一種驅(qū)動(dòng)橋效率應(yīng)用方法的研究

張華鵬，沈鐵軍，代向升

一種驅(qū)動(dòng)橋效率應(yīng)用方法的研究

張華鵬，沈鐵軍，代向升

（中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司 研發(fā)總院，吉林 長(zhǎng)春 130011）

驅(qū)動(dòng)橋效率隨輸入扭矩、轉(zhuǎn)速的變化而時(shí)刻變化，為提高其在整車性能計(jì)算應(yīng)用中的準(zhǔn)確度，通過對(duì)驅(qū)動(dòng)橋瞬態(tài)下系統(tǒng)阻力矩變化規(guī)律的探索，建立驅(qū)動(dòng)橋阻力矩與輸入扭矩、轉(zhuǎn)速的變化公式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)工況下驅(qū)動(dòng)橋效率的精確計(jì)算。通過對(duì)現(xiàn)有幾組驅(qū)動(dòng)橋阻力矩結(jié)果準(zhǔn)確度的驗(yàn)證，表明通過阻力矩法建立的驅(qū)動(dòng)橋瞬態(tài)效率計(jì)算公式在簡(jiǎn)化系統(tǒng)計(jì)算難度的同時(shí)，提高了整車性能計(jì)算精度，并可推廣到傳動(dòng)系其他系統(tǒng)效率計(jì)算中，也可簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)橋效率試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

驅(qū)動(dòng)橋效率；阻力矩法；精確計(jì)算；阻力矩計(jì)算公式

在過去的20年里，受能源危機(jī)、全球變暖等外部因素影響，汽車使用能耗、污染的關(guān)注度越來越高?；谲囕v能耗的分析模型也在不斷完善，以便能夠精確模擬車輛使用工況，尋找各種降低車輛使用能耗、污染物的手段[1-3]。

驅(qū)動(dòng)橋作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重要組成部分，其效率是汽車性能計(jì)算中重要的影響因素，其在不同驅(qū)動(dòng)力、不同轉(zhuǎn)速下的表現(xiàn)均不同[4]，尤其在低扭矩區(qū)，其敏感度極高，如果沒有足夠多的試驗(yàn)結(jié)果，往往很難確認(rèn)其瞬態(tài)效率，這直接影響整車動(dòng)態(tài)性能計(jì)算精度[5-6]。

本文從驅(qū)動(dòng)橋阻力扭矩試驗(yàn)結(jié)果入手，通過分析不同扭矩、轉(zhuǎn)速下驅(qū)動(dòng)橋阻力扭矩變化規(guī)律，建立瞬態(tài)下驅(qū)動(dòng)橋阻扭矩與輸入扭矩、轉(zhuǎn)速的變化公式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)工況下驅(qū)動(dòng)橋效率的精確計(jì)算。

1 驅(qū)動(dòng)橋效率一般表現(xiàn)形式

驅(qū)動(dòng)橋效率0是指驅(qū)動(dòng)橋輸出功率T與輸入功率0的比值，驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率越高，說明驅(qū)動(dòng)橋能量消耗越少，轉(zhuǎn)化為車輛的有用功率越多。

通過功率與扭矩、轉(zhuǎn)速之間換算關(guān)系，可以整理為驅(qū)動(dòng)橋輸入扭矩0與效率0、主減速比0、輸出扭矩T之間的計(jì)算公式：

在驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)中，通過測(cè)功機(jī)分別測(cè)量驅(qū)動(dòng)橋輸入扭矩0、轉(zhuǎn)速0、輸出扭矩T、轉(zhuǎn)速T，驅(qū)動(dòng)橋效率試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，通過式（3），即可獲得對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)橋的效率map圖，如圖2所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋效率試驗(yàn)臺(tái)

圖2 一款驅(qū)動(dòng)橋效率map圖

圖3 不同轉(zhuǎn)速下輸入扭矩與效率圖

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同轉(zhuǎn)速、不同扭矩下，驅(qū)動(dòng)橋效率并不相同，尤其在低扭矩區(qū)，效率下降極為明顯，在圖3中，也更直觀地體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

2 阻力矩法驅(qū)動(dòng)橋效率計(jì)算概念說明

因驅(qū)動(dòng)橋工作時(shí)，需要額外消耗能量，來克服驅(qū)動(dòng)橋自身阻力，這些阻力主要包括齒輪嚙合阻力、軸承及油封摩擦阻力、齒輪攪油阻力（受機(jī)油溫度、粘度、加油量影響）、潤(rùn)滑油泵阻力（如果配備）。這些阻力以力矩形式直接影響驅(qū)動(dòng)橋有效輸出扭矩。

