第44卷第3期2019年6月 广西大学学报(自然科学版)Journal of Guangxi University(Nat Sci Ed)Vol.44No.3June 2019 收稿日期:2018⁃11⁃04；修订日期:2018⁃12⁃05 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51704221) 通讯作者：莫易敏(1960 )，男，湖南桃源人，武汉理工大学教授，博士生导师，博士;E⁃mail:moyimin@whut.edu㊂
引文格式：章德平，莫易敏，高勇，等.微型汽车驱动桥传动效率的试验研究[J].广西大学学报(自然科学版),2019,44(3):613⁃620.doi:10.13624/jki.issn.1001⁃7445.2019.0613微型汽车驱动桥传动效率的试验研究
章德平1，莫易敏*2，高勇3，杨军胜1
(1.武汉轻工大学机械工程学院，湖北武汉430048;
2.武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070;
3.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007)
摘要：针对影响微型汽车驱动桥传动效率的关键因素，对微型汽车驱动桥系统内部功率损失的组成与形成机理进行了分析，构建了微型汽车驱动桥传动效率的数学模型㊂基于微型汽车驱动桥的具体结构，搭建了专门用于驱动桥传动效率测试的试验台架，通过制造试验样机并开展相关测试，研究了各关键因素
对微型汽车驱动桥传动效率的影响规律㊂试验结果表明：保持加载扭矩不变，随着微型汽车驱动桥输入转速的逐渐增大，传动效率值将逐渐上升，当输入转速增大至约3500r /min 时传动效率上升至最大值，而后开始逐渐下降；保持输入转速不变，驱动桥的传动效率随着加载扭矩的增大而增大；随着差速器轴承的预紧变形量的增加，驱动桥的传动效率将逐渐降低；在保证轮毂轴承使用寿命的前提下适当增大径向游隙的大小，驱动桥传动效率值将随之上升；如果通过采用合成齿轮油来改善润滑油粘 温特性，驱动桥的传动效率最高可提高约2.51%㊂
关键词：微型汽车；驱动桥；传动效率；功率损失；燃油经济性
中图分类号:U461.8 文献标识码:A 文章编号:1001⁃7445(2019)03⁃0613⁃08Experimental study on transmission efficiency of mini⁃car’s drive axle
ZHANG De⁃ping 1,MO Yi⁃min *2,GAO Yong 3,YANG Jun⁃sheng 1
(1.College of Mechanical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430048,China;
2.School of Mechanical and Electronic Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;
3.SAIC⁃GM⁃Wuling Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou 545007,China)Abstract :Aiming at the key factors inf
luencing transmission efficiency of drive axle,the formation mechanism and internal composition of power loss in drive axle of mini⁃car are analyzed,and a mathematical model of drive axle is established.A test bench is built,several testing samples are manufactured and a series of tests are carried out to study the influence of all factors on the transmission efficiency of drive axle.The testing results showed that the transmission efficiency of drive axle is increased by keeping constant load torque and increasing input speed gradually to the maximum at 3500r /min;With the input speed unchanged,the transmission efficiency of drive axle
