等速驅動軸傳動效率影響因素分析及試驗研究*

莫易敏 張德來 向科鵬 陳龍龍 何 超

(武漢理工大學機電工程學院 武漢 430070)

等速驅動軸傳動效率影響因素分析及試驗研究*

莫易敏 張德來 向科鵬 陳龍龍 何 超

(武漢理工大學機電工程學院 武漢 430070)

傳動系的阻力直接影響整車的燃油經(jīng)濟性，而驅動軸作為傳動系中重要的零部件，為了降低某車型傳動系阻力有必要對驅動軸進行研究.明確了驅動軸傳動效率的影響因素，嚴格控制變量，采用控制變量法利用臺架試驗測試了不同的影響因素對驅動軸效率的影響.結果表明，驅動軸的傳動效率與潤滑脂的選取有較大關系，與萬向節(jié)的制造精度、萬向節(jié)鋼球數(shù)量，以及驅動軸的輸入轉矩有正相關關系，與驅動軸的夾角成反比關系，而與驅動軸的輸入轉速則沒有明確關系.

MPV(多用途汽車)；等速驅動軸；傳動效率；潤滑脂；夾角；轉速

大部分汽車企業(yè)通過降低整車風阻、提高發(fā)動機節(jié)能性等措施來降低汽車油耗[1]，傳動系的阻力的大小直接影響汽車綜合油耗.驅動軸作為前置前驅車型傳動系中關鍵的零部件，對其進行降阻研究具有較大的意義.

等速驅動軸的傳動效率主要受萬向節(jié)夾角、萬向節(jié)節(jié)型、輸入力矩和旋轉速度以及潤滑脂類型、萬向節(jié)精度及球籠式萬向節(jié)中鋼珠數(shù)目等因素影響[2-4].而其中的萬向節(jié)夾角、輸入力矩、旋轉速度等因素在汽車設計成型后更改的難度較大，因此能夠優(yōu)化的因素主要為萬向節(jié)精度、球籠式萬向節(jié)中鋼珠的數(shù)目及潤滑類型等[5].

1) 萬向節(jié)精度 等速萬向節(jié)結構復雜，性能要求較高，因而對其加工精度的要求較高.加工精度的高低將直接影響各零件的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度，進而影響等速萬向節(jié)內部的摩擦力和間隙，最終影響等速驅動軸的傳動效率，直接關系到整車性能.

2) 等速萬向節(jié)中鋼球數(shù)目 傳統(tǒng)的六鋼球球籠式等速萬向節(jié)鋼球數(shù)目相對較少，萬向節(jié)鐘形殼、星形套溝道尺寸較大，而與星形套相連接的中間軸花鍵分度圓尺寸較小，故傳統(tǒng)的六鋼球球籠式等速萬向節(jié)體積和質量較大，傳遞轉矩的能力有限.在滿足驅動軸用CVJ的強度和耐久性的情況下，增加鋼球數(shù)目能減小萬向節(jié)阻力，降低力矩損失，從而有利于提高萬向節(jié)傳動效率.

3) 潤滑類型 等速萬向節(jié)內部的摩擦極其復雜，內部接觸應力很高，潤滑油膜的厚度屬于納米級別，因而要用特殊的潤滑脂進行潤滑.不同的潤滑脂種類，其潤滑效果不同.

等速萬向節(jié)根據(jù)其結構特征，可以分為中心固定型和伸縮型，萬向節(jié)內部摩擦主要由滾動摩擦和滑動摩擦組成[6-7].有兩種方法可以提高萬向節(jié)機械效率：從運動學角度減少滑動摩擦[8]；從摩擦學角度減少摩擦力.

為了提高效率，綜合應用以上兩種方法來對等速萬向節(jié)進行降阻優(yōu)化設計，探索影響萬向節(jié)效率的各個因素對其效率的影響，并進行定量分析，從而為進一步的優(yōu)化提供方向.

1 試驗方案

1.1 試驗設備及原理

本次試驗采用通用設備來搭建臺架以研究等速驅動軸傳動效率的主要影響因素.試驗原理見圖1.動力電機模擬差速器輸出的動力，磁粉制動器提供轉矩，在輸入端輸入指定工況下的轉速和轉矩，測量穩(wěn)態(tài)的輸入輸出量.

