前置后驅(qū)車型傳動(dòng)系統(tǒng)阻力分布試驗(yàn)研究

李玉珍 葉春林

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

汽車傳動(dòng)系統(tǒng)是位于發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪之間的，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞至車輪的一系列動(dòng)力傳動(dòng)裝置的總稱[1]。傳動(dòng)系統(tǒng)作為動(dòng)力傳輸?shù)年P(guān)鍵部件，針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)阻力的研究對(duì)提高整車效率具有重要的意義。

汽車傳動(dòng)系阻力測(cè)試主要包括計(jì)算仿真、道路測(cè)試、臺(tái)架模擬測(cè)試3類。于洋洋[2]通過(guò)分析汽車在道路和轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)的受力推導(dǎo)出底盤測(cè)功機(jī)加載力的計(jì)算數(shù)學(xué)模型；仝曉平等[3]通過(guò)對(duì)比臺(tái)架滑行試驗(yàn)與實(shí)際道路結(jié)果，分析研究了汽車的滑行距離與車輪阻滯力間關(guān)系，利用傳動(dòng)系統(tǒng)的阻滯力來(lái)評(píng)價(jià)汽車的滑行性能和指標(biāo)；張宏超等[4]基于動(dòng)力總成臺(tái)架建立整車傳動(dòng)系阻力測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)階梯式分布測(cè)試方法，研究了車輛動(dòng)力總車和傳動(dòng)系各動(dòng)力傳動(dòng)單元在動(dòng)力輸出過(guò)程中的阻力分布狀況。

該文以某前置后驅(qū)車型為研究對(duì)象，利用整車測(cè)試臺(tái)架對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)及各部件阻力進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)比較同車型在不同磨合狀態(tài)下的阻力變化情況，為目標(biāo)車輛降低整車內(nèi)部損耗、提升燃油利用率指明方向。

1 前置后驅(qū)車型傳動(dòng)系統(tǒng)

前置后驅(qū)車型（Front engine Rear wheel drive，F(xiàn)R）發(fā)動(dòng)機(jī)置于汽車前部，采用后輪作為驅(qū)動(dòng)輪的車型，其傳動(dòng)系統(tǒng)主要由變速器、傳動(dòng)軸、主減速器、差速器、半軸以及制動(dòng)器等組成。圖1為前置后驅(qū)車型傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖，其中影響傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率的主要部件有變速器、后橋總成和制動(dòng)器。

1.1 變速器

變速器的主要作用是改變傳動(dòng)比，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速能在較大范圍內(nèi)變化[5]，即實(shí)現(xiàn)降速增矩；還要能夠使汽車在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變的情況下，利用倒擋實(shí)現(xiàn)倒向行駛；也能保證在發(fā)動(dòng)機(jī)在不熄火的情況下，利用空擋中斷動(dòng)力傳輸。

1.2 后橋總成

后橋總成集成了主減速器、差速器、半軸、驅(qū)動(dòng)橋殼。在后橋總成中，主減速器的功用是降低轉(zhuǎn)速、增大轉(zhuǎn)矩，改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向[6]；差速器的作用是使左右半軸可以有不同的轉(zhuǎn)速，保證各種運(yùn)動(dòng)條件下的動(dòng)力傳遞；半軸的作用是將動(dòng)力傳輸給輪轂和車輪。將萬(wàn)向傳動(dòng)裝置傳來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩通過(guò)主減速器、差速器和半軸等傳到驅(qū)動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)降速增大轉(zhuǎn)矩。

1.3 制動(dòng)器

制動(dòng)器是通過(guò)固定元件擠壓旋轉(zhuǎn)元件，產(chǎn)生摩擦力矩，依靠路面對(duì)車輪的摩擦力實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，使汽車減速[7]。制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)主缸的液壓油進(jìn)入制動(dòng)油缸，通過(guò)液壓作用使活塞及與之相連的制動(dòng)塊移動(dòng)，通過(guò)制動(dòng)盤與活塞的反作用力，將兩側(cè)的制動(dòng)塊都?jí)涸谥苿?dòng)盤上，產(chǎn)生摩擦力矩使其制動(dòng)。

