潤滑油對電驅(qū)橋功率損失影響的試驗研究

摘要：【目的】電驅(qū)橋的典型輸入轉(zhuǎn)速為12 000～22 000 r/min，但現(xiàn)有研究工作基本以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)使用的變速箱、驅(qū)動橋等齒輪傳動裝置為研究對象，運行工況的差異將導(dǎo)致功率損失影響規(guī)律的差異，同時現(xiàn)有研究也未對攪油損失、不同傳動級損失進(jìn)行分類分析。基于以上問題，針對某輕型商用車用高速電驅(qū)橋，開展不同油品、油溫、油位等條件下的功率損失試驗?！痉椒ā炕谂_架試驗，研究了潤滑油對某電驅(qū)橋功率損失的影響規(guī)律，分析潤滑油配方、油溫及油量因素對驅(qū)動系統(tǒng)傳動效率的影響規(guī)律?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，工作條件、潤滑油配方、油溫和油位對電驅(qū)橋的功率損失影響顯著；在電驅(qū)橋常用工作條件下，空載功率損失占總功率損失的比例超過80%，其中，輸入高速級功率損失占比超過80%；使用合適的潤滑油配方、降低潤滑油加油量和維持合適的潤滑油溫度，是降低電驅(qū)橋功率損失的有效措施，效率提升潛力分別達(dá)到1. 04%、3. 90%和1. 60%。研究結(jié)果可為電驅(qū)橋傳動效率的提升提供參考。

關(guān)鍵詞：功率損失；潤滑油；電驅(qū)橋；臺架試驗；攪油損失

中圖分類號：TH132.41 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 02. 014

0 引言

隨著車輛電動化的快速發(fā)展和全球化競爭的日益激烈，電動車輛驅(qū)動系統(tǒng)呈現(xiàn)出集成、高速和智能化的發(fā)展趨勢，電驅(qū)橋的可靠性和傳動效率受到了業(yè)界的廣泛重視。潤滑油具有潤滑、冷卻、清潔和防銹等作用，是保障電驅(qū)橋可靠高效運行的關(guān)鍵因素，對驅(qū)動系統(tǒng)各項性能指標(biāo)的正常發(fā)揮起著重要作用。研究[1]151[2]表明，潤滑油通過影響齒輪嚙合副摩擦因數(shù)、旋轉(zhuǎn)零部件攪油阻力等影響變速箱、驅(qū)動橋等電驅(qū)橋等機(jī)械傳動裝置的傳動效率，是決定整車燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素之一。因此，有必要開展?jié)櫥蛯﹄婒?qū)橋傳動效率的影響研究，準(zhǔn)確地評估不同潤滑油配方對傳動效率的影響規(guī)律，為電驅(qū)橋潤滑油的選擇和效率提升提供指導(dǎo)。

開展?jié)櫥蛡鲃有恃芯康年P(guān)鍵在于明確潤滑油對電驅(qū)橋效率的影響規(guī)律，以確定不同潤滑油配方對傳動效率的提升潛力，在此基礎(chǔ)上，制定相應(yīng)的傳動效率提升措施、選擇合適的潤滑油配方，最終實現(xiàn)電驅(qū)橋的高效率和高可靠運行。

