商用車變速箱傳動效率分析與計算

杜春鵬

摘 要：基于Romax軟件構建商用車重型變速箱動力學模型，加入載荷工況后采用ISO14179標準計算變速箱各個傳動部件的功率損失，并分析設計參數對效率的貢獻度和敏感度，結果表明：計算值和試驗值趨勢一致：齒面粗糙度、壓力角、潤滑油油位、油泵功率等是效率的重要影響因素，為變速箱設計提供依據。

關鍵詞：重型變速箱；效率；分析；Romax

中圖分類號：U463.212 文獻標識碼：B 文章編號：1005-2550（2018）04-0045-05

Abstract： The construction of heavy duty gear box dynamics model of commercial vehicle based on Romax software， the loss of power load by ISO14179 standard to calculate the transmission of all transmission components， and analysis of design parameters on the efficiency of contribution and sensitivity， the results show that the value trend calculation and test： pressure angle， tooth surface roughness， lubricating oil level， pump power is an important factor affecting the efficiency， provide the basis for the design of gearbox.

Key Words： heavy transmission； efficiency； analysis； Romax

引 言

眾所周知，能源的價格上漲和環保要求的日益嚴格使得整車或整機的燃油經濟性尤其重要，由于齒輪傳動系統的效率（或稱為功率損耗）直接影響燃油經濟性，因而其重要性也愈發引人關注。此外，高功率損耗產生的高熱量和高溫直接關系到傳動系統的工作性能，并且對潤滑條件的要求也會更高，從而增加成本，對載荷較大的重型卡車尤為明顯。

變速箱傳動系統結構復雜，運動副多，包括齒輪、油、軸承、同步器、油封等所有參與傳動的部件都會對效率產生影響，由于結構、工藝、成本限制，有些參數不能更改或者更改量不大，這就需要找到其中重要的影響參數，對關鍵參數進行更改，以達到性能和成本的平衡。

文章以東風某重型變速箱為例，基于Romax軟件構建商用車重型變速箱動力學模型，通過加載輸入扭矩和轉速計算各部件的功率損失，得出擋位的總效率和各部件貢獻度，改變單一參數其他不變分析設計參數對效率的敏感度。計算值與試驗值對比，考察分析結果是否正確。通過敏感度分布圖找出效率的重要影響因素，為產品的設計開發提供指導和判定依據。

1 效率計算原理

變速箱傳動效率的計算需要考慮齒輪的攪油損失、嚙合損失，軸承損失等因素的影響。

在對其進行計算過程中，主要分為兩個部分：

（1）來自載荷的損耗PL；

（2）來自空載的損耗PN。

其中載荷的損耗由各個軸承損耗總和PB與各個齒輪副嚙合損耗的總和PM相組成的；空載的損耗是由各個油封損耗的總和PS、各個齒輪和軸承的空阻和攪油損耗的總和PW、PWB以及各個油泵消耗功率總和PP。在齒輪裝置中每個發生的損耗必須相加在一起。

1.1 軸承的功率損耗

式中，PiWi為各部分的功率損耗，fg為齒輪的浸油系數，D為零件的外直徑，Ag為排列常數，ν為潤滑油運動粘度，n為齒輪轉速，β為螺旋角，F為齒寬，Rf為齒輪節圓半徑，L為齒輪軸的長度。

2 變速箱模型

東風某重型變速箱有十四個前進擋，采用前副箱+主箱+后副箱的布局，后副箱采用NGW行星齒輪傳動，并采用主動潤滑，部件較多，傳動復雜。利用Romax建立的變速箱傳動系統模型如圖1所示，模型包括詳細的齒輪、軸、軸承參數、潤滑油粘度、油位參數等。每個擋位分別加載額定輸入扭矩2500N.m，轉速1400rpm，油泵功率0.12kW，潤滑油牌號75w/80，油溫80℃。

Romax允許在變速箱設計過程中考察軸承和齒輪拖曳影響，并提供了豐富的齒輪和軸承的效率模型，精確計算部件和系統的能量損失。

1）軸承方面，Romax提供了ISO14179-1（US）、ISO14179-2（DE）、Palmgren等三種軸承效率模型。軸承效率模型由經驗方法確定，可以考慮多種來源的載荷引起損失和粘性摩擦損失：