2 阻力分布試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

汽車在正常工作時(shí)，通常是由發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給車輪，使汽車正常行駛，實(shí)車路試試驗(yàn)?zāi)軐?shí)時(shí)反映車輛的阻力變化情況但可重復(fù)性不高。該試驗(yàn)利用反拖電機(jī)帶動(dòng)制動(dòng)盤，模擬不同的車輪轉(zhuǎn)速，利用反拖電機(jī)扭矩的大小，來(lái)反映傳動(dòng)系統(tǒng)阻力，阻力越大，反拖電機(jī)帶動(dòng)制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的扭矩也就越大。

圖1 前置后驅(qū)車型傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

為了得到整車阻力分布，可以采用逐級(jí)拆解的方法進(jìn)行測(cè)試，針對(duì)前置后驅(qū)車型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)逐級(jí)拆除某些部件后進(jìn)行測(cè)試，從而獲得各部件的阻力大小以及變化規(guī)律，逐級(jí)拆解測(cè)試可以分3個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行：1）傳動(dòng)系統(tǒng)總體阻力測(cè)試：踩下離合器踏板，反拖電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄反拖電機(jī)特定轉(zhuǎn)速下的扭矩值。2）分離變速器的阻力測(cè)試：斷開(kāi)驅(qū)動(dòng)軸，將變速器的阻力分離出來(lái)，直接測(cè)得的是制動(dòng)器和輪轂軸承的阻力矩。3）后橋總成的阻力測(cè)試：斷開(kāi)驅(qū)動(dòng)軸，同時(shí)拆除制動(dòng)器卡鉗，排除制動(dòng)器拖滯的影響，直接測(cè)得的是后橋總成的阻力矩。

2.2 試驗(yàn)車型及設(shè)備

試驗(yàn)將針對(duì)某前置后驅(qū)車型進(jìn)行阻力分布測(cè)試，試驗(yàn)采用的反拖電機(jī)和溫度傳感器的主要參數(shù)見(jiàn)表1，測(cè)試車輛的基本信息見(jiàn)表2。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，傳動(dòng)系統(tǒng)阻力臺(tái)架試驗(yàn)室室溫控制在（25±1）℃。

表1 設(shè)備型號(hào)及主要參數(shù)

表2 試驗(yàn)車型基本參數(shù)

2.3 試驗(yàn)流程

一般汽車阻力測(cè)試是在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上利用反拖法進(jìn)行，但是轉(zhuǎn)鼓反拖由于設(shè)備精度的限制，往往達(dá)不到想要的效果。該試驗(yàn)直接將制動(dòng)盤和反拖電機(jī)相連，精度比轉(zhuǎn)鼓反拖法高，并且整個(gè)過(guò)程試驗(yàn)車輛被升降機(jī)升起，拆解過(guò)程比轉(zhuǎn)鼓反拖法方便。傳動(dòng)系統(tǒng)阻力的大小受到車輛磨合、潤(rùn)滑、溫度等多個(gè)條件影響，為了使車輛達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，需要對(duì)試驗(yàn)車輛進(jìn)行預(yù)熱，阻力測(cè)試流程包括以下5步：1）車輛選擇：挑選同一生產(chǎn)批次的車型3臺(tái)，編號(hào)分別為1#、2#和3#。2）工況點(diǎn)換算。根據(jù)試驗(yàn)車輛后輪輪胎的靜態(tài)半徑，將特定車速換算成車輪的轉(zhuǎn)速，為了模擬車輛的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，反拖電機(jī)轉(zhuǎn)速即為車輪轉(zhuǎn)速。3）車輛預(yù)熱。試驗(yàn)前反拖電機(jī)以500 r/min～700 r/min的轉(zhuǎn)速反拖整車傳動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)變速器油溫達(dá)到（80±2）℃時(shí)，預(yù)熱結(jié)束，反拖電機(jī)停止工作。變速器油溫可以通過(guò)安裝在出油口的溫度傳感器監(jiān)測(cè)。4）反拖測(cè)試。啟動(dòng)反拖電機(jī)，使變速器油溫保持在（80±2）℃內(nèi)。按步驟2）換算來(lái)的反拖電機(jī)轉(zhuǎn)速，在操作臺(tái)控制面板中輸入相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，使電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?開(kāi)始逐漸升高，當(dāng)電機(jī)達(dá)到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速5 s后能夠趨于穩(wěn)定，記錄左右后輪反拖電機(jī)的扭矩值（達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后10 s的平均值）。5）試驗(yàn)結(jié)束。完成各工況點(diǎn)測(cè)試后，卸下工裝，恢復(fù)車輛原狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)冷、熱態(tài)阻力分布對(duì)比

