前置后驅車型傳動系統阻力分布試驗研究

李玉珍 葉春林

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

汽車傳動系統是位于發動機和車輪之間的，將發動機輸出的動力傳遞至車輪的一系列動力傳動裝置的總稱[1]。傳動系統作為動力傳輸的關鍵部件，針對傳動系統阻力的研究對提高整車效率具有重要的意義。

汽車傳動系阻力測試主要包括計算仿真、道路測試、臺架模擬測試3類。于洋洋[2]通過分析汽車在道路和轉鼓試驗臺的受力推導出底盤測功機加載力的計算數學模型；仝曉平等[3]通過對比臺架滑行試驗與實際道路結果，分析研究了汽車的滑行距離與車輪阻滯力間關系，利用傳動系統的阻滯力來評價汽車的滑行性能和指標；張宏超等[4]基于動力總成臺架建立整車傳動系阻力測試平臺，通過階梯式分布測試方法，研究了車輛動力總車和傳動系各動力傳動單元在動力輸出過程中的阻力分布狀況。

該文以某前置后驅車型為研究對象，利用整車測試臺架對傳動系統及各部件阻力進行測試，并通過比較同車型在不同磨合狀態下的阻力變化情況，為目標車輛降低整車內部損耗、提升燃油利用率指明方向。

1 前置后驅車型傳動系統

前置后驅車型（Front engine Rear wheel drive，FR）發動機置于汽車前部，采用后輪作為驅動輪的車型，其傳動系統主要由變速器、傳動軸、主減速器、差速器、半軸以及制動器等組成。圖1為前置后驅車型傳動系統示意圖，其中影響傳動系統傳動效率的主要部件有變速器、后橋總成和制動器。

1.1 變速器

變速器的主要作用是改變傳動比，使發動機輸出的轉矩和轉速能在較大范圍內變化[5]，即實現降速增矩；還要能夠使汽車在發動機旋轉方向不變的情況下，利用倒擋實現倒向行駛；也能保證在發動機在不熄火的情況下，利用空擋中斷動力傳輸。

1.2 后橋總成

后橋總成集成了主減速器、差速器、半軸、驅動橋殼。在后橋總成中，主減速器的功用是降低轉速、增大轉矩，改變轉矩的傳遞方向[6]；差速器的作用是使左右半軸可以有不同的轉速，保證各種運動條件下的動力傳遞；半軸的作用是將動力傳輸給輪轂和車輪。將萬向傳動裝置傳來的發動機轉矩通過主減速器、差速器和半軸等傳到驅動輪，實現降速增大轉矩。

1.3 制動器

制動器是通過固定元件擠壓旋轉元件，產生摩擦力矩，依靠路面對車輪的摩擦力實現制動，使汽車減速[7]。制動時，制動主缸的液壓油進入制動油缸，通過液壓作用使活塞及與之相連的制動塊移動，通過制動盤與活塞的反作用力，將兩側的制動塊都壓在制動盤上，產生摩擦力矩使其制動。

2 阻力分布試驗

2.1 試驗原理

汽車在正常工作時，通常是由發動機將動力通過傳動系統傳遞給車輪，使汽車正常行駛，實車路試試驗能實時反映車輛的阻力變化情況但可重復性不高。該試驗利用反拖電機帶動制動盤，模擬不同的車輪轉速，利用反拖電機扭矩的大小，來反映傳動系統阻力，阻力越大，反拖電機帶動制動盤轉動所需要的扭矩也就越大。

圖1 前置后驅車型傳動系統示意圖

為了得到整車阻力分布，可以采用逐級拆解的方法進行測試，針對前置后驅車型內部結構的特點逐級拆除某些部件后進行測試，從而獲得各部件的阻力大小以及變化規律，逐級拆解測試可以分3個測試節點進行：1）傳動系統總體阻力測試：踩下離合器踏板，反拖電機帶動傳動系統轉動，記錄反拖電機特定轉速下的扭矩值。2）分離變速器的阻力測試：斷開驅動軸，將變速器的阻力分離出來，直接測得的是制動器和輪轂軸承的阻力矩。3）后橋總成的阻力測試：斷開驅動軸，同時拆除制動器卡鉗，排除制動器拖滯的影響，直接測得的是后橋總成的阻力矩。

