齒輪油對(duì)后橋功率損耗影響的試驗(yàn)研究*

章德平，呂俊成，莫易敏，高 勇

(1.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007; 2.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)產(chǎn)品普及程度不斷提高，汽車(chē)消費(fèi)已經(jīng)大量進(jìn)入普通居民家庭，成為家庭消費(fèi)的熱點(diǎn)。雖然汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展促進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，但由于汽車(chē)燃油的大量消耗而導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題也讓人類(lèi)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了積極應(yīng)對(duì)全球氣候變化問(wèn)題，中國(guó)自主提出了2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的“雙碳”目標(biāo)。通過(guò)各頂措施提高汽車(chē)燃油燃料的使用效率，從而減少汽車(chē)尾氣排放，降低燃料消耗過(guò)程中的環(huán)境污染，緩解能源危機(jī)。

在微型汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中，后橋齒輪油除了具有減小摩擦與降低磨損的作用[1]，同時(shí)還具備輔助系統(tǒng)排熱、吸收沖擊振動(dòng)等功能[2]，因此其合理選用對(duì)于確保微型汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)正常工作起著非常重要的作用。隨著油耗法規(guī)及廢氣污染物控制法規(guī)的不斷升級(jí)，后橋齒輪油的品質(zhì)亦不斷優(yōu)化。

1 微型汽車(chē)后橋功率損耗的理論分析

后橋作為微型汽車(chē)FR傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其基本功能是將變速器經(jīng)由等速傳動(dòng)軸傳遞過(guò)來(lái)的動(dòng)力合理分配給車(chē)輛后輪，同時(shí)承受工作條件下的各類(lèi)外界負(fù)荷[3]。圖1為某型國(guó)產(chǎn)微型汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 某型國(guó)產(chǎn)微型汽車(chē)后橋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.主減速器軸承 2.輸入軸 3.主減速器準(zhǔn)雙曲面齒輪副 4.車(chē)輪 5.差速器軸承 6.差速器 7.輪轂軸承

對(duì)于微型汽車(chē)后橋而言，其正常工作時(shí)功率總損耗PL主要包括三個(gè)方面：①后橋工作時(shí)因?yàn)橹鳒p速器準(zhǔn)雙曲面齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)和差速器內(nèi)部齒輪的嚙合而造成的摩擦功率損耗；②主減速器軸承和差速器軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的摩擦功率損耗；③后橋工作時(shí)準(zhǔn)雙曲面齒輪和差速器總成因攪動(dòng)齒輪油而造成的功率損耗[4]。

1.1 齒輪嚙合功率損失

在微型汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋的內(nèi)部，主減速器總成與差速器總成之間的動(dòng)力傳遞依靠的是準(zhǔn)雙曲面齒輪副，差速器內(nèi)部行星齒輪與半軸齒輪之間為直齒錐齒輪嚙合。而齒輪嚙合時(shí)齒面之間的摩擦既有滾動(dòng)，又有滑動(dòng)摩擦的復(fù)雜狀態(tài)，因此齒輪嚙合功率損失也相應(yīng)地包括滾動(dòng)摩擦功率損失與滑動(dòng)摩擦功率損失兩部分。

齒輪油會(huì)在相嚙合齒輪的齒廓表面之間形成一層很薄的分子油膜[5]，從而使得原來(lái)齒廓表面變得更為光滑，此時(shí)相嚙合齒輪的齒廓表面之間的相互摩擦?xí)虮砻孀児饣蟠蠼档蚚6]。

1.2 滾動(dòng)軸承摩擦功率損失

作為微型汽車(chē)后橋中的核心零件之一，滾動(dòng)軸承主要用于支承內(nèi)部軸系和減少軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦損耗。文中所研究的后橋樣機(jī)，主減速器輸入軸軸承和差速器軸承均選用圓錐滾子軸承，屬于典型的線(xiàn)接觸摩擦副，這些軸承的正常工作有賴(lài)于齒輪油在摩擦部位的順利進(jìn)入。

