多軸特種車輛傳動系統機械摩擦阻力損失與傳動效率研究綜述

高 蕾, 劉志浩, 高欽和, 王 冬, 黃 通, 章一博

(1. 火箭軍工程大學 導彈工程學院,西安 710025;2. 長安大學 公路學院,西安 710054)

多軸特種車輛裝載武器裝備質量大、車身重、底盤系統布局復雜,同時需面對山區、高原機動地域,適應惡劣且復雜多變的戰場環境,其動力傳動性能是實現快速機動作戰任務的前提與基礎,而傳動系統的效率水平會直接影響到驅動力的輸出量值。傳動系統功率損失是傳動系統內部阻力的體現[1-2],主要由子系統內部件間的負載摩擦作用、黏滯作用、慣性作用和熱量傳遞產生。齒輪、軸承、傳動軸作為車輛傳動系統最主要的三類機械元件,其功率損失決定了系統的總功率損失與傳動效率水平。依據車輛傳動系統結構和元件內部作用機理,將傳動系統功率損失分為機械摩擦阻力功率損失和攪動阻力功率損失兩大類,具體功率損失組成如圖1所示。其中機械摩擦阻力功率損失在車輛正常運行工況下為主要損失,若傳動部件處于部分負載或較高的轉速時,攪動阻力功率損失占比則增大[3]。

圖1 傳動系統功率損失組成Fig.1 The transmission system power loss composition

機械摩擦阻力損失作為傳動系統功率損失的重要分支,齒輪嚙合傳動作用、軸承支撐作用是機械摩擦阻力損失的研究重點,考慮到系統分析的全面性,還應包括油封密封作用與傳動軸兩端萬向節連接作用。其中占比較大的是齒輪傳動產生的嚙合功率損失,齒面摩擦因數、齒間載荷分布、齒面間相對運動狀態、潤滑油狀態是齒輪嚙合功率損失數值分析的核心點。軸承的功率損失主要由摩擦副作用摩擦力矩產生,因此對軸承摩擦功率損失特性的研究主要聚焦于摩擦力矩。而在整車傳動系統效率研究中,對油封功率損失特性和傳動軸功率損失特性研究較少,前者主要由轉軸旋轉運動與油封的摩擦作用引起,后者主要由兩端連接的萬向節摩擦作用引起。

因此,機械摩擦阻力損失在車輛傳動系統中的細化分析對傳動系統性能分析十分重要,其與機械部件運行狀態和車輛行駛工況密切相關,涉及車輛動力學、結構力學、摩擦學等諸多學科。本文主要以傳動系統功率損失中的機械摩擦阻力損失為研究對象,面向多軸特種車輛高機動性應用背景,對傳動效率的研究深度和廣度進行拓展。從齒輪嚙合摩擦功率損失、軸承摩擦功率損失、油封功率損失、傳動軸功率損失4個方面的關鍵影響因素,傳動部件效率研究方法進行歸納總結,為建立傳動系統效率與性能的傳遞關系、建立以提升傳動系統效率為途徑的動力性能優化方法提供研究基礎。

1 多軸特種車輛傳動系統結構特性分析

傳動系統是發動機動力與車輪負載之間的動力傳遞裝置,其作為動力系統、行走系統、制動系統連接樞紐,是特種車輛底盤系統的重要組成系統之一,保證了車輛在特種作戰任務中的機動性與安全性。相比常見的兩軸車輛,特種車輛軸數多、軸距大、輪距寬使得傳動系統布局復雜,在較多的動力傳遞層級和分支回路中會產生更多環節的功率損失,同時各子系統結構相對復雜,功率損失類型相應增多,使得傳動系統性能分析、表征難度增大。因此對傳動系統機械摩擦阻力損失的針對性分析和精細化分析十分重要。

首先通過分析特種車輛傳動系統關鍵組成與作用機理,確定傳動系統研究邊界,是傳動效率特性建模分析基礎。特種車輛傳動系統關鍵組成為變速箱、分動箱、驅動軸驅動橋、傳動軸,其中驅動橋包括主減速器、差速器、半軸和輪邊減速器,動力傳動的起點為變速箱,作用終點為輪邊減速器,如圖2所示。傳動系統中的關鍵部件均采用典型的機械傳動方式,以齒輪傳動為主,通過旋轉運動方式按照既定的傳動比逐級傳遞驅動力矩。本文依據傳動系統機械部件作用機理將其分為3大類,即齒輪類、軸承類和軸類,并作為傳動系統機械摩擦阻力損失的分類依據,將關鍵傳動部件作為傳動效率的研究單元。

圖2 特種車輛傳動系統結構框圖Fig.2 Special vehicle transmission system structure block diagram

2 傳動系統機械摩擦阻力損失特性分析

2.1 齒輪嚙合功率損失主要影響因素

傳動系統中的關鍵部件運轉以齒輪傳動為主,齒輪傳動過程中的功率損失主要由嚙合齒輪對之間的摩擦作用產生,包括滑動摩擦作用和滾動摩擦作用齒輪嚙合軌跡、嚙合面之間的滑動速度與法向載荷,如圖3所示。研究齒輪嚙合功率損失的基礎理論主要有齒輪嚙合理論[4-6]、齒輪動力學[7-8]、齒輪摩擦學理論[9]、齒輪潤滑理論[10]和熱力學平衡理論[11-13]。

圖3 齒輪嚙合面滑動速度與法向載荷示意圖Fig.3 Schematic diagram of sliding velocity and normal load of gear meshing surface

