手動(dòng)變速器傳動(dòng)效率影響因素分析與優(yōu)化

林 嘉 陳茂勝 陳 卓 邱 敏

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

近年來(lái)，全球能源緊張的問(wèn)題和汽車尾氣排放所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，變速器作為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其效率的高低直接影響了整車的油耗性能。H?hn B[1]等研究了不同黏度等級(jí)的變速器潤(rùn)滑油對(duì)變速器傳動(dòng)效率的影響，然后通過(guò)試驗(yàn)比較了深溝球和圓錐滾子軸承的優(yōu)劣和差異。袁光前[2]等基于油膜厚度和摩擦因數(shù)分析了齒輪嚙合滾動(dòng)功率損失和滑動(dòng)功率損失與兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到了各齒輪參數(shù)對(duì)齒輪嚙合熱功率損失的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)功率損失與油膜厚度呈正相關(guān)關(guān)系。

該文分析了手動(dòng)變速器傳動(dòng)效率的主要影響因素，通過(guò)試驗(yàn)探究齒輪精度、軸承游隙、潤(rùn)滑油及加注量等對(duì)變速器傳動(dòng)效率的影響，并制定了變速器傳動(dòng)效率優(yōu)化方案，力求達(dá)到提升變速器傳動(dòng)效率的目標(biāo)，減少了變速器總成摩擦阻力、提高傳動(dòng)效率。

1 變速器傳動(dòng)效率影響因素分析

1.1 齒輪的影響

變速器通過(guò)齒輪嚙合傳遞動(dòng)力的過(guò)程中，存在2種摩擦損失，1種是在嚙合點(diǎn)處齒輪的速度存在差異，齒面之間存在相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦損失。另一種是嚙合齒輪在彈性潤(rùn)滑狀態(tài)下所接觸的齒廓部分的動(dòng)壓油膜分布不均而產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦功率損失。

齒輪作為變速器重要零件，其制造精度會(huì)直接影響變速器的工作性能。變速器齒輪采用漸開(kāi)線齒輪，當(dāng)齒輪精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，齒面并不是理想的漸開(kāi)線曲面，不能保證良好的傳動(dòng)比，還會(huì)使變速器產(chǎn)生沖擊、噪聲等現(xiàn)象。

1.2 軸承的影響

變速器中軸承所造成的功率損失主要來(lái)源于軸承的摩擦力矩，軸承游隙會(huì)嚴(yán)重影響軸承的摩擦力矩。

軸承游隙是指在沒(méi)有承受載荷的工況下，軸承內(nèi)外圈間可以產(chǎn)生的最高位移量，中心軸方向上的最大移動(dòng)量叫軸向游隙。軸承游隙不僅決定了軸承摩擦力矩的大小，還對(duì)軸承的負(fù)載排布、溫升、使用期限以及機(jī)構(gòu)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)精度等指標(biāo)產(chǎn)生了直接影響，圖1為深溝球軸承徑向游隙示意圖。

圖1 深溝球軸承徑向游隙

軸承游隙值按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可以分為3組：基本組（0組）、小游隙組（2組）和大游隙組（3組、4組、5組）。游隙過(guò)大會(huì)使軸承的負(fù)荷面積變小，受力位置的應(yīng)力增加，相應(yīng)的疲勞壽命下降。太大的游隙還會(huì)降低機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，增加機(jī)構(gòu)的振動(dòng)和噪聲。游隙過(guò)小時(shí)可能產(chǎn)生負(fù)游隙（過(guò)盈），使摩擦生熱量增加，溫度升高，從而導(dǎo)致軸承摩擦力矩大量增加，嚴(yán)重影響了整車燃油經(jīng)濟(jì)性，甚至導(dǎo)致軸承抱死[3]。

1.3 潤(rùn)滑油的影響

潤(rùn)滑油功率損失是變速器功率損失重要的組成部分。影響潤(rùn)滑油功率損失的因素很多，不僅與潤(rùn)滑油黏度、齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，還與齒輪浸油深度、轉(zhuǎn)速等相關(guān)。潤(rùn)滑油功率損失可以分為2類：1） 單齒和周圍潤(rùn)滑油間的相互作用引起的功率損失。2）齒輪在嚙合過(guò)程中吸入或擠出潤(rùn)滑油造成的功率損失。