因此，為了估算這些滾子軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦功率損耗PB，必須先對(duì)這些滾子軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦阻力矩M進(jìn)行確定。二者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表示為：

PB=M·n·π/30

(1)

式中：n為軸承轉(zhuǎn)速，r/min。

而影響圓錐滾子軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦阻力矩M的因素較多，齒輪油性能、軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)以及使用時(shí)軸承預(yù)緊力等均能對(duì)摩擦阻力矩M造成較大影響。

1.3 攪油功率損失

限于結(jié)構(gòu)條件，后橋內(nèi)部的部分旋轉(zhuǎn)零件會(huì)有部分體積浸入齒輪油，而后橋齒輪油的運(yùn)動(dòng)粘度相對(duì)較高，因此這部分旋轉(zhuǎn)零件工作時(shí)，為克服齒輪油的流體阻力做功，必然有部分機(jī)械能需轉(zhuǎn)化為齒輪油動(dòng)能與勢(shì)能，從而造成較大能量損失。

攪油功率損失的計(jì)算較復(fù)雜，它與齒輪油性能參數(shù)、浸油深度以及旋轉(zhuǎn)零件尺寸等因素構(gòu)成復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系[7]。工程實(shí)際中關(guān)于齒輪攪油功率損失PC的計(jì)算大都基于經(jīng)驗(yàn)公式，可以用攪油阻力矩系數(shù)Cm來(lái)間接反映，適用于車(chē)輛領(lǐng)域的Cm經(jīng)驗(yàn)公式如下：

(2)

式中：h0為攪油零件的浸油深度，m；V0為齒輪油的體積，m3；DP為攪油零件的節(jié)圓直徑，m；b1為攪油零件的寬度尺寸，m。

2 試驗(yàn)臺(tái)架與測(cè)試方法介紹

為了對(duì)后橋樣機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)，在后橋樣機(jī)輸入端設(shè)置一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力源，模擬后橋工作時(shí)的輸入動(dòng)力。輸出端各設(shè)一臺(tái)加載電機(jī)對(duì)后橋樣機(jī)進(jìn)行加載，模擬車(chē)輪行駛過(guò)程中所受到的摩擦阻力。在后橋樣機(jī)輸入端和驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間設(shè)置扭矩傳感器1和速度傳感器1，在后橋樣機(jī)輸出端和加載電機(jī)之間設(shè)置扭矩傳感器2、速度傳感器2、扭矩傳感器3和速度傳感器3。

后橋傳動(dòng)效率的測(cè)試基于如下方案進(jìn)行實(shí)施：如圖2所示，分別測(cè)試某一工作狀態(tài)下通過(guò)扭矩傳感器1采集獲取后橋的輸入扭矩M1，速度傳感器1采集獲取后橋輸入轉(zhuǎn)速n1，扭矩傳感器2和扭矩傳感器3采集獲取后橋兩側(cè)的輸出扭矩M2和輸出扭矩M3，速度傳感器2和速度傳感器3采集獲取后橋兩側(cè)的輸出轉(zhuǎn)速n2和輸出轉(zhuǎn)速n3，繼而計(jì)算得出該狀態(tài)下后橋傳動(dòng)效率值η，其計(jì)算式如下：

圖2 微型汽車(chē)后橋傳動(dòng)效率測(cè)試臺(tái)架的布置圖

(3)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

齒輪油主要用于對(duì)微型汽車(chē)后橋內(nèi)部齒輪副、主減速器軸承以及差速器軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，仿真分析表明：齒輪油的粘-溫特性對(duì)后橋內(nèi)部部分旋轉(zhuǎn)零件因?yàn)榻投斐傻臄囉凸β蕮p失、采取油潤(rùn)滑的滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的摩擦功率損失、以及因齒輪嚙合所造成的功率損失等均具有十分重要的影響。