2.1.1 基于齒面摩擦因數的影響因素分析

齒輪嚙合摩擦因數的變化是內外部因素共同作用的結果,對摩擦因數的預測是齒輪嚙合功率損失的研究重點之一[14]。外國學者Benedict等[15]在初期研究階段利用滾子試驗機探究齒輪摩擦因數的影響參數主要有相對滑動速度、潤滑油黏溫特性、齒面負載,但未考慮齒輪表面粗糙度和齒輪接觸半徑的影響,試驗結果表明摩擦因數隨著齒輪接觸面載荷的增加而增加,隨著滑動速度、潤滑油黏度的增加而減小。此類研究方法通過試驗探究齒輪嚙合功率損失的影響因素、擬合摩擦因數經驗公式,為研究齒輪嚙合之間的摩擦作用、分析摩擦功率損失提供了工程應用基礎。Pedro等[16]在最近的研究中表明轉速、載荷和摩擦因數是影響齒輪嚙合功率損失最主要的因素,并在摩擦因數的分析中考慮了彈性變形,同時指出局部摩擦因數的分析建立在齒面載荷分布特性分析的基礎上。ISO[17]標準, Schlenk[18]、H?hn等[19]、Matsumoto等[20]對齒輪嚙合平均摩擦因數和局部摩擦因數的計算式與特性,如表1所示。

表1 具有代表性的齒輪嚙合摩擦因數預測公式Tab.1 Representative formulas for predicting the friction coefficient of gear meshing

在較早的摩擦因數預測研究中采用齒輪箱試驗方法擬合平均摩擦因數的經驗公式,以代替整個齒輪接觸面的摩擦因數,例如Fernandes等[25]基于FZG齒輪試驗臺,利用齒輪功率損失、輸入功率的試驗值和齒輪損耗因子的計算值得到平均摩擦因數。隨著研究的深入,更多學者以彈流潤滑理論為分析基礎,開展了不同潤滑狀態下的摩擦因數預測方法分析,H?hn等綜合考慮了邊界潤滑和全膜潤滑特性,結合相對油膜厚度計算方法對混合潤滑狀態下的摩擦因數進行了預測;Fernandes則建立了基于載荷分布模型的混合潤滑狀態摩擦因數計算方法。局部摩擦因數的應用分析對齒輪摩擦特性的精細化分析、改善傳動性能更為重要,Xu等基于彈流潤滑模型和齒面接觸分析模型,采用多元線性回歸法對直齒輪和斜齒輪沿滑動面的局部摩擦因數進行了研究。王峰等[26]通過齒面潤滑機理對人字齒輪承載接觸特性進行了分析,結合混合潤滑條件下的齒面滑動摩擦因數預測模型研究了該齒輪的動態嚙合效率。鄒玉靜等[27-28]結合載荷分布理論和彈流潤滑理論對動載荷狀態下的漸開線圓柱齒輪齒面摩擦因數進行了預測,相比靜載荷,動載荷對油膜厚度和油膜承載比例均會產生影響,這更符合對齒輪在旋轉運動狀態下的特性分析。董立輝等[29]利用多重網格數值法建立了漸開線齒輪隨嚙合軌跡變化的動載荷分布模型,通過分析動載荷對油膜分布的影響得到了摩擦動力學特性下的齒輪潤滑狀態,為研究齒輪動態摩擦因數提供了支撐。

2.1.2 基于齒面接觸載荷的影響因素分析

齒輪嚙合傳動是一個動態變化的過程,某型號直齒輪的載荷分布狀態,如圖4所示。齒輪的載荷分布沿齒寬方向和齒輪嚙合軌跡均發生變化,這直接影響局部摩擦因數的變化,因此齒輪法向載荷建模分析是預測摩擦因數的重要基礎,也是研究齒輪傳動效率動態特性的關鍵。

圖4 某型號直齒輪法向載荷分布狀態Fig.4 Normal load distribution of a certain type of spur gear

早期Kollman[30]通過理論研究給出的錐齒輪嚙合效率計算模型中重點對齒面接觸承載進行了分析,考慮了載荷對嚙合效率的影響。Kolivand等結合計算效率接觸模型和混合彈流潤滑模型預測螺旋錐齒輪和準雙曲面齒輪的功率損失,量化了齒輪設計參數和工作參數對功率損失的影響,包括表面粗糙度、從動齒輪軸偏置、轉速、扭矩和潤滑油溫度等主要因素。Fernandes等通過建立載荷分布函數預測了混合潤滑狀態下的齒輪摩擦因數,提出了考慮潤滑油壓力黏度系數的修正Hersey參數,包含了齒輪負載、速度、潤滑油動力黏度、潤滑油壓力黏度和齒面接觸幾何參數等主要因素。

隨著齒面接觸分析技術和承載接觸分析技術(loaded tooth contact analysis,LTCA)的發展,大量學者[31-33]利用仿真建模分析了齒面接觸區域變化、齒面接觸應力分布、齒間載荷分布、齒輪接觸彈性變形等動態因素對齒輪嚙合性能的影響,建立了齒輪幾何特性與力學特性之間的關系。利用FEM有限元分析的直齒輪嚙合對和斜齒輪嚙合對的應力分布圖,如圖5所示[34]。作為判斷傳動性能的指標直接反映了齒輪負載下的接觸特性。因此通過分析嚙合沖擊力、傳動誤差、齒輪磨損狀態與承載特性的關系,進一步明確齒輪嚙合效率與動力特性之間的耦合關系,改善齒輪傳動的穩定性和耐久性,為齒輪動態嚙合功率損失研究提供分析基礎。

圖5 齒輪嚙合LTCA應力圖Fig.5 Gear meshing LTCA stress diagram

2.1.3 基于潤滑理論的影響因素分析

潤滑油液對負載相關功率損失的影響通過潤滑性質反映于摩擦因數,其中潤滑狀態與嚙合齒輪接觸面摩擦因數關系密切。斯特里貝克曲線,如圖6所示?？梢钥闯瞿Σ烈驍惦S著齒輪轉速、載荷和潤滑劑黏度的變化而變化,潤滑狀態隨之從邊界潤滑變化至混合潤滑再至流體潤滑。隨著彈流潤滑理論的發展,對潤滑齒輪的摩擦特性分析逐步深入[35], Xu等[36-37]提出的平行軸齒輪副摩擦模型以非牛頓熱彈流潤滑理論為基礎,利用多元線性回歸法重點研究了關鍵齒輪幾何參數、齒面修形參數、操作工況、表面光潔度和潤滑劑性能對機械功率損失的影響。鄒玉靜等結合載荷分配理念和彈流潤滑理論,在齒面摩擦特性研究時考慮了嚙合位置、動態載荷因素,重點分析了轉速、表面粗糙度和潤滑劑黏度對摩擦特性的影響。劉萬山等[38]基于彈流潤滑理論綜合分析了非圓齒輪相對速度、摩擦因素和油膜厚度與動態嚙合效率的關系。