广西大学学报(自然科学版)第44卷could also be increased monotonously by increasing load torque;The transmission efficiency of drive axle is decreased gradually by increasing preloading deformation of differential bearing;On the premise of ensuring the service life of hub bearing,drive axle transmission efficiency will be increased by increasing the size of radial clearance appropriately.If synthetic gear oil is used to improve the viscosity and temperature characteristics of the lubricating oil,the driving efficiency of the drive axle can be increased by up to about 2.51%.Key words :mini⁃car;drive axle;transmission efficiency;power loss;fuel economy
0 引言
宝马 1系
因化石能源消耗量不断增加而导致的气候变暖问题，早已引起各国际环保组织的高度关注㊂由于车用能源消耗占化石能源总消耗的比例相对较大，为了积极推进节能减排的相关工作和促进我国汽车工业的健康发展，我国适时推出了‘乘用车燃料消耗量限值“第四阶段标准，该标准所规定的燃油消耗量限值与前几个阶段相比变得越来越严格㊂
总体而言，微型汽车正常行驶时燃油消耗量主要取决于两大关键因素：一是其发动机系统的技术性能，二是其传动系统的工作状况[1]㊂而对于微型汽车传动系统而言，其传动效率值作为一项关键性能指标，能够直接反映出微型汽车的燃油消耗大小㊂而驱动桥作为微型汽车传动系统的两大关键部件之一，其工作性能的优劣在很大程度上对微型汽车的燃油经济性具有直接影响㊂因此，降低微型汽车驱动桥工作时系统内部的各类功率损耗，提高驱动桥的传动效率，对于改善微型汽车的燃油经济性具有直接帮助㊂
为了有效开展基于燃油经济性的微型汽车驱动桥优化设计，就有必要快速而准确地获取驱动桥的传动效率值，而获取传动效率值最直接的方式就是利用试验技术㊂基于试验测试来开展机械传动的相关研究，能够借助对试验数据的分析与处理，对相应的理论分析结论进行直接验证，从而使得研究和实践之间联系更为紧密㊂
1
微型汽车驱动桥传动效率的影响因素分析
1-驱动车轮;2-轮毂轴承;3-主减速器总成;4-差速器总成;5-桥壳;6-半轴
图1 某型国产微型汽车驱动桥的结构示意图
Fig.1 Structure of a certain type of mini⁃car drive axle 作为微型汽车传动系统的重要组成部件之
一，驱动桥的基本功用是将手动变速箱经由万
向传动装置传递进来的动力合理分配给两侧驱
动车轮，同时还需承受各类外界作用力[2]㊂图1为某型国产微型汽车驱动桥的结构示意图㊂
微型汽车驱动桥的传动效率是指微型汽车
驱动桥处于某一工作状态时两侧驱动车轮输出
总功率与输入功率之间的比值[3]㊂传动效率作为衡量驱动桥综合性能的一项重要指标，非常
适合用于评估应用于驱动桥系统的相关节能技
术的有效性㊂其具体表达式如下:
η=P o /P i =(P i -P L )/P i ,(1)式中:P o 为驱动桥系统工作时的输出总功率;P i 为驱动桥系统工作时的输入功率;P L 为驱动桥系统工作过程中的功率总损耗㊂