為研究齒輪油黏度對(duì)于后橋傳動(dòng)效率的影響，將后橋樣機(jī)內(nèi)部齒輪油分別依此選定為GL-5 75W/90、GL-5 80W/90和GL-5 90三個(gè)品類(lèi)，這些常規(guī)齒輪油動(dòng)力粘度隨著溫度的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 三種常規(guī)后橋齒輪油的動(dòng)力粘度-溫度關(guān)系圖

基于上述試驗(yàn)臺(tái)架與測(cè)試方法開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試，具體操作如下：通過(guò)控制加載電機(jī)的加載扭矩來(lái)控制后橋樣機(jī)的輸入扭矩，將其設(shè)定為120 N·m并保持恒定，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架溫度控制系統(tǒng)將齒輪油溫度保持為80 ℃，通過(guò)測(cè)試獲取后橋樣機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速，取不同值時(shí)各個(gè)傳感器采集到的參數(shù)值，根據(jù)公式(3)計(jì)算得到后橋樣機(jī)的傳動(dòng)效率值，具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 常規(guī)齒輪油不同轉(zhuǎn)速下傳動(dòng)效率值對(duì)比

測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)后橋樣機(jī)的輸入扭矩為120N·m時(shí)，若保持齒輪潤(rùn)溫度為80 ℃不變，對(duì)于低速段而言，使用多級(jí)齒輪潤(rùn)滑油GL-5 75W/90時(shí)后橋樣機(jī)的傳動(dòng)效率高于使用GL-5 80W/90，而使用多級(jí)齒輪潤(rùn)滑油GL-5 80W/90時(shí)后橋樣機(jī)的傳動(dòng)效率又要高于使用單級(jí)齒輪潤(rùn)滑油GL-5 90；對(duì)于高速段而言，使用多級(jí)齒輪潤(rùn)滑油GL-5 80W/90時(shí)后橋樣機(jī)的傳動(dòng)效率略高于使用GL-5 75W/90，而使用多級(jí)齒輪潤(rùn)滑油GL-5 75W/90時(shí)后橋樣機(jī)的傳動(dòng)效率又要高于使用單級(jí)齒輪潤(rùn)滑油GL-5 90。

隨著微型汽車(chē)齒輪油技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于降低機(jī)械零部件摩擦損耗的要求亦變得更為苛刻，而單純依靠改善基礎(chǔ)齒輪油的性能參數(shù)所獲得的效果卻十分有限，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足苛刻工況下的需求。若將齒輪油GL-5 75W/90選作基礎(chǔ)油，引入添加劑改進(jìn)基礎(chǔ)油的粘度指數(shù)和極壓抗磨性能，得到一種合成齒輪油，然后開(kāi)展相關(guān)測(cè)試，具體結(jié)果如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)樣機(jī)使用基礎(chǔ)油和合成油的傳動(dòng)效率對(duì)比

測(cè)試結(jié)果表明：若采用合成齒輪油，驅(qū)動(dòng)橋樣機(jī)的傳動(dòng)效率明顯得到提高，最大可以提升約0.56%。

4 結(jié) 論

文中通過(guò)對(duì)影響微型汽車(chē)后橋功率損耗的主要因素進(jìn)行分析，從理論上研究了齒輪油性能對(duì)微型汽車(chē)后橋主要功率損耗的影響。基于某款微型汽車(chē)后橋的具體結(jié)構(gòu)，制造后橋樣機(jī)并進(jìn)行了后橋傳動(dòng)效率測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)手段研究了齒輪油對(duì)后橋驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)效率的影響規(guī)律。得出了以下主要結(jié)論。

(1) 齒輪油粘度對(duì)后橋功率損耗的影響是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，單純降低齒輪油粘度并不會(huì)必然降低后橋功率損耗。

(2) 在基礎(chǔ)齒輪油引入添加劑是改善齒輪油性能的有效策略，應(yīng)成為后橋齒輪油研究的重點(diǎn)方向。