圖6 典型Stribeck曲線:潤滑狀態對摩擦因數的影響Fig.6 Typical stribeck curve: influence of lubrication state on coefficient of friction

由此可見,國內外學者已對齒輪嚙合功率損失影響因素做了充分分析,旨在對齒輪設計優化、壽命預測、性能評估、故障診斷等方面提出建設性舉措。綜上,將影響齒輪嚙合功率損失的主要因素分為兩大類:①外部施加工況;②齒輪傳動內部因素,如表2所示,其中外部施加工況包括齒輪轉速、齒輪承受的載荷和齒輪潤滑系統狀態等;齒輪傳動內部因素包括齒輪結構幾何參數、齒面間的相對速度、齒輪間的摩擦因數、齒輪表面光潔度等;同時,齒輪傳動內外部影響因素存在耦合關系,如齒輪轉速影響潤滑油的流動狀態從而改變齒面間的摩擦因數,在長時間運轉下對齒輪表面的光潔度也會產生一定影響。

表2 齒輪嚙合功率損失影響因素Tab.2 Influence factors of gear meshing power loss

目前主要針對平行軸齒輪箱或行星齒輪箱中不同類型工作齒輪對展開了試驗和理論研究,對齒輪嚙合功率損失影響因素的研究主要是建立在齒面間摩擦因數預測、齒面載荷分析和潤滑狀態分析基礎上,這也是優化齒輪傳動效率的基礎。前期齒輪摩擦因數的預測值是嚙合過程中的平均值,而實際嚙合過程中摩擦因數隨嚙合軌跡變化,如圖7所示;隨著研究的深入,結合齒面接觸承載分析進一步研究局部摩擦因數[39],分析了齒輪嚙合瞬時功率[40-41]、動態功率損失。同時聚焦齒輪負載、轉速工況以及動態嚙合力同潤滑狀態之間的耦合關系,通過建立熱流場-功率損失耦合模型、基于潤滑接觸特性的齒輪摩擦-動力學耦合模型分析多因素變化的影響規律,對解決實際工程問題更有針對性。

圖7 齒面摩擦因數隨齒輪接觸軌跡的變化曲線Fig.7 Variation curve of tooth surface friction coefficient with gear contact trajectory

2.2 軸承摩擦功率損失主要影響因素

Gleason公司的Kollman專家早先對齒輪箱組件的效率研究表明,除潤滑油特性、齒輪表面光潔度外,與齒輪裝配的軸承及其同軸性對機械傳動效率也有較大的影響。從Fernandes等[42]、回春等[43]對齒輪箱組件摩擦功率損失成分分析如圖8所示,軸承摩擦功率損失在傳動部件總功率損失中的占比次于齒輪嚙合摩擦功率損失,在某些工況下與攪油功率損失相當。

圖8 傳動部件功率損失分布圖Fig.8 Power loss distribution diagram of transmission components

軸承在變速器、減速器和差速器等傳動部件中裝配應用,對傳動系統中的軸系部件起支撐和導向作用,軸承摩擦功率損失主要由其摩擦副作用摩擦力矩產生,因此對軸承摩擦功率損失特性的研究主要聚焦于摩擦力矩。國外學者大多采用試驗結合理論的方法對摩擦力矩開展研究,并提出了一系列軸承摩擦力矩計算公式。

Palmgren[44]首次提出軸承摩擦力矩概念,通過大量的摩擦力矩測量試驗并結合不同類型軸承給出摩擦力矩回歸計算公式,認為摩擦力矩與軸承負荷工況、潤滑油性能和軸承類型相關。角田和雄[45-46]和Snare[47]則在此基礎上進一步分析了滾動軸承彈性遲滯效應、流體動壓效應和球體自旋效應對摩擦力矩的影響。Harris[48]將摩擦力矩分為負載無關和負載相關兩大類,認為后者的主要影響因素為軸承在裝配條件下受到的當量載荷。Hammami等[49]、Liu等[50]則分別研究了當量載荷中的軸向載荷和徑向載荷的影響規律。Talbot等[51]重點研究了軸承類型對摩擦功率損失的影響,結果表明滿裝滾針軸承的傳動效率低于對應保持架滾針基線設計的軸承,雙列軸承的傳動效率高于單列軸承。鄧四二等[52-53]則針對低速、中速、高速3種工況,分析了角接觸球軸承結構參數中內、外溝曲率半徑系數,保持架導引間隙對摩擦力矩的影響。綜上,前期對于摩擦力矩計算方法主要考慮了4個方面:①軸承負載、轉速產生的摩擦效應;②軸承潤滑系統產生的黏性摩擦效應;③軸承類型及結構幾何參數;④軸承結構材料彈性接觸問題。

同時,在SKF公司[54]提出的軸承摩擦力矩計算模型中還考慮了軸承密封件類型及結構尺寸、潤滑脂潤滑對摩擦力矩的影響。Fernandes等[55-59]則基于此模型并結合四球機試驗論證了齒輪油配方對滾動軸承摩擦力矩有顯著影響。對于采用潤滑脂潤滑方式的軸承,潤滑脂的配方、基礎油的黏度對摩擦力矩的影響也十分顯著[60-61]。此外,軸承的裝配精度、工作游隙對傳動部件的動力傳動也十分重要,范文健等[62-64]等通過試驗探究得出軸承精度的提升可以改善汽車變速器的傳動效率,合理增大軸承游隙可減小軸承摩擦力矩,提高變速器、驅動橋的傳動性能。

