基于四驅(qū)動力總成臺架的整車傳動系阻力分解測試分析

張維 石昊天 張賀林 孔治國 付玉成 王宏策 于洋 程海濤

摘 要：為提高新能源整車的經(jīng)濟(jì)性，增加其續(xù)駛里程。本文依托四驅(qū)動力總成測試臺架研究整車傳動系中各個動力傳動單元在動力輸出過程中的阻力分布狀況，并根據(jù)測試結(jié)果對各傳動系單元的阻力進(jìn)行分析評價，提出優(yōu)化方向，從而降低車輛能量損耗，提高車輛經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：四驅(qū)動力總成臺架;傳動系;阻力

1 引言

近年來，電動汽車憑借其零排放、無污染的特點(diǎn)受到越來越多的青睞[1]。然而，現(xiàn)階段電動汽車?yán)m(xù)航里程普遍較短的問題使大眾對其望而卻步。除了突破動力電池技術(shù)瓶頸之外，提高傳動效率是提高其續(xù)航里程的另一條關(guān)鍵的技術(shù)路線;因此，優(yōu)化傳動系統(tǒng)性能，降低傳動系統(tǒng)阻力成為當(dāng)前汽車企業(yè)改善車輛動力性與經(jīng)濟(jì)性的一項重要技術(shù)措施。

本文針對汽車動力傳動系統(tǒng)阻力開展研究，利用四驅(qū)動力總成測試臺架對車輛進(jìn)行反拖測試，通過扭矩法蘭獲取不同車速下車輛的阻力矩，并應(yīng)用逐項拆解法，獲取不同傳動單元的阻力矩，通過數(shù)據(jù)擬合的方法獲得傳動阻力與車速間的關(guān)系曲線，最終通過對比和分析銳騏與其他車輛間傳動系統(tǒng)阻力差異，評價其傳動系統(tǒng)性能水平，同時為被測車輛的動力傳動系統(tǒng)改善，降低傳動能耗提供技術(shù)改進(jìn)方向和重要的數(shù)據(jù)支持。

2 整車傳動阻力構(gòu)成

2.1 整車傳動系

汽車傳動系統(tǒng)是指將驅(qū)動電機(jī)輸出的動力傳遞至車輪的一系列傳動裝置，主要包括變速箱、傳動軸、驅(qū)動橋、半軸、輪轂、制動器等零部件[2]。汽車傳動系統(tǒng)除了傳遞發(fā)動機(jī)輸出的動力之外，還要將驅(qū)動電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等特性轉(zhuǎn)化為汽車行駛所需求的驅(qū)動特性。

2.2 車輛傳動系阻力構(gòu)成

車輛傳動系統(tǒng)將汽車驅(qū)動電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩傳遞至車輪的過程中，需要克服來自傳動系統(tǒng)各個部件的傳動阻力，最終傳遞到車輪上的功率小于驅(qū)動電機(jī)輸出的功率，這種功率損失即是由于傳動系統(tǒng)的阻力引起的。傳動系阻力由兩部分組成，即相對運(yùn)動存在的機(jī)械摩擦引起的機(jī)械阻力和旋轉(zhuǎn)件攪油引起的液力阻力組成[3]。

3 整車傳動系阻力分解測試

測試車輛為前置后驅(qū)式兩驅(qū)，其動力傳動單元由動力總成、傳動軸、后橋、制動卡鉗組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

整車傳動系阻力測試采用四驅(qū)總成臺架對車輛進(jìn)行反拖試驗，測試前，將整車除去四個車輪并安裝于四驅(qū)總成臺架上，車輪輪轂外端分別與四臺負(fù)載測功機(jī)的輸出軸扭矩法蘭進(jìn)行連接和固定。正式試驗前進(jìn)行熱機(jī)操作，熱機(jī)工況為車速60km/h，保持15分鐘。

為了能夠使所有測試數(shù)據(jù)具有橫向可比性，所有測試項目均在同一工況下進(jìn)行測試測試，所選取的工況點(diǎn)如表1所示。

3.1 整車傳動系整體阻力測試

試驗過程中，車輛處于空檔狀態(tài)，扭矩法蘭所測得扭矩即為傳動系的阻力矩。整車傳動系統(tǒng)整體阻力測試時，車輛固定于測試臺上，不拆除任何傳動單元，車輛處于空擋狀態(tài)下，測功機(jī)采用四驅(qū)轉(zhuǎn)速控制模式，應(yīng)用測功機(jī)在每個工況點(diǎn)對車輛進(jìn)行反拖測試，記錄測功機(jī)輸出軸的扭矩值，此扭矩即為整車的總傳動阻力矩，記為TV，將測試所得阻力矩?fù)Q算為阻力值，通過最小二乘法二項式進(jìn)行擬合，則得出車輛傳動系整體阻力與車速間的關(guān)系式如下式：

3.2 動力總成阻力測試

因此本文采用一套單軸測功機(jī)臺架對車輛動力總成的阻力進(jìn)行測試，應(yīng)用測功機(jī)在每個工況點(diǎn)對車輛進(jìn)行反拖測試，記錄測功機(jī)輸出軸的扭矩值，此扭矩即為動力總成傳動阻力矩，記為TM，將測試所得阻力矩?fù)Q算為阻力值，通過最小二乘法二項式進(jìn)行擬合，則得出動力總成傳動阻力與車速間的關(guān)系式如下式：