目前，針對潤滑油對電驅(qū)橋等齒輪傳動裝置功率損失影響的相關(guān)問題，已有學(xué)者開展了研究工作。理論研究方面，MICHAELIS 等[3-5]基于標(biāo)準(zhǔn)臺架試驗，建立了齒輪、軸承、油封等各零部件的功率損失模型，為齒輪傳動裝置零部件功率損失的表征奠定了基礎(chǔ)。FERNANDES 等[6-7]建立了齒輪傳動裝置整機(jī)的功率損失模型，并在風(fēng)電、車輛等領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用，為齒輪傳動裝置整機(jī)效率的評估提供了可行的方向。但是，實際齒輪傳動裝置通常是齒輪、軸承及殼體的各種組合，理論計算方法在實際應(yīng)用時往往存在較大誤差[8]。此外，由于理論公式通常是在特定潤滑油條件下測試得到的，在使用有較大配方改動的潤滑油時，使用上述理論公式也將會導(dǎo)致較大的計算誤差[9-10]。為了更準(zhǔn)確地評估齒輪傳動裝置在實際應(yīng)用場景下的功率損失情況，部分學(xué)者開展了相應(yīng)的試驗研究。劉傳波等[11-12]針對車輛變速箱、驅(qū)動橋開展臺架試驗，分析了工作條件、潤滑油配方對其功率損失的影響。此外，近年來，基于有限元仿真的功率損失計算方法也得到了一定的研究[13]，這為齒輪傳動裝置功率損失的計算提供了新的思路。更多潤滑因素對齒輪傳動裝置功率損失的影響研究可參考文獻(xiàn)[14]。

然而，上述研究工作基本以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)使用的變速箱、驅(qū)動橋等齒輪傳動裝置為研究對象，其典型的輸入轉(zhuǎn)速范圍為2 000～6 000 r/min，而目前電驅(qū)橋的典型輸入轉(zhuǎn)速范圍為12 000～22 000 r/min[15]。運行工況的差異將導(dǎo)致功率損失影響規(guī)律的差異，上述研究成果對高速電驅(qū)橋系統(tǒng)的參考意義較弱。此外，上述研究基本為針對潤滑油對齒輪傳動系統(tǒng)整體傳動效率的影響分析，缺乏針對攪油損失、不同傳動級損失的分類分析。功率損失的分類分析有助于明確損失來源，以便采取針對性的優(yōu)化措施。

基于此，本文以某輕型商用車用高速電驅(qū)橋為對象，開展了不同油品、油溫、油位等條件下的功率損失試驗。重點分析了加載試驗、空損試驗及反拖試驗結(jié)果，較為詳細(xì)地剖析了潤滑因素對電驅(qū)橋功率損失的影響規(guī)律。研究結(jié)果為電驅(qū)橋的效率提升指明了方向，也可為其他相似齒輪傳動裝置的功率損失評估提供指導(dǎo)。

1 齒輪傳動裝置的功率損失機(jī)制

如圖1所示，齒輪傳動裝置的功率損失主要包括齒輪、軸承、油封和其他損失。其中，齒輪和軸承損失可進(jìn)一步分為與載荷相關(guān)的損失和與載荷無關(guān)的損失。

與載荷無關(guān)的損失伴隨著零部件旋轉(zhuǎn)攪油而產(chǎn)生，與是否傳遞轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)；該損失主要取決于潤滑油黏度、密度和零部件浸油深度，并受齒輪傳動裝置的運行工況和殼體內(nèi)壁構(gòu)型的影響。與載荷相關(guān)的損失產(chǎn)生于零部件轉(zhuǎn)矩傳遞過程的摩擦副接觸；該損失取決于傳遞轉(zhuǎn)矩的大小、接觸區(qū)的摩擦因數(shù)及滑動率等。

在齒輪傳動裝置的各種功率損失中，齒輪功率損失是主要成分。齒輪功率損失主要分為嚙合損失、攪油損失以及風(fēng)阻損失。其中，嚙合損失和攪油損失是主要構(gòu)成要素。嚙合功率損失PVZP 又分為滾動摩擦損失和滑動摩擦損失[16]，可表示為