上述主要影響因素之間還存在相互依存的關系,如圖9所示。為減小軸承的摩擦力矩以提高傳動效率,軸承的設計優化需要結合軸承的使用條件,即承受載荷、轉速范圍和潤滑條件;軸承的工作溫度對其耐久性、承載性影響較大,它的工作溫度同時受到軸承運行工況、結構尺寸、潤滑條件的影響;但潤滑條件又取決于當前的工作溫度、潤滑劑的物理性質和軸承的轉速。傳動效率的優化與軸承結構的耐久性、承載性、運行工況條件關聯,多因素綜合分析更具有工程價值。

圖9 軸承摩擦功率損失影響因素關系圖Fig.9 Relation diagram of influencing factors of bearing friction power loss

2.3 油封功率損失主要影響因素

在傳動系統效率研究中,對油封功率損失的特性研究較少。油封用于密封傳動部件中的潤滑油,防止潤滑油泄漏和外界雜質進入,在變速箱中一般位于變速器的輸入軸與殼體之間,半軸與殼體之間。油封與轉軸之間有一定的接觸[65],其功率損失主要由轉軸旋轉運動與油封產生的摩擦作用引起。Hunt[66]采用理論與試驗結合的方法研究了油封功率損失主要影響因素為密封元件的內徑和密封處軸的線速度。Fernandes等和賈春林在對平行軸齒輪箱、行星齒輪箱、變速箱傳動效率建模分析中考慮了油封的功率損失,同樣關注了軸的轉速和密封件內徑對油封功率損失的影響。

2.4 傳動軸功率損失主要影響因素

主傳動軸接收來自變速箱的動力,并把動力傳遞給驅動橋,最后由半軸傳遞至輪邊減速器,由于軸的扭轉振動特性與萬向節的存在,不可避免的會有能量的損失,動力傳輸也會因軸的斷裂而中斷,這將直接導致車輛的驅動功能失效,如圖10(a)所示。

圖10 傳動軸結構與測量系統Fig.10 Transmission shaft structure and measurement system

目前對傳動軸效率建模分析方法主要有集中質量法、Adams仿真分析法[67]、響應面法[68]、經驗公式預測法[69]以及試驗測試法[70],而傳動軸的性能狀態監測需要借助轉速轉矩動態實時測量系統[71],該類型測試系統在底盤上的布局,如圖10(b)所示。目前整車傳動系統效率分析中大多只考慮了變速器總成、分動器總成、驅動橋總成的傳動效率,并未考慮傳動軸作為連接件對整車傳動效率的影響。王熙則用軸兩端萬向節的傳動效率模型代替軸的轉動效率模型,認為軸的功率損失主要與兩軸的軸間夾角、十字軸的支承結構和材料、裝配精度和潤滑狀態有關。

3 傳動系統效率特性研究方法

傳動系統機械摩擦阻力損失特性分析是傳動系統效率研究的基礎,現有的傳動效率研究主要針對傳動系統關鍵部件如液力機械式變速器[72],微車機械式變速器[73-75],重載車輛驅動橋[76-78],以及驅動橋主減速器[79]等。對整車傳動系統的傳動效率研究也主要集中于小型兩軸車輛[80-81],其動力傳遞路徑相對多軸車輛分支少、部件少,系統的研究多軸車輛傳動系統動力傳輸模型以及傳動效率變化規律的尚不多見。其中機械摩擦阻力損失特性研究是建立整車傳動系統效率模型的重要支撐,現總結傳動效率應用于車輛傳動部件的研究方法,主要有理論數值研究、建模仿真研究以及試驗論證研究。

3.1 理論數值研究

傳動部件機械效率理論研究關鍵在于結合機械部件的結構原理明確傳動效率的影響環節,分析動力傳遞過程中的功率損失組成,分別建立不同類型摩擦功率損失的數學模型。研究的難點在于:①傳動部件內部結構復雜,元件類型不一,齒輪、軸承、軸之間相互作用,總功率損失不是單一元件的簡單累加;②傳動部件內的潤滑系統流體力學特性復雜,存在油氣混合現象;③汽車傳動部件多處于運動狀態,存在動力學特性與摩擦特性的耦合現象,且輸入轉述和扭矩工況隨實時車速、路況動態變化;④傳動部件的溫度場變化較大,與潤滑油系統的流場存在耦合特性。

某型號變速箱不同檔位動力傳遞示意圖,如圖11所示。變速箱功率流路徑會根據檔位發生變化,較其他傳動部件更為特殊,因此對變速箱總成功率損失理論數值研究較多。王熙建立了包含齒輪嚙合功率損失、軸承摩擦功率損失、齒輪攪油功率損失、油封功率損失的變速器傳動效率理論分析模型,并通過變速器臺架試驗驗證了不同輸入轉矩和轉速下模型的準確性。王旺平建立的變速器理論分析模型則在此基礎上補充了風阻功率損失模型。張鵬程則進一步研究了液力機械式自動變速器功率損失,基于動量定理推導了液力變矩器液力損失理論模型。美國通用公司[82]基于彈流潤滑理論建立了某六檔變速器傳動效率計算模型,認為齒輪嚙合功率損失和軸承功率損失為主要損失類型。在變速器效率模型的最新研究思路中,陳柯序等[83]融入了BP(back propagation)神經網絡數學模型,通過變速器臺架試驗獲取數據集。效率模型劃分了兩個檔位,以潤滑油溫度、轉速、轉矩為模型輸入,以變速器效率為模型輸出,將數據分析方法融入了傳動效率建模研究中。

圖11 變速箱不同檔位動力傳遞示意圖Fig.11 Schematic diagram of power transmission in different gears of gearbox