對(duì)于手動(dòng)變速器來(lái)說(shuō)，潤(rùn)滑油所造成的功率損失主要是潤(rùn)滑油黏度和潤(rùn)滑油加注量。在汽車啟動(dòng)階段，較低的潤(rùn)滑油黏度能減小起動(dòng)時(shí)的攪油阻力，便于汽車能夠迅速起動(dòng)。隨著汽車逐漸運(yùn)行平穩(wěn)，變速器內(nèi)部溫度升高，此時(shí)需要潤(rùn)滑油有較高的黏度，以滿足汽車變速器的正常潤(rùn)滑。此外，一定的潤(rùn)滑油量是保證變速器飛濺潤(rùn)滑的基礎(chǔ)，如果潤(rùn)滑油量過(guò)少，就可能導(dǎo)致齒輪過(guò)熱而產(chǎn)生膠合現(xiàn)象；但是浸入潤(rùn)滑油中的齒輪體積與齒輪浸入潤(rùn)滑油深度的平方成正比，即攪油功率損失與齒輪浸入潤(rùn)滑油深度的平方成正比，過(guò)多的潤(rùn)滑油會(huì)降低變速器傳動(dòng)效率。

2 主要影響因素試驗(yàn)研究

2.1 齒輪精度對(duì)傳動(dòng)效率的影響

目前，輕型汽車變速器的齒輪精度等級(jí)一般為5～8級(jí)。根據(jù)變速器齒輪的傳動(dòng)條件和技術(shù)要求，并考慮其使用的經(jīng)濟(jì)性，分別測(cè)試目標(biāo)變速器在使用7和8級(jí)精度齒輪下的變速器傳動(dòng)效率，測(cè)試方法參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/568.1—2011執(zhí)行，2種齒輪精度下不同檔位的傳動(dòng)效率和綜合效率分別如圖2所示。

從圖2中可以看出，變速器的齒輪精度等級(jí)從8級(jí)提升到7級(jí)后，各檔位下變速器的效率均有提升，提升幅度為0.1%～0.29%。分析可得，提高齒輪的精度等級(jí)后，齒輪的載荷分布更均勻，傳遞運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性更好，減少了齒輪的振動(dòng)沖擊帶來(lái)的能量損失。

圖2 不同齒輪精度下變速器各檔效率

2.2 軸承游隙對(duì)傳動(dòng)效率的影響

針對(duì)某手動(dòng)變速器，其原始游隙選擇為0組（0.005 mm～0.020 mm），通過(guò)計(jì)算得到其工作游隙的平均數(shù)值為-0.004 mm＜0 mm，說(shuō)明該軸承在承載工作狀態(tài)下有很大可能性處于負(fù)游隙，這樣會(huì)導(dǎo)致內(nèi)、外圈溝道和球體之間的摩擦損失加重，軸承溫度升高，使用壽命降低，對(duì)傳動(dòng)效率產(chǎn)生不良影響?，F(xiàn)將該變速器的5個(gè)深溝球軸承由0組游隙改為3組游隙（0.013 mm～0.028 mm），并制作樣件與原變速器進(jìn)行傳動(dòng)效率試驗(yàn)對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同游隙軸承的變速器各擋效率

由圖3可知，將深溝球軸承游隙由0組增大到3組后，1～5擋傳動(dòng)系統(tǒng)平均效率分別提高了0.2%，0.2%，0.2%，0.4%，0.2%。分析其原因，軸承在選擇3組游隙后，其工作游隙平均值為0.005 mm﹥0，增大了軸承游隙，從而降低了內(nèi)、外圈溝道與球體之間的摩擦損失，滿足了實(shí)際軸承工作游隙偏向正值的要求，因此該變速器的傳動(dòng)效率也得到了相應(yīng)的提高。

