手動變速器傳動效率的影響因素分析與改善對策研究

張慧芳，張立榮

0 引言

“節(jié)能減排”是現(xiàn)代汽車發(fā)展的總趨勢，手動變速器（以下簡稱“MT”）作為汽車動力總成系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，提高變速器傳動效率是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段之一。傳動效率的提高，不僅對整車降低油耗具有很明顯的效果，而且通過降低摩擦損失，可以減少變速器內(nèi)部發(fā)熱，防止油溫過高，進(jìn)而提高齒輪和軸承的壽命，同時(shí)對減小換檔力，提高換檔性能也會起到一定的效果。本文通過大量的試驗(yàn)研究，對影響傳動效率的損失來源進(jìn)行了分析，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對無載荷損失的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)剖析，并對提高手動變速器傳動效率提出了改善指引。

1 變速器的傳動效率定義

所謂傳動效率η是指輸出功率與輸入功率的比值，如圖1所示：

圖1 傳動效率η計(jì)算示意圖

對手動變速器的傳動效率而言，我們僅研究扭矩的傳動效率即可，即通過扭矩?fù)p失?T的大小來評價(jià)傳動效率的高低。對手動變速器的傳動效率，通常要求在95%以上。

2 傳動效率的評價(jià)方法

傳動效率η的計(jì)算公式為：

效率η＝1－?T/T

?T：扭矩?fù)p失

T：輸入扭矩

其中損失扭矩 ?T＝ ?T（a）＋ ?T（b）；

?T（a）：指無載荷損失，即輸出軸空載狀態(tài)時(shí)使輸入軸轉(zhuǎn)動的抵抗扭矩

?T（b）：指有載荷損失，即傳遞動力時(shí)，隨著輸入扭矩的增加而產(chǎn)生的扭矩?fù)p失

而損失扭矩?T主要與三種特征參數(shù)有關(guān)，即1）輸入轉(zhuǎn)速N（rpm）、 2）潤滑油的運(yùn)動粘度μ（Cst，由潤滑油種類和油溫決定）、3）輸入扭矩T（Nm）。它們之間的關(guān)系如圖2所示：

3 變速器損失相關(guān)分析

通過試驗(yàn)觀察和測試分析我們可以知道，變速器的損失主要來源以下幾個部分：

3.1 無載荷損失?T（a）

主要包括兩部分，即回轉(zhuǎn)體的潤滑油攪拌損失和相對滑動的摩擦損失，其中1）潤滑油攪拌損失與油量、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動粘度有關(guān)，對縱置變速器FR來說，主要是中間軸的攪油損失；對橫置變速器FF來說，主要是差速器齒圈的攪油損失；2）滑動體的摩擦損失包括回轉(zhuǎn)體與回轉(zhuǎn)體間的摩擦損失，如齒環(huán)錐面、齒輪端面等；也包括回轉(zhuǎn)體與非回轉(zhuǎn)體間的摩擦損失，如軸承、齒套與撥叉、油封等；

圖2 損失扭矩ΔT與三種特征參數(shù)有關(guān)

3.2 有載荷損失?T（b）

主要指扭矩傳遞過程中相關(guān)零件的摩擦損失，如軸承、齒輪嚙合（傳遞扭矩的齒輪）。

以一種六速手動變速器的測試結(jié)果為例，扭矩?fù)p失的分配情況如圖3所示：

圖3 扭矩?fù)p失的分配示意圖 (a)

其中

圖3 扭矩?fù)p失的分配示意圖 (b)

3.3 無載荷損失?T（a）的影響因素

3.3.1 油量與攪油損失

以下是對三種不同變速器在三種不同油量下的傳動效率測試結(jié)果：

通過上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，潤滑油量減少300ml，無載荷損失會降低8%～10%，因此，在滿足潤滑的情況下，盡可能減少潤滑油量對提高傳動效率效果很明顯。

圖4 三種不同變速器在三種不同油量下的傳動效率測試結(jié)果

3.3.2 擋油板與攪油損失

某六檔手動變速器通過增加擋油板來減少齒輪的攪油損失，同樣會有較明顯效果。

圖5 某六檔手動變速器通過增加擋油板來減少齒輪的攪油損失效果圖

3.3.3 齒環(huán)SNR與摩擦損失

齒環(huán)的摩擦損失與轉(zhuǎn)速相關(guān)，且轉(zhuǎn)速越高，損失越大，如圖6所示。

圖6 齒環(huán)的摩擦損失與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖7 齒環(huán)摩擦損失的傳遞路徑

齒環(huán)摩擦損失的傳遞路徑如圖7所示。

通過上圖的傳遞路徑可知，齒輪的摩擦損失MG與齒環(huán)的摩擦損失MR大小相同但方向相反，且齒輪的摩擦損失MG因速比的變化對輸入端的影響逐漸減小，而齒環(huán)的摩擦損失MR因速比變化而增大，且與齒輪與齒環(huán)的相對轉(zhuǎn)速差有關(guān)。

此外，同步器錐角對摩擦損失（油溫升高）的影響，具體如圖8所示：

圖8 同步器錐角對摩擦損失（油溫升高）的影響

4 結(jié)束語

通過以上分析，我們可以看出，無載荷狀態(tài)下的攪油損失和摩擦損失對手動變速器傳動效率的影響起著重要作用，通過適 當(dāng)控制潤滑油量、增加擋油板等措施可以大大提高傳動效率；此外通過對同步器錐角等參數(shù)的優(yōu)化，也可以減少齒環(huán)的摩擦損失，對提高傳動效率同樣有效果。

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