商用車(chē)傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率試驗(yàn)對(duì)比分析

楊曉明　虞陽(yáng)　江小柯　孫金其

摘 要：有三種商用車(chē)傳動(dòng)軸，進(jìn)行傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出影響傳動(dòng)效率的因素有萬(wàn)向節(jié)夾角、檔位等。試驗(yàn)結(jié)果顯示，夾角增加時(shí)傳動(dòng)效率降低；轉(zhuǎn)速升高時(shí)傳動(dòng)效率降低；在低轉(zhuǎn)速傳動(dòng)效率趨勢(shì)較平緩；在高轉(zhuǎn)速傳動(dòng)效率下降趨勢(shì)變快；轉(zhuǎn)速差波動(dòng)小時(shí)，扭矩差曲線(xiàn)也可以得到與傳動(dòng)效率曲線(xiàn)相似的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：商用車(chē)；傳動(dòng)軸；傳動(dòng)效率；扭矩差； 對(duì)比分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2016）06-0088-05

Abstract： There are three kinds of transmission shafts for commercial vehicle， the experiment was done according to the test standard of transmission shaft transmission efficiency test. Based on the comparison and analysis of the test data， it is concluded that the factors affecting the efficiency of the transmission are the angle of the universal joint， the gear position and so on. Test results show that the transmission efficiency decreased with the angle of the universal joint increasing； it decreased with the increasing of speed； in low speed transmission efficiency trend is gentle； in high speed transmission efficiency trend decline； the fluctuations of speed difference of is small， the torque curve can also get the law similar to the transmission efficiency curves.

Key Words： Commercial vehicle； Transmission shaft； Transmission efficiency； Torque difference； Comparative analysis

1 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間的動(dòng)力傳遞裝置為傳動(dòng)系，傳動(dòng)性能的好壞將直接影響到商用車(chē)行駛性能的優(yōu)劣，對(duì)商用車(chē)的性能有非常重要的影響。傳動(dòng)系主要是為了實(shí)現(xiàn)商用車(chē)的減速增扭、變速、倒檔、輪間差速以及必要時(shí)中斷動(dòng)力傳遞，與發(fā)動(dòng)機(jī)配合工作，能保證商用車(chē)在各種工況條件下的正常行駛。

萬(wàn)向傳動(dòng)軸一般是由萬(wàn)向節(jié)、傳動(dòng)軸和中間支撐組成。傳動(dòng)軸作用是在汽車(chē)行駛過(guò)程中傳遞轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。萬(wàn)向傳動(dòng)軸是傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部分，變速箱的動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)軸接收，把動(dòng)力傳遞給后橋，從而驅(qū)動(dòng)汽車(chē)正常行駛。由于傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)是兩段軸式，即由3個(gè)萬(wàn)向節(jié)與2段軸組成，動(dòng)力在經(jīng)過(guò)傳動(dòng)軸的過(guò)程中，由于軸的材料和結(jié)構(gòu)特性與萬(wàn)向節(jié)的存在，不可避免的會(huì)有能量的損失。由于傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)本身的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，工作過(guò)程中高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)汽車(chē)行駛時(shí)，路況的不同，商用車(chē)的車(chē)輪會(huì)上下跳動(dòng)，使得傳動(dòng)軸的2個(gè)萬(wàn)向節(jié)軸間夾角不為零且經(jīng)常變化，從而造成傳動(dòng)系統(tǒng)的能量與效率有所損失；傳動(dòng)軸工作時(shí)傳遞扭矩與功率的不斷變化不利于汽車(chē)的平穩(wěn)運(yùn)行。能量與效率的損失不僅會(huì)導(dǎo)致商用車(chē)驅(qū)動(dòng)力變小、燃油消耗增加，會(huì)使萬(wàn)向節(jié)溫度升高、潤(rùn)滑條件變差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成萬(wàn)向節(jié)磨損、密封膠套破裂[1-4]。商用車(chē)的不平穩(wěn)運(yùn)行將影響經(jīng)濟(jì)性、乘用舒適性，甚至使元件破壞、發(fā)生事故等，可見(jiàn)對(duì)商用車(chē)傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率具有一定的研究意義[5]。

