手動變速器傳動效率影響因素分析與優(yōu)化

林 嘉 陳茂勝 陳 卓 邱 敏

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

近年來，全球能源緊張的問題和汽車尾氣排放所帶來的環(huán)境污染問題日益嚴重，變速器作為汽車傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其效率的高低直接影響了整車的油耗性能。H?hn B[1]等研究了不同黏度等級的變速器潤滑油對變速器傳動效率的影響，然后通過試驗比較了深溝球和圓錐滾子軸承的優(yōu)劣和差異。袁光前[2]等基于油膜厚度和摩擦因數(shù)分析了齒輪嚙合滾動功率損失和滑動功率損失與兩者的對應(yīng)關(guān)系，得到了各齒輪參數(shù)對齒輪嚙合熱功率損失的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)滾動功率損失與油膜厚度呈正相關(guān)關(guān)系。

該文分析了手動變速器傳動效率的主要影響因素，通過試驗探究齒輪精度、軸承游隙、潤滑油及加注量等對變速器傳動效率的影響，并制定了變速器傳動效率優(yōu)化方案，力求達到提升變速器傳動效率的目標，減少了變速器總成摩擦阻力、提高傳動效率。

1 變速器傳動效率影響因素分析

1.1 齒輪的影響

變速器通過齒輪嚙合傳遞動力的過程中，存在2種摩擦損失，1種是在嚙合點處齒輪的速度存在差異，齒面之間存在相對滑動而產(chǎn)生的滑動摩擦損失。另一種是嚙合齒輪在彈性潤滑狀態(tài)下所接觸的齒廓部分的動壓油膜分布不均而產(chǎn)生滾動摩擦功率損失。

齒輪作為變速器重要零件，其制造精度會直接影響變速器的工作性能。變速器齒輪采用漸開線齒輪，當(dāng)齒輪精度達不到設(shè)計要求時，齒面并不是理想的漸開線曲面，不能保證良好的傳動比，還會使變速器產(chǎn)生沖擊、噪聲等現(xiàn)象。

1.2 軸承的影響

變速器中軸承所造成的功率損失主要來源于軸承的摩擦力矩，軸承游隙會嚴重影響軸承的摩擦力矩。

軸承游隙是指在沒有承受載荷的工況下，軸承內(nèi)外圈間可以產(chǎn)生的最高位移量，中心軸方向上的最大移動量叫軸向游隙。軸承游隙不僅決定了軸承摩擦力矩的大小，還對軸承的負載排布、溫升、使用期限以及機構(gòu)的工作運轉(zhuǎn)精度等指標產(chǎn)生了直接影響，圖1為深溝球軸承徑向游隙示意圖。

圖1 深溝球軸承徑向游隙

軸承游隙值按照國家標準規(guī)定可以分為3組：基本組（0組）、小游隙組（2組）和大游隙組（3組、4組、5組）。游隙過大會使軸承的負荷面積變小，受力位置的應(yīng)力增加，相應(yīng)的疲勞壽命下降。太大的游隙還會降低機構(gòu)的運轉(zhuǎn)精度，增加機構(gòu)的振動和噪聲。游隙過小時可能產(chǎn)生負游隙（過盈），使摩擦生熱量增加，溫度升高，從而導(dǎo)致軸承摩擦力矩大量增加，嚴重影響了整車燃油經(jīng)濟性，甚至導(dǎo)致軸承抱死[3]。

1.3 潤滑油的影響

潤滑油功率損失是變速器功率損失重要的組成部分。影響潤滑油功率損失的因素很多，不僅與潤滑油黏度、齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，還與齒輪浸油深度、轉(zhuǎn)速等相關(guān)。潤滑油功率損失可以分為2類：1） 單齒和周圍潤滑油間的相互作用引起的功率損失。2）齒輪在嚙合過程中吸入或擠出潤滑油造成的功率損失。

對于手動變速器來說，潤滑油所造成的功率損失主要是潤滑油黏度和潤滑油加注量。在汽車啟動階段，較低的潤滑油黏度能減小起動時的攪油阻力，便于汽車能夠迅速起動。隨著汽車逐漸運行平穩(wěn)，變速器內(nèi)部溫度升高，此時需要潤滑油有較高的黏度，以滿足汽車變速器的正常潤滑。此外，一定的潤滑油量是保證變速器飛濺潤滑的基礎(chǔ)，如果潤滑油量過少，就可能導(dǎo)致齒輪過熱而產(chǎn)生膠合現(xiàn)象；但是浸入潤滑油中的齒輪體積與齒輪浸入潤滑油深度的平方成正比，即攪油功率損失與齒輪浸入潤滑油深度的平方成正比，過多的潤滑油會降低變速器傳動效率。