3.3 后橋與傳動軸阻力測試

3.1和3.2中的試驗結(jié)束后，將傳動軸與后橋主減速器分離，應(yīng)用測功機(jī)在每個工況點(diǎn)對車輛進(jìn)行反拖測試，記錄測功機(jī)輸出軸的扭矩值，此扭矩即為后橋的傳動阻力矩，記為TR，將測試所得阻力矩?fù)Q算為阻力值，通過最小二乘法二項式進(jìn)行擬合，則得出后橋傳動阻力與車速間的關(guān)系式如下式：

測試數(shù)據(jù)擬合曲線如圖4所示。

而此時應(yīng)用車輛傳動系整體阻力矩減去動力總成阻力矩及后橋阻力矩即為傳動軸的阻力矩TCD：

將測試所得阻力矩?fù)Q算為阻力值，通過最小二乘法二項式進(jìn)行擬合，則得出傳動軸阻力與車速間的關(guān)系式如下式：

2.4? 卡鉗阻力測試

在完成以上試驗后，為了減少因人為安裝等造成的試驗誤差，首先應(yīng)用臺架的前驅(qū)兩軸模式對帶有制動卡恰的前軸模式在每個工況點(diǎn)對車輛進(jìn)行反拖測試，記錄測功機(jī)輸出軸的扭矩值為TF。然后將制動卡鉗進(jìn)行拆卸，再次在相同工況進(jìn)行試驗，記錄測功機(jī)輸出軸的扭矩值為TF1，則此時可獲得卡鉗的制動阻力矩為：

將測試所得阻力矩?fù)Q算為阻力值，通過最小二乘法二項式進(jìn)行擬合，則得出卡鉗制動阻力車速間的關(guān)系式如下式：

4 對比分析及優(yōu)化提升

4.1 對比分析

通過對比分析可看出，日產(chǎn)銳騏在整車傳動阻力方面具有較大的提升空間。日產(chǎn)銳騏所搭載的電驅(qū)動總成效率較高、自身阻力較小，優(yōu)化空間不大;然而該車輛傳動軸、后橋以及卡鉗阻力均較大，傳動軸、后橋及卡鉗阻力在不同車速下的數(shù)值如下表2所示。

對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，日產(chǎn)銳騏整車傳動軸阻力隨著車速的升高阻力值成線性遞減，這是由于該傳動軸由三個萬向節(jié)組成，且在中間萬向節(jié)處加入支撐，形成一定傳動角度，增大了傳動阻力值。因此，日產(chǎn)銳騏整車傳動軸建議可通過減少萬向節(jié)數(shù)量以及減小支撐角度來減小其傳動阻力。而萬向節(jié)在低速時對阻力影響較大，高速時影響較小，因此可將高速時（90-100km/h）所測傳動軸阻力值作為傳動軸阻力優(yōu)化的目標(biāo)值，即11.9N。此時傳動軸阻力僅與摩擦有關(guān)，可近似為恒定值。

后橋阻力與軸承摩擦、潤滑油溫度以及攪油阻力有關(guān)。測試時，軸承摩擦阻力近似為定值，此時攪油阻力與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，因此可通過更換阻尼系數(shù)更小的潤滑油以及選用低摩擦軸承來減小后橋阻力。這里建議將車速為50km/h時的阻力值作為優(yōu)化的目標(biāo)值，即在全車速域下優(yōu)化后的后橋阻力最大值為66.5N左右。

優(yōu)化后后橋最高傳動效率提升了0.08%，最低傳動效率提升了7.4%，優(yōu)化效果顯著。

車輛卡鉗阻力為卡鉗與制動盤的摩擦阻力，因此卡鉗阻力僅與所調(diào)整的預(yù)緊力有關(guān)，建議通過調(diào)整預(yù)緊力來進(jìn)一步減小卡鉗阻力。通過與同類型車卡鉗阻力測試結(jié)果進(jìn)行對比分析可知，日產(chǎn)銳騏卡鉗阻力可減小約43%。

經(jīng)過傳動軸、后橋以及卡鉗阻力優(yōu)化后，建議優(yōu)化后的整車傳動阻力相比優(yōu)化前降低約9.38%～13.05%，從而進(jìn)一步降低傳動阻力能耗，提升整車傳動效率。

5 總結(jié)

（1）基于四驅(qū)動力總成試驗臺架建立了整車傳動系統(tǒng)阻力測試的方法和流程，獲得測試車輛的各傳動單元的阻力分布狀態(tài)。

（2）分析影響各傳動單元阻力的主要因素，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)提出優(yōu)化方案，計算出優(yōu)化后的傳動系阻力最大可降低13.05%，從而降低整車傳動損耗，提升傳動效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃瑞，沈天浩，陳芬放，陳俊玄，俞小莉.電動汽車動力總成能量流試驗研究[J].實(shí)驗室研究與探索，2018，37（11）：8-13.

[2]羅健鋒，何永祥，吳明.汽車傳動系阻力臺架檢測和評價方法[J].公路與汽運(yùn)，2014（02）：32-36.

[3]張宏超，朱玉剛，付永剛，張有祿，劉雙喜，高海洋.基于臺架的整車傳動系阻力梯度測試方法研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2016，45（05）：8-11.