本文以三種商用車(chē)傳動(dòng)軸為檢測(cè)對(duì)象，依據(jù)我國(guó)汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T29082-1992 《汽車(chē)傳動(dòng)軸總成技術(shù)條件》、美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)（SAE）標(biāo)準(zhǔn) J 901《Universal Joints and Driveshaft Nomenclature Terminology Application》和日本汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化組織JASO7208標(biāo)準(zhǔn)《汽車(chē)傳動(dòng)軸總成試驗(yàn)方法》的要求，在美國(guó)寶克（BURKE）公司制造的汽車(chē)電控動(dòng)力傳動(dòng)系實(shí)驗(yàn)臺(tái)上[6]，分別進(jìn)行了三種商用車(chē)傳動(dòng)軸傳動(dòng)效率的性能對(duì)比試驗(yàn)。在不同輸入轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入與輸出軸夾角的試驗(yàn)條件下，檢測(cè)商用車(chē)傳動(dòng)軸輸入軸和輸出軸間的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，對(duì)比分析了傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

對(duì)商用車(chē)傳動(dòng)軸進(jìn)行不同夾角狀態(tài)和不同工況下的傳動(dòng)效率對(duì)比檢測(cè)分析，目的是通過(guò)主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，降低汽車(chē)油耗，提高傳動(dòng)效率。

傳動(dòng)效率是傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)，傳動(dòng)效率的高低是評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。，影響萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)效率的主要因素為擺角。由于商用車(chē)在行駛中路面的波動(dòng)和車(chē)速的變化，擺角和轉(zhuǎn)速也在劇烈轉(zhuǎn)變。因此對(duì)不同擺角和不同輸入轉(zhuǎn)速時(shí)傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率研究具有重要意義，能夠?qū)鲃?dòng)效率特性有更加深入的了解。

3 技術(shù)要求

3.1 檢測(cè)概況：試驗(yàn)設(shè)備與原理

3.3 傳動(dòng)軸的試驗(yàn)狀態(tài)

3.3.1 傳動(dòng)軸工作狀態(tài)

當(dāng)汽車(chē)在不平路面行駛的過(guò)程中，由于路面沖擊車(chē)輪使懸架系統(tǒng)振動(dòng)，造成變速器輸出軸與后橋輸出軸軸線(xiàn)的相對(duì)位置經(jīng)常發(fā)生變化。

3.3.2 萬(wàn)向節(jié)夾角的選取

試驗(yàn)萬(wàn)向節(jié)夾角角度根據(jù)傳動(dòng)軸跳動(dòng)圖的上下跳動(dòng)的極限位置及最大擺角，進(jìn)行選取，在試驗(yàn)過(guò)程中第一萬(wàn)向節(jié)（在車(chē)上安裝狀態(tài)從前面算）處夾角一直保持為0度，第二萬(wàn)向節(jié)與第三萬(wàn)向節(jié)處設(shè)置相等夾角，分別為0?-0?-0?、0?-2?-2?、0?-4?-4?、0?-6?-6?和0?-8?-8?度，夾角的偏轉(zhuǎn)方向均呈Z型布置狀態(tài)。如圖1所示：

4 傳動(dòng)軸傳動(dòng)效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.1 樣件1的傳動(dòng)效率

樣件1在試驗(yàn)過(guò)程中，六檔工況對(duì)應(yīng)的0?-4?-4?、0?-6?-6?、0?-8?-8?以及五檔工況對(duì)應(yīng)的0?-8?-8?的轉(zhuǎn)矩傳感器讀數(shù)波動(dòng)較大，這是由于高速檔時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高容易引起樣件抖動(dòng)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)現(xiàn)象。為防止樣件破壞，停止試驗(yàn)，沒(méi)有獲得試驗(yàn)結(jié)果。其他夾角狀態(tài)和載荷工況下的傳動(dòng)效率結(jié)果列于表3：

可見(jiàn)：1）傳動(dòng)軸的整體傳動(dòng)效率較高，都在99%以上。2）隨著檔位的升高，傳動(dòng)效率有變小的趨勢(shì)，但是變化趨勢(shì)較平緩。3）隨著夾角的增大，各檔位傳動(dòng)效率略有降低。4）與其他檔位相比，六檔的兩組效率數(shù)據(jù)出現(xiàn)反常增加的情況。補(bǔ)做兩組試驗(yàn)，六檔的傳動(dòng)效率仍然高于同夾角狀態(tài)下的五檔效率。