PVZP = PH + PR （1）

式中，PH 為滑動摩擦損失；PR 為滾動摩擦損失。

滑動摩擦損失的一般計算式為

PH = fFn vH （2）

式中，f 為瞬時摩擦因數(shù)；Fn 為齒面法向載荷；vH 為嚙合點處的滑動速度。

假設(shè)嚙合副兩齒廓承受載荷相等，以平均摩擦因數(shù)表示齒廓全嚙合過程滑動摩擦損失，則滑動摩擦損失PH[17]22可表示為

PH = 0.329fHmFn mn （1 + i）XE10-6 （3）

式中，fHm 為平均摩擦因數(shù)；mn 為法向模數(shù)；i 為傳動比；XE 為重合度。

油潤滑條件下的平均摩擦因數(shù)fHm 可采用MAR?TIN等[18]208提出的算法，表示為

fHm = 0.127lg （29.66Fn /bσvHm v2Tm ） （4）

式中，b 為嚙合有效齒寬；σ 為潤滑油的動力黏度；vHm 為平均滑動速度；vTm 為平均滾動速度。

由式（4）可以看出，除齒輪基本尺貌參數(shù)外，潤滑油黏度是影響滑動摩擦損失的重要影響因素。

潤滑條件下，齒輪嚙合副齒廓間會形成彈性動力油膜，由于齒面宏微觀形貌的影響，油膜壓力PR 呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，導(dǎo)致嚙合副產(chǎn)生滾動摩擦損失[17]22，可表示為

PR = 9hvTmb × 10-2 /cos β （5）

式中，h 為彈性動力油膜厚度；β 為齒輪分度圓螺旋角。

彈性動力油膜厚度h 可采用HAMROCK等[19]281提出的算法，表示為

h = 3.07ε0.57 R0.4 （σvTm ）0.71 /E0.03 φ0.11 （6）

式中，ε 為壓黏系數(shù)；R 為齒廓曲率半徑；E 為彈性模量；φ 為載荷系數(shù)。

由式（6）可以看出，潤滑油黏度也是影響滾動摩擦損失的重要影響因素。

值得注意的是，上述的齒輪嚙合滑動及滾動功率損失雖然在一定程度上能夠表征齒輪嚙合功率損失，但均只考慮了潤滑油的彈性承載作用，沒有考慮潤滑油極壓耐磨添加劑產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)膜的作用。近年來，隨著主機(jī)廠及油品公司對長壽命高效潤滑油的追求，潤滑油添加劑含量不斷增高，作用不斷加大，使用傳統(tǒng)齒輪嚙合功率損失計算模型存在計算誤差較大的風(fēng)險。此外，由于電驅(qū)橋等齒輪傳動裝置通常包含差速器、同步器等非標(biāo)準(zhǔn)元件，缺少功率損失經(jīng)驗計算公式，系統(tǒng)建模較為困難。因此，有必要開展電驅(qū)橋功率損失臺架試驗，以直觀準(zhǔn)確地表征電驅(qū)橋的功率損失特性。

2 電驅(qū)橋功率損失試驗

為了明確潤滑油配方、油溫、油位及工作條件對電驅(qū)橋功率損失的影響，采用4種不同的潤滑油進(jìn)行電驅(qū)橋功率損失臺架試驗。通過加載試驗、空載損失試驗及空載反拖試驗的組合，分析電驅(qū)橋的功率損失特性。

2. 1 試驗臺架與潤滑油介紹

本文采用某典型商用車用電驅(qū)橋開展試驗。如圖2所示，電驅(qū)橋包含兩級圓柱齒輪減速和一級行星排減速，動力輸入經(jīng)由圓柱齒輪減速傳遞至太陽輪，然后由行星架輸出至差速器，最終輸出至輪端。

圖3所示為本文采用的電功率封閉試驗臺。試驗臺包含有兩側(cè)對稱布置的負(fù)載增速箱及負(fù)載電動機(jī)。負(fù)載電動機(jī)與電驅(qū)橋輪端之間設(shè)置有轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器，用于輪端輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的測量。輸入轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩由驅(qū)動電動機(jī)自帶傳感器測量。