圖1 試驗原理示意圖

1.2 試驗工況

為了模擬某MPV車型在NEDC工況下驅動軸的效率，結合發(fā)動機、變速箱以及輪胎的相關參數(shù)選擇輸入軸轉速分別取160，660，1 000 r/min三個轉速以模擬NEDC中的三種穩(wěn)態(tài)速度.轉矩依據(jù)變速箱的輸出轉矩取為100，200 ,400，600，800 N·m.

另外，為了模擬該車型在直行和轉彎過程的工況，選取兩萬向節(jié)與中間軸夾角均為3°，5°和10°三種情況進行試驗以定量分析直行過程中夾角對驅動軸效率的影響.

1.3 試驗方法

為了探尋各個因素對等速驅動軸傳動效率的影響程度，將試驗對象設置為七組，各相同量均保證為同一批次合格產品，其參數(shù)見表1.

表1 試驗分組情況

X型球籠式萬向節(jié)和Y型球籠式萬向節(jié)的制造精度一致，區(qū)別僅在于鋼球數(shù)目，X型球籠式萬向節(jié)具有六個鋼球，Y型具有八個鋼球.優(yōu)質三球銷式萬向節(jié)的制造和裝配精度高于常規(guī)萬向節(jié).I型潤滑脂為該MPV車型原廠使用的類型， II型和III型潤滑脂均為委托專業(yè)機構進行調配的高性能潤滑脂[9].表2為三種潤滑脂的特征參數(shù).

表2 3種潤滑脂參數(shù)

本實驗在室溫下進行，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，試驗數(shù)據(jù)全部為驅動軸在對應工況下預熱10 min后開始測量.試驗過程如下：

將驅動軸裝夾在測試系統(tǒng)上，保證等速驅動軸處于零夾角(0°,-0°)狀態(tài)，將驅動電機轉速設置為1 000 r/min，轉矩設置為100 N·m，充分磨合和預熱后，使其工作狀態(tài)趨于穩(wěn)定，測量出傳感器的零點漂移量.使試驗臺空轉，記錄輸入、輸出轉矩傳感器的讀數(shù)，從而得到該測試系統(tǒng)的摩擦阻力矩.

按上述設定的工況，對七組由不同萬向節(jié)或潤滑脂組成的等速驅動軸加載，記錄穩(wěn)態(tài)下每個測試樣件在各種夾角狀態(tài)下的測試數(shù)據(jù)(測試三次，取平均值)，去除摩擦阻力矩的影響.

2 數(shù)據(jù)分析

輸入軸和輸出軸的功率分別等于它們的對應轉速和轉矩的乘積，等速驅動軸的傳動效率定義為輸出功率與輸入功率之比[10]，則該等速驅動軸的傳動效率計算公式為

式中：n1，n2為輸入和輸出軸的轉速，r/min；T1，T2為輸入和輸出軸的轉矩，N·m.

2.1 潤滑脂種類對驅動軸綜合效率的影響

在統(tǒng)計不同夾角、不同的轉速時各驅動軸的綜合效率時，各驅動軸的效率的變化趨勢存在著一定的相似性，以內外側夾角均為3°(3°,-3°)、輸入轉速為160 r/min為例，統(tǒng)計不同輸入轉矩下各軸的效率的平均值，見圖2.由圖2可知，B組的效率明顯高于A組和C組，E組的效率明顯高于D組和F組.說明II型潤滑脂的性能好于I型和III型.由表2中3種潤滑脂的性能參數(shù)可以看出，II型潤滑脂的摩擦系數(shù)優(yōu)于I型和III型，這可能是影響驅動軸綜合效率的關鍵性能.

圖2 各組驅動軸的綜合效率

2.2 制造精度對驅動軸效率的影響

驅動軸的制造精度受制造設備的影響很大，而國內生產驅動軸的廠家資質參差不齊，為了量化制造精度對驅動軸效率的影響，選用某知名企業(yè)的普通精度驅動軸和提高精度的優(yōu)質驅動軸來進行對比分析.

由于曲線變化存在一定的相似性，比較內外側夾角均為3°(3°,-3°)、輸入轉速為160 r/min時組E和組G中驅動軸傳動效率的差異，見圖3.由圖3可知，采用提高三球銷式制造精度的E組的傳動效率明顯高于普通級別的G組，效率提高約0.1%，另外，由于未對球籠式進行精度提高改進，如果提高整根驅動軸的精度，其傳動效率的變化會更加明顯.

