重型商用車驅(qū)動橋傳動效率優(yōu)化的思路與實踐

楊 升，陳奇鋒，段 宇，嚴(yán)娜娜

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

根據(jù)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃[1]可以看到國家明確的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，面對要求日益嚴(yán)苛的燃料消耗量限制法規(guī)（GB 30510—2018）和污染物排放法規(guī)（GB 17691—2018），節(jié)能減排依然是商用汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。燃油消耗率一直是商用車企業(yè)在產(chǎn)品的開發(fā)過程中考慮的重要指標(biāo)之一，各企業(yè)通過一系列技術(shù)手段降低整車燃油消耗率，提升車輛的燃油經(jīng)濟性，滿足法規(guī)要求并為用戶創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。驅(qū)動橋作為車輛傳動系統(tǒng)的末端，提高驅(qū)動橋的傳動效率，降低驅(qū)動橋工作時車橋內(nèi)部的各類功率損耗對于改善整車的燃油經(jīng)濟性具有更直接的效果。

1 驅(qū)動橋效率定義

傳統(tǒng)燃油車動力傳輸途徑為發(fā)動機—變速箱—傳動軸—主減速齒輪—差速器—半軸—輪胎。從傳遞路徑上我們可以看到驅(qū)動橋作為傳動系的重要組成部分，它的性能優(yōu)劣將對車輛的燃油經(jīng)濟性具有非常大的影響。驅(qū)動橋的傳動效率可以做以下定義，車橋在某一工作狀態(tài)時兩側(cè)驅(qū)動輪輸出總功率與輸入軸輸入功率之間的比值，具體定義見以下公式：

式中：Po為驅(qū)動橋系統(tǒng)工作時的輸出總功率；Pi為驅(qū)動橋系統(tǒng)工作時的輸入功率；PL為驅(qū)動橋系統(tǒng)工作過程中的功率總損耗[2]。車橋傳動效率的高低是影響整車燃油經(jīng)濟性的一個重要指標(biāo)，提升車橋傳動效率就是減少驅(qū)動橋在車輛運行過程中的功耗損耗。

2 驅(qū)動橋傳動效率影響因素分析

提升傳動效率就是通過對車橋結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化、潤滑條件改善、加工精度提升等手段，降低驅(qū)動橋總成在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的各類功率損失。結(jié)合驅(qū)動橋內(nèi)部扭矩傳遞路線可知，我們可以將影響驅(qū)動橋傳動效率的因素大體分為四類：錐齒輪嚙合功率損失、軸承摩擦功率損失、油封功率損失、攪油功率損失，例如主減齒輪摩擦、差速器齒輪摩擦、潤滑油攪動等，如圖1所示。

圖1 車橋效率影響因素

2.1 錐齒輪嚙合功率損失

驅(qū)動橋的動力傳遞依靠的是錐齒輪副，準(zhǔn)雙曲面齒輪主動輪偏置距與主動輪中心螺旋角對嚙合效率影響較大[3]。

2.2 軸承摩擦功率損失

驅(qū)動橋使用的軸承主要為圓錐滾子軸承，由外圈、內(nèi)圈、滾子和保持架四部分組成，見圖2。

圖2 圓錐滾子組成結(jié)構(gòu)

錐滾子軸承摩擦力矩主要由以下三方面產(chǎn)生：

（1）滾道工作面滾動或滑動產(chǎn)生的軸承力矩；

（2）圓錐滾子和和內(nèi)圈擋板接觸產(chǎn)生的軸承力矩；

（3）圓錐滾子和保持架之間的摩擦力。

2.3 油封功率損失

驅(qū)動橋輸入、輸出法蘭和輪轂部位設(shè)有油封，油封的作用包括：防止驅(qū)動橋內(nèi)的齒輪潤滑油經(jīng)入口滲出和外部有害雜質(zhì)如水分等侵入。油封功率損失的主要形式為摩擦損失。因此需通過一系列材料、加工精度提升等手段降低油封帶來的摩擦功耗損失。

2.4 攪油功率損失

商用車驅(qū)動橋的齒輪潤滑方式主要為飛濺潤滑，錐齒輪副有很大一部分是浸入齒輪潤滑油之中的，齒輪油運動黏度值會影響齒輪的攪油功率。當(dāng)運動黏度值較高會產(chǎn)生較大的攪油損失，同時啟動后潤滑油不易流到齒輪副摩擦面上，造成零件的磨損功率損失；當(dāng)黏度過小時，則不容易在齒輪副摩擦面上形成適當(dāng)厚度的油膜，使得齒輪嚙合齒面直接接觸，加劇了齒輪嚙合面間的摩擦功率損失導(dǎo)致效率降低。因此，合理選用潤滑油的黏度對于提高齒輪壽命和傳動效率非常重要。

