軸承選型對手動變速器傳動效率的影響

焦紅蓮，張俊來

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

軸承選型對手動變速器傳動效率的影響

焦紅蓮，張俊來

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車變速器必須滿足各種各樣的要求，其中就包括高傳動效率和低噪聲等,而且對這些要求越來越高。因此變速器軸承的性能也必須滿足更高的要求。軸承的功率損失是變速器功率損失中的重要組成部分，通過研究對比不同型式規(guī)格的軸承對變速器傳動效率的影響，確定汽車變速器軸承型式改進(jìn)方案。

傳動效率；軸承；手動變速器；型式

Abstract:Automotive transmissions must meet a wide range of requirements, including high drive efficiency and low noise,and this requirements are getting better and better. So, the performance of transmission bearings must also meet the higher requirements.The power loss of the bearing is an important part of the transmission power loss.Through the study of different types of bearings on the transmission efficiency of the transmission, to determine the improvement of automotive transmission bearing type.

Keywords: Transmission efficiency; Bearing; Manual Transmission; Type

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-149-03

前言

汽車的發(fā)明，有效推動了人類社會的進(jìn)步,同時也帶來很多弊端，其主要表現(xiàn)形式有能源問題和環(huán)境問題。因此，整車開發(fā)對動力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)要求也越來越高，而傳動效率是其影響的一個關(guān)鍵因素[1]。變速器作為降低整車油耗的重要組成部分，其傳動效率的提升，對整車降低油耗具有很明顯的效果，而且通過降低摩擦損失，可以減少傳動系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)熱，防止溫度過高，進(jìn)而提高齒輪和軸承壽命，同時對NVH性能也會起到一定的效果。軸承是變速器中很重要的一個支撐旋轉(zhuǎn)體的零件，軸承結(jié)構(gòu)選型不同會對變速器傳動效率產(chǎn)生影響。

1 軸承對變速器傳動效率的影響[2]

軸承在運動的時候，軸承滾動體和內(nèi)外圈接觸面、保持架孔、潤滑和密封件間存在摩擦，由摩擦阻力產(chǎn)生軸承的功率損失，并且阻礙運動。軸承的摩擦力矩是指由于各種摩擦因素對軸承旋轉(zhuǎn)所造成的阻力矩，是軸承的一個重要性能指標(biāo)。目前，計算軸承力矩的方式基本是把其分為和軸承負(fù)荷有關(guān)的 (反映了彈性滯后和局部差動滑動摩擦)和與軸承負(fù)荷無關(guān)的 (與軸承的轉(zhuǎn)速、潤滑油性質(zhì)有關(guān)，反映了潤滑油的流體動力損耗)兩部分。

軸承摩擦力矩技術(shù)公式為[3]：

式中Cr——軸承總摩擦力矩；

Cv——與軸承負(fù)荷無關(guān)的摩擦力矩部分；

C1——與軸承負(fù)荷相關(guān)的摩擦力矩部分。

摩擦力矩C1與軸承所受當(dāng)量載荷有關(guān)：

式中P——當(dāng)量載荷，N；

f1——載荷系數(shù)；

Dm——軸承平均直徑，mm；

摩擦力矩Dv主要與軸承類型、潤滑劑粘度、轉(zhuǎn)速和潤滑方式相關(guān)：

式中v——潤滑劑運動粘度，m2/s；

n——軸承轉(zhuǎn)速，r/min；

f0——與軸承類型結(jié)構(gòu)和潤滑方式有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)；

Dm——軸承平均直徑，mm。

由此可得軸承摩擦功率損失為：

式中Pb——軸承摩擦功率損失，kW；

Cr——總摩擦力矩，Nm；

nb——軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速，r/min。

從以上計算公式可以看出，軸承功率損失的主要影響因素是軸承的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)計參數(shù)，可以看出軸承的型式規(guī)格對變速器傳動效率有明顯影響。本文對變速器的軸承結(jié)構(gòu)及類型作為重點研究對象，通過試驗的型式進(jìn)行驗證。

軸承效率損失主要是摩擦損失,由于各齒輪軸通過軸承安裝于機(jī)座上，所以軸承的效率對變速器的傳動效率影響較大，據(jù)研究，軸承的效率對變速器效率影響達(dá)27%左右[4]。軸承的效率提升基本上有兩種途徑，第一，改變軸承的型式，如有錐軸承改為球軸承；第二，就是對軸承的組件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如圖1所示。