2.3 潤(rùn)滑油對(duì)傳動(dòng)效率的影響

2.3.1 潤(rùn)滑油黏度的影響

目標(biāo)變速器采用GL-490潤(rùn)滑油，為了探究不同黏度潤(rùn)滑油對(duì)變速器傳動(dòng)效率的影響，分別選用黏度等級(jí)較低的2款潤(rùn)滑油進(jìn)行傳動(dòng)效率對(duì)比試驗(yàn)。3款潤(rùn)滑油的基本參數(shù)和和粘溫特性曲線分別如表1和圖4所示，傳動(dòng)效率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 變速器潤(rùn)滑油基本參數(shù)

由表2可知，隨著潤(rùn)滑油黏度的降低，變速器的傳動(dòng)效率均有所上升，使用GL-475W/90對(duì)CN100變速器的綜合評(píng)價(jià)效率提升效果最明顯，綜合評(píng)價(jià)效率可以由96.57%提高到96.98%，效率值提高了0.41%。分析可知潤(rùn)滑油的黏度越小時(shí)，液體的內(nèi)摩擦力越小，克服液體的內(nèi)摩擦所需要的功率也越少，即攪油損失也越低。

圖4 變速器潤(rùn)滑油黏度-溫度曲線

表2 變速器傳動(dòng)效率測(cè)試結(jié)果

2.3.2 潤(rùn)滑油加注量的影響

對(duì)獲取到的33661個(gè)肉雞IP進(jìn)行分析定位發(fā)現(xiàn)，其中33555個(gè)肉雞IP位于中國(guó)。對(duì)國(guó)內(nèi)的肉雞IP定位進(jìn)行匯總分析，得出以下部分肉雞在國(guó)內(nèi)部分省份的分布情況。位于江蘇和浙江的肉雞IP較多，分別為5961個(gè)和5899個(gè)。從地理分布上看，肉雞IP多位于沿海城市，我國(guó)的沿海城市從北到南依次為山東省、江蘇省、浙江省、福建省和廣東省，這五個(gè)省份的肉雞數(shù)量均位列前十。

為了探究潤(rùn)滑油量對(duì)變速器傳動(dòng)效率的影響，在目標(biāo)變速器潤(rùn)滑容量范圍內(nèi)選取不同的潤(rùn)滑油油量，測(cè)試不同潤(rùn)滑油量下的傳動(dòng)效率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同潤(rùn)滑油量下的傳動(dòng)效率

由表3可知，變速器傳動(dòng)效率隨著潤(rùn)滑油加注量的增加而提升，達(dá)到一定值后又開(kāi)始下降。分析其原因，在潤(rùn)滑油注入量較少時(shí)，變速器潤(rùn)滑狀態(tài)較差，各個(gè)零件間的摩擦損失較大，傳動(dòng)效率相對(duì)較低；隨著潤(rùn)滑油加注量的增加，變速器潤(rùn)滑狀態(tài)得到了改善，各個(gè)零件間的摩擦損失降低，傳動(dòng)效率隨之提高；但是，隨著潤(rùn)滑油加注量進(jìn)一步提高，齒輪的攪油功率損失逐漸變大，傳動(dòng)效率下降。因此，手動(dòng)變速器潤(rùn)滑油的加注量存在一個(gè)最優(yōu)范圍。

3 優(yōu)化方案與驗(yàn)證

3.1 制定優(yōu)化方案

由上述分析可知，手動(dòng)變速器的功率損失主要來(lái)自齒輪、軸承和潤(rùn)滑油等零件，為了減少變速器的功率損失，提高變速器的傳動(dòng)效率，該文針對(duì)變速器傳動(dòng)效率的主要因素提出的優(yōu)化方案見(jiàn)表4。

表4 傳動(dòng)效率主要影響因素優(yōu)化方案

3.2 整車油耗試驗(yàn)驗(yàn)證

變速器傳動(dòng)效率的大小直接影響了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，對(duì)比優(yōu)化前后的整車NEDC油耗數(shù)據(jù)，可以作為變速器傳動(dòng)效率優(yōu)化效果的評(píng)價(jià)手段[4]。選擇國(guó)內(nèi)搭載手動(dòng)變速器的某車型將原狀態(tài)與主要影響因素優(yōu)化狀態(tài)的油耗進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，對(duì)變速器的優(yōu)化效果進(jìn)行評(píng)估。

