動效率測試，需在專用的試驗臺架上進行[14],因此有必要設計一組專門用于驅(qū)動橋傳動效率測試的試驗臺架與試驗方法。

2.1 試驗臺架的總體設計

驅(qū)動橋傳動效率的測試可以按照如下技術(shù)方案開展：如圖2所示，分別測試某一工作狀態(tài)下驅(qū)動橋輸入端的扭矩Mi和轉(zhuǎn)速ni、兩側(cè)輸出端的扭矩Mo1和Mo2、兩側(cè)輸出端的轉(zhuǎn)速no1和no2，通過計算該狀態(tài)下驅(qū)動橋的輸入功率Pi與輸出功率Po，得出對應的驅(qū)動橋傳動效率值η。具體計算表達式如下：

η=Po/Pi=(no1·Mo1+no2·Mo2)/(ni·Mi)。

(13)

圖2 微型汽車驅(qū)動橋傳動效率測試的技術(shù)方案Fig.2 Technical scheme of transmission efficiency test for mini-car drive axle

試驗臺采用電封閉結(jié)構(gòu)，選用一臺交流異步電力測功機來驅(qū)動測試樣機，測試時該測功機以變頻調(diào)速的電動機方式模擬發(fā)動機工作，樣機兩側(cè)輸出端各設置一臺交流異步電力測功機進行模擬加載。測功機具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

在測功機與測試樣機之間設置有三個TQ-663法蘭式扭矩傳感器，可以測得輸入扭矩和輸出扭矩，而輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速則可利用測功機附屬編碼器直接獲取。法蘭式扭矩傳感器的技術(shù)參數(shù)如表2所示，驅(qū)動橋傳動效率試驗臺的總體布置如圖3所示。

1-驅(qū)動電機； 2-扭矩法蘭； 3-加載電機；4-試驗樣機圖3 微型汽車驅(qū)動橋傳動效率試驗 臺架的平面布置圖Fig.3 Layout of the transmission efficiency test bench for mini-car drive axle

參數(shù)參數(shù)值量程/(N·m)0～±1000精度/%0.1供電電壓(DC) /V24信號電壓 /V±5

試驗臺測控系統(tǒng)采用工控機為上位機、PLC為下位機的主從式分布結(jié)構(gòu)，上位機用于人機交互，下位機則用于實時信號的采集。由于測試時還需對潤滑油溫度進行精確控制，試驗臺還配備了恒溫控制系統(tǒng)[15]，基本能夠?qū)⒂蜏乜刂茷樵O定值，誤差不超過±1.5 ℃。

為了實現(xiàn)電能循環(huán)利用，試驗臺采用電封閉結(jié)構(gòu)，在測試過程中，拖動測功機工作在“電動狀態(tài)”，而加載測功機則以“發(fā)電狀態(tài)”工作，能夠?qū)⒃囼灅訖C輸出的機械能重新轉(zhuǎn)換為電能，并將這部分通過逆變得到的電能反饋至相關(guān)單元。

2.2 試驗方法的設計

微型汽車驅(qū)動橋傳動效率的測試原理是通過控制試驗樣機輸入轉(zhuǎn)速和加載扭矩來模擬驅(qū)動橋的實際工況[15]。測試時，按照如下試驗程序進行：

①將滿足磨合要求的試驗樣機安裝至試驗臺架，更換規(guī)定牌號的齒輪潤滑油。

②利用試驗輔助系統(tǒng)控制齒輪潤滑油為恒溫，通過加載系統(tǒng)控制輸入扭矩為某一定值，依次改變輸入轉(zhuǎn)速，測量相應參數(shù)并得出相應傳動效率值。

③重新設定輸入扭矩并保持不變，重復上一步的操作程序，直至完成所有測試內(nèi)容。

3 試驗結(jié)果及分析

通過上述分析可知：微型汽車驅(qū)動橋運轉(zhuǎn)時的外部負載、工作轉(zhuǎn)速、齒輪油的粘—溫特性、滾動軸承性能以及主要齒輪參數(shù)等都是影響傳動效率的關(guān)鍵因素。參照微型汽車驅(qū)動橋的設計要求，制作一套試驗樣機，用于開展驅(qū)動橋傳動效率測試的研究，表3為試驗樣機的主要技術(shù)參數(shù)。圖4為開展傳動效率測試的現(xiàn)場圖。

參數(shù)參數(shù)值主減速器減速比5.125從動錐齒輪大端分度圓直徑 /mm170.6錐齒輪端面模數(shù) /mm4.161齒輪潤滑油的油量 /L1.3

試驗過程中，通過控制加載電機將試驗樣機的輸入轉(zhuǎn)矩設定為57 、114、171、285、505 N·m并保持不變，分別測試不同輸入轉(zhuǎn)速時對應的各項參數(shù)，進而得到試驗樣機的傳動效率，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)：保持輸入扭矩為某一固定值，隨著驅(qū)動橋輸入轉(zhuǎn)速的逐漸增大，傳動效率值將逐漸上升，當輸入轉(zhuǎn)速增大至約3 500 r/min時傳動效率上升至極大值，而后開始隨著輸入轉(zhuǎn)速的增加而逐漸下降；在輸入轉(zhuǎn)速相同的前提下，隨著樣機輸入轉(zhuǎn)矩的增加，驅(qū)動橋傳動效率相應上升。