在驅動橋總成功率損失理論數值研究方面,驅動橋主要由主減速器、差速器、半軸、輪邊減速器組成,均為典型的齒輪傳動部件,其功率損失理論研究方法與變速箱的研究方法基本一致。區別在于驅動橋的作用主要是減速增扭,對應的運行工況多為低轉速重負載;主減速器中采用的齒輪主要是準雙曲面齒輪,屬于螺旋錐齒輪,其齒面接觸承載分析相對圓柱齒輪復雜,準雙曲面齒輪幾何學和運動學是由Wildhaber[84]于1946年提出的。國外學者對于驅動橋功率損失的研究主要是針對第2章中論述的各類成分進行單一分析,國內學者趙木青、姚哲皓等、韓悅、莫易敏等[85]等更多的是將驅動橋作為整體進行綜合分析,采用理論推導結合試驗設計論證的方法對驅動橋功率損失特性進行研究,以實現提高驅動橋傳動效率的目的。

由此可見,對傳動部件機械摩擦阻力損失的研究思路主要是將功率損失按元件劃分成不同類型,依據摩擦理論、潤滑理論、齒輪動力學理論、流體理論等分別建立各元件功率損失理論分析模型,最后依托功率流傳導路徑疊加各項損失得到傳動部件功率損失理論分析模型。傳動部件的理論數值研究針對性較強,對不同型號的傳動部件需結合臺架試驗進行參數修正以提高理論模型的預測精度。

3.2 建模仿真研究

由于傳動系統組成部件的復雜性,理論分析模型的精度有待提升,關于仿真研究的發展較快。目前面向車輛傳動系統效率仿真研究主要集中于齒輪嚙合有限元分析、傳動部件溫度-功率損失耦合分析,傳動部件虛擬樣機仿真分析等多個方面。

3.2.1 齒輪嚙合有限元仿真研究

齒輪嚙合傳動是一個動態變化的過程,齒面接觸區域變化、齒面接觸應力分布、齒間載荷分布、齒輪接觸彈性變形、齒輪嚙合的動力學特性等均對齒輪嚙合功率損失值有影響,因此齒面接觸承載分析是研究齒輪傳動效率動態特性的重要基礎。齒輪傳動部件中不同類型嚙合齒輪的接觸承載特性不同,同時還受到潤滑狀態、嚙合沖擊、嚙合剛度的影響。劉德偉應用ANSYS軟件對變速器中的斜齒輪對進行靜態接觸仿真分析,得到的靜態接觸壓力分布數值,也是對斜齒輪載荷分布理論的有效驗證。唐進元[86]應用LS-DYNA軟件對螺旋錐齒輪對動態嚙合過程進行有限元建模,分析了不同轉速、負載下齒面接觸力的動態特性。疏奇應用MATLAB軟件并通過參數化的方式對螺旋錐齒輪有限元建模分析,結合接觸承載模型分析了嚙合齒輪的承載接觸區域,嚙合剛度、齒面、齒間載荷分布、傳動誤差等變化規律。陳文煒將斜齒輪傳動承載接觸有限元分析與EHL(elastohydrodynamic lubrication)摩擦因數計算模型相結合,對行星輪系統動態嚙合效率進行了計算分析。劉耀東等[87]、張林等[88]則利用有限元法建立了風電齒輪傳動的動力學模型,重點分析了齒輪嚙合動力學特性與潤滑特性之間的耦合關系,在2.1節的分析中可知,齒輪的潤滑特性對摩擦作用影響較大,而實際車輛運行過程中存在較大的振動沖擊與姿態變化,這為研究動力學特性與潤滑特性對齒輪嚙合效率的影響提供了較好的研究思路。

3.2.2 溫度-功率損失耦合分析

封閉式齒輪箱的熱功率通常是建立在各類型功率損耗源與傳遞至環境熱量之間的平衡狀態基礎上,如圖12所示。齒輪、軸承、軸類元件高速旋轉產熱并傳熱導致溫度變化進而影響潤滑油液性能,齒輪箱總功率損失由于潤滑系統的變化受到影響,這又反作用于傳動部件產熱問題,并體現在箱體的溫度變化上。傳動部件的溫度-功率損失耦合仿真分析主要分為兩類:①基于熱網絡模型的功率損失預測;②基于熱流場有限元仿真的功率損失預測。

圖12 齒輪傳動部件溫度-功率損失耦合機理圖Fig.12 Coupling mechanism diagram of temperature-power loss of gear transmission components

熱網絡法是一種集中參數法,可以將傳動裝置部件轉化為熱源、熱阻和熱節點等元件,如圖13所示為利用熱網絡法建立的FZG齒輪箱熱網絡模型。Martins等[89]早期通過大量試驗對齒輪箱傳動效率與熱特性進行耦合分析,指出平衡狀態下的油浴溫度與傳動效率是相關的。Koffe等,Durand de Gevigney等,Pouly等[90]利用熱網絡數值仿真模型描述傳動齒輪和軸承高速轉動時的溫度分布特性,認為溫度分布預測對齒輪箱攪油流體阻力損失十分重要。隨后在建立FZG齒輪箱熱網絡平衡模型過程中,認為齒輪箱總功率損失等于齒輪箱排出的熱量,并在車輛變速器功率損失預測中得到了應用。隨著仿真技術的不斷發展,目前有利用AMEsim、MATLAB對車輛的減速器[91-95]、變速器等齒輪傳動部件在不同加載工況下的熱穩定性、系統穩態溫度、潤滑油平衡溫度等展開了大量的仿真分析。