3.2.1 試驗(yàn)流程

以下為試驗(yàn)流程：1） 車輛預(yù)處理。試驗(yàn)車運(yùn)行3個(gè)郊區(qū)循環(huán)單元獲取車輛的滑行阻力系數(shù)。2） 浸車。將試驗(yàn)車置于溫度25 ℃的恒溫室內(nèi)6 h以上，使發(fā)動(dòng)機(jī)油溫和冷卻液溫度達(dá)到的室溫為（0±2） ℃。3） 排放物測(cè)試。將試驗(yàn)車的滑行阻力系數(shù)、道路阻力系數(shù)、車輛當(dāng)量慣量輸入測(cè)試系統(tǒng)，確定油溫與胎壓無(wú)異常，啟動(dòng)車輛，按照已經(jīng)設(shè)置好的NEDC循環(huán)進(jìn)行測(cè)試。4） 數(shù)據(jù)采集與記錄。通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)采集的氣體進(jìn)行分析計(jì)算。5） 整車油耗計(jì)算。通過(guò)計(jì)算機(jī)按照碳含量換算得出整車的燃油消耗量。6）滑行距離測(cè)試。對(duì)油耗試驗(yàn)結(jié)束后的試驗(yàn)車在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行50 km/h的空檔滑行距離測(cè)試。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)車原始狀態(tài)市區(qū)和郊區(qū)油耗為7.14 L/100 km和5.02 L/100 km，而優(yōu)化后分別為7.01 L/100 km和4.82 L/100 km；試驗(yàn)車原始狀態(tài)百公里綜合油耗5.797 L/100 km，而優(yōu)化后為5.617 L/100 km，油耗下降了0.18 L/100 km；無(wú)論是市郊區(qū)油耗還是綜合油耗，下降均﹥3%。由此可以看出，對(duì)變速器傳動(dòng)效率主要影響因素進(jìn)行優(yōu)化，能夠明顯地降低試驗(yàn)車油耗，提升試驗(yàn)車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

在油耗試驗(yàn)結(jié)束后，50 km/h的空檔滑行距離測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，試驗(yàn)車原始狀態(tài)與優(yōu)化后的4次滑行距離波動(dòng)幅度在10 m以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差都在3%左右，同樣擁有較好的一致性。原始狀態(tài)50 km/h的空檔滑行距離平均為574.1 m，優(yōu)化后滑行距離為665.4 m，優(yōu)化后滑行距離增加了91.35 m，說(shuō)明該優(yōu)化方案降低了試驗(yàn)車傳動(dòng)部件阻力，提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率。

圖5 優(yōu)化前后油耗對(duì)比

圖6 優(yōu)化前后試驗(yàn)車的滑行距離

4 結(jié)語(yǔ)

變速器傳動(dòng)效率主要受齒輪、軸承和潤(rùn)滑油的影響，通過(guò)傳動(dòng)效率臺(tái)架試驗(yàn)和軸承摩擦力矩試驗(yàn)對(duì)變速器傳動(dòng)效率的主要影響因素進(jìn)行研究，結(jié)果表明：1） 提高變速器齒輪精度級(jí)別，可以使齒輪的載荷分布更均勻，減少了齒輪的振動(dòng)沖擊帶來(lái)的能量損失，當(dāng)齒輪精度由8級(jí)提升至7級(jí)時(shí)，各檔位下變速器的效率均有提升，提升幅度為0.1%～0.29%。2） 軸承游隙會(huì)影響變速器傳動(dòng)效率，相較于0組游隙，采用3組游隙可以提高變速器傳動(dòng)效率，提升效果達(dá)到0.4%。3） 變速器油的黏度等級(jí)和加注量都會(huì)影響變速器傳動(dòng)效率。試驗(yàn)表明，降低潤(rùn)滑油黏度等級(jí)，可以降低齒輪攪油損失；另外，變速器油的加注量存在最優(yōu)范圍，在此范圍內(nèi)既能保證變速器的潤(rùn)滑又能降低其功率損失。

針對(duì)手動(dòng)變速器傳動(dòng)效率主要因素，制定優(yōu)化方案，通過(guò)整車NEDC油耗試驗(yàn)和滑行距離測(cè)試發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案可以降低變速器的摩擦損失，提高變速器的傳動(dòng)效率，減少了整車油耗。