2 主要影響因素試驗研究

2.1 齒輪精度對傳動效率的影響

目前，輕型汽車變速器的齒輪精度等級一般為5～8級。根據(jù)變速器齒輪的傳動條件和技術(shù)要求，并考慮其使用的經(jīng)濟性，分別測試目標變速器在使用7和8級精度齒輪下的變速器傳動效率，測試方法參照行業(yè)標準QC/568.1—2011執(zhí)行，2種齒輪精度下不同檔位的傳動效率和綜合效率分別如圖2所示。

從圖2中可以看出，變速器的齒輪精度等級從8級提升到7級后，各檔位下變速器的效率均有提升，提升幅度為0.1%～0.29%。分析可得，提高齒輪的精度等級后，齒輪的載荷分布更均勻，傳遞運動的準確性和穩(wěn)定性更好，減少了齒輪的振動沖擊帶來的能量損失。

圖2 不同齒輪精度下變速器各檔效率

2.2 軸承游隙對傳動效率的影響

針對某手動變速器，其原始游隙選擇為0組（0.005 mm～0.020 mm），通過計算得到其工作游隙的平均數(shù)值為-0.004 mm＜0 mm，說明該軸承在承載工作狀態(tài)下有很大可能性處于負游隙，這樣會導(dǎo)致內(nèi)、外圈溝道和球體之間的摩擦損失加重，軸承溫度升高，使用壽命降低，對傳動效率產(chǎn)生不良影響。現(xiàn)將該變速器的5個深溝球軸承由0組游隙改為3組游隙（0.013 mm～0.028 mm），并制作樣件與原變速器進行傳動效率試驗對比，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同游隙軸承的變速器各擋效率

由圖3可知，將深溝球軸承游隙由0組增大到3組后，1～5擋傳動系統(tǒng)平均效率分別提高了0.2%，0.2%，0.2%，0.4%，0.2%。分析其原因，軸承在選擇3組游隙后，其工作游隙平均值為0.005 mm﹥0，增大了軸承游隙，從而降低了內(nèi)、外圈溝道與球體之間的摩擦損失，滿足了實際軸承工作游隙偏向正值的要求，因此該變速器的傳動效率也得到了相應(yīng)的提高。

2.3 潤滑油對傳動效率的影響

2.3.1 潤滑油黏度的影響

目標變速器采用GL-490潤滑油，為了探究不同黏度潤滑油對變速器傳動效率的影響，分別選用黏度等級較低的2款潤滑油進行傳動效率對比試驗。3款潤滑油的基本參數(shù)和和粘溫特性曲線分別如表1和圖4所示，傳動效率測試結(jié)果見表2。

表1 變速器潤滑油基本參數(shù)

由表2可知，隨著潤滑油黏度的降低，變速器的傳動效率均有所上升，使用GL-475W/90對CN100變速器的綜合評價效率提升效果最明顯，綜合評價效率可以由96.57%提高到96.98%，效率值提高了0.41%。分析可知潤滑油的黏度越小時，液體的內(nèi)摩擦力越小，克服液體的內(nèi)摩擦所需要的功率也越少，即攪油損失也越低。

圖4 變速器潤滑油黏度-溫度曲線

表2 變速器傳動效率測試結(jié)果

2.3.2 潤滑油加注量的影響

對獲取到的33661個肉雞IP進行分析定位發(fā)現(xiàn)，其中33555個肉雞IP位于中國。對國內(nèi)的肉雞IP定位進行匯總分析，得出以下部分肉雞在國內(nèi)部分省份的分布情況。位于江蘇和浙江的肉雞IP較多，分別為5961個和5899個。從地理分布上看，肉雞IP多位于沿海城市，我國的沿海城市從北到南依次為山東省、江蘇省、浙江省、福建省和廣東省，這五個省份的肉雞數(shù)量均位列前十。

為了探究潤滑油量對變速器傳動效率的影響，在目標變速器潤滑容量范圍內(nèi)選取不同的潤滑油油量，測試不同潤滑油量下的傳動效率，試驗結(jié)果見表3。

表3 不同潤滑油量下的傳動效率

由表3可知，變速器傳動效率隨著潤滑油加注量的增加而提升，達到一定值后又開始下降。分析其原因，在潤滑油注入量較少時，變速器潤滑狀態(tài)較差，各個零件間的摩擦損失較大，傳動效率相對較低；隨著潤滑油加注量的增加，變速器潤滑狀態(tài)得到了改善，各個零件間的摩擦損失降低，傳動效率隨之提高；但是，隨著潤滑油加注量進一步提高，齒輪的攪油功率損失逐漸變大，傳動效率下降。因此，手動變速器潤滑油的加注量存在一個最優(yōu)范圍。

