純電動汽車齒輪箱效率測試平臺開發及數據研究*

顧志剛，卿宏軍，劉必雷

（1.常州紡織服裝職業技術學院，江蘇常州 213164；2.湖大科瑞江蘇檢測技術有限公司，江蘇常州 213164）

0 引言

傳統的燃油汽車使用汽油作為能量來源，隨著生活水平的不斷提高，全球汽車數量不斷攀升，同時也帶來了能源耗竭與環境污染等重大問題。2012年，國務院印發《節能與新能源汽車產業發展規劃》，在要求車企著力降低傳統燃油汽車油耗的同時，重點推進新能源汽車的發展。純電動汽車作為新能源汽車的一個類別，一般是指由可充電電池提供動力源的汽車。目前，純電動汽車技術尚不成熟，主要體現在充電耗時長、續航里程短等方面。提高能源利用效率是現階段增大續航里程的一個研究方面。傳動效率作為齒輪箱的一項重要技術指標，其直接影響著整車效率、經濟性和傳動裝置的可靠性。因此對齒輪箱進行效率測試，分析影響因素是非常有必要的。

目前，譚偉等[1]研究了一種純電動客車AMT變速器試驗控制系統，主要對電動客車AMT選換擋性能進行有效測試。馬渝翔等[2]設計了一種新能源汽車變速器在線加載試驗臺，解決了現有測試臺架自動化程度低、能耗高等缺點，同時，還加入了故障振動分析功能，為用戶節省了工作成本、提高了工作效率。王榮旭等[3]完成了電動汽車測試臺架控制系統設計，主要用于電動汽車部件測試。常德功等[4]完成了電動汽車輪邊驅動系統齒輪箱效率分析，著重從理論上研究了輪邊驅動系統齒輪箱效率公式。高松等[5]進行了雙電機四驅電動車動力系統試驗平臺設計，建立了電機功耗預測模型，指出了在特定工況點下最優扭矩分配系數。史雪純等[6]著重研究了溫度對傳統燃油汽車變速器效率及整車油耗的影響。

上述研究文獻表明，目前純電動汽車測試臺架的研究主要集中在汽車部件測試、換擋效率及電機功耗模型的建立，對齒輪箱傳動效率的研究則較少。本文首先描述了純電動汽車齒輪箱效率測試臺架的搭建過程，以及平臺測試原理，然后分別在65℃和80℃油溫情況下，齒輪箱在不同輸入扭矩、輸入轉速下的傳動效率。最后通過效率數據分析，綜合評定齒輪箱的效率水平，對齒輪箱供應商技術水平的判定以及齒輪箱的優化設計具有指導意義。

1 測試平臺搭建與測試原理

電動汽車由驅動電機輸出動力，經輸入軸將轉速和扭矩傳遞至齒輪箱，齒輪箱經過變速，再將轉速和扭矩輸出至輪轂輸出軸，帶動車輪旋轉，使車輛前行。減速器傳動效率直接影響純電動汽車的續航里程，因此提升減速器效率是延長其續航里程的有效途徑之一[7]。影響減速器傳動效率的因素主要有以下幾個方面：（1）齒輪摩擦功率損失和精度等[8－9]；（2）軸承功率損失[10]；（3）潤滑油黏度及添加劑[11]；（4）齒輪箱的零件結構。為了便于分析，本文描述的測試方法將效率直觀地歸結為輸入扭矩、輸入轉速、潤滑油溫度3個因素進行分析[12]。

測試平臺主要由電源模塊、驅動電機及控制器、2個負載電機及變頻器、傳感器模塊、油溫調節裝置和測控系統（上位機）等組成，如圖1所示。

圖1 測試平臺組成及測試原理

驅動電機及控制器用于提供并保持扭矩，為了能夠盡可能測試齒輪箱在各個工況下的效率值，測試電機轉速從1 000 r/min開始，以1 000 r/min間隔逐步增加，直到轉速達到11 000 r/min；扭矩從20 N·m開始，以20 N·m間隔逐步增加，直到扭矩達到240 N·m，根據以上原則選定驅動電機基本參數，如表1所示。

表1 驅動電機參數

驅動電機通過扭矩轉速傳感器連接輸入軸，再將扭矩傳遞給齒輪箱，然后再由齒輪箱變速后傳遞到輸出軸，輸出軸和負載電機之間通過另一對扭矩轉速傳感器連接。測試中，3個實物扭矩轉速傳感器分別設置于齒輪箱的1個輸入軸和2個輸出軸，輸出軸設置的2個傳感器各項參數完全相同，輸入軸設置的傳感器與輸出軸傳感器的外形相同，規格參數不同，參數如表2所示。

表2 扭矩轉速傳感器參數

每個負載電機配有1個變頻器，以控制負載電機的轉速。扭矩轉速傳感的數據由采集卡采集并傳送給測控系統，經過及時后再返回至控制器和變頻器，自動調節各電機的轉速和扭矩。

同時，為了調節齒輪箱在不同油溫狀態下工作，分別在轉速扭矩傳感器外殼、齒輪箱高速端側邊外殼與中間軸軸端外殼處黏貼K型裸露式熱電偶溫度傳感器，以監測并調節其溫度，如圖2～3所示。

