DCT變速箱齒輪精度對傳動效率影響的研究

盧西山 郭應清 張標

摘 要：雙離合自動變速箱（DCT）不僅要有優異的自動換擋性能，同時也要有較高的傳動效率。本文基于某量產DCT變速箱，針對3檔齒輪副通過臺架試驗，對比在規定工況下不同的齒輪精度以及相同精度時不同加工工藝對于變速箱傳動效率的影響。試驗結果表明，6級精度（磨齒）較7級、8級精度（剃齒）的3檔齒輪副傳遞效率高約0.6%，同時，磨齒6級精度齒輪副比剃齒6級精度齒輪副的平均傳動效率高約0.4%。

關鍵詞：DCT變速箱；齒輪精度；傳動效率

中圖分類號：U463.212 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-121-03

Abstract： It is very necessary for DCT to have good performance of autoshifting and have high efficiency. This paper researches 3rd gear of some kind of DCT， by rack testing， to find the influence of efficiency from the different gear accuracy and from the same gear accuracy with different manufacturing methods. From the results of testing， we can find that， the efficiency of 6 level gear accuracy（grinding） higher than 7/8 level gear accuracy（shaving） about 0.6%.Meanwhile，the efficiency of6 level gear accuracy（grinding） higher than the same level（shaving） about 0.4%.

Keywords： DCT； Gear accuracy； Efficiency

CLC NO.： U463.212 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-121-03

前言

目前，國內外各大汽車主機廠均陸續推出搭載DCT自動變速箱的車型，客戶在選購這些車型時，除了關注車輛動力性、駕駛舒適性的同時，對于車輛油耗也較為關注。DCT變速箱作為車輛傳動系統重要組成部分，提升其傳動效率可顯著改善傳動系統的整體效率，并可明顯提高燃油經濟性。因此，研究如何通過提高DCT變速箱的傳動效率來降低車輛油耗，對于提升產品市場競爭力具有重要意義[1]。

1 變速箱傳動效率和齒輪精度概述

1.1 齒輪精度對于傳動效率的影響

影響DCT變速箱的傳動效率的因素主要包括齒輪、軸承、密封件等的能量損失，這些損失又可分為負載和非負載功率損失。非負載功率損失主要是和轉速正相關的油封阻力、攪油阻力、風阻等，負載功率損失主要是齒輪嚙合、軸承運轉的摩擦損失產生，即機械損失[2]。

齒輪精度作為DCT變速箱齒軸件設計時的重點考慮項目之一，除直接影響著變速箱諸如噪音、壽命等整機性能外，其對于齒輪嚙合性能的影響也直接決定了變速箱的機械損失。

例如，第一組齒輪精度項目中的齒距累計總偏差Fp和徑向跳動公差Fr，它們影響齒輪旋轉一周過程中傳動比的穩定性，對齒輪運轉的準確性有較大影響，會給齒輪嚙合帶來低頻振動，除影響NVH性能外，會在嚙合中有額外不利沖擊和摩擦產生；另外，第二組齒輪精度項目中的齒廓總偏差Fa和單個齒距偏差fpt都會影響齒輪嚙合的瞬時傳動比，給齒輪帶來較高頻率的激振力，從而產生更大的嚙合機械損失，轉速越高影響也越大；還有不同的齒輪精度要求必然會有不同齒輪表面狀態，比如加工刀紋、表面光潔度以及潤滑油膜等都會直接或間接的對機械損失帶來不同程度的影響。

1.2 齒輪加工工藝和齒輪精度關系

不同的齒輪加工工藝可以得到不同的齒輪精度，精度要求越高加工工藝的成本也會相應提高，因此在齒輪精度設定時除考慮齒輪性能外也需考慮產品的的經濟性。

在圓柱齒輪精度制中，齒輪共分13個精度等級，用數字0～12由高到低的順序排列，0級精度最高，12級精度最低[3]。目前在汽車變速箱行業，主要的齒輪精度設定在5～9級，采用不同的工藝路線可以得到不同的齒輪精度[4，5]：

（1）普通手動變速器齒輪常用的加工工藝路線為：滾齒+剃齒+滲碳淬火，本路線由于淬火變形大，不利于齒輪表面硬度和硬化層等質量控制；

（2）部分要求較高手動和自動變速器齒輪常用的加工工藝路線為：滾齒+剃齒+滲碳淬火+珩齒，此路線可明顯改善齒輪嚙合性能；

（3）要求齒輪傳動有較高嚙合性能表現時通常采用的加工工藝路線為：滾齒+滲碳淬火+磨齒，此路線磨削后硬度稍低，但嚙合性能優良。

上述3種工藝路線所能達到的最終加工狀態見表1。工藝路線1的技術門檻和加工成本低，但產品質量不能得到較好的控制，早在數年前大部分國外變速箱產品就已經拋棄了這種加工方案。目前大部分手動變速器、自動變速器廠家大都在采用后兩種工藝路線。

2 傳動效率試驗分析

通過上節分析，說明齒輪精度對于變速箱傳動效率有一定程度的影響。為研究其對于變速箱傳動效率的具體影響程度或趨勢，可通過不同工藝路線加工出不同齒輪精度的樣件，然后在同一臺變速箱上進行傳動效率測試，并對效率值進行對比。

