純電動變速器傳動效率分析與修正方法研究

劉 波，李王英

（麥格納動力總成（江西）有限公司，江西 南昌 330013）

引言

變速器作為汽車傳動系統的重要組成部分，其傳動功率損失對整車的燃油經濟性有較大的影響，通過建立變速器傳動功率損失預測模型，預測變速器傳動效率，是合理設計變速器，提高變速器傳動效率不可或缺的重要環節。有很多學者對變速器的效率仿真分析做了理論計算和實驗研究[1-2]，對于效率提升方案也做了很多研究，通過適當的增大游隙可以減小深溝球軸承摩擦功率損失，提升變速器的傳動效率[3]。優化變速器內腔體和油量提高變速箱的效率[4]等。

本文以純電動變速器為例，利用MASTA軟件，根據ISO/ TR14179—2標準分析其效率譜，并與試驗測試結果對比，對低扭高速差異較大的效率結果進行評估和修正。

1 效率計算基本理論

設變速器輸入功率為PA，功率損耗為PV，則這個變速器的效率η為：

一般情況下，變速器的功率損失主要由齒輪的負載損耗和與轉速相關的空載損耗，軸承的負載損耗和與轉速相關的空載損耗，以及油封、油泵、同步器等其他機械件的功率損失。

本文研究的是純電動變速器，如圖1所示。結構相對簡單，只有一個擋位，無同步器，油泵等，只需要考慮齒輪、軸承和油封的功率損失即可。通過多例仿真分析與試驗結果的對比，本文選用ISO/TR 14179—2標準[5]，因為該標準計算的平均值，以及同一油溫和扭矩，不同轉速下的效率變化曲線斜率結果更接近。

圖1 純電動變速器結構

對于純電動變速器而言，功率損失占比最大的是齒輪，而且不同的分析理論結果差異較大，軸承功率損失不同分析理論之間差異較小。所以本文就齒輪效率計算相關參數影響進行探討評估。

齒輪與轉速有關的空載損耗，主要是由浸入潤滑油的齒輪產生的。如圖2本案例中檔位齒輪都在潤滑油液面之上，主減齒輪只有大齒輪浸在潤滑油中，所以空載損耗由該齒輪產生，產生的扭矩損失TH如式（2），產生的功率損失PVZ0如式（3）。

圖2 變速器潤滑油液面

式（2）中Csp為浸油系數；C1與C2是齒寬和浸油深度相關的系數；vt為齒輪旋轉的切線速度；vt0為齒輪旋轉的參考切線速度，取值為10 m/s；n為主減齒輪小齒輪轉速。

he2為主減大齒輪的浸油深度；hc為齒輪中心點到浸油最低點的距離；lh為整個潤滑油系統的長度，he0=10 mm，b0=10 mm。

與負載相關的齒輪功率損耗PVZP：

式中PA為輸入功率；μmz為平均摩擦系數；HV輪齒損耗系數。

對于錐齒輪，可以采用當量直齒輪計算，F為齒輪端面上的法向力；b為工作齒寬；vΣ為齒輪總速度；ρ為等效曲率半徑；ηoil為潤滑油的動力粘度；Ra為平均粗糙度，為兩個齒輪粗糙度的平均值，由于粗糙度對摩擦系數計算結果影響較大，需要根據實際零件加工工藝準確定義。XL為潤滑油系數，對于礦物油，一般取1。

上式中μ為齒輪的速比，z1為主動齒輪的齒數；βb為基圓螺旋角；εa為端面重合度；ε1，ε2分別為小齒輪、大齒輪的重合度。

2 變速器效率測試試驗

如圖3所示為變速器效率測試臺架，效率測試試驗需要使用的儀器是輸入端扭矩速度傳感器，輸出端扭矩速度傳感器和溫度傳感器。對測試設備的精度有要求，轉速控制在±1 r/min，扭矩控制在0.5‰的變動范圍內，溫度在0.1%變化范圍內。

圖3 效率測試臺架

試驗的油溫取（20±5）℃、（60±5）℃、（80±5）℃，轉速從1000 rpm到12000 rpm，每隔1000 rpm測試一次，扭矩測試點參考圖5橫坐標，總共11個扭矩測試點。

圖5 輸入扭矩為5 Nm不同轉速時的效率曲線

如圖4所示，測試或仿真分析油溫均為80 ℃，每個扭矩對應的效率結果為所有轉速點的平均值。兩臺變速器的測試結果與CAE仿真分析結果對比可知，輸入扭矩30 Nm以上效率結果差異較小，而30 Nm以下的結果差異較大。由公式（8）所示，與負載相關的齒輪功率損耗PVZP與嚙合摩擦系數μmz直接成比例，而該系數是受載強度和節線速度的函數，按標準計算vΣ時，節線速度vt≤50 m/s，受載強度F/b≥150 N/mm。對于電動箱低扭高速工況，超出了標準適用范圍以外，從而導致低估了嚙合效率損耗，效率結果偏大。

圖4 變速器試驗與CAE仿真效率結果對比

3 低扭矩效率修正

由于低扭時CAE仿真分析與測試結果相差較大，實際怠速或是反拖工況時，低扭使用頻率較高，而且低扭段的效率對整個變速器的熱管理仿真分析很重要，所以需要根據測試結果對＜30 Nm的仿真分析結果進行修正。

圖6 輸入扭矩為10 Nm不同轉速時的效率曲線

對比圖5到圖7，仿真分析的結果在低轉速與測試結果很接近，轉速越高差異越大，整體的斜率與測試結果差異較大。比如輸入扭矩為5 Nm時，仿真分析的斜率為-0.0002，而試驗結果平均為-0.0013，輸入扭矩為20 Nm時，仿真分析的斜率為－9E－06，而試驗結果平均為-0.003。輸入扭矩為5 Nm和20 Nm時，兩臺試驗箱的結果趨勢一致，斜率相當。而輸入扭矩為10 Nm時，兩臺試驗箱的結果有一定差異，斜率差異較大，對比5 Nm和20 Nm的測試結果，10 Nm時斜率理論分析在-0.006左右。所以對于低扭高轉速的效率結果可以考慮通過調整斜率進行修正。

4 結論

純電動變速器相比傳統燃油車的多擋位變速器，擋位少，結構簡單，但是工作轉速范圍更大，從常規的12000 rpm，甚至到20000 rpm。這給效率分析以及測試帶來挑戰，本文分析對比發現對于低扭矩高轉速工況，仿真分析結果會低估了齒輪的功率損失，使得計算的效率結果偏高。根據仿真分析與試驗結果的對比，提出了調整曲線斜率方法進行修正，為類似變速器的效率仿真預測提供參考。