4.2 樣件2的傳動(dòng)效率

樣件2在試驗(yàn)過(guò)程中，六檔工況在0?-0?-0?的時(shí)候轉(zhuǎn)矩波動(dòng)就很大，因此后面就沒(méi)有做此工況。另外，一檔工況和五檔工況在0?-6?-6?和0?-8?-8?的狀態(tài)下也出現(xiàn)類(lèi)似的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問(wèn)題，也沒(méi)有獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。可見(jiàn)，不僅高轉(zhuǎn)速工況會(huì)出現(xiàn)試驗(yàn)不穩(wěn)定狀況，在轉(zhuǎn)速較低的大轉(zhuǎn)矩工況也會(huì)出現(xiàn)試驗(yàn)狀態(tài)不穩(wěn)定的情況。樣件2各夾角狀態(tài)和載荷工況下的傳動(dòng)效率結(jié)果列于表4：

根據(jù)表5數(shù)據(jù)可以看出：1）傳動(dòng)軸的整體傳動(dòng)效率較高，都在98%以上。2）隨著檔位的升高，傳動(dòng)效率有變小，且高檔區(qū)變小的趨勢(shì)較快。3）隨著夾角的增大，各檔位傳動(dòng)效率降低，但變化很小。4）與樣件1相比，低檔的傳動(dòng)效率更高，但高檔位傳動(dòng)效率下降的幅度更大，因此四、五檔的傳動(dòng)效率要低于樣件1。

4.3 樣件3的傳動(dòng)效率

樣件3的傳動(dòng)效率結(jié)果列于表5。因?yàn)榱鶛n工況轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很大而沒(méi)有進(jìn)行此工況試驗(yàn)，因此在表中沒(méi)有體現(xiàn)。另外，一檔、二檔在0?-6?-6?和0?-8?-8?的狀態(tài)下以及五檔在0?-4?-4?、0?-6?-6?、0?-8?-8?狀態(tài)也出現(xiàn)類(lèi)似的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問(wèn)題，也沒(méi)有獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在樣件3的試驗(yàn)中，個(gè)別檔位的試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)夾角增大時(shí)傳動(dòng)效率反而增加的情況，與常理相悖。為此，對(duì)這幾個(gè)檔位有問(wèn)題的夾角狀態(tài)進(jìn)行多次試驗(yàn)測(cè)量，但數(shù)據(jù)反常的現(xiàn)象依然存在。

根據(jù)圖表數(shù)據(jù)可以看出：1）在獲得試驗(yàn)結(jié)果的工況下，傳動(dòng)軸的整體傳動(dòng)效率較高，基本都在99%以上。2）隨著檔位的升高，傳動(dòng)效率有變小的趨勢(shì)，且高檔區(qū)變小的趨勢(shì)較快。3）隨著夾角的增大，各檔位傳動(dòng)效率總體上是在降低的，但1、2、3檔的0?-4?-4?傳動(dòng)效率略高于0?-2?-2?的效率，四檔的0?-8?-8?效率高于0?-6?-6?效率，與常識(shí)相反。4）樣件3的低檔傳動(dòng)效率較高，高檔傳動(dòng)效率下降幅度較大，其變化趨勢(shì)與樣件2的相類(lèi)似。五檔傳動(dòng)效率比樣件2的相應(yīng)值稍高，但在試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。

5 傳動(dòng)軸傳動(dòng)效率試驗(yàn)分析

5.1 傳動(dòng)效率的計(jì)算

輸入、輸出測(cè)功機(jī)各有一個(gè)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器（圖8），其測(cè)量值分別是傳動(dòng)軸兩端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。由于傳動(dòng)軸樣件在試驗(yàn)過(guò)程中滿(mǎn)足雙十字軸萬(wàn)向節(jié)等速傳動(dòng)條件，因此可以認(rèn)為輸入、輸出端的轉(zhuǎn)速總是相等的。這樣，傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率就變成了它輸出端轉(zhuǎn)矩與輸入端轉(zhuǎn)矩的比值。

對(duì)于轉(zhuǎn)矩傳感器來(lái)說(shuō)，其測(cè)量值等于轉(zhuǎn)矩真實(shí)值、零漂和傳感器測(cè)量誤差的和。其中，零漂可以在沒(méi)有加載的狀態(tài)下讀出并且假設(shè)在本實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下保持不變；傳感器誤差也可以近似測(cè)量出。這樣就可以得到傳動(dòng)軸樣件兩端的真實(shí)轉(zhuǎn)矩T入、T出，而傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率就等于二者的比值，即η= T出/T入。