3 驅(qū)動橋傳動效率提升改進開發(fā)實踐

3.1 驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1.1 主減速器主動錐齒輪支承型式的選擇

商用車應(yīng)用車橋主減速器主動錐齒輪的支承型式包括懸臂式（無錐齒輪前端軸承）和騎馬式兩種，見圖3。現(xiàn)階段國外主機廠或車橋生產(chǎn)企業(yè)在輕量化牽引車應(yīng)用的驅(qū)動橋趨向采用懸臂式支撐布置方式，減少車橋內(nèi)傳動系摩擦副的數(shù)量，實現(xiàn)傳動效率的提升，同時降低整車重量。

圖3 主動錐齒輪布置形式

3.1.2 主減速器優(yōu)化

商用車常見主減速器布置形式有兩種，見圖4。通過對被動錐齒輪布置位置優(yōu)化，減少錐齒輪副滑移摩擦，提高傳動效率。

圖4 主減速器布置

3.1.3 動力傳遞路徑

國內(nèi)牽引車主要以6×4驅(qū)動形式為主，國內(nèi)外一些主機廠對危險品運輸車這一類車型特殊使用工況需求的識別，完成車橋結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性改進，在雙后橋中橋內(nèi)增加離合機構(gòu)，實現(xiàn)車輛動力傳遞路徑轉(zhuǎn)換，車輛驅(qū)動形式可由6×4切換為6×2或4×2。當(dāng)車輛滿載的時候，采用6×4的驅(qū)動形式；當(dāng)車輛空載的時候，斷開后橋的動力，采用6×2或4×2的驅(qū)動形式，實現(xiàn)減少車輛行駛過程中驅(qū)動橋的參與數(shù)量，進而降低車輛的油耗，減少輪胎的磨損，見圖5。

圖5 動力傳遞路徑優(yōu)化

3.2 圓錐滾子軸承、油封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

保證載荷基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化軸承滾子的直徑，減少滾子數(shù)量、更改滾子直徑等方式減少軸承摩擦力矩。通過提升軸承滾子內(nèi)外圈加工精度，降低摩擦力矩。如圖6和圖7所示，某公司設(shè)計開發(fā)的低摩擦軸承通過對滾子優(yōu)化，摩擦力矩相對原來降低30%以上，油封唇口結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低摩擦阻力，摩擦力矩相對原來降低50%以上。

圖6 圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖7 油封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.3 齒輪油攪動優(yōu)化

3.3.1 低黏度潤滑油應(yīng)用

國內(nèi)外各主機廠均在長途標(biāo)載牽引車上推廣低黏度長 保養(yǎng)齒輪油應(yīng)用，齒輪油黏度普遍由85W-90降低為80W-90或者更低的75W-90。通過車橋傳動效率臺架試驗測試，在80 km等速工況下，采用80W-90黏度齒輪油相對85W-90黏度齒輪油車橋傳動效率可提升0.2%以上，齒輪表面狀態(tài)正常，說明齒輪油黏度在合適范圍內(nèi)能保證在齒輪面上形成一定厚度的油膜情況下，齒輪油黏度等級越低傳動效率相應(yīng)越高。

3.3.2 導(dǎo)油裝置

通過增加導(dǎo)油裝置車橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低車輛運行過程中的攪油功耗損失。部分車橋廠嘗試采用在主減速器殼體內(nèi)與從動錐齒輪平行的位置安裝一個擋油板的方式將主減速器殼體的底部區(qū)域分成兩個部分，減少車輛在行駛過程中從動錐齒輪接觸到過多的潤滑油產(chǎn)生攪油功率損失，動態(tài)調(diào)節(jié)油量、降低攪油損失、提高傳動效率。通過臺架試驗測試車橋效率可提升0.2%，見表1。

表1 車橋效率值對比

4 結(jié)語

通過對重型商用車領(lǐng)域驅(qū)動橋傳動效率提升措施進行總結(jié)，可以看到車橋主要通過齒輪、軸承摩擦副優(yōu)化和潤滑油攪油損失等方案進行效率提升，上述改進措施可為重型商用車傳動系零部件效率提升提供參考與借鑒。