機械式變速箱傳動效率實驗研究分析

汪震 鄭晉軍 王雨蒙 洪哲浩

摘 要：傳動效率是機汽車變速箱傳動效率是直接反映變速箱設計、制造水平的一項重要參數。文章對汽車變速箱傳動效率測量影響因素、測試方法、及數據處理方面進行探討，并結合實際測試工作中的經驗總結了一些實際應用方法及對此參數的影響因素，藉此對機械式變速器效率測量精度提高方面起到參考及指導作用。

關鍵詞：機械式變速器;傳動效率;測量;精度

中圖分類號：U463.212 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）05-154-03

Abstract： Transmission efficiency is an important parameter that directly reflects the level of transmission design and manufacturing. This article discusses the influencing factors， testing methods， and data processing aspects of the transmission efficiency measurement of automotive transmissions， and summarizes some practical application methods and the influencing factors of this parameter based on the experience in actual testing work. It plays a reference and guidance role in improving measurement accuracy.

Keywords： Mechanical transmission; Transmission efficiency; Measurement; Accuracy

1 前言

變速箱傳動效率是變速箱質量性能的一個重要指標，傳動效率的高低可以反映變速箱的綜合性能，包括變速箱的設計水平、制造水平、及有關形成產品質量過程的多種因素。目前，在汽車變速器傳動效率方面的相關研究不多且多集中于對影響變速箱傳動效率的理論研究[2]。本文利用開式變速器試驗臺，對某前置后驅式機械式變速器的傳動效率進行了大量的試驗研究，對于影響變速器傳動效率的因素進行逐一分析，并獲得該變速器在不同輸入轉速、扭矩以及溫度下的傳動效率，為機械式變速器傳動效率的精確測量提供了參考。

2 試驗條件

制定傳動效率試驗方案時首先要設定試驗工況，確定試驗工況的基本原則是盡量與實際使用工況相適應，考慮試驗的經濟性、試驗過程的可操作性，同時必須保證效率試驗測試的精度和試驗數據的有效性。

2.1 試驗臺架及安裝

機械式變速器傳動效率測量方法主要有幾種：

成對測量法：采用測量兩個輸出軸對接的變速器第一軸扭矩的方法測得傳動效率，實質是測定兩個變速器的效率。采用這種測定方法測定效率，是建立在假設兩個變速器的傳動效率相等的基礎上的。但是客觀上來說，其測出的效率不能反映單臺變速器試的真實傳動效率。因此現今精確測量傳動效率一般不采用此種方法。

直接測量法：在變速器試驗臺上測量一個變速器的輸入和與輸出參數，這是測定變速器效率最直接的辦法。通過輸入、輸出端的扭矩轉速傳感器測量輸入、輸出功率。變速器傳動效率η即為輸出功率與輸入功率的比值，如圖1所示：

本次傳動效率測試應用吉林大學的開式變速器試驗臺完成。試驗臺由一臺變頻交流電動機和水渦流測功機組成。在試驗過程中同步記錄被試部件在整個試驗過程中的轉速、扭矩、油溫等參數。安裝示意圖見圖2。

2.2 試驗轉速的確定

變速器輸入轉速都在在發動機怠速轉速與最高轉速之間。該變速器所匹配發動機的峰值轉速為3200 r/min，試驗時輸入轉速范圍為800 r/min～3200 r/min。

2.3 試驗扭矩的確定

機械變速器傳動效率試驗扭矩應為常用扭矩。變速器輸入扭矩即為所配發動機的輸出扭矩，變速器的最大輸入扭矩即該變速器所匹配發動機的峰值扭矩，本次試件最大扭矩為280N.m。依據的實驗經驗，變速器在小微扭矩時效率低下，所以本次試驗采取的最低輸入扭矩為56N.m。

2.4 試驗油溫的確定

由于外接油溫控制裝置會對試件內部齒輪油流速和容量產生波動變化，進而影響被試部件的傳動效率。為了保證齒輪油的油面平穩、避免壓力波動。效率試驗不能使用強制油溫冷卻系統。因此，本實驗在不改變試件內部潤滑油循環狀態的前提下，通過風扇散熱或電暖器加熱來控制試件內部恒溫，分別選取代表溫度60°、80°和100°進行試驗。