圖3 三球銷式萬向節(jié)制造精度對效率的影響

2.3 鋼球數(shù)目對驅動軸效率的影響

由于鋼球承受的載荷與鋼球數(shù)目有反比關系，因此，鋼球數(shù)目越少，球籠式萬向節(jié)的阻力越大，因而實測驅動軸的效率越低.圖4為G組和B組驅動軸在內外側夾角均為3°(3°,-3°)、輸入轉速為160 r/min時不同轉矩工況下的效率圖.由于圖4中G組和B組的變量僅為外側萬向節(jié)的滾珠數(shù)目，在不同的轉矩下，G組的效率都較B組高，說明球籠式萬向節(jié)的鋼球數(shù)目越多，等速驅動軸阻力越小，其效率越高.

圖4 鋼球數(shù)目對傳動效率的影響

2.4 夾角對驅動軸效率的影響

圖5為當轉速為160 r/min，轉矩為100 N·m時，A組至F組在三種等夾角狀態(tài)下的傳動效率曲線圖.由圖5可知，當夾角變大時，驅動軸的效率變低.這使得我們設計驅動軸的安裝角度時，盡量保證較小夾角以提升驅動軸效率進而提升整車燃油經(jīng)濟性.

圖5 三種等夾角狀態(tài)下的傳動效率曲線圖

2.5 轉速對驅動軸效率的影響

由于規(guī)律存在相似性，選取輸入轉矩為100 N·m，驅動軸兩端夾角均為10°(10°,-10°)的工況進行分析見圖6.由圖6可知，驅動軸的效率和轉速之間沒有明確的關系.

圖6 轉速對驅動軸效率的影響

2.6 輸入力矩對驅動軸的影響

內、外萬向節(jié)夾角均為3°時，對七組等速驅動軸在三種轉速下的效率進行分析，曲線見圖7.由圖7可知，傳動效率隨轉矩的增大和增大.

圖7 輸入力矩對驅動軸的影響

3 結 論

1) 潤滑脂對驅動軸的影響很大，選用II型潤滑脂能較大提升驅動軸效率，從潤滑脂的參數(shù)可以看出，其SRV摩擦系數(shù)直接與驅動軸效率相關.

2) 提高驅動軸的制造精度能能提升其效率，但是幅度不大，因此此項改進應綜合考慮成本等因素.

3) 球籠式萬向節(jié)的鋼球數(shù)目越多，驅動軸阻力越小，其效率越高.

4) 當夾角變大時，驅動軸的效率變低，這要求在設計傳動系時應考慮驅動軸的安裝夾角.

5) 驅動軸的輸入力矩對驅動軸的效率影響較大，輸入力矩越大，其效率越高.

6) 驅動軸的轉速對驅動軸的效率的影響不是太明顯.

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Analysis and Experimental Research on Influence of Transmission Efficiency for Constant Velocity Drive Shaft of Car

MO Yimin ZHANG Delai XIANG Kepeng CHEN Longlong HE Chao

(SchoolofMechanicalandElectricEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

The resistance of the driveline directly affects the fuel economy of vehicle. In order to reduce the resistance of the driveline, it is necessary to intensively study the drive shaft which is an important part in the driveline. Firstly the factors which influence the transmission efficiency of the drive shaft are identified and the variables are controlled strictly. Besides, using the control variation method the influences which the different factors have made on the efficiency of the drive shaft have been tested with the bench test. The result shows that the transmission efficiency of the drive shaft has a lot to do with the selection of the grease, and is positively related with the accuracy of manufacturing and the number of steel balls of the universal joint and the input torque of the drive shaft. However it is negatively related with the angle of the drive shaft, and has no specific relationship with the input rotational velocity of the drive shaft.

multi-purpose vehicle; CVJ(s); transmission efficiency; grease; angle; rotational velocity

2017-06-05

*校企合作基金項目資助(LZ-TDC-JSYJ-2014-0015)

U463.216

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.009

莫易敏(1960—)：男，教授，博士生導師，主要研究領域為摩擦學、機電一體化