低摩擦力矩軸承在高效后橋系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

方華 任良順 蘭龍

摘 要：為降低對進(jìn)口石油的依賴，國家制定了GB 27999-2014和GB 19578-2014法規(guī)：要求2020年我國乘用車企業(yè)CAFC（企業(yè)平均燃料消耗量）降至5.0L/100km。因前置后驅(qū)車比前驅(qū)車傳動鏈長，油耗壓力高，故后驅(qū)車需加快使用低摩擦力矩軸承等措施提高傳動系統(tǒng)效率、降低整車油耗。文章從傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件（后橋總成）內(nèi)阻研究著手，探索出軸承摩擦力矩是主要內(nèi)阻之一，并分析出軸承摩擦力矩產(chǎn)生機(jī)理及其對應(yīng)的降摩擦力矩措施，最后通過效率臺架和整車油耗測試結(jié)果表明：低摩擦力矩軸承具有工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：后橋;內(nèi)阻;軸承;低摩擦力矩

中圖分類號：TH133.31+4? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）12-54-03

Abstract： In order to reduce the dependence on imported crude oil， China has formulated the GB 27999-2014 and GB 19578-2014 regulation， which requires that the CAFC（average fuel consumption of enterprises） of China's passenger car enterprises be reduced to 5.0l /100km by 2020. Because the driving chain of the FR car is longer than that of the FF car， the FF car fuel consumption pressure is high， which promotes the rear drive car to accelerate the use of low friction torque bearing and other measures to improve the driveline efficiency and reduce the fuel consumption of the vehicle. In this paper， studying the driveline key parts （rear axle assembly） internal resistance， finding bearing friction torque is one of the main internal resistance， and analyzing the bearing mechanism of the friction torque and the corresponding friction torque reduction measures， through the efficiency test bench and vehicle fuel consumption test results show that the low friction torque bearings with engineering application value.

Keywords： rear axle; internal resistance; bearing; low-friction torque

前言

為降低對進(jìn)口石油的依賴度，我國大力支持新能源汽車產(chǎn)業(yè)，同時鼓勵傳統(tǒng)燃油汽車應(yīng)用節(jié)能技術(shù)：渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、制動能量回收、減少傳動系統(tǒng)摩擦阻力、低滾阻輪胎、減少風(fēng)阻系數(shù)等。本文從研究傳動系統(tǒng)后橋內(nèi)阻著手，論述內(nèi)阻產(chǎn)生機(jī)理及降低阻力對整車油耗影響。

1 后橋內(nèi)阻分布

1.1 后橋結(jié)構(gòu)

半浮式后橋總體結(jié)構(gòu)分為主減總成、半軸總成和橋殼總成三部分（如圖1所示），其中主減主要功能是對扭矩進(jìn)行90°換向并降速增扭，屬傳動驅(qū)動部件;半軸總成除承受整車軸荷外，還傳遞動力驅(qū)動車輪，屬于驅(qū)動承載綜合部件;橋殼主要用于承載，并為驅(qū)動部件提供支撐和反作用力矩，屬承載部件。

1.2 阻力分布

后橋阻力主要來源于其旋轉(zhuǎn)件（半軸總成和主減總成），半軸總成的內(nèi)阻主要集中在輪轂軸承，其內(nèi)部潤滑脂的黏度顯著影響著輪轂軸承的摩擦力矩及其使用性能，進(jìn)而影響整車性能和油耗[1]。主減總成的內(nèi)阻分為三個部分：軸承旋轉(zhuǎn)阻力、齒輪攪油阻力和風(fēng)阻、齒輪嚙合阻力，通過試驗(yàn)測試和理論計(jì)算（參考ISO 14179和DIN 732標(biāo)準(zhǔn)）發(fā)現(xiàn)：（1）扭矩越大，主減傳動效率越高;（2）油溫越高，油粘度越低、主減效率越高;（3）低負(fù)荷工況下（輸入扭矩≤80N.m），轉(zhuǎn)速越高，效率越低;高負(fù)荷工況效率則基本不受轉(zhuǎn)速影響。圖2列出了主減在兩種不同工況下三種內(nèi)阻分布比例。