3 優(yōu)化方案與驗證

3.1 制定優(yōu)化方案

由上述分析可知，手動變速器的功率損失主要來自齒輪、軸承和潤滑油等零件，為了減少變速器的功率損失，提高變速器的傳動效率，該文針對變速器傳動效率的主要因素提出的優(yōu)化方案見表4。

表4 傳動效率主要影響因素優(yōu)化方案

3.2 整車油耗試驗驗證

變速器傳動效率的大小直接影響了整車的燃油經(jīng)濟性，對比優(yōu)化前后的整車NEDC油耗數(shù)據(jù)，可以作為變速器傳動效率優(yōu)化效果的評價手段[4]。選擇國內(nèi)搭載手動變速器的某車型將原狀態(tài)與主要影響因素優(yōu)化狀態(tài)的油耗進行對比測試，對變速器的優(yōu)化效果進行評估。

3.2.1 試驗流程

以下為試驗流程：1） 車輛預(yù)處理。試驗車運行3個郊區(qū)循環(huán)單元獲取車輛的滑行阻力系數(shù)。2） 浸車。將試驗車置于溫度25 ℃的恒溫室內(nèi)6 h以上，使發(fā)動機油溫和冷卻液溫度達到的室溫為（0±2） ℃。3） 排放物測試。將試驗車的滑行阻力系數(shù)、道路阻力系數(shù)、車輛當(dāng)量慣量輸入測試系統(tǒng)，確定油溫與胎壓無異常，啟動車輛，按照已經(jīng)設(shè)置好的NEDC循環(huán)進行測試。4） 數(shù)據(jù)采集與記錄。通過測試系統(tǒng)對采集的氣體進行分析計算。5） 整車油耗計算。通過計算機按照碳含量換算得出整車的燃油消耗量。6）滑行距離測試。對油耗試驗結(jié)束后的試驗車在底盤測功機上進行50 km/h的空檔滑行距離測試。

3.2.2 試驗結(jié)果分析

試驗車原始狀態(tài)市區(qū)和郊區(qū)油耗為7.14 L/100 km和5.02 L/100 km，而優(yōu)化后分別為7.01 L/100 km和4.82 L/100 km；試驗車原始狀態(tài)百公里綜合油耗5.797 L/100 km，而優(yōu)化后為5.617 L/100 km，油耗下降了0.18 L/100 km；無論是市郊區(qū)油耗還是綜合油耗，下降均﹥3%。由此可以看出，對變速器傳動效率主要影響因素進行優(yōu)化，能夠明顯地降低試驗車油耗，提升試驗車的燃油經(jīng)濟性。

在油耗試驗結(jié)束后，50 km/h的空檔滑行距離測試結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，試驗車原始狀態(tài)與優(yōu)化后的4次滑行距離波動幅度在10 m以內(nèi)，標準差都在3%左右，同樣擁有較好的一致性。原始狀態(tài)50 km/h的空檔滑行距離平均為574.1 m，優(yōu)化后滑行距離為665.4 m，優(yōu)化后滑行距離增加了91.35 m，說明該優(yōu)化方案降低了試驗車傳動部件阻力，提高了傳動系統(tǒng)的傳動效率。

圖5 優(yōu)化前后油耗對比

圖6 優(yōu)化前后試驗車的滑行距離

4 結(jié)語

變速器傳動效率主要受齒輪、軸承和潤滑油的影響，通過傳動效率臺架試驗和軸承摩擦力矩試驗對變速器傳動效率的主要影響因素進行研究，結(jié)果表明：1） 提高變速器齒輪精度級別，可以使齒輪的載荷分布更均勻，減少了齒輪的振動沖擊帶來的能量損失，當(dāng)齒輪精度由8級提升至7級時，各檔位下變速器的效率均有提升，提升幅度為0.1%～0.29%。2） 軸承游隙會影響變速器傳動效率，相較于0組游隙，采用3組游隙可以提高變速器傳動效率，提升效果達到0.4%。3） 變速器油的黏度等級和加注量都會影響變速器傳動效率。試驗表明，降低潤滑油黏度等級，可以降低齒輪攪油損失；另外，變速器油的加注量存在最優(yōu)范圍，在此范圍內(nèi)既能保證變速器的潤滑又能降低其功率損失。

針對手動變速器傳動效率主要因素，制定優(yōu)化方案，通過整車NEDC油耗試驗和滑行距離測試發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案可以降低變速器的摩擦損失，提高變速器的傳動效率，減少了整車油耗。