為了明確潤滑油黏度、添加劑等理化特性對電驅(qū)橋功率損失的影響，在現(xiàn)有行業(yè)常用的電驅(qū)用潤滑油中選擇4 種不同型號/配方的潤滑油進(jìn)行試驗。所選用潤滑油的典型理化性質(zhì)如表1所示。

由表1可知，75W-90潤滑油具有最高的動力黏度，這可能導(dǎo)致最高的攪油損失；75W潤滑油具有最小的動力黏度；而兩種75W-80潤滑油的動力黏度位于兩者之間。

在化學(xué)成分方面，為了增強其銅腐性能，75W-80（1）潤滑油的硫含量和磷含量為其他多級油的1/10。由于使用了傳統(tǒng)的極壓抗磨添加劑體系，75W-80（2）和75W-90 潤滑油的硫含量和磷含量均較高；而75W油則為針對手動輕載傳動裝置的潤滑油，添加劑含量較少。

2. 2 加載試驗

為了模擬真實工作條件，采用道路試驗過程中統(tǒng)計的載荷譜進(jìn)行試驗。具體來說，使用實車運行中的常用擋位、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和油溫作為此次試驗的工況。具體的試驗工況如表2所示。

2. 3 空載試驗

為了更好地明確潤滑油因素對電驅(qū)橋功率損失的影響，開展空載損失試驗，以明確空載功率損失在總功率損失中的占比。具體來說，將試驗臺轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器（圖3）與被測電驅(qū)橋之間的連接法蘭斷開開展測試，此時，驅(qū)動電動機(jī)（圖2）測得的轉(zhuǎn)矩即為電驅(qū)橋的空載轉(zhuǎn)矩。

2. 4 反拖試驗

為了進(jìn)一步明確驅(qū)動電動機(jī)、換擋裝置前及換擋裝置后至輪端部分的空載功率損失情況，開展反拖試驗。將驅(qū)動電動機(jī)（圖2）設(shè)置為空載狀態(tài)，使用負(fù)載電動機(jī)拖動電驅(qū)橋，測得的轉(zhuǎn)矩即為電驅(qū)橋的反拖轉(zhuǎn)矩。進(jìn)而，將驅(qū)動電動機(jī)物理脫開，測得的轉(zhuǎn)矩即為電驅(qū)橋機(jī)械部分的空載轉(zhuǎn)矩。最后，將擋位設(shè)置于空擋狀態(tài)，測得的轉(zhuǎn)矩即為換擋裝置后至輸出端的空載轉(zhuǎn)矩情況。

3 試驗結(jié)果及分析

3. 1 加載試驗結(jié)果

圖4所示為電驅(qū)橋加載試驗功率損失結(jié)果。為對比工作條件（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩）對電驅(qū)橋功率損失的影響，將各轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的功率損失數(shù)值取平均，分別如圖4（a）～圖4（d）所示。

可以看出，在油溫80℃測試工況，所有測試下，75W-80（1）潤滑油均表現(xiàn)出最低的功率損失，這也意味著該潤滑油是使電驅(qū)橋具有最高效率的潛在油品。

當(dāng)測試油溫為50 ℃時，使用75W潤滑油表現(xiàn)出最低的功率損失。針對其他所有測試，75W-90潤滑油總是表現(xiàn)出最高的功率損失；使用75W-80潤滑油表現(xiàn)出的功率損失介于75W與75W-90潤滑油之間。該趨勢與4種潤滑油的動力黏度趨勢一致。值得注意的是，當(dāng)油溫由50 ℃升高至80 ℃，使用75W潤滑油的功率損失幾乎不變；而75W-80（1）潤滑油在油溫50 ℃時表現(xiàn)出較高的功率損失，在油溫80℃時的功率損失明顯降低。參照式（4）分析可知，隨著油溫升高，潤滑油的黏度逐漸降低，導(dǎo)致齒輪滑動摩擦因數(shù)增大，進(jìn)而導(dǎo)致嚙合功率損失增加；相比75W潤滑油，75W-80（1）等多級油在80 ℃時仍能保持滿足齒輪承載能力的黏度數(shù)值，避免嚙合功率損失的增加[18]208[19]281。此外，由于75W潤滑油為針對輕載應(yīng)用場景的潤滑油，添加劑含量較少，會不可避免地導(dǎo)致高溫低黏度工況時的嚙合摩擦因數(shù)增大。

