潤滑因素對汽車驅動橋功率損失的影響分析研究

王旺平

摘 要：針對某型號驅動橋中準雙曲面齒輪的潤滑和安裝方式，介紹了驅動橋中潤滑油的性能要求。根據攪油損失的形成機理，分析了不同因素對驅動橋功率損失的影響，找出了主要因素。結合該型驅動橋的結構及整車工況，確定了浸油深度的范圍及潤滑方式，為汽車驅動橋傳動優化與設計提供了理論依據。

關鍵詞：潤滑；驅動橋；功率損失；準雙曲面齒輪

1 前言

汽車驅動橋是汽車行駛系中最重要的部分之一，其作用是將變速箱的輸出扭矩通過傳動軸傳遞至車輪，實現降速增矩目的[1-2]。驅動橋在傳遞動力的過程中存在功率損失，主要包括齒輪嚙合功率損失、齒輪攪油功率損失和軸承摩擦功率損失等三個部分。

閉式齒輪傳動中，潤滑油的選擇極為重要，其作用主要是潤滑、防銹和散熱。通過潤滑，可在齒面間形成油膜，防止金屬表面直接接觸，能減少由摩損引起的功率損失[3]。驅動橋的傳動效率和功率損失，與潤滑油的類型、體積（深度）、溫度等密不可分。針對某型號汽車驅動橋中準雙面齒輪副的安裝和潤滑方式，分析了潤滑因素對驅動橋功率損失的影響，為汽車驅動橋的優化與設計提供了理論依據。

2 驅動橋中潤滑油的性能要求

汽車驅動橋在工作的過程中，傳遞的扭矩大，轉速高，齒輪表面的接觸應力高，因此對齒輪潤滑油的性能要求非?？量?。保證齒輪的良好潤滑，是汽車驅動橋中潤滑油選擇的關鍵。

潤滑油的粘度本質上是反應其內摩察力的大小，一定條件下，粘度越大，油膜強度越高，流動性就越差。粘度指數表示油品粘度隨溫度變化的程度，粘度指數越高，粘度受溫度的影響越小，其粘溫性能越好。潤滑油的極壓抗磨性能是指輪齒間形成的油膜能夠承受壓力和摩擦力的能力，極壓抗磨性能不好，油膜容易破裂，增加齒面間的直接接觸，導致齒面磨損，增加功率損耗[4]。

由于驅動橋工作條件復雜多變，因此要求潤滑油在低溫下有較好的流動性，又要求具有良好的粘溫特性。驅動橋齒輪潤滑油還應具有良好的熱氧化安定性、抗泡性及較強的抗腐蝕性等。理論上，汽車驅動橋潤滑油的選擇要考慮負載特性、輪齒相對滑動速度和工作溫度等，這些因素與驅動橋的結構和行駛工況有關。所研究的某型號汽車驅動橋采用準雙曲面齒輪傳動，傳遞扭矩大，相對滑動速度高，因此選擇重負荷齒輪油（GL-5）為潤滑油。

3 潤滑因素對驅動橋功率損失的影響分析及參數選擇

3.1 驅動橋齒輪攪油損失

齒輪攪油損失一是齒輪旋轉時攪動潤滑油產生的損失，二是齒輪嚙合時的夾帶損失。攪油損失與潤滑油的粘度、齒輪模數、浸油深度以及潤滑油溫度有關。S Seetharaman等學者研究表明，齒輪攪油損失一是齒輪旋轉帶動齒輪表面上附著的潤滑油而產生的功率損失，二是齒輪嚙合時，由于齒面空隙處泵吸效應產生的功率損失[5]。其中第一部分功率損失包括三個方面，一是齒輪周面與潤滑油之間的功率損失，二是齒側與潤滑油之間的功率損失，三是兩齒面之間的潤滑油產生渦旋的功率損失，S Seetharaman等學者通過理論與試驗分析，分別給出這三方面損失的理論計算公式[5]。

所研究的某型號汽車驅動橋中，主動齒輪和被動齒輪均發生攪油損失，且轉速成一定比例，其中被齒浸入潤滑油中的體積比主齒大很多。該齒輪在驅動橋中采用標準安裝方式，潤滑油的運動粘度為13.5m2/s，密度為0.855kg/L，大齒輪浸油深度為齒寬的1.5倍。采用S Seetharaman等學者研究得到的理論公式，利用Matlab軟件進行計算，得到了攪油損失與齒輪轉速的關系曲線，其變化趨勢如圖1所示。