試驗(yàn)中，軸的夾角狀態(tài)有5種。試驗(yàn)工況根據(jù)等速驅(qū)動(dòng)軸在車(chē)上6種檔位的使用工況決定。

理論上等速驅(qū)動(dòng)軸0°夾角試驗(yàn)傳動(dòng)效率為100%，實(shí)際汽車(chē)行駛的狀態(tài)和試驗(yàn)中都存在誤差，誤差主要來(lái)源于傳動(dòng)軸萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)中的細(xì)微間隙，萬(wàn)向節(jié)與聯(lián)結(jié)件之間的細(xì)微間隙，這都是影響驅(qū)動(dòng)軸傳動(dòng)效率的因素。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量得到的各軸0°夾角狀態(tài)傳動(dòng)效率很接近100%，所以，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中，設(shè)定每一根軸的零夾角狀態(tài)傳動(dòng)效率為100%，而用其他夾角狀態(tài)的傳動(dòng)效率與之其的比值作為它們的效率。

汽車(chē)的行駛速度的要求，是通過(guò)變速箱改變傳動(dòng)比，車(chē)速可變快或變慢，此試驗(yàn)設(shè)備就是模擬變速箱，來(lái)設(shè)定各檔位的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，這樣就能模擬出商用車(chē)相應(yīng)檔位的狀態(tài)。

5.2 傳動(dòng)軸輸入與輸出的扭矩差分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每個(gè)傳動(dòng)軸的三檔和四檔有全套的數(shù)據(jù)，所以本文中僅繪出三檔和四檔傳動(dòng)軸輸入與輸出的扭矩差曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2及圖3。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別繪出夾角0?-0?-0?；0?-2?-2?；0?-4?-4?；0?-6?-6?；0?-8?-8?時(shí)輸入與輸出軸間的轉(zhuǎn)矩差隨傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速變化的曲線(xiàn)。由于傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率等于輸出軸的功率除以輸入軸的功率，功率又等于扭矩和轉(zhuǎn)速的乘積，轉(zhuǎn)速差的波動(dòng)范圍很小在幾轉(zhuǎn)內(nèi)，所以效率的大小主要與扭矩差有關(guān)，因此扭矩差曲線(xiàn)中也可以得到與效率曲線(xiàn)的相似的規(guī)律。隨著軸間夾角的加大，扭矩差也在逐漸加大，在扭矩、轉(zhuǎn)速和軸間夾角相同情況下，樣件1比樣件2和樣件3的扭矩差要大，而且樣件1和樣件2在不同夾角時(shí)的扭矩差波動(dòng)也比較大，對(duì)比三檔和四檔，樣件3的數(shù)據(jù)比較趨于平穩(wěn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)傳動(dòng)軸在不同試驗(yàn)工況下進(jìn)行的傳動(dòng)效率的試驗(yàn)分析，由分析結(jié)果可知

傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率較高，在此次工況下能達(dá)到98%以上，夾角增加導(dǎo)致傳動(dòng)效率降低，相同樣件的相同檔位下，萬(wàn)向節(jié)夾角變大則傳動(dòng)效率會(huì)降低，但在本次試驗(yàn)的夾角范圍內(nèi)傳動(dòng)效率值變化不大；

轉(zhuǎn)速升高導(dǎo)致傳動(dòng)效率降低的趨勢(shì)，在低轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)效率下降的趨勢(shì)較平緩，高轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)效率下降趨勢(shì)變快。夾角比轉(zhuǎn)速對(duì)傳動(dòng)效率的影響大；輸出轉(zhuǎn)速的波動(dòng)將疊加至最大，相對(duì)誤差可能達(dá)到2%以上，嚴(yán)重影響傳動(dòng)軸的性能。

從樣件3的0?-2?-2?試驗(yàn)數(shù)據(jù)中分析，轉(zhuǎn)速增加使得傳動(dòng)效率降低，最低車(chē)速時(shí)傳動(dòng)效率達(dá)到99.96%，最高車(chē)速時(shí)傳動(dòng)效率為98.99%，它們相差0.97%，說(shuō)明轉(zhuǎn)速對(duì)傳動(dòng)效率影響不大。

三個(gè)樣件相比較，樣件1的傳動(dòng)效率值比較穩(wěn)定，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)較多，初步判斷這是與采用彈性連軸器有關(guān)。樣件2和樣件3的傳動(dòng)效率基本相近，變化趨勢(shì)也基本一致，低檔傳動(dòng)效率較高，高檔傳動(dòng)效率下降幅度較大。

轉(zhuǎn)速差的波動(dòng)范圍很小在幾轉(zhuǎn)內(nèi)，所以效率的大小主要與扭矩差有關(guān)，因此扭矩差曲線(xiàn)中也可以得到與效率曲線(xiàn)的相似的規(guī)律。

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