圖1 軸承組件優(yōu)化圖

本文主要針對變速器軸承的選型提升軸承的傳動效率，軸承組件由軸承設(shè)計者進(jìn)行深入優(yōu)化，本文不做綴述。變速器常用軸承圓柱滾子軸承摩擦系數(shù)最低，傳動效率最高，應(yīng)優(yōu)先選用。但其存在的最大缺點為不能承受軸向載荷。深溝球軸承傳動效率稍低，但可以承受一定量的軸向載荷，且成本最低，可以彌補(bǔ)圓柱滾子軸承的不足[5]。圓錐滾子軸承摩擦系數(shù)最大，傳動效率最低，但載荷能力最強(qiáng)，且可以承受較大的軸向載荷。目前該六速變速器的輸出軸和差速器均采用圓錐滾子軸承，傳動效率較低。經(jīng)過分析，可以采用圖 2方案：

圖2 軸承替代方案

選定軸承后對變速器強(qiáng)度進(jìn)行校核，計算結(jié)果如圖3。

圖3 強(qiáng)度校核

根據(jù)計算結(jié)果，齒輪各擋的SF≥1；各擋的SH≥0.75；齒輪強(qiáng)度滿足滿足要求。同時對軸承損傷率進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。

圖4 軸承損傷率校核

由此可以看出齒軸件強(qiáng)度滿足，輸出軸后軸承與差速器后軸承損傷率＞50%，該替代方案可行。

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可以看出球軸承相比錐軸承在傳動效率方面優(yōu)勢較為明顯。如圖5-圖6。

圖5 球軸承與錐軸承的摩擦阻力對比

圖6 球軸承與錐軸承的能量損失對比

2 試驗驗證

對軸承改進(jìn)前后的變速器進(jìn)行傳動效率對比試驗，具體試驗步驟按《變速器傳動效率試驗規(guī)范》進(jìn)行。

（1）變速器進(jìn)行磨合；

（2）磨合后變速器用試驗油進(jìn)行清洗，按用量要求重新加注試驗油，正確安裝；

（3）試驗按由低擋到高擋的擋位順序，在規(guī)定油溫下，按要求加載，依次記錄不同轉(zhuǎn)速下各擋位的傳動效率。

此次試驗對象采用國內(nèi)自主品牌某6速手動變速器。該變速器齒輪采用磨齒工藝，傳動效率較高。

變速器的具體參數(shù)見表1。

表1 變速器參數(shù)表

根據(jù)試驗條件，選取2400rpm和3600rpm處進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要對變速器的3個擋位進(jìn)行了對比試驗，試驗結(jié)果如圖7-圖9。

圖7 1檔2400rpm效率對比

圖8 1檔3600rpm效率對比

圖9 2檔2400rpm效率對比

圖10 2檔3600rpm效率對比

圖11 3檔2400rpm效率對比

圖12 3檔3600rpm效率對比

通過以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，軸承替代方案對變速器傳動效率的提升是有效可行的，在軸承選用方面，選用節(jié)圓直徑小的軸承可以減小摩擦損失，提高傳動效率，并且要選用制造精度高的高性能軸承。變速器改進(jìn)軸承型式后，變速器綜合傳動效率提升1%左右。

3 結(jié)語

1）應(yīng)用文中論述的變速器傳動效率測定方法，通過對軸承型式替代，分析試驗數(shù)據(jù)，最終確定替代方案可行，最終得出結(jié)論，軸承型式對變速器傳動效率有明顯影響。

2）在選用軸承替代方案時，要對變速器齒軸強(qiáng)度及軸承損傷率進(jìn)行驗證。最后通過對變速器三個擋位不同轉(zhuǎn)速下的效率測試，驗證了在該變速器上選擇的相關(guān)軸承替代的方案是有效的。

3）本文未就軸承結(jié)構(gòu)、軸承參數(shù)、密封結(jié)構(gòu)及潤滑脂品種選型做深入研究，有待做進(jìn)一步探討。

[1] 張有祿.關(guān)于機(jī)械式變速器傳動效率影響因素的探討[J].機(jī)械工程與自動化,2008.

[2] 高勇.微型汽車變速器傳動效率的影響因素分析及試驗研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2013.

[3] 張有祿.機(jī)械式汽車變速器試驗方法與應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動化,2009.

[4] 王熙,秦大同,胡明輝等.汽車變速器傳動效率理論建模與實驗測試[J].機(jī)械傳動.

[5] 王書玲.淺談提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的幾點措施[J].黑龍江交通科技.

Influence of Bearing Selection on Transmission Efficiency of Manual Transmission

Jiao Honglian, Zhang Junlai
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

U463.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-149-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.051

焦紅蓮，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。