圖13 FZG齒輪箱熱網絡模型Fig.13 Thermal network model of the FZG gearbox

熱流場的有限元仿真對單個齒輪或軸承元件應用較多,能夠建立準確的結構模型,但復雜傳動部件整體建模時網格劃分較為復雜,邊界條件難以確定,對計算機資源要求較高,需對模型進行一定的簡化處理。廖建明利用有限元法對變速器熱流場和功率損失進行了耦合分析,以熱流場仿真結果實時修正功率損失計算模型,得到穩定熱流場狀態下的功率損失,如圖14所示為穩定狀態下的變速器溫度分布特性圖,基于溫度場模擬結果提取變速器各元件的功率損失值,這為優化分析車輛傳動部件的穩態傳動效率研究提供了新的研究思路。

圖14 變速器穩態溫度分布云圖Fig.14 Transmission steady state temperature distribution cloud

3.2.3 傳動部件的虛擬樣機仿真研究

目前使用RomaxDesigner軟件對傳動部件傳動效率仿真研究較多,其是在機械傳動系統開發領域用于齒輪傳動部件、軸承建模分析的專業軟件,對變速箱,液力變矩器,驅動橋總成中的減速器、差速器、行星齒輪傳動機構均可進行傳動效率建模仿真分析。王維等,李庚,回春,包英豪等基于RomaxDesigner建立了機械式變速器的虛擬樣機模型,如圖15所示,包括軸、軸承、各檔位齒輪、同步器等關鍵元件的建模,通過添加功率流、設置循環仿真工況,分析了潤滑油溫度、檔位、輸入轉速、輸入轉矩與變速器綜合傳動效率之間的關系。另外,Modelica開源仿真平臺在汽車部件和整車建模中應用較為廣泛,外國學者[96-97]早先利用Modelica虛擬仿真技術對齒輪箱傳動負載功率損失進行了研究,如圖16所示,主要是將車輛的減速器、變速箱模型與虛擬試驗臺架集成,通過預先調整輸入轉矩和輸出轉速工作點仿真分析其總阻力損失隨負載的變化情況,但無法有效區別機械摩擦阻力損失與攪動損失的數值。

圖15 某型號變速器Romax仿真模型Fig.15 Romax simulation model of a certain type of transmission

圖16 行星齒輪減速器Modelica負載損耗模型Fig.16 Planetary gear reducer Modelica load loss model

此外,利用MATLAB/Simscape建立了剛體傳動效率仿真模型包括單個部件的轉矩損失,也是一種用于分析行駛循環工況下的變速器功率損失的方法。王揚武等[98]基于AVL-Cruise車輛動力性能專業仿真平臺建立了基于雙離合變速器的整車仿真模型,依據能量守恒理論研究了變速器在 NEDC(new Europe driving cycle)工況下的綜合傳動效率。針對重型車的循環行駛測試工況有,世界重型商用車輛瞬態循環工況[99],中國重型商用車輛行駛工況(China heavy-duty commercial vehicle test cycle-truck,CHTC-HT)[100],如圖17所示為CHTC-HT行駛工況速度信息。

注:1.部市區;2.部城郊;3.部高速圖17 CHTC-HT測試工況Fig.17 CHTC-HT test conditions

上述傳動效率仿真分析中,通過對傳動系統功率損失機理建模,仿真模擬指定范圍參數對功率損失的影響特性,為車輛傳動效率與傳動系統性能分析搭建了橋梁。但對于整車傳動系統效率評估,則需進一步結合實際行駛循環工況進行綜合效率計算分析。

3.3 試驗論證研究

汽車傳動系統效率試驗測試研究可以分為3個層次:①傳動系統總成;②關鍵傳動部件如變速器、驅動橋、主減速器等;③齒輪對、軸承類元件。試驗類型主要為整車道路試驗和臺架試驗兩種,無論是理論數值研究還是建模仿真研究均需要進行試驗論證,包括試驗系統的設計與搭建,試驗方案和數據處理方法的論證與分析。

傳動系統試驗臺架分為開式和閉式兩種類型[101],其中武漢理工大學、吉林大學、重慶大學、重慶理工大學、中北大學團隊設計開發的傳動部件和傳動系統的試驗臺架在傳動效率研究中的應用較多。同濟大學[102]設計的高精度行星減速器綜合性能試驗平臺在對傳動效率、功率研究的基礎上還可對傳動誤差、壽命、溫升、振動、噪聲等指標進行測量與計算,更有利于待測件的性能狀態分析。

閉式傳動系統試驗臺架,如圖18所示。更適用于機械傳動系統的功率測定。主要由驅動設備、待測試傳動系統、加載設備和傳感器采集設備組成。其中拖動測功機和拖動變頻器用于模擬發動機驅動設備,為傳動系統輸入動力條件即轉速和負載轉矩,并通過調節變速器檔位模擬車輛在不同車速時行駛工況。結合布置于變速器輸入端和驅動橋半軸輸出端的轉速、轉矩傳感器測得相應試驗數據,由此得到不同運行工況下的傳動系統效率及功率損失值。此外,試驗過程中應注意控制潤滑油溫在(80±5)℃,保證潤滑系統正常工作。

圖18 閉式傳動系統試驗臺架Fig.18 Transmission system test bench

同時還可監測傳動系統的溫度信號和振動信號作為輔助數據,具體分析對傳動系統效率影響較大的傳動環節,得出各傳動部件功率損失影響因素的重要度,作為對傳動系統性能改進研究的基礎。其中各部件的潤滑系統溫度對分析攪油類型功率損失特性較為重要,良好的潤滑條件為部件之間承載傳力提供了保證;而振動信號對分析傳動部件處于故障狀態或性能衰退狀態時的動力傳遞特性較為典型,部件在長期運轉狀態下會出現疲勞裂紋、磨損等狀況,可為研究分析整車傳動系統技術狀況衰退對底盤動力性能的影響規律提供方法途徑。