故此嘗試用阻力矩來替代效率值，建立不同輸入轉(zhuǎn)速0下，阻力矩R和輸入扭矩0的曲線關(guān)系，來探索更為簡(jiǎn)單有效的驅(qū)動(dòng)橋效率表達(dá)方法。此時(shí)效率0可以按式（4）表示：

3 阻力矩法驅(qū)動(dòng)橋效率計(jì)算方法建立

以圖1驅(qū)動(dòng)橋效率圖為例，將其轉(zhuǎn)化為圖4所示的各轉(zhuǎn)速下輸入扭矩與阻力矩之間關(guān)系圖。

圖4 各轉(zhuǎn)速下輸入扭矩與阻力矩關(guān)系圖

從圖4可以發(fā)現(xiàn)各轉(zhuǎn)速下，輸入扭矩與阻力矩之間線性度極高，與軸交點(diǎn)不為零，這符合驅(qū)動(dòng)橋本身特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)橋阻力是固有存在的，沒有一定的初始力矩，是無法推動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋動(dòng)起來。隨轉(zhuǎn)速增加，斜率值不斷減小，但初始力矩值卻不斷增大。

故此可對(duì)各轉(zhuǎn)速下輸入扭矩與阻力矩進(jìn)行線性回歸分析，獲得各轉(zhuǎn)速下驅(qū)動(dòng)橋阻力矩與輸入力矩之間的線性公式：

R=?0+（5）

圖5 輸入轉(zhuǎn)速與斜率、啟動(dòng)扭矩關(guān)系圖

將各輸入轉(zhuǎn)速0下式（5）的斜率及啟動(dòng)扭矩用圖示法進(jìn)行處理，得到圖5所示的輸入轉(zhuǎn)速分別與斜率、啟動(dòng)扭矩關(guān)系圖。

基于圖5，可以通過線性回歸法，分別建立輸入轉(zhuǎn)速0與斜率，輸入轉(zhuǎn)速0與啟動(dòng)扭矩的線性關(guān)系式（6）、式（7）。并將式（6）、式（7）代入式（5），獲得瞬態(tài)下驅(qū)動(dòng)橋阻力矩式（8）。

=1?0+1（6）

=2?0+2（7）

R=(1?0+1)?0+2?0+2（8）

將式（8）代入式（4），即可獲得基于阻力矩法驅(qū)動(dòng)橋效率式（9）。

為確保分析方向準(zhǔn)確，本文又校核了三種驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品阻力值，如圖6、圖7所示。經(jīng)過校驗(yàn)，不同驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品，仍然符合該規(guī)律，可以用同樣方法獲得瞬態(tài)下驅(qū)動(dòng)橋效率公式。

圖6 瞬態(tài)下驅(qū)動(dòng)橋阻力矩推導(dǎo)-案例2

圖7 瞬態(tài)下驅(qū)動(dòng)橋阻力矩推導(dǎo)-案例3

4 基于阻力矩法驅(qū)動(dòng)橋效率公式的校驗(yàn)

以上述三款驅(qū)動(dòng)橋?yàn)槔瑢⑼ㄟ^阻力矩法獲得的驅(qū)動(dòng)橋阻力矩與原試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)各測(cè)點(diǎn)誤差浮動(dòng)是否滿足要求，如圖8－圖10所示。

經(jīng)校核，除個(gè)別點(diǎn)（阻力偏差較大點(diǎn)）其余各測(cè)點(diǎn)誤差均滿足要求。

圖8 驅(qū)動(dòng)橋阻力公式校核-案例1

5 阻力矩法效率計(jì)算的應(yīng)用展望

基于阻力矩法求得的驅(qū)動(dòng)橋效率公式，可以大幅簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)橋效率map應(yīng)用難度，提高整車經(jīng)濟(jì)性計(jì)算中各瞬態(tài)點(diǎn)計(jì)算精度，更準(zhǔn)確反映車輛實(shí)際狀態(tài)。如圖11所示，案例1中驅(qū)動(dòng)橋在中國(guó)汽車行駛工況中，絕大多數(shù)工況點(diǎn)輸入扭矩分布在±300 Nm區(qū)間范圍內(nèi)，是效率急劇波動(dòng)區(qū)域（50%～90%之間），提高效率計(jì)算精度意義重大。