值得注意的是，上述論述僅基于現(xiàn)有研究成果定性分析了潤滑油黏度對齒輪功率的影響，未全面考慮齒輪表面狀態(tài)等其他因素對齒輪嚙合微觀狀態(tài)的影響。實際上，有關(guān)齒輪嚙合微觀狀態(tài)的表征研究仍然是目前眾多學(xué)者的研究重點。

電驅(qū)橋的功率損失均隨輸入轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)矩的增加而增加。較高的損失意味著較低的傳動效率。圖5所示為該電驅(qū)橋在不同油溫和輸入轉(zhuǎn)速條件下的傳遞效率情況。

可以看出，電驅(qū)橋在80 ℃油溫下的傳動效率明顯高于50 ℃油溫下的傳動效率， 約高1. 60%[以75W-80（1）潤滑油為例]。因此，維持合適的工作油溫是保障電驅(qū)橋高效運行的可行措施之一。值得注意的是，電驅(qū)橋?qū)嶋H運行中的潤滑油溫度受電驅(qū)橋生熱狀態(tài)、車輛運行速度等因素的交互影響，為增強潤滑油溫度控制的魯棒性，使用潤滑油冷卻器是可行措施。

與圖4中的功率損失結(jié)果趨勢相同，使用75W-90潤滑油表現(xiàn)出最低的傳動效率，使用75W-80（1）潤滑油則呈現(xiàn)出最高的傳動效率，在80 ℃油溫時，使用75W-80（1）潤滑油要比使用75W-90的傳動效率高1. 04%。50 ℃測試工況時，75W潤滑油表現(xiàn)出最高的傳動效率，75W-80（2）潤滑油的傳動效率介于75W-90和75W-80（1）潤滑油之間。考慮到該電驅(qū)橋的常用工作溫度為80 ℃，因此，75W-80（1）潤滑油是使該電驅(qū)橋具有最佳傳動效率的潛在油品。

不同加油量條件下的電驅(qū)橋傳動效率測試結(jié)果如表3所示。由于篇幅所限，本文僅給出使用75W-90潤滑油的試驗結(jié)果。

由表3可知，由于較低的浸油深度帶來較小的攪油損失，電驅(qū)橋在線下43 mm油位的傳動效率比線下35 mm油位的傳動效率平均約高3. 90%。傳動效率差值隨輸入轉(zhuǎn)速增高而增大，隨輸入轉(zhuǎn)矩的增高而減小。這符合攪油損失與輸入轉(zhuǎn)速成正相關(guān)、與輸入轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)的試驗規(guī)律[1]158。值得注意的是，過低的油位高度將導(dǎo)致齒輪軸承等運動零部件潤滑不足，降低傳動效率，甚至?xí)?dǎo)致齒輪軸承燒蝕等故障的發(fā)生。

3. 2 空載試驗結(jié)果

圖6所示為80 ℃油溫電驅(qū)橋空載試驗結(jié)果。需要注意的是，該空載損失不僅包含齒輪攪油損失，還包括軸承損失及油封損失。尤其對成對使用的圓錐滾子軸承而言，由于預(yù)緊的作用，會存在較大的功率損失。

由圖6可知，75W-80（1）潤滑油表現(xiàn)出最小的空載功率損失；75W-90潤滑油表現(xiàn)出最大的空載功率損失。75W-90潤滑油在所有被測潤滑油中具有最高的黏度和密度。因此，無論從克服黏滯阻力還是攪動潤滑油質(zhì)量的角度，都需要消耗更多的能量，因而導(dǎo)致更大的空載功率損失。由局部放大圖可以看出，隨著輸入轉(zhuǎn)速升高，4種被測潤滑油間的空載功率損失表現(xiàn)差值逐漸增大。因此，對高速電驅(qū)橋而言，選擇合適的潤滑油對降低其功率損失尤為重要。