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第3期章德平等：微型汽车驱动桥传动效率的试验研究就微型汽车驱动桥而言，其正常工作时功率总损耗P L 大致分为两大类：一是系统工作时内部旋转零件因为搅动高粘度齿轮油而受到的阻力所造成的功率损失[4⁃5]，二是系统运转时构成运动副的联接零件之间的机械摩擦阻力所引起的功率损失㊂具体来说，微型汽车驱动桥工作时功率损耗P L 主要包含以下四类:
1.1 锥齿轮啮合功率损失
在微型汽车驱动桥的内部，主减速器总成与差速器总成之间的动力传递依靠的是锥齿轮副[6]，其啮合功率损失P HG 又可以分为两类：一是滑动摩擦功率损失P H ，二是滚动摩擦功率损失P G ㊂因此P HG 可以表示为:
P HG =P H +P G ㊂(2)为了使得计算结果更为接近实际情况，将锥齿轮传动的滑动摩擦功率损失用平均滑动功率损失表
示[7]，其计算公式为:P H =f F n v s ×10-3,(3)式中:f 为摩擦系数;F n 为平均齿面法向载荷,N;v s 为啮合点处的平均滑动速度,m /s㊂
其中，摩擦系数f 的计算公式为:
f =0.127lg[29.66F n cos β/(bμ0v s v 2r )],(4)
式中:β为分度圆螺旋角;v r 为啮合点处的平均滚动速度,m /s;μ0为润滑油动力粘度,kg /(m㊃s);b 为齿
宽，取锥齿轮副中齿宽较小者,mm㊂
出于简化考虑，选取平均滚动功率损失来近似表示锥齿轮传动的滚动摩擦功率损失[8⁃9]，其数学计
算公式为:P G =90000v r h 0bεα/cos β,(5)式中:h 0为啮合齿廓之间所形成的润滑油膜厚度,mm;εα为端面重合度㊂
刹车辅助而油膜厚度h 0可以表示为:
h 0=2.051×10-7×(v r μ0)0.67F -0.067n R 0.464e
奔腾汽车,(6)
式中:R e 为当量接触半径,mm㊂1.2 滚动轴承摩擦功率损失在微型汽车驱动桥中，主减速器总成和差速器总成所选用轴承均为圆锥滚子轴承，由于轴承工作时需要承受较大冲击，因此均采取了预紧措施；轮毂轴承出于润滑方式的考虑，选用的是密封球轴承㊂
为了计算滚动轴承正常工作时所产生的摩擦功率损失P B ，必须先对滚动轴承摩擦力矩M 的大小
进行估算㊂作为滚动轴承的一项重要性能参数，摩擦力矩指的是各类相关摩擦因素对滚动轴承旋转运动所产生的阻力矩㊂P B 和M 两者之间的关系可以表示为:
P B =M ㊃n ㊃π/30㊂(7)估算滚动轴承的摩擦力矩时，通常将其摩擦力矩分为两个组成部分[10]：一是与滚动轴承所承受载荷无关的M 0；二是与滚动轴承所承受载荷有关的M 1㊂对应计算式如下:
M =M 0+M 1,(8)M 0=10-7f 0(vn )2/3D 3m (vn ≥2000)160×10-7f 0(vn )2/3D 3m (vn ≤2000{)
,(9)
M 1=f 1Q D m ,(10)式中:f 0为考虑轴承结构和润滑方法的经验系数;f 1为载荷系数;ν为驱动桥内部齿轮油的运动粘度,
m 2/s;n 为轴承转速,r /min;D m 为轴承节圆平均直径mm;Q 为当量动载荷,N㊂516
广西大学学报(自然科学版)第44卷
1.3 油封功率损失
驱动桥输入法兰的位置附近设置有油封，该油封的作用包括两个方面：一是防止驱动桥内的齿轮润滑
油经入口渗出，二是防止外部有害杂质如水分等侵入㊂油封功率损失的主要形式为摩擦损失，并且与主轴的转速关联很大，油封的功率损失P Y的计算常使用如下经验公式[11]:
P Y=9.8×10-7n2+0.006965n+5.4075,(11)式中:n为旋转轴的转速,r/min㊂
1.4 搅油功率损失
微型汽车驱动桥的齿轮润滑方式为浸油润滑，锥齿轮副有很大一部分是浸入特制齿轮润滑油之中的，而齿轮润滑油的运动粘度值较高，这就使得锥齿轮工作时会产生较大的搅油功率损失㊂搅油功率损失P C与齿轮轴的转速㊁锥齿轮浸油深度及齿轮润滑油的温度等因素呈复杂的函数关系[12]㊂引起搅油功率损失的原因主要包括:(1)处于高速旋转状态的锥齿轮与高粘度齿轮润滑油之间的相互作用;(2)锥齿轮啮合时齿廓间封闭区域空隙的周期性变化，使得齿轮润滑油周而复始地被吸入与排出㊂工程实际中关于齿轮搅油功率损失P C的计算大都基于经验公式，最常用的经验公式如下[13]:
P C=1/2ρω3S m(D p/2)3C m,(12)式中:ρ为齿轮润滑油的密度,kg/m3;ω为搅油锥齿轮的角速度,rad/s;S m为搅油锥齿轮浸入齿轮润滑油的端面面积,m2;D P为搅油锥齿轮的节圆直径,mm;C m为转矩系数㊂