根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算在不同車速下各試驗(yàn)車傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的阻力值，分別繪制傳動(dòng)系統(tǒng)冷、熱態(tài)阻力分布圖，如圖2、圖3所示。

圖2 各試驗(yàn)車?yán)鋺B(tài)阻力分布

由圖2可知，3臺(tái)試驗(yàn)車的冷態(tài)阻力均隨車速的升高而升高。從整體來(lái)看，變速器阻力占比為25%～30%，幾乎不隨車速發(fā)生改變。后橋總成阻力占比為60%～65%，會(huì)隨車速的升高而升高。制動(dòng)器阻力占比約為10%，其中，試驗(yàn)車2#、3#制動(dòng)器冷態(tài)阻力幾乎不隨車速發(fā)生改變，試驗(yàn)車1#制動(dòng)器冷態(tài)阻力存在波動(dòng)。分析其原因可能是在未采取制動(dòng)動(dòng)作時(shí)，后橋制動(dòng)蹄片與制動(dòng)鼓存在接觸。

圖3 各試驗(yàn)車熱態(tài)阻力分布

由圖3可知，3臺(tái)試驗(yàn)車的熱態(tài)阻力均隨車速的升高而升高。變速器的熱態(tài)阻力會(huì)隨著車速的升高而升高，阻力占比也隨之升高，可以看出，轉(zhuǎn)速越高變速器阻力越高，且阻力上升速度越快。對(duì)于后橋總成，熱態(tài)阻力也隨著車速的升高而升高，阻力為占比約為80%左右；對(duì)于制動(dòng)器，試驗(yàn)車1#、2#隨著車速的升高而逐漸降低，在高速階段幾乎為0，試驗(yàn)車3制動(dòng)器阻力變化趨勢(shì)試驗(yàn)車1#、2#一致，但是制動(dòng)器阻力遠(yuǎn)高于正常值，可能是后橋制動(dòng)蹄片與制動(dòng)鼓存在接觸。

3.2 磨合距離對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)阻力分布的影響

經(jīng)過(guò)測(cè)試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)車1#和2#的傳動(dòng)系統(tǒng)阻力中制動(dòng)器阻力均占比較小，但是試驗(yàn)車3#卻占比較大，推測(cè)是試驗(yàn)車3#制動(dòng)器的加工或裝配精度導(dǎo)致的，因此選擇試驗(yàn)車3#探究新車磨合距離對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)阻力分布的影響，分別在新車、磨合300 km和磨合1 000 km的狀態(tài)下，利用上述設(shè)計(jì)的阻力測(cè)試方法與測(cè)試設(shè)備測(cè)量并記錄該車的阻力分布，其熱態(tài)阻力分布如圖4所示。