3 試驗過程

3.1 扭矩轉速傳感器的選擇

目前多檔位變速器速比范圍非常大，最低檔速比有最高檔速比7-8倍甚至更高，因而變速器輸入輸出扭矩差異較大。表一是本試驗各檔位輸入、輸出扭矩。因此扭矩傳感器量程選取對于傳動效率試驗顯得尤為關鍵，不同型號、不同量程的傳感器采集會對實驗結果有重大影響。為了提高實驗精度，試驗一般采取同一廠家、同一精度、不同量程的傳感器來測量不同檔位的效率。本實驗輸入端采用500N.m量程傳感器，輸出端針對不同檔位、不同扭矩分別選取500N.m、2000 N.m傳感器。和扭矩傳感器配套的效率儀同步采集兩個扭矩傳感器的實驗數據。為了消除試驗現場變頻器中高頻諧波干擾效率儀工作，試驗采用智能型交流凈化穩壓電源來給效率儀單獨供電。

3.2 被試件油溫的控制

油溫作為效率試驗的控制條件，其值雖然不是計算效率公式里的參數，但是它的變化對效率的影響是很顯著的。因此，在效率試驗中，對油溫測量精度的要求也是非常高的。圖3是一個工況點效率隨溫度變化情況。

經驗證明，在試驗中油溫控制尤其困難，在實驗過程中，特別是高轉速大扭矩時油溫上升很快，因此在采樣過程中保證油溫符合要求尤為關鍵。為了解決溫升過快給試驗結果造成偏差，本實驗采用HoneywellDC1040溫控儀控制電動閥門的方式控制試件油溫保持在試驗溫度±2℃范圍內。從而保證傳動效率試驗的精確度。

4 試驗結果及數據處理

4.1 試驗數據的采集

當每一效率工況點到達穩定值后，效率儀開始采樣，并可通過RS232上傳到計算機中，計算機通過程序將此工況下的試驗數據導入到EXCEL下存盤?？紤]到試驗時轉速、扭矩的波動，每個工況點采樣至少60秒以上，然后取其平均值。通過統計結果可以看出，絕大部分測試結果符合正態分布，十分理想，對于統計結果不理想的工況點進行補做試驗，重新采集數據。

4.2 試驗數據的處理

利用Matlab軟件將上述符合統計要求的原始數據文件提取每個變速器5個檔位，每個檔位5個轉速點、5個扭矩點、3個溫度點共計375個效率點，所有這些數據用二維圖形和三維圖形兩種辦法表示出來。

函數能更好地和原來的函數重合，不但要求二者在節點上函數值相等，而且還要求相切，對應的導數值也相等，甚至要求高階導數也相等。

5 結束語

本文利用開式變速器試驗臺，對前置后驅機械式變速器傳動效率試驗進行了研究分析。利用不同量程的扭矩傳感器能夠提高試驗精度。精確控制油溫可以提高效率的穩定性。為獲得機械式變速器在不同轉速、扭矩、溫度下的傳動效率，并對分析了試驗條件對實驗結果的影響和提高測試精度的處理方法。

下一步將繼續通過試驗，研究進一步提高變速器效率測試精度的可行性：1、扭矩傳感器彈性軸的溫度對實驗結果的影響。2、試件連接傳動軸對試驗結果的影響。2、機械振動對試驗結果的影響。4、試件輸入端的軸承座的殘余扭矩對實驗結果的影響。

參考文獻

[1] SAE J1540 Manual Transmission Efficiency and Parasitic Loss Measurement[S] 1996.01.

[2] 馬天飛，王登峰，郝春光，等.轎車等速驅動軸傳動效率的實驗研究[J].汽車技術，2009（7）：37-40.

[3] 王熙，秦大同，胡明輝，周保華.汽車變速器傳動效率理論建模與實驗測試[J].機械傳動，2010，34（8）：21-24.

[4] 張有祿.機械式汽車變速箱試驗方法與應用[J].機械工程與自動化，2009（1）：158-161.

[5] Robinette D L，Wehrwein D.Automatic transmission gear ratio optimization and monte carlo optimization and monte carlo simula -tion of fuel consumption with parasitic loss uncertainty Sae Interna -tional Journal of Commercial Vehicles，2015，8（1）：45-62.

[6] 章德平，陽學進.機械式汽車變速器傳動效率的試驗研究[J].2017， 41（9）：139-143.

[7] 嚴細海，張策，李充寧，等.RV減速機的扭轉振動的固有頻率及其主要影響因素[J].機械科學與技術，2004，23（8）：991-994.

[8] 楊玉虎，朱臨宇，陳振宇，等.RV減速器扭轉剛度特性分析[J].天津大學學報（自然科學與工程技術版），2015，48（2）：111-118.

[9] 徐濤.數值計算方法[M].吉林：吉林科學技術出版社，1998.07.

[10] 長春汽車研究所.汽車試驗技術手冊[M].吉林：吉林科學技術出版社.1993.08.