研究圖2可以發(fā)現(xiàn)：在主齒扭矩和轉(zhuǎn)速分別為60N.m和2000rpm時，軸承內(nèi)阻占比高達(dá)37%;隨著轉(zhuǎn)速提高到4000rpm，齒輪攪油阻力和風(fēng)阻顯著提高，同時軸承內(nèi)阻和齒輪嚙合阻力因潤滑系統(tǒng)的完善及流體潤滑油膜的形成快速降低，但軸承內(nèi)阻降幅遠(yuǎn)低于齒輪嚙合阻力，故需要對軸承內(nèi)阻形成機(jī)理進(jìn)行分析研究，挖掘降阻空間。

2 主減軸承內(nèi)阻產(chǎn)生機(jī)理分析

2.1 軸承結(jié)構(gòu)類型

后橋主減主要采用圓錐滾子軸承（如圖3所示），但部分頂尖的歐洲汽車廠商已采用了成角度接觸球軸承（如圖4所示）。

根據(jù)軸承公司的測試數(shù)據(jù)，因成角度接觸球軸承不存在“滾子與內(nèi)圈擋邊的滑動摩擦”，阻力大幅降低。主減主齒內(nèi)端軸承若采用成角度接觸球軸承，相對普通雙列錐軸承可降低58%左右的內(nèi)阻;外端軸承若采用成角度接觸球軸承，可降低15%左右的內(nèi)阻。但成角度接觸球軸承尚未在國內(nèi)量產(chǎn)，成本高且對主減裝配要求非常苛刻，故采用低摩擦力矩的圓錐滾子軸承更符合當(dāng)前國內(nèi)工程應(yīng)用需求。

Romax系列軟件包含Romax Designer，Romax Dynamics、Synchronizer Simulation和Gear Manufacture四大模塊，同時還推出了針對風(fēng)電行業(yè)的RomaxWIND軟件包。本次我們校核計(jì)算中使用的是Romax Designer模塊，該模塊功能主要是完成齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，包括平行軸傳動系、相交軸傳動系、行星齒輪傳動系的完整解決方案以及軸承、系統(tǒng)振動噪聲分析等高級分析功能。

2 動力總成等效里程核算

2.1 車型信息

某動力總成所搭載車型信息如下表：

動力總成構(gòu)成如圖2所示，減速箱中包含3對齒輪副，結(jié)合實(shí)際計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，我們以第一對齒輪副為計(jì)算基準(zhǔn)（接觸應(yīng)力最大）進(jìn)行校核，并且以第一對齒輪中的小齒輪作為核算對象。

第一對齒輪參數(shù)如下表所示：

2.2 實(shí)測路譜數(shù)據(jù)處理

按照ISO6336第六部分中的數(shù)據(jù)整理方式對路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，我們以50Nm大小為一個區(qū)間對3輛車的路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了劃分，下表是部分?jǐn)?shù)據(jù)：

2.3 臺架工況的設(shè)計(jì)

結(jié)合歷史經(jīng)驗(yàn)臺架工況的設(shè)計(jì)會分為幾部分，從不同的角度考核傳動系統(tǒng)。結(jié)合對道路數(shù)據(jù)的處理分析和總結(jié)，參考3個車型的實(shí)際道路運(yùn)行數(shù)據(jù)，按車速進(jìn)行劃分，設(shè)計(jì)了啟停、城市、高速3種工況進(jìn)行考核，結(jié)合臺架本身考核的加速性，為縮短考核時間，增加了油門全開的極限工況進(jìn)行考核。臺架工況總共由4種工況進(jìn)行考核，各工況的組成比例，需要按一定的系數(shù)進(jìn)行分配，具體的分配比例需要結(jié)合商用車具體車型運(yùn)行路況的車速工況分布的特性、齒輪損傷的校核和電驅(qū)動系統(tǒng)本身的溫升特性結(jié)合來開展，各考核工況示意圖如下圖所示。

確定4大類工況后，相應(yīng)的工況會由4類工況組合而成，相關(guān)工況的比例及循環(huán)次數(shù)需要結(jié)合車型的設(shè)計(jì)目標(biāo)、實(shí)際路譜的數(shù)據(jù)分布特征、實(shí)際路譜計(jì)算的到齒輪損傷值及動力總成本身的溫升特性進(jìn)行設(shè)置，使臺架工況與路譜數(shù)據(jù)核算得到的損傷值基本一致，按最終的比例組合工況作為臺架試驗(yàn)的輸入。