2.2 試驗車型及設備

試驗將針對某前置后驅車型進行阻力分布測試，試驗采用的反拖電機和溫度傳感器的主要參數見表1，測試車輛的基本信息見表2。在整個測試過程中，傳動系統阻力臺架試驗室室溫控制在（25±1）℃。

表1 設備型號及主要參數

表2 試驗車型基本參數

2.3 試驗流程

一般汽車阻力測試是在轉鼓試驗臺上利用反拖法進行，但是轉鼓反拖由于設備精度的限制，往往達不到想要的效果。該試驗直接將制動盤和反拖電機相連，精度比轉鼓反拖法高，并且整個過程試驗車輛被升降機升起，拆解過程比轉鼓反拖法方便。傳動系統阻力的大小受到車輛磨合、潤滑、溫度等多個條件影響，為了使車輛達到穩定的運行狀態，需要對試驗車輛進行預熱，阻力測試流程包括以下5步：1）車輛選擇：挑選同一生產批次的車型3臺，編號分別為1#、2#和3#。2）工況點換算。根據試驗車輛后輪輪胎的靜態半徑，將特定車速換算成車輪的轉速，為了模擬車輛的實際運行狀態，反拖電機轉速即為車輪轉速。3）車輛預熱。試驗前反拖電機以500 r/min～700 r/min的轉速反拖整車傳動系統，當變速器油溫達到（80±2）℃時，預熱結束，反拖電機停止工作。變速器油溫可以通過安裝在出油口的溫度傳感器監測。4）反拖測試。啟動反拖電機，使變速器油溫保持在（80±2）℃內。按步驟2）換算來的反拖電機轉速，在操作臺控制面板中輸入相應的電機轉速，使電機轉速從0開始逐漸升高，當電機達到相應的轉速5 s后能夠趨于穩定，記錄左右后輪反拖電機的扭矩值（達到穩定狀態后10 s的平均值）。5）試驗結束。完成各工況點測試后，卸下工裝，恢復車輛原狀態，試驗結束。

3 試驗結果分析

3.1 傳動系統冷、熱態阻力分布對比

根據測試結果計算在不同車速下各試驗車傳動系統各部件的阻力值，分別繪制傳動系統冷、熱態阻力分布圖，如圖2、圖3所示。

圖2 各試驗車冷態阻力分布

由圖2可知，3臺試驗車的冷態阻力均隨車速的升高而升高。從整體來看，變速器阻力占比為25%～30%，幾乎不隨車速發生改變。后橋總成阻力占比為60%～65%，會隨車速的升高而升高。制動器阻力占比約為10%，其中，試驗車2#、3#制動器冷態阻力幾乎不隨車速發生改變，試驗車1#制動器冷態阻力存在波動。分析其原因可能是在未采取制動動作時，后橋制動蹄片與制動鼓存在接觸。

圖3 各試驗車熱態阻力分布

由圖3可知，3臺試驗車的熱態阻力均隨車速的升高而升高。變速器的熱態阻力會隨著車速的升高而升高，阻力占比也隨之升高，可以看出，轉速越高變速器阻力越高，且阻力上升速度越快。對于后橋總成，熱態阻力也隨著車速的升高而升高，阻力為占比約為80%左右；對于制動器，試驗車1#、2#隨著車速的升高而逐漸降低，在高速階段幾乎為0，試驗車3制動器阻力變化趨勢試驗車1#、2#一致，但是制動器阻力遠高于正常值，可能是后橋制動蹄片與制動鼓存在接觸。