圖2 熱電偶溫度傳感器實物

圖3 溫度傳感器黏貼位置

溫度傳感器將檢測的溫度反饋給油溫調節裝置，油溫調節裝置分為冷卻系統、循環系統和溫度監控系統。冷卻系統包括散熱器和冷卻風扇，散熱器用于散熱，冷卻風扇可提高散熱器的散熱效果，油溫調節裝置設有啟動限值和停止限值，可分別設置。

管路溫度監控系統工作時，當輸出管路溫度達到啟動限值，油泵電機啟動，機油在散熱器中循環并散熱，機油溫度下降，當輸出管路溫度下降到停止限值，油泵停止工作，機油循環停止。流量調節閥可以調節流量，以控制機油循環的速度。管路溫度監控系統無法使機油快速冷卻時，散熱器溫度監控系統工作。當散熱器溫度達到啟動限值，風扇電機啟動，散熱器的散熱效率提高，機油溫度迅速下降；當散熱器溫度下降到停止限值，風扇停止工作，散熱器散熱效率下降，但機油的循環不受影響，可以通過散熱器繼續散熱。

2 效率測試與數據分析

2.1 測試前磨合

本次測試對象為純電動汽車單擋齒輪箱，如圖4所示。

圖4 單檔齒輪箱待測件

在測試齒輪箱效率之前，先對樣品按照標準《QC/T1022－2015純電動乘用車變速器總成技術條件》進行磨合，其規范如下：

（1）輸入轉速為最大輸入轉速的50%，偏差不超過±10 r/min；

（2）輸入扭矩為最大輸入扭矩的50%，偏差不超過±5 N·m；

（3）正轉磨合不低于1 h；反轉磨合不低于0.5 h；

（4）按指定的潤滑油型號和油量加潤滑油（指定潤滑油型號為：API 85W－90（GL－4）），油量2.2 L；

（5）磨合完成之后更換潤滑油。

2.2 劃分待測工況點

接下來對各工況點進行效率測試，要求如下。

（1）轉速/扭矩功率范圍：輸入轉速0～11 000 r/min，測試點為每1 000轉；輸入扭矩0～240 N，測試點為每20 N；最大功率不超過79 kW。

（2）測試過程中，分別保持恒定的油溫65℃和80℃對齒輪箱效率進行測試。

（3）測試工況點，每個工況點過渡30 s，穩定運行30 s。

2.3 測試數據的獲得與處理

由于測試平臺由1臺驅動電機驅動2臺負載電機，故效率值計算公式為：

式中：η為效率；n為各電機轉速，r/min；T為扭矩值，N·m。

對實驗數據進行處理，取各工況點穩定運行后實測效率的均值，得到各工況點的效率值。通過測試，得到每個工況點的數據如表3所示，考慮到實驗室人員和設備安全，對部分工況點進行了調整。表3～4分別為在65℃和80℃油溫下，所測得的齒輪箱效率部分數據。

表3 65℃油溫下齒輪箱效率部分數據

表4 80℃油溫下齒輪箱效率部分數據

2.4 數據分析

分別以轉速為橫坐標，扭矩為縱坐標，繪制齒輪箱效率測試等高線map圖，得到如圖5～6所示的結果。

圖5 65℃油溫下齒輪箱效率等高線

圖6 80℃油溫下齒輪箱效率等高線

從測試結果可知，不論是在65℃油溫或80℃油溫的情況下，對于此規格單擋齒輪箱，當轉速一定時，傳動效率隨著扭矩的增大而增大；當扭矩一定時，傳動效率隨著轉速的增大而減小。從測試結果來看，高傳動效率基本出現在轉速5 000 r/min以下，扭矩130 N·m以上區間。當然，雖然扭矩越高，效率越高，但是對于行車安全性來講，維持在160～180 N·m的扭矩是較為合適的區間。因此，對于純電動車，在低轉速高扭矩下運行，能使齒輪箱獲得較高的效率。

接下來分別將65℃和80℃的效率值作圖在一張3D曲面圖中，如圖7所示。從3D曲面圖中可以發現，兩種不同油溫下齒輪箱的傳動效率有所交叉，即當轉速較低（＜5 000 r/min）時，65℃油溫情況下齒輪箱的傳動效率高于80℃油溫情況；當轉速較高（＞5 000 r/min）時，80℃油溫情況下，齒輪箱的傳動效率較高。因此，提高油溫并不意味著就一定會提高傳動效率，需要綜合輸入轉速和扭矩情況進行分析。

圖7 65℃和80℃油溫下齒輪箱效率3D圖

3 結束語

本文首先搭建了一種電動汽車齒輪箱測試平臺，并設置了油溫調節裝置，主要目的在于測試不同油溫條件下，齒輪箱的轉速和扭矩輸出效率。從測試結果來看，隨著扭矩的增大，效率增大，成正相關；同時隨著轉速的增大，效率減小。在油溫方面對效率的影響，當轉速較低時，低油溫效率更高；轉速較高時，高油溫效率更高。文中對于效率測試的結果，為齒輪箱扭矩、轉速和溫控策略的設計提供了實際的參考意義。