2.4 模型的建立及參數(shù)的選擇

本次動力總成系統(tǒng)等效里程的核算選取第一對齒輪中的小齒輪的損傷作為核算依據(jù)，根據(jù)該齒輪參數(shù)在Romax中建立模型，如圖所示：

參數(shù)選擇方面，臺架工況使用系數(shù)選擇1.5，路譜數(shù)據(jù)使用系數(shù)選擇1.25，其余系數(shù)由軟件根據(jù)模型計(jì)算或缺省得到。

另外，在齒輪材料設(shè)置中我們選擇允許有限的齒面點(diǎn)蝕，即允許微點(diǎn)蝕的產(chǎn)生。微點(diǎn)蝕是一種出現(xiàn)在彈流潤滑和邊界潤滑狀態(tài)下赫茲滾動與滑動接觸面之間的失效現(xiàn)象。每個微點(diǎn)蝕實(shí)際上是一個表面淺微裂紋，相對于接觸區(qū)域來說，每個微點(diǎn)蝕非常小，其深通常為10～20um。多個微點(diǎn)蝕合并后會形成一個連續(xù)的破裂表面，肉眼看起來外觀陰暗無光澤，因此，微點(diǎn)蝕也常稱為灰斑。微點(diǎn)蝕的持續(xù)擴(kuò)展可能導(dǎo)致輪齒接觸精度降低、動載荷和噪聲增加。微點(diǎn)蝕現(xiàn)象的影響因素復(fù)雜，包括載荷、速度、滑動情況、溫度、接觸面形貌、膜厚比及潤滑劑的化學(xué)成分，通常出現(xiàn)在低速重載齒輪傳動中。

2.5 模型計(jì)算輸出結(jié)果

在最終生成的報告中我們可以得到小齒輪在各個工況下接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力等，如下圖。同時可以得到左右齒面的接觸疲勞損傷值，如下表6，為某車的齒輪齒面接觸疲勞損傷結(jié)果。

通過軟件計(jì)算得到的各個工況下的齒輪損傷值以及Miner法則我們可以制定與路譜損傷值相等的且等效里程為70萬公里的臺架工況，并通過實(shí)際的測試去驗(yàn)證結(jié)果。

3 試驗(yàn)對比驗(yàn)證

3.1 臺架的搭建

將整個電驅(qū)動系統(tǒng)搭載在臺架上，按預(yù)定工況進(jìn)行可靠性考核，期間監(jiān)控運(yùn)行過程中的主要參數(shù)，如電驅(qū)系統(tǒng)電功率參數(shù)、車輪轉(zhuǎn)速扭矩、油溫及樣品振動情況等，完成預(yù)定的考核工況，考核過程中樣品未出現(xiàn)功能失效等異常，完成預(yù)定考核工況后，進(jìn)行樣品拆解。

3.2 樣品的拆解

本次等效里程的核算選取第一對齒輪中的小齒輪的損傷作為核算依據(jù)，并允許產(chǎn)生有限的齒輪點(diǎn)蝕，在拆解過程中，我們重點(diǎn)關(guān)注了小齒輪的情況，如下圖10和圖11。

如上圖11所示，我們發(fā)現(xiàn)小齒輪的齒面有部分灰斑產(chǎn)生，說明我們的校核計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測試還是比較接近的。

4 結(jié)論

（1）通過ISO6336中的計(jì)算方式并結(jié)合Romax仿真軟件，我們設(shè)計(jì)了可以等效于路譜70萬公里的臺架工況，并通過實(shí)際的測試表明計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測試還是比較接近的。

（2）后續(xù)需要改進(jìn)的部分：本次校核中使用系數(shù)是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的推薦值而來，實(shí)際上使用系數(shù)有結(jié)合實(shí)際使用工況而計(jì)算的方法，使用系數(shù)的選取對于結(jié)果的影響還是相對來說比較大的。之后的選取中可以通過標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法計(jì)算得到使用系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)（第九版）[M].北京：高等教育出版社， 2014.

[2] 孫桓，陳作模.機(jī)械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] ISO 6336-6直齒輪和斜齒輪承載能力的計(jì)算.第6部分變化負(fù)荷下工作壽命計(jì)算[S].2006.

[4] ISO 6336-1直齒輪和斜齒輪承載能力的計(jì)算.第1部分基本原則、引言和一般影響因素[S].2007.

[5] 熊禾根，機(jī)械傳動系統(tǒng)Romax Designer建模、分析及應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2015.