3.3.1 傳動系統總成試驗研究

在整車傳動效率試驗測試研究方面,王旺平、王熙、戴明燦基于我國現有的傳動效率試驗標準設計了包含變速箱、傳動軸、驅動橋主減速器、差速器、半軸的整車傳動系統效率測試試驗臺架和試驗方案,驗證了基于功率損失分析的傳動效率理論計算模型的可行性,匯總最新試驗標準如表3所示。其中,王旺平對試驗臺架的測量誤差與精度做了詳細的計算分析,得到傳動系統總效率的測試精度為0.25%;王熙除對傳動系統整體試驗分析外,分別將離合器、變速器、主減速器作為整體,離合器、變速器作為整體進行了傳動效率試驗分析,從多傳動鏈路驗證了傳動效率理論計算模型的有效性;戴明燦利用正交試驗設計理論開發出一套符合國家和行業相關標準的測試方案,旨在量化研究傳動效率影響因素,以及各因素之間的耦合關系。

表3 傳動效率試驗設計依據[103-110]Tab.3 Transmission efficiency test design basis

此外,利用底盤測功機反拖試驗也可檢測整車底盤傳動系統的功率損失,趙瑋等[111-112]基于測功機開展了機械底盤動力性能試驗,利用功率補償法分別測量了測功機空載損失和機械底盤功率損失繼而得到底盤的輸出功率,并將底盤的輸出功率和傳動系統功率損失作為底盤機械傳動系統綜合性能的評價指標。畢朋飛[113],利用單滾筒底盤測功機設計了整車傳動效率試驗方案,分別進行了整車狀態下的正向加載試驗和反向加載試驗,結合發動機輸出功率測量、驅動輪輸出功率測量和臺架寄生阻力損失補償提高了整車傳動系統功率測量的準確性。

3.3.2 傳動部件試驗研究

車輛傳動部件的試驗研究相比整車傳動系統試驗研究較多,可以利用傳動部件試驗臺架深入分析不同型號部件的傳動規律,為優化內部結構參數、運行控制策略、性能預測提供數據支撐。試驗設備主要為機械式變速器試驗臺架、驅動橋試驗臺架、主減速器試驗臺架和半軸試驗臺架。張鵬程、劉學良、陳德鑫等[114]、章德平等[115]對液力機械式變速器、金屬帶式無級變速器、機械式變速器3種主要類型的變速器進行了臺架試驗研究,由于變速器不同檔位下的動力傳遞路徑不同,需分別分析不同檔位下變速器傳動效率的影響因素以及變化規律,并作為理論計算模型的驗證或修正依據。其中,劉學良建立的自動變速器試驗方法包含了以齒輪嚙合損失、攪油損失等為基礎的內在因素和以換擋控制策略為基礎的使用因素,并提出了NEDC循環工況下變速器平均傳動效率評價指標;陳德鑫等指出了使用變速器最大扭矩點進行效率評價不足,并結合重型牽引車變速器的臺架試驗數據提出使用常用工況點傳動效率作為變速器的評價指標;章德平等利用變速器傳動效率試驗臺分析了齒輪油類型和軸承密封件對變速器效率的影響,指出改善潤滑油黏溫特性和使用開式軸承能夠提升變速器的綜合傳動效率。

此外,對于手動變速器傳動效率計算方法的研究分析與此類似,劉德偉利用試驗驗證了提出的某一固定檔位傳動效率計算方法的可行性,即首先分別計算各軸承的當量動載荷以確定軸承摩擦力力矩損失,并疊加各檔位對應的齒輪嚙合損失和攪油損失;并單獨利用FZG齒輪箱試驗臺細化分析了變速器斜齒輪類型的功率損失,得到了螺旋角、模數、傳動比和壓力角對單對斜齒輪對摩擦功率損失的影響規律。結合國外學者Fernandes等[116]、Cousseau等、Peterson等[117]對單對齒輪或者單個軸承的細化摩擦力矩特性研究,利用FZG齒輪箱和四球機軸承摩擦力矩試驗臺是較好的選擇。

驅動橋傳動效率的試驗研究方法與變速器類似,占銳等結合我國重型汽車實際工況設計重型汽車驅動橋傳動效率試驗方法,為進行重型汽車驅動橋傳動效率試驗提供了依據。姚哲皓等將理論計算模型與驅動橋臺架試驗相結合,擬合出驅動橋功率損耗修正系數的函數方程,分析了同等輸入條件下商用車中、后驅動橋傳動效率變化規律,表明中橋由于存在軸間差速器功率損耗更大,通過參數靈敏度分析指出驅動橋功率損耗主要貢獻率來自主減速器的準雙曲面齒輪。章德平等[118]則結合試驗方法給出了提升驅動橋傳動效率的兩種方案:一是增大輪轂軸承徑向游隙;二是采用合成齒輪油來改善潤滑油黏溫特性。韓悅在對驅動橋試驗臺架精度標定和樣件磨合的基礎上驗證了主減速器的傳動效率理論模型,重點分析了準雙曲面齒輪的嚙合效率,提出了以驅動橋主減速器效率、準雙曲面齒輪嚙合效率和主減速器體積為目標函數的優化方案。王迪等[119]則對應用于飛機傳動系統中的主減速器提出了傳動效率直接測試法和間接測試法兩種試驗方法,直接測試法類似于前文在車輛傳動系統試驗臺架中的測試方法,而間接測試法是基于熱平衡理論,認為在保溫絕熱效果良好條件下,減速器99%以上的機械功率損失轉化為潤滑油的溫升[120],因此試驗過程中需對測試部件進行絕熱處理,其邏輯關系如圖19所示,/為試驗研究傳動部件機械傳動效率變化規律提供了新的思路方法。

圖19 主減速器傳動效率間接測試法Fig.19 Indirect testing method of main reducer transmission efficiency