圖11 驅(qū)動(dòng)橋輸入扭矩、轉(zhuǎn)速變化-CHTC

從圖11的整車經(jīng)濟(jì)性分析工況角度，驅(qū)動(dòng)橋輸入扭矩在整個(gè)分析過程中存在大量反拖工況，對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋來說，因反拖工況占比較低，從經(jīng)濟(jì)性角度，準(zhǔn)雙曲面驅(qū)動(dòng)橋反齒面加工精度要低于正齒面加工精度（當(dāng)前國(guó)內(nèi)主流準(zhǔn)雙曲面齒輪加工默認(rèn)原則），故此反拖工況驅(qū)動(dòng)橋阻力要更大一些，如圖12所示，案例1中各轉(zhuǎn)速下輸入扭矩與阻力矩關(guān)系圖（含反拖工況）。通過阻力矩法也可以獲得精確反拖工況效率公式。

圖12 各轉(zhuǎn)速下輸入扭矩與阻力矩關(guān)系圖

驅(qū)動(dòng)橋作為典型傳力部件，其效率計(jì)算方法具有普適性，可以向變速箱、分動(dòng)器等傳力部件進(jìn)行擴(kuò)展，提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率計(jì)算精度。因筆者手頭僅一款變速箱效率數(shù)據(jù)，不能代表所有變速箱分析結(jié)論，但從各擋位阻力矩與輸入力矩的關(guān)系圖（見圖13）看，仍然具備線性關(guān)系，可做線性回歸處理。

圖13 一款變速箱阻力矩關(guān)系圖-2擋

基于驅(qū)動(dòng)橋阻力矩與輸入扭矩線性關(guān)系的特點(diǎn)，在驅(qū)動(dòng)橋效率試驗(yàn)中，可以大幅縮減測(cè)點(diǎn)數(shù)量，縮減試驗(yàn)周期，而試驗(yàn)精度不受影響。如圖14所示，將案例1中劃刪除線的數(shù)據(jù)去掉，減少試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過阻力矩法處理后，仍可得到阻力矩法下效率公式，如圖15所示。

圖15 瞬態(tài)下驅(qū)動(dòng)橋阻力矩推導(dǎo)-簡(jiǎn)化后

6 總結(jié)

基于阻力矩法建立的驅(qū)動(dòng)橋效率計(jì)算公式，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)工況下驅(qū)動(dòng)橋效率的精確計(jì)算。應(yīng)用該方法所獲得的驅(qū)動(dòng)橋效率公式，可實(shí)現(xiàn)不同工況下驅(qū)動(dòng)橋效率動(dòng)態(tài)求解，大幅提高了整車性能計(jì)算精度。

該方法還可推廣到傳動(dòng)系其他系統(tǒng)效率計(jì)算中?；谧枇胤ǖ尿?qū)動(dòng)橋效率計(jì)算原理，也可簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)橋效率試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，縮減試驗(yàn)周期及后續(xù)數(shù)據(jù)處理難度。

[1] 劉剛,呂文芝,朱江蘇,等.基于重型商用車傳統(tǒng)系統(tǒng)效率的換擋策略研究[J].汽車工程師,2021(10):10- 15.

[2] 姚哲皓,劉金,劉華軍,等.商用車驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率分析與計(jì)算[C]//2021中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集(7).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2021:23-28.

[3] 楊升,陳奇鋒,段宇,等.重型商用車驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率優(yōu)化的思路與實(shí)踐[J].汽車實(shí)用技術(shù),2021,46(17): 98-100.

[4] 曾重元,高鐵石,王志廣.驅(qū)動(dòng)橋效率提升對(duì)CHTC- LT工況油耗影響分析[C]//2020中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集(5).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2020:317-320.

[5] 王恩鵬,張林濤,王勇哲,等.油溫對(duì)驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率影響測(cè)試研究[J].時(shí)代汽車,2020(16):137-138,144.

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Study on the Application Method of Drive Axle Efficiency

ZHANG Huapeng, SHEN Tiejun, DAI Xiangsheng

( R&D Institute, China First Automobile Group Company Limited, Changchun 130011, China )

The efficiency of the drive axle changes constantly with changes in input torque and speed.In order to improve its accuracy in vehicle performance calculation applications, by exploring the variation law of the system resistance torque under transient conditions of the drive axle, a formula for the variation of the drive axle resistance torque and input torque and speed is established to achieve accurate calculation of the drive axle efficiency under dynamic working conditions. By verifying the accuracy of several existing sets of drive axle resistance torque results,it is shown that the transient efficiency calculation formula of the drive axle established through the resistance torque method not only simplifies the difficulty of system calculation, but also improves the accuracy of vehicle performance calculation.It can be extended to the efficiency calculation of other system efficiency calculation, and can also simplify the number of test points for drive axle efficiency.

Drive axle efficiency;Resistance moment method;Accurate calculation;Resistance moment calculation formula

U462.3

A

1671-7988(2023)20-82-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.016

張華鵬（1980－），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠囌嚳偛贾?，E-mail:zhanghuapeng@faw.com.cn。