乘用車傳動系統(tǒng)阻力矩分解測試技術及應用

摘 "要：通過搭建兩電機臺架對乘用車傳動系統(tǒng)阻力矩進行測試，分析對比車輛不同車速下在制動卡鉗、輪轂軸承上阻力矩的分布情況以及不同驅(qū)動半軸布置角度下的阻力矩分布情況，為被測車輛傳動效率改善與能耗降低提供改進路線和技術支持。

關鍵詞：傳動系統(tǒng)阻力矩;分解測試方案;半軸布置角度;傳動效率改善

中圖分類號：U467.4 " " "文獻標識碼：A " " "文章編號：1005-2550（2022）05-0029-06

Test Technology and Application of Resistance Torque

Decomposition of Passenger Car Transmission System

LI Jian， CHENG Hua-guo， XU Kang， WU Peng， LI Jun

（ Xiangyang Da An Automobile Test Center， Xiangyang 441004， China）

Abstract： By building a two-motor bench to test the resistance torque of the transmission system of the passenger car， the distribution of the resistance torque on the brake caliper and the wheel hub bearing at different vehicle speeds and the distribution of the resistance torque at different driving half-shaft arrangement angles were analyzed and compared. Provide improvement routes and technical support for the improvement of the transmission efficiency of the tested vehicle and the reduction of energy consumption.

Key Words： Transmission Resistance Torque; Decomposing Test Scenarios; Half Shaft Arrangement Angle; Transmission Efficiency Improvement

隨著汽車排放碳中和政策的推進，近年來新能源汽車研發(fā)技術迅速發(fā)展，純電動車型一躍成為了各大車企的研發(fā)重點。然而，純電動汽車的續(xù)航里程卻成為了限制其發(fā)展的難題之一。除了攻克電池本身的技術難題之外，降低在傳動系統(tǒng)上的動力損耗，提高整車傳動效率也是提升其續(xù)航里程的技術路線之一[1]。因此，有必要對純電動汽車的行駛阻力矩進行測試研究，旨在降低傳動系統(tǒng)阻力矩，從而提高整車續(xù)航里程。

目前行業(yè)內(nèi)關于汽車行駛阻力的測試方法主要是根據(jù)GB/T 12536-90汽車滑行試驗規(guī)范中要求，車輛在道路上具有一定車速的情況下，切斷車輛動力輸出，斷開動力源與傳動系統(tǒng)連接，通過慣性帶動車輛滑行，滑行距離越長，則表面車輛行駛阻力越小，能耗越低。此方法是通過滑行距離間接反映傳動系統(tǒng)阻力，為了進一步研究整車的傳動系統(tǒng)阻力，有必要對傳動系統(tǒng)阻力進行分解測試，獲得各傳動部件的阻力分布占比，從而為整車傳動系統(tǒng)阻力減小和能耗降低提供具體優(yōu)化方案。

1 " "道路車輛行駛阻力構(gòu)成

汽車在道路上的行駛阻力主要由空氣阻力、輪胎滾動阻力、傳動系統(tǒng)阻力等構(gòu)成。空氣阻力一般與車身空氣動力學設計和外界環(huán)境（濕度、溫度、風速）相關，輪胎滾動阻力主要與路況和輪胎選用有關。傳動系統(tǒng)阻力主要與底盤傳動部件選用和布置架構(gòu)相關，并且傳動系統(tǒng)阻力是影響整車效率的因素之一。

2 " "整車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

整車傳動系統(tǒng)主要包括從發(fā)動機和驅(qū)動電機到輪胎的一系列傳動零部件，不同車型傳動系統(tǒng)架構(gòu)存在一定差異。商用車傳動系統(tǒng)一般由變速箱、傳動軸、驅(qū)動橋、輪轂等構(gòu)成;越野車傳動系統(tǒng)一般由分動器、傳動軸、主減速器、驅(qū)動半軸、輪邊減速器等構(gòu)成;而目前主流家用兩驅(qū)乘用車傳動系統(tǒng)主要包括變速箱、驅(qū)動半軸、輪轂等。

本文測試對象為前置后驅(qū)電動乘用車型，車輛傳動系統(tǒng)主要由電驅(qū)動總成、傳動軸、變速箱、驅(qū)動半軸、輪轂等組成[2]，結(jié)構(gòu)圖如圖1。

3 " "傳動系統(tǒng)阻力矩測試原理

車輛傳動系統(tǒng)將電驅(qū)動總成輸出的動力傳遞到輪轂過程中，需要克服來自傳動系統(tǒng)各個部件的傳動阻力，最終傳遞到輪轂上的功率小于驅(qū)動電機輸出的功率，這種功率損失是由于傳動系統(tǒng)的阻力引起的[3]。實車道路上，通過空擋滑行法測量整車傳動阻力的方式是通過滑行距離間接反映傳動系統(tǒng)阻力，并不能精準得到分布在各傳動部件的阻力矩分布。而一般汽車行駛阻力的測試是在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上通過反拖法進行，但是轉(zhuǎn)鼓試驗臺由于設備精度的限制與輪胎阻力跳動的影響，測量誤差較大，往往不一定能達到想要的效果[4]。