3.3.3 整車道路試驗研究

目前對于傳動系統摩擦阻力損失和傳動效率的試驗研究多基于整車傳動系統試驗臺架,不同類型傳動部件試驗臺架、單級齒輪箱試驗設備和單軸承試驗設備,對于傳動效率整車道路試驗研究相對較少。整車道路試驗主要是通過實際裝車試驗評價車輛整體的各項性能,主要研究方面有對底盤技術狀況分析的傳動系道路試驗分析;基于3.2.3節中介紹的循環行駛工況結合綜合傳動效率和燃油經濟性對整車性能進行評測;對變速箱、驅動橋的可靠性和耐久性裝車試驗研究[121];對傳動系統動態特性分析和道路試驗驗證[122],以實現整車平順性、NVH(noise,vibration,harshness)性能、動力傳動系統結構布局的優化,其中[123]對傳動系統在不同路面、不同運行工況下的載荷譜采集對分析傳動系統關鍵部件的疲勞壽命十分重要。

車輛底盤技術狀況評價分析的道路試驗類型主要有汽車加速驅動傳動性能檢測、勻速行駛傳動系統性能檢測、大負荷高速行駛傳動性能檢測和變速器減速滑行性能檢測[124]。萬利[125]針對重型車傳動系統變速器開展了詳細的道路試驗分析,包括可靠性道路試驗和環境適應性道路試驗,并指出整車動力性和燃油經濟性試驗是評價傳動系統性能的重要方法。整車動力性參數主要有[126]加速時間、最大爬坡度和最高車速,這與本文研究的傳動系統效率有著密切的聯系,傳動系統機械功率損失使得驅動輪功率輸出量降低,動力性能因此下降。同時,燃油經濟性道路試驗一般是基于NEDC循環工況測定百公里燃油消耗量,機械部件的摩擦阻力損失使整車動力性降低同時,也會增加燃油消耗量。張鵬程以變速器動態傳動效率試驗分析為基礎,對比固定傳動效率對整車燃油經濟性的影響,表明傳動系統瞬態傳動效率與燃油經濟性之間的聯系。曹甜馬[127]則研究了NEDC循環工況下的整車油耗和傳動系統功率損耗,利用油耗量、燃油利用率、有效燃油消耗量和各關鍵傳動部件能耗量對整車燃油經濟性做出了綜合評價,表明整車燃油經濟性道路試驗分析也可作為整車傳動系統功率損耗分析的依據。

4 結 論

本文以多軸特種車輛軍事應用研究為背景,基于多軸底盤系統的動力傳動機理、傳動系統4種主要類型的機械摩擦阻力損失機理的分析,對傳動系統機械摩擦阻力損失特性與傳動效率研究方法綜述了研究現狀,得出結論如下:

(1) 機械摩擦阻力損失與攪動阻力損失在傳動系統功率損失中的重要性需結合加載工況分析。對于機械摩擦阻力損失,在低速重載情況下占比較大,此時的攪動阻力損失占比較小;但在傳動部件高速旋轉情況下,攪動阻力損失的重要性不能忽略。

(2) 傳動系統的機械摩擦阻力損失類型具體可分為4種,分別為齒輪嚙合功率損失、軸承摩擦功率損失、油封功率損失和傳動軸功率損失。影響功率損失的關鍵因素可以分為兩大類——①外部施加工況;②傳動部件內部因素。

(3) 齒輪嚙合功率損失研究方面,摩擦因數的預測是研究重點之一,摩擦因數隨接觸軌跡的變化特性,隨潤滑狀態的變化特性,隨齒面間接觸載荷的變化特性以及受齒輪間的動力學特性的影響均是深入研究的方向,為功率損失動態特性分析的基礎。同時也可考慮將齒輪傳動潤滑特性與動力學特性的耦合關系融入傳動效率的研究中。

(4) 軸承摩擦功率損失研究方面,主要聚焦于摩擦力矩的計算,摩擦力矩計算方法主要考慮了6個方面——①軸承負載、轉速產生的摩擦效應;②軸承潤滑系統產生的黏性摩擦效應;③軸承類型及結構幾何參數;④軸承結構材料彈性接觸問題;⑤軸承密封件類型、結構尺寸、潤滑脂潤滑;⑥軸承裝配精度、工作游隙。

(5) 現有傳動效率研究多是基于單獨部件內部功率損失,并未考慮到傳動軸在傳動部件之間連接作用和油封的密封作用,為保證整車傳動系統效率建模分析的全面性與準確性,應將油封功率損失和傳動軸功率損失包含在內。

(6) 傳動效率的研究方法主要有理論數值研究、建模仿真研究以及試驗論證研究。目前對傳動部件傳動效率的理論數值研究與臺架試驗論證研究較多,試驗臺架以變速器總成、驅動橋總成、傳動軸總成為對象;涉及車輛底盤的整車道路試驗主要與傳動系統綜合性能評價、NHV性能優化、傳動系統動態特性分析相關、變速器可靠性分析相關,其中多將傳動系統效率同燃油經濟性、整車動力性聯合分析,將變速器綜合傳動效率與變速器可靠性聯合分析;而對于單一類型的功率損失如齒輪嚙合功率損失、軸承摩擦功率損失,采用建模仿真研究與齒輪箱試驗論證研究方法的居多。

(7) 基于傳動效率試驗數據建立的BP網絡模型,將數據分析法融入傳動效率研究模型中,為傳動效率預測提供了有效研究思路,但忽略了部件內部的作用機理;基于機理分析的理論研究對本質上優化傳動效率具有重要意義,也是建立傳動系統性能評估指標體系的重要基礎。

(8) 在功率損失影響規律分析時,多以單一因素線性變化為前提,但實際內外部影響因素存在耦合關系,如齒輪轉速影響潤滑狀態從而改變齒面接觸摩擦因數,長時間運轉下齒輪表面粗糙度也會受到影響,因此分析耦合因素的不確定性、線性或非線性變化對功率損失的影響規律更具有實際意義。

(9) 現有對傳動系統效率特性的研究中多是基于特定的檔位、轉速和轉矩,而在實際運行過程中檔位、車速不斷變換,應用于整車傳動效率研究時應結合特種車輛實際任務中的行駛工況信息,基于此的綜合傳動效率作為傳動系統性能評價指標更符合實際。