從圖1中可以看出，攪油損失隨著齒輪轉速的增大而增大，且隨著轉速的增加，攪油損失顯著增大。

3.2 攪油損失的影響因素分析

從攪油功率損失的計算公式中可以看出，齒輪的浸油深度與齒輪的直徑對攪油損失有很大的影響。齒輪直徑越大，浸油深度相應也較大，攪油阻力變大，功率損失增加。

浸入油液中的深度及齒輪的直徑也會對攪油損失有很大的影響。當齒輪直徑加大、齒輪浸油深度也會變大，浸入液面下的齒輪面積也變大，攪油阻力變大導致功率損失增大。圖2為攪油齒輪轉速為800rpm時，功率損失與浸油深度和齒輪直徑的關系曲線。

圖2 攪油功率損失與浸油深度和齒輪直徑的關系曲線

攪油功率損失與潤滑油的運動粘度和密度也有關，圖2為攪油功率損失與潤滑油的運動粘度和密度之間的關系曲線。從圖中可以看出，潤滑油的運動粘度和密度越大，攪油損失也越大。

驅動橋中齒輪轉速由發動機、傳動系統及行駛狀態決定，無法主動控制。因此，為減小齒輪攪油功率損失，可從減小齒輪浸油面積和改善潤滑油性能方面入手。

圖3 攪油功率損失與潤滑油運動粘度和密度之間的關系曲線

3.3 浸油深度的影響

齒輪潤滑的目的是減小齒面間的摩擦損耗，提高傳動效率。潤滑油浸油深度不足時，齒面間不能充分潤滑，齒面間摩擦增大，會降低傳動效率。浸油深度過大時，齒輪浸油面積增大，對應的攪油損失也增大。合理的浸油深度，既能保證齒輪的充分潤滑，又能降低齒輪攪油損失，提高驅動橋傳動效率。

機械設計理論表明，齒輪浸油深度應不低于半個齒寬。對所研究的某汽車驅動橋中的準雙面齒輪齒面寬度可知，其浸油深度應不低于28mm。利用UG軟件的內空間計算器，對該型號汽車驅動橋進行了分析，得到了其內部空間體積（潤滑油體積）與垂直高度（油面高度）的關系曲線，如圖4所示。

根據分析，選取三組潤滑油體積，對應的油面高度和浸油深度如表1所示。

表1 三組潤滑油體積與油面高度和浸油深度之間的關系

3.4 潤滑油種類的影響

驅動橋中準雙曲面齒輪的疲勞壽命，即與齒面的接觸應力有關，也跟潤滑油因素有關。準雙曲面齒輪副在其傳動系統中的潤滑條件最惡劣，若選用潤滑油油膜強度不夠，能引起齒面粘結，出現齒面膠合，降低齒輪壽命。根據《重負荷車輛齒輪油》標準規定，驅動橋中準雙曲面齒輪的潤滑，選用GL-5，其粘度分為75W、80W/90、85W/90、85W/140、90和140等牌號。驅動橋中潤滑油粘度與溫度的關系曲線如圖5所示。

根據攪油損失的分析，潤滑油的運動粘度和密度是影響驅動橋功率損失的最重要的因素。最終選擇驅動橋齒輪潤滑油型號為GL-5 90和GL-5 75W/90，為后續的試驗研究提供了參考。

4 結束語

通過分析某型汽車驅動橋中準雙面齒輪的潤滑方式，利用Matlab軟件計算了不同條件下驅動橋功率損失，得到最佳的齒輪潤滑方式和潤滑參數，為汽車傳動系統的優化與設計提供了理論依據。

參考文獻

[1]陳家瑞.汽車構造[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]徐志生.汽車理論（第4版）[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3]康明艷.潤滑油生產與應用[M].北京： 化學工業出版社，2012.

[4]馮龍龍.環保型汽車齒輪潤滑油潤滑性能及機理研究[D].沈陽理工大學，2013.

[5]S Seetharaman，A Kahraman. Oil Churning Power Losses of a Gear Pair Experiments and Model Validation[J].Journal of Tribology. 2009，131（2）：1-10.