將試驗樣機內(nèi)差速器軸承的預緊變形量控制為15、20、25、30 μm，將試驗樣機安裝至試驗臺并開展測試，測量并記錄相關(guān)參數(shù)值。最終的傳動效率值對比如圖6所示。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)：若將齒輪油溫度設定為80 ℃，通過加載將試驗樣機輸入扭矩設定為57 N·m，隨著試驗樣機內(nèi)差速器軸承的預緊變形量的增加，同一輸入轉(zhuǎn)速工況下樣機傳動效率都是隨之降低，當試驗樣機內(nèi)差速器軸承的預緊變形量為30 μm時，各個輸入轉(zhuǎn)速所對應的樣機傳動效率比預緊變形量為15 μm時普遍降低至少1.2 %以上。

圖5 不同加載條件下試驗樣機傳動效率的對比
Fig.5 Comparison of transmission efficiencyunder different loading conditions

圖6 差速器軸承預緊變形量對試驗樣機傳動效率的影響
Fig.6 Influence of differential bearing’spreloading deformation on transmission efficiency

考慮到輪轂軸承的使用壽命，將試驗樣機內(nèi)輪轂軸承的工作游隙大小分為控制在-10～-6 μm、-2～2 μm、6～10 μm三個范圍區(qū)間[16]，保持試驗樣機輸入扭矩恒為57 N·m，按照上述測試方法的要求分別測試不同樣機輸入轉(zhuǎn)速所對應的傳動效率，測得試驗結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以發(fā)現(xiàn)：如果將試驗樣機輸入扭矩設定為57 N·m并保持不變，輪轂軸承的工作游隙大小處于6～10 μm時試驗樣機的傳動效率最高，隨著輪轂軸承工作游隙的增加，試驗樣機的傳動效率也是逐漸上升的。

齒輪潤滑油主要用于對驅(qū)動橋嚙合齒輪和部分軸承進行潤滑，其粘—溫特性的優(yōu)劣對攪油功率損失和齒輪嚙合功率損失等具有直接影響，因此在這里選用GL-5 90、GL-5 80W/90和GL-5 75W/90等幾個規(guī)格的油品開展測試，研究齒輪潤滑油的粘—溫特性對樣機傳動效率的影響，結(jié)果見圖8。

如圖8所示，若將齒輪潤滑油溫度設定為80 ℃，通過加載控制輸入扭矩為57 N·m不變，相比于單級齒輪潤滑油GL-5 90，多級齒輪潤滑油GL-5 75 W/90與GL-5 80 W/90顯然更能降低錐齒輪嚙合功率損失，驅(qū)動橋樣機的傳動效率相對更高；若選取多級齒輪油GL-5 75 W/90作為基礎(chǔ)油，通過添加粘度指數(shù)改進劑得到合成油1和合成油2，可以使得驅(qū)動橋樣機的傳動效率進一步得到提高，其中合成油2在高速狀態(tài)下的改善效果尤為明顯，驅(qū)動橋樣機的傳動效率最大可以提升約2.51 %。

圖7 輪轂軸承工作游隙對試驗樣機傳動效率的影響
Fig.7 Influence of hub bearing’s workingclearance on transmission efficiency

圖8 齒輪油的粘—溫特性對驅(qū)動橋傳動效率的影響
Fig.8 Influence of gear oil’s viscosity-temperaturecharacteristics on transmission efficiency

4 主要結(jié)論

通過分析微型汽車驅(qū)動橋輸入轉(zhuǎn)速和負載、差速器軸承的預緊變形量、輪轂軸承的工作游隙、齒輪潤滑油的粘—溫特性等影響傳動效率的關(guān)鍵因素，結(jié)合具體試驗測試結(jié)果，得出如下結(jié)論：

①對微型汽車而言，若輸入轉(zhuǎn)速保持不變，驅(qū)動橋傳動效率將隨著加載扭矩的增加而逐漸上升；若加載扭矩保持不變，隨著輸入轉(zhuǎn)速的逐漸增大，驅(qū)動橋傳動效率值將逐漸上升，達到極大值后開始下降。

②在加載扭矩保持不變的情況下，同一輸入轉(zhuǎn)速之下的微型汽車驅(qū)動橋的傳動效率將隨著差速器軸承預緊變形量的增加而逐漸降低。

③若保持驅(qū)動橋系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速和加載扭矩不變，在兼顧輪轂軸承使用壽命的前提下，則驅(qū)動橋傳動效率將隨著輪轂軸承工作游隙的增加而逐漸上升。

④如果通過采用合成齒輪油來改善齒輪潤滑油粘—溫特性，微型汽車驅(qū)動橋的傳動效率最高可以提升2.51 %。