（1）考慮軸承類型對軸承效率損失的影響；

（2）考慮軸承外部幾何對軸承效率損失的影響；

（3）考慮潤滑油粘度和轉速的影響。

2）在齒輪方面，Romax提供了ISO14179-1（US）、ISO14179-2（DE）、Terekhov、Anderson等四種效率模型，包括齒輪輪輻損失和齒輪嚙合損失，除標準效率模型外，還支持基于微觀幾何摩擦的齒輪效率模型，可以考慮齒輪滾動過程中齒面摩擦系數的變化。

（1）齒輪輪輻效率模型可以考慮齒輪攪油損失、排油損失以及齒輪在油氣混合物中的摩擦；

（2）齒輪嚙合效率模型可以考慮齒輪嚙合滾動過程中產生的功率損失，包括齒輪嚙合過程中由于摩擦引起的滑動損失和由于彈性變形引起的滾動損失。

Romax進行效率計算流程如圖2：

由于不同受載和轉速均會影響總效率，因此需要針對單個擋位工況進行分析計算；靜力學分析開始不考慮功率損耗，迭代計算所有零件的受載和轉速，后續再進行迭代，計算引起功率損耗的各個零件的阻力。注意由于是迭代計算，因此功率損耗在整個系統中是串聯層疊的；行星輪系嚙合時的功率損耗計算采用以行星架為參照的功率流方案，即采用了決定摩擦損耗值的嚙合齒輪的實際轉速。效率計算設置如圖3：

3 效率分析結果

3.1 各擋位總效率及部件貢獻度

參數設置完畢后運行載荷譜靜態分析，分析后各擋位總效率與試驗值對比如圖4所示，從圖可以看出，當前Romax模型中的效率計算和實際試驗間存在一定的誤差，但趨勢一致，由于臺架在效率測試方面也存在誤差，計算值能反映實際的變速箱效率值，又由于效率的敏感度分析為同比分析，因此在后面的計算過程中均采用當前模型中的效率計算參數設置來計算相應載荷工況下的傳動效率數值。

第13擋工況下各部件貢獻度如圖5所示，可以看出在額定載荷下，功率損失主要來自齒輪嚙合、滾動軸承、攪油、油泵四個方面，尤其是齒輪嚙合損失占用大的比例。為此著重從齒輪參數著手，分析效率的影響因素。

3.2 參數敏感度分析

在計算效率的影響因素時，由于變速箱擋位眾多，往往選用常用擋位進行參數敏感度分析，該變速箱常用擋位為第13、14擋。對貢獻較大的部件改變不同的設計參數進行敏感度分析，改變單一設計參數得出的效率變化量如表1。

第13擋參數敏感度總結如圖6，第14擋參數敏感度總結如圖7，可以得出如下結論：

1）作為直接擋的第14擋，由于動力直接輸出，齒輪幾乎不受載，此時效率是最高的，能夠再提高效率的措施主要從降低油位、采用低摩擦軸承，減少油泵功率著手。

2）第13擋齒輪受載，這時候齒輪對效率的敏感性較大，尤其是降低齒面粗糙度、增大壓力角等措施能大幅提高傳動效率。低摩擦軸承近年來越來越引起重視，采用低摩擦軸承對效率提升也很明顯。

3）設計參數的更改除了要考慮效率提升外，還得考慮成本工藝的變化，比如：齒面粗糙度降低會增加工藝難度，造成成本上升；低摩擦軸承造成成本增加；降低油位能夠降低重量和成本，但需保證充足的潤滑。在設計時，需要依據現有的條件在不同參數間做出選擇，在效率、工藝、成本之間達到平衡。

4 結語

本文依據ISO14179標準并借助Romax軟件實現了變速箱傳動系統的精確建模和效率計算，模型包括了齒輪、軸、軸承、潤滑油粘度、油位等詳細參數，計算結果與實際測量結果趨勢保持一致，證明了計算方法的正確性和實用性。通過效率的貢獻度和敏感度分析，找出了影響變速箱傳動效率的主要部件和設計參數，對初始設計時提高變速箱效率，從而提升整車的經濟性起到重要的指導作用。

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