從圖4（a）和圖4（b）中可以看出，試驗(yàn)車3#在磨合300 km之后，制動(dòng)器的阻力值明顯減小，但在傳動(dòng)系統(tǒng)阻力的整體占比依然很高，從圖4（a）、圖4（b）和圖4（c）中可以看出，隨著磨合距離的增加，制動(dòng)器的阻力值進(jìn)一步減小，說(shuō)明磨合距離越長(zhǎng)，制動(dòng)器的阻力在傳動(dòng)系統(tǒng)整體阻力的占比越??；另外，隨著磨合距離的增加，拆除傳動(dòng)軸后阻力值下降明顯，且速度越高，阻力值下降得越明顯，該現(xiàn)象可能是由于速度越高，變速器內(nèi)齒輪的攪油損失越大所導(dǎo)致的。

為了進(jìn)一步探究傳動(dòng)系統(tǒng)中不同部件阻力受磨合距離的影響，分別繪制出磨合前后的整車阻力圖、拆蹄片阻力圖和斷軸阻力圖，如圖5所示。

由圖5（a）中可以看出，試驗(yàn)車3#隨著磨合里程的增加，整車的阻力值不斷減小，并且前300 km磨合的效果比后700 km磨合的效果要明顯；由圖5（b）可以看出，在拆除制動(dòng)蹄片后，試驗(yàn)車3#在磨合前后的阻力值差并不明顯，初步懷疑為變速器或者后橋總成中某些部件已出現(xiàn)故障，需要進(jìn)一步研究；由圖5（c）可以看出，斷開(kāi)傳動(dòng)軸在磨合300 km之后，與新車相比阻力值有一定幅度的降低；而繼續(xù)磨合至1 000 km時(shí)，后橋的阻力值反而增大并且接近新車阻力值，說(shuō)明后橋中已有部件出現(xiàn)故障。

由此我們可以得出：隨著磨合里程的增加，試驗(yàn)車3#在整車、拆蹄片后以及拆除傳動(dòng)軸后的阻力值均顯著減?。辉囼?yàn)車3#在磨合1 000 km后出現(xiàn)了在拆除制動(dòng)蹄片及斷開(kāi)傳動(dòng)軸后阻力值較磨合300 km略高的現(xiàn)象，是由于后橋總成中的某零件已經(jīng)被磨壞，導(dǎo)致局部阻力增加；在整車條件下，試驗(yàn)車3#在新車時(shí)的阻力值比磨合1 000 km后的阻力值高出30%以上，而拆除制動(dòng)蹄片后，2種狀態(tài)下的阻力值卻相差不大，說(shuō)明制動(dòng)蹄片對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率的影響較大。

4 結(jié)論

圖4 試驗(yàn)車3#熱態(tài)阻力分布

圖5 磨合前后整車和部件阻力圖

該文通過(guò)對(duì)前置后驅(qū)車型傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析和阻力分布試驗(yàn)探究，得到如下結(jié)論：1）前置后驅(qū)車型傳動(dòng)系統(tǒng)冷、熱態(tài)阻力均隨車速的升高而升高，其中變速器冷態(tài)阻力不隨車速的變化而變化，熱態(tài)阻力會(huì)隨車速的升高而升高，制動(dòng)器冷、熱態(tài)阻力不隨車速而發(fā)生改變。2）在前置后驅(qū)車型傳動(dòng)系統(tǒng)冷態(tài)阻力中，變速器阻力占比約為25%～30%，后橋總成阻力占比約為60%～65%，制動(dòng)器阻力占比約為10%；在熱態(tài)阻力中，變速器阻力占比約為10%～20%，后橋總成阻力占比約為80%，制動(dòng)器阻力占比很小。3）隨著磨合距離的增加，傳動(dòng)系統(tǒng)阻力會(huì)逐漸減小，其中新車制動(dòng)器隨磨合距離的增加下降較為顯著，磨合300 km后最高降幅可達(dá)20%左右，磨合1 000 km后最高降幅度可達(dá)27%左右。4）隨著車速的升高，在傳動(dòng)系統(tǒng)阻力中變速器阻力占比會(huì)相應(yīng)增大，這是由于隨著車速的升高，變速器內(nèi)齒輪的攪油功率損失會(huì)增加而導(dǎo)致的。