2.1 試驗概況

試驗對象為某款DCT變速箱，針對剃齒工藝加工挑選出的不同齒輪精度（6級、7級、8級）的3檔齒輪副進行效率測試，并和磨齒工藝的6級精度的3檔齒輪副效率進行對比。試驗使用同一個變速箱，通過更換3檔齒輪副實現試驗目的。效率試驗測試方法主要參考了雙離合器變速箱試驗行業標準以及汽車變速箱行業標準中的效率試驗部分[6]，試驗過程為：

（1）將變速箱安裝在臺架輸入電機上，連接輸出軸，按要求加注DCT潤滑油；

（2）連接數據監控采集設備，按照試驗大綱標準調節主油路壓力，設定冷卻閥流量；

（3）變速箱磨合完成后，啟動輸入電機，調整輸入轉速至怠速工況；

（4）掛入試驗檔位，并結合相應離合器，提升離合器壓力至要求值；

（5）設定控溫裝置控制溫度，待油溫升到工況溫度后，控制輸入電機升至試驗工況表中的某一扭矩，采集試驗數據，提升輸入電機轉速來采集不同轉速下的傳動效率；

（6）試驗完成后降低輸入電機轉速至怠速。

試驗臺架搭建如圖1所示：

2.2 試驗結果分析

試驗完成以后，通過對試驗數據（包括轉速、扭矩、溫度等）的采集、整理，計算得到裝配有不同齒輪精度的3檔齒輪副的傳動效率，效率計算公式：

圖2到圖6分別為在80℃時不同轉速、扭矩下，裝配了6級（磨齒）、6級（剃齒）、7級（剃齒）、8級（剃齒）齒輪精度的DCT變速箱的3檔齒輪副的傳動效率對比情況：

在60℃及100℃時均和以上結果有相同趨勢。從圖2到圖6及表2數據中的傳動效率結果對比看出：

2.2.1 在中低轉速區（800rpm～4000rpm）時

1）低扭矩（0.2～0.4Tmax時），7、8級精度的齒輪傳動效率接近，同時6級剃齒和6級磨齒的齒輪傳動精度差別也很小，整體上，7、8級精度較6級精度效率低0.4%左右。究其原因，即使轉速不高，但在低扭矩時，變速箱機械效率損失占總效率損失的比重較小，大部分效率損失由是前文提到的非負載功率損失。

2）當扭矩增大時，機械損失的比重逐漸在效率損失中提高，并且和加載扭矩值正相關，這點可以從曲線的斜率上得到印證：隨著加載扭矩值的增加，效率值的變化隨轉速的提高在減小，亦即曲線變得平滑，也就說明隨轉速產生的損失在總的能力損失中占比降低。

3）在較高的扭矩段（0.8Tmax以上）的中等轉速（3000rpm左右）時，6級剃齒的效率比7、8級剃齒效率僅高約0.1%～0.18%左右，但6級磨齒較7、8級剃齒高約0.54%～0.61%（數據見表2），因此在高扭矩段剃齒工藝本身產生的精度差異對于效率的影響不大，而磨齒工藝由于其工藝特點（前文中提到的可以產生較好刀紋、表面光潔度及潤滑油膜等）對效率產生較大的提高。

2.2.2 在高轉速區（4000rpm以上）

當轉速上升至4000rpm以后，尤其上升至6000rpm時，此時齒輪精度或加工工藝的區別對于效率的影響已不明顯，因為此時傳動效率主要由和轉速相關的非負載損失決定。

3 結論

本文通過臺架試驗，對比了由不同加工工藝（剃齒、磨齒）制造的6、7、8級齒輪在裝配到同一臺變速箱上的傳動效率，從測試情況看，在不同試驗溫度下，6級精度（磨齒）較7級、8級精度（剃齒）的3檔齒輪副傳遞效率高0.6%左右，7級精度、8級精度之間的傳遞效率差距較小，同時，磨齒6級精度齒輪副比剃齒6級精度齒輪副的傳動效率平均高約0.4%。可以看出，磨齒工藝提高齒輪各精度指標項，同時提高了齒面粗糙度，這些是負載功率損耗的重要影響因素。因此，齒輪精度越高，嚙合性越好，振動及沖擊載荷也越小，且齒面粗糙度值越低，齒輪嚙合摩擦損失越小，變速箱的傳動效率越高。

參考文獻

[1] 葉芳，顏宇，王霞.淺談提高汽車燃油經濟性的措施[J].現代企業教育，2013（14）：308.

[2] 張有祿.關于機械式變速箱傳動效率影響因素的探討[J].機械工程與自動化，2008，（5）：182-186.

[3] GB/T 10095.1，圓柱齒輪精度制第1部分：輪齒同側齒面偏差的定義與允許值[S].

[4] 張君.剃齒工藝的現狀及其與磨齒工藝的比較[J].經濟技術協作信息，2007（30）：78.

[5] 章曉，曹鳳瓊.漸開線圓柱齒輪精度設計的經濟性研究[J].機械研究與應用，2007（20）：44-46.

[6] QCT/568.1，汽車機械式變速器總成臺架試驗方法，第一部分：微型[S].