本項目主要通過自搭建兩電機臺架對整車傳動系統(tǒng)阻力矩進行測試，拆除被測車輛驅(qū)動輪輪胎，車輛掛至N擋，通過臺架電機對輪轂進行反拖，測量在不同車速下的阻力矩，并逐項拆卸制動卡鉗、輪轂軸承分別進行對比測試，獲得在不同傳動零部件上的阻力矩分布。另一方面，拆除輪轂后，調(diào)整驅(qū)動半軸角度，并測試不同車速下的傳動阻力矩，得到各不同驅(qū)動半軸布置角度下的阻力矩分布，整體測試原理如圖2。

4 " "傳動系統(tǒng)阻力矩測試臺架搭建

基于測試車輛傳動結(jié)構(gòu)，搭建測試臺架單側(cè)結(jié)構(gòu)如圖3。臺架電機依次通過臺架傳動軸、中間支撐軸承座、轉(zhuǎn)速扭矩傳感器與被測車輛輪轂連接，采集的轉(zhuǎn)速、扭矩信號通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入到工業(yè)計算機。可分別拆除制動卡鉗和輪轂進行對比測試，被測車輛底盤固定于液壓千斤頂上，底盤高度可通過液壓千斤頂調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)驅(qū)動半軸布置角度，可進行不同驅(qū)動半軸布置角度的對比測試。

5 " 傳動系統(tǒng)阻力矩測試方法建立

本試驗通過兩個臺架電機分別連接后軸兩輪轂進行反拖測試，電機轉(zhuǎn)速模擬車輪轉(zhuǎn)速，通過輪端傳感器實時測得扭矩值，來反映傳動系統(tǒng)阻力矩。為了保證測試數(shù)據(jù)的一致性和橫向?qū)Ρ刃裕瑴y試項目的臺架電機轉(zhuǎn)速均按下表1所示進行。扭矩值采樣頻率為100Hz，每個轉(zhuǎn)速點下采樣時間為30s。為了使測試過程中，車輛處于一個較穩(wěn)定狀態(tài)，正式試驗前，需進行整車預熱，按照等效車速60km/h給定臺架電機轉(zhuǎn)速，預熱時間為15min。

5.1 " 制動卡鉗和輪轂軸承拆除對比測試

為了獲得分布在制動卡鉗和輪轂軸承的阻力矩，通過逐步拆除制動卡鉗、輪轂軸承，對不同車速下的傳動阻力矩進行對比測試，從而獲得制動卡鉗、輪轂軸承各自損耗的阻力矩。

測試前，將被試車輛掛至N檔。將整車除去后軸兩個輪胎并置于兩電機試驗臺上，底盤通過液壓缸頂起，車輪輪轂外端分別通過扭矩傳感器法蘭與兩臺驅(qū)動電機的輸入軸進行連接和固定見圖6，實際臺架整體安裝狀態(tài)見圖7：

5.1.1 整車在不拆除其他零部件情況下，進行不同車速下的傳動阻力矩測試，分別測試并記錄電機轉(zhuǎn)速由100r/min到700r/min時的實時力矩;

5.1.2 整車在拆除制動卡鉗后進行不同車速下的阻力矩測試，與不拆除制動卡鉗的測試結(jié)果分析對比，可獲得分布在制動卡鉗上的阻力矩;

5.1.3 整車在拆除輪轂軸承后進行不同車速下的阻力矩測試，與拆除制動卡鉗的測試結(jié)果對比分析，可獲得分布在輪轂軸承上的阻力矩。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)記錄在不同車速下車輛分別拆除傳動系統(tǒng)各部件的阻力距分布，分別繪制阻力矩與車速關系曲線。

5.2 " 不同驅(qū)動半軸布置角度下阻力矩對比測試

由于汽車底盤架構(gòu)總布置的限制，驅(qū)動半軸兩端（差速器端花鍵中心和輪胎胎心）通常不在一條直線上，差速器端法蘭面中心線與驅(qū)動軸軸桿中心軸線之間通常有一個夾角，該夾角在空間上的最大值即驅(qū)動軸夾角，該角度可由驅(qū)動半軸分別與水平方向上和豎直方向上的夾角合成。本文被測車輛驅(qū)動半軸與豎直方向夾角為0°，滿載軸荷情況下驅(qū)動半軸與水平方向夾角為4°，則總驅(qū)動半軸空間布置角度為4°。一般通用設計標準驅(qū)動軸布置夾角不超過7.5°[5]。基于此，本測試方案驅(qū)動半軸布置角度測試范圍為7°-0°。拆除輪轂后，按照后軸輸出驅(qū)動半軸與水平方向夾角為7°、6°、5°、4°、3°、2°、1°、0°依次測量不同轉(zhuǎn)速下的阻力矩，通過液壓千斤頂調(diào)整被測車輛底盤離地高度，進而調(diào)整驅(qū)動半軸與水平方向角度。