3.2 磨合距離對傳動系統阻力分布的影響

經過測試試驗發現試驗車1#和2#的傳動系統阻力中制動器阻力均占比較小，但是試驗車3#卻占比較大，推測是試驗車3#制動器的加工或裝配精度導致的，因此選擇試驗車3#探究新車磨合距離對傳動系統阻力分布的影響，分別在新車、磨合300 km和磨合1 000 km的狀態下，利用上述設計的阻力測試方法與測試設備測量并記錄該車的阻力分布，其熱態阻力分布如圖4所示。

從圖4（a）和圖4（b）中可以看出，試驗車3#在磨合300 km之后，制動器的阻力值明顯減小，但在傳動系統阻力的整體占比依然很高，從圖4（a）、圖4（b）和圖4（c）中可以看出，隨著磨合距離的增加，制動器的阻力值進一步減小，說明磨合距離越長，制動器的阻力在傳動系統整體阻力的占比越小；另外，隨著磨合距離的增加，拆除傳動軸后阻力值下降明顯，且速度越高，阻力值下降得越明顯，該現象可能是由于速度越高，變速器內齒輪的攪油損失越大所導致的。

為了進一步探究傳動系統中不同部件阻力受磨合距離的影響，分別繪制出磨合前后的整車阻力圖、拆蹄片阻力圖和斷軸阻力圖，如圖5所示。

由圖5（a）中可以看出，試驗車3#隨著磨合里程的增加，整車的阻力值不斷減小，并且前300 km磨合的效果比后700 km磨合的效果要明顯；由圖5（b）可以看出，在拆除制動蹄片后，試驗車3#在磨合前后的阻力值差并不明顯，初步懷疑為變速器或者后橋總成中某些部件已出現故障，需要進一步研究；由圖5（c）可以看出，斷開傳動軸在磨合300 km之后，與新車相比阻力值有一定幅度的降低；而繼續磨合至1 000 km時，后橋的阻力值反而增大并且接近新車阻力值，說明后橋中已有部件出現故障。

由此我們可以得出：隨著磨合里程的增加，試驗車3#在整車、拆蹄片后以及拆除傳動軸后的阻力值均顯著減小；試驗車3#在磨合1 000 km后出現了在拆除制動蹄片及斷開傳動軸后阻力值較磨合300 km略高的現象，是由于后橋總成中的某零件已經被磨壞，導致局部阻力增加；在整車條件下，試驗車3#在新車時的阻力值比磨合1 000 km后的阻力值高出30%以上，而拆除制動蹄片后，2種狀態下的阻力值卻相差不大，說明制動蹄片對于傳動系統的傳動效率的影響較大。

4 結論

圖4 試驗車3#熱態阻力分布

圖5 磨合前后整車和部件阻力圖

該文通過對前置后驅車型傳動系統結構進行理論分析和阻力分布試驗探究，得到如下結論：1）前置后驅車型傳動系統冷、熱態阻力均隨車速的升高而升高，其中變速器冷態阻力不隨車速的變化而變化，熱態阻力會隨車速的升高而升高，制動器冷、熱態阻力不隨車速而發生改變。2）在前置后驅車型傳動系統冷態阻力中，變速器阻力占比約為25%～30%，后橋總成阻力占比約為60%～65%，制動器阻力占比約為10%；在熱態阻力中，變速器阻力占比約為10%～20%，后橋總成阻力占比約為80%，制動器阻力占比很小。3）隨著磨合距離的增加，傳動系統阻力會逐漸減小，其中新車制動器隨磨合距離的增加下降較為顯著，磨合300 km后最高降幅可達20%左右，磨合1 000 km后最高降幅度可達27%左右。4）隨著車速的升高，在傳動系統阻力中變速器阻力占比會相應增大，這是由于隨著車速的升高，變速器內齒輪的攪油功率損失會增加而導致的。