圖7所示為電驅(qū)橋加載功率損失結(jié)果與空載功率損失結(jié)果的對比。可以看出，對4種被測潤滑油而言，空載功率損失占所有功率損失的比例均超過80%。因此，對該電驅(qū)橋而言，控制其空載功率損失是提升其傳動效率的關(guān)鍵措施。

綜合圖6與圖7結(jié)果可知，不同配方的潤滑油導(dǎo)致不同的空載功率損失，進(jìn)而導(dǎo)致不同的加載功率損失。通過選擇合適的潤滑油，能夠顯著降低電驅(qū)橋的功率損失。

由圖8可知，反拖工況下，該電驅(qū)橋驅(qū)動電動機(jī)的阻力矩約占總阻力矩的40%，而電驅(qū)橋機(jī)械部分的阻力矩約占總阻力矩的60%。在該電驅(qū)橋的機(jī)械阻力矩中，一、二級嚙合副的阻力矩約占總機(jī)械部分阻力矩的80%。因此，通過降低一、二級嚙合副的機(jī)械阻力矩，能夠為電驅(qū)橋帶來較大的效率提升收益。一條可行的優(yōu)化措施為調(diào)整用于二軸支撐的圓錐滾子軸承的預(yù)緊量，以降低電驅(qū)橋的空載功率損失。

4 結(jié)論與討論

基于臺架試驗的方法，研究了不同潤滑油對某平行軸電驅(qū)橋功率損失的影響。主要結(jié)論如下：

1） 電驅(qū)橋的功率損失受其工作條件和潤滑油配方的影響較大。隨著輸入轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)矩的增大，電驅(qū)橋的功率損失逐漸增大。電驅(qū)橋的空載功率損失占總功率損失的比例較大，所有4種被測的潤滑油的空載損失占比均超過80%。

2） 從提高電驅(qū)橋傳動效率的角度看，75W-80（1）潤滑油是該電驅(qū)橋的最佳潤滑油。測試結(jié)果顯示，與使用75W-90潤滑油相比，使用75W-80（1）潤滑油能夠帶來約1. 04%的效率提升效果。

3） 降低潤滑油加注量能夠顯著提高電驅(qū)橋的傳動效率。測試結(jié)果顯示，油位線由線下35 mm降低至線下43 mm能夠帶來約3. 90%的效率提升效果。

4） 保持合適的油溫能夠明顯提高電驅(qū)橋的傳動效率。測試結(jié)果顯示，75W-80（1）潤滑油在80 ℃油溫的傳動效率表現(xiàn)比在50℃油溫的表現(xiàn)高約1. 60%。

5） 在電驅(qū)橋機(jī)械部分阻力矩中，一、二軸嚙合副的阻力矩約占總機(jī)械阻力矩的80%，這是后續(xù)降阻提效的重點方向。

研究結(jié)果為電驅(qū)橋潤滑油的選擇奠定了基礎(chǔ)?？蔀榛谠囼灥碾婒?qū)橋功率損失評估提供指導(dǎo)?；诒狙芯?，未來還可以在以下幾方面開展更深入的研究：

1） 研究考慮添加劑作用的齒輪軸承功率損失計算模型，提高齒輪傳動裝置功率損失計算的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)基于理論建模的齒輪傳動裝置功率損失評估與影響因素分析。

2） 研究潤滑油的理化參數(shù)對齒輪傳動裝置運行可靠性與耐久性的影響，在綜合考慮傳動效率及可靠性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)齒輪傳動裝置所用潤滑油的性能評估與選擇。

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