2 试验台架与试验方法的设计
开展微型汽车驱动桥传动效率测试，需在专用的试验台架上进行[14]，因此有必要设计一组专门用于驱
斯堪尼亚卡车动桥传动效率测试的试验台架与试验方法㊂
2.1 试验台架的总体设计
驱动桥传动效率的测试可以按照如下技术方案开展：如图2所示，分别测试某一工作状态下驱动桥输入端的扭矩M i和转速n i㊁两侧输出端的扭矩M o1和M o2㊁两侧输出端的转速n o1和n o2，通过计算该状态
下驱动桥的输入功率P i与输出功率P o，得出对应的驱动桥传动效率值η㊂具体计算表达式如下:
η=P o/P i=(n o1㊃M o1+n o2㊃M o2)/(n i㊃M i)㊂
(13)
图2 微型汽车驱动桥传动效率测试的技术方案
Fig.2 Technical scheme of transmission efficiency test for mini⁃car drive axle
试验台采用电封闭结构，选用一台交流异步电力测功机来驱动测试样机，测试时该测功机以变频调速的电动机方式模拟发动机工作，样机两侧输出端各设置一台交流异步电力测功机进行模拟加载㊂测功机具体技术参数如表1所示㊂
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第3期章德平等：微型汽车驱动桥传动效率的试验研究
表1 测功机的具体技术参数帕萨特b7价格
Tab.1 Specific technical parameters of dynamometer
测功机额定电压
/V
额定电流/A 额定功率(吸收)/kW 额定转速(吸收)/(r㊃min -1)额定扭矩(吸收)/(N㊃m)额定功率(驱动)/kW 额定转速(驱动)/(r㊃min -1)额定扭矩(驱动)/(N㊃m)过载系数拖动电力测功机380
310160300050115029504951.3加载电力测功机38021011050020001004901800
1.3 在测功机与测试样机之间设置有三个TQ-663法兰式扭矩传感器，可以测得输入扭矩和输出扭矩，而输入转速和输出转速则可利用测功机附属编码器直接获取㊂法兰式扭矩传感器的技术参数如表2所示，驱动桥传动效率试验台的总体布置如图3所示
㊂
1-驱动电机;2-扭矩法兰;3-加载电机;4-试验样机图3 微型汽车驱动桥传动效率试验台架的平面布置图Fig.3 Layout of the transmission efficiency test bench for mini⁃car drive axle 表2 法兰式扭矩传感器的技术参数
Tab.2 Technical parameters of torque sensor
参数
参数值量程/(N㊃m)
全新桑塔纳报价0~±1000精度/%
0.1供电电压(DC)/V
24信号电压/V ±5
试验台测控系统采用工控机为上位机㊁PLC 为下位机的主从式分布结构，上位机用于人机交互，下位机
则用于实时信号的采集㊂由于测试时还需对润滑油温
度进行精确控制，试验台还配备了恒温控制系统[15]，基本能够将油温控制为设定值，误差不超过±1.5℃㊂
为了实现电能循环利用，试验台采用电封闭结构,
在测试过程中，拖动测功机工作在 电动状态”，而加载
测功机则以 发电状态”工作，能够将试验样机输出的
机械能重新转换为电能，并将这部分通过逆变得到的电能反馈至相关单元㊂
2.2 试验方法的设计
微型汽车驱动桥传动效率的测试原理是通过控制试验样机输入转速和加载扭矩来模拟驱动桥的实际工况[15]㊂测试时，按照如下试验程序进行:①将满足磨合要求的试验样机安装至试验台架，更换规定牌号的齿轮润滑油㊂②利用试验辅助系统控制齿轮润滑油为恒温，通过加载系统控制输入扭矩为某一定值，依次改变
输入转速，测量相应参数并得出相应传动效率值㊂③重新设定输入扭矩并保持不变，重复上一步的操作程序，直至完成所有测试内容㊂3 试验结果及分析
通过上述分析可知：微型汽车驱动桥运转时的外部负载㊁工作转速㊁齿轮油的粘 温特性㊁滚动轴承性能以及主要齿轮参数等都是影响传动效率的关键因素㊂参照微型汽车驱动桥的设计要求，制作一套试验样机，用于开展驱动桥传动效率测试的研究，表3为试验样机的主要技术参数㊂图4为开展传动效率测试的现场图㊂716
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