拆除后軸輪轂軸承后，將驅(qū)動半軸依次通過花鍵法蘭、扭矩傳感器與臺架電機連接，驅(qū)動半軸一端連接臺架固定不動，另一端連接變速箱固定于汽車底盤，通過液壓千斤頂調(diào)節(jié)底盤高度從而調(diào)節(jié)驅(qū)動半軸與水平方向夾角依次從7°到0°，每個角度通過數(shù)顯水平尺進行測量確認，分別測量記錄每個角度下輪端轉(zhuǎn)速由100r/min到700r/min阻力矩值。

6 " "試驗結(jié)果及優(yōu)化分析

實際采樣頻率為100Hz，每個轉(zhuǎn)速點下的采樣時間為30s。為了便于數(shù)據(jù)分析，見表2所示阻力矩值取每個轉(zhuǎn)速點下相同數(shù)據(jù)量的算數(shù)平均值。

根據(jù)模擬車速與輪轂測得阻力矩和，繪制車速-阻力矩曲線如下：

通過拆除制動卡鉗和輪轂軸承的測試數(shù)據(jù)對比分析可知：

（1）測試車輛傳動阻力矩隨著車速的升高阻力矩值基本呈上升趨勢;

（2）車速在30km/h以下，制動卡鉗對整車行駛最大有4.52N·m的扭矩損耗，阻力矩占比16.8%，可通過調(diào)節(jié)制動卡鉗預緊力進一步降低制動卡鉗拖曳扭矩;

（3）車速在30km/h以上時，制動卡鉗對傳動系統(tǒng)阻力矩影響開始逐漸變小。這是因為隨著車速升高，制動盤與卡鉗摩擦片相對轉(zhuǎn)速變快，制動盤將原本通過預緊力貼靠在制動盤上的摩擦片甩開，間隙變大，摩擦阻力矩變小;

（4）通過拆除輪轂軸承與拆除制動卡鉗分析對比可知，在輪轂軸承分布最大阻力矩3.02N·m， 阻力矩占比11.2%，可通過選配低摩擦軸承來改進。

根據(jù)模擬車速與實際兩后軸驅(qū)動半軸測得阻力矩和，繪制車速-阻力矩曲線如下：

通過調(diào)整驅(qū)動半軸布置角度的測試數(shù)據(jù)對比分析可知：

（1）驅(qū)動半軸布置角度從0°到3°產(chǎn)生的行駛阻力矩基本保持一致;

（2）驅(qū)動半軸布置角度在3°以上行駛力矩有較明顯的上升趨勢;

（3）建議被測車型滿載軸荷下的驅(qū)動軸布置角度在3°以內(nèi)。

7 " "總結(jié)

（1）基于搭建的兩電機試驗臺架建立了乘用車傳動系統(tǒng)阻力矩的測試方法和流程，此測試方法，相對于車輛空擋滑行阻力測試和轉(zhuǎn)鼓反拖法，精度更高;

（2）建立了車速、制動卡鉗、輪轂軸承、驅(qū)動半軸布置角度對傳動系統(tǒng)阻力矩影響的定量分析方法，精準獲得針對零部件的優(yōu)化方案。

參考文獻：

[1]張維，石昊天，張賀林，孔治國，付玉成，王宏策，于洋，程海濤.基于四驅(qū)動力總成臺架的整車傳動系阻力分解測試分析[J].時代汽車，2020（03）：6-7.

[2]羅健鋒，何永祥，吳明.汽車傳動系阻力臺架檢測和評價方法[J].公路與汽運，2014（02）：32-36.

[3]張宏超，朱玉剛，付永剛，張有祿，劉雙喜，高海洋. 基于臺架的整車傳動系阻力梯度測試方法研究[J].小型內(nèi)燃機與車輛技術，2016，45（05）：8-11.

[4]李玉珍，葉春林.前置后驅(qū)車型傳動系統(tǒng)阻力分布試驗研究[J].中國新技術新產(chǎn)品，2021，（03）：60-64.

[5]張俊來，焦紅蓮.淺析驅(qū)動軸布置對整車性能的影響[J].汽車實用技術，2017，（08）：176-177.

李 " 建

畢業(yè)于華中農(nóng)業(yè)大學工學院，學士學位，現(xiàn)就職于襄陽達安汽車檢測中心有限公司，任傳動系統(tǒng)及零部件試驗技術輔助工程師，主要從事于車輛傳動系統(tǒng)及零部件試驗技術研究工作。已發(fā)表汽車傳動系統(tǒng)及零部件試驗技術專業(yè)相關公司級標準兩項。

專家推薦語

李少華

東風商用車技術中心動力總成部

傳動系統(tǒng)總工程師 "研究員高級工程師

本文基于搭建的兩電機試驗臺架建立了乘用車傳動系統(tǒng)阻力矩的測試方法和流程。對純電動汽車的行駛阻力矩進行測試研究，旨在降低傳動系統(tǒng)阻力矩，為整車傳動效率改善及降低能耗提供指導。