齒輪油對后橋功率損耗影響的試驗研究*

2023-01-30 02:11:34章德平呂俊成莫易敏

機械研究與應用 2022年6期

章德平，呂俊成，莫易敏，高勇

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007; 2.武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070)

0 引言

隨著全球經濟的快速發展，汽車產品普及程度不斷提高，汽車消費已經大量進入普通居民家庭，成為家庭消費的熱點。雖然汽車工業的迅速發展促進了世界經濟的繁榮發展，但由于汽車燃油的大量消耗而導致的環境問題也讓人類面臨嚴峻挑戰。為了積極應對全球氣候變化問題，中國自主提出了2030年碳達峰、2060年碳中和的“雙碳”目標。通過各頂措施提高汽車燃油燃料的使用效率，從而減少汽車尾氣排放，降低燃料消耗過程中的環境污染，緩解能源危機。

在微型汽車傳動系統中，后橋齒輪油除了具有減小摩擦與降低磨損的作用[1]，同時還具備輔助系統排熱、吸收沖擊振動等功能[2]，因此其合理選用對于確保微型汽車傳動系統正常工作起著非常重要的作用。隨著油耗法規及廢氣污染物控制法規的不斷升級，后橋齒輪油的品質亦不斷優化。

1 微型汽車后橋功率損耗的理論分析

后橋作為微型汽車FR傳動系統的關鍵部件之一，其基本功能是將變速器經由等速傳動軸傳遞過來的動力合理分配給車輛后輪，同時承受工作條件下的各類外界負荷[3]。圖1為某型國產微型汽車驅動橋的結構示意圖。

圖1 某型國產微型汽車后橋的結構簡圖1.主減速器軸承 2.輸入軸 3.主減速器準雙曲面齒輪副 4.車輪 5.差速器軸承 6.差速器 7.輪轂軸承

對于微型汽車后橋而言，其正常工作時功率總損耗PL主要包括三個方面：①后橋工作時因為主減速器準雙曲面齒輪的嚙合運動和差速器內部齒輪的嚙合而造成的摩擦功率損耗；②主減速器軸承和差速器軸承運轉時產生的摩擦功率損耗；③后橋工作時準雙曲面齒輪和差速器總成因攪動齒輪油而造成的功率損耗[4]。

1.1 齒輪嚙合功率損失

在微型汽車驅動橋的內部，主減速器總成與差速器總成之間的動力傳遞依靠的是準雙曲面齒輪副，差速器內部行星齒輪與半軸齒輪之間為直齒錐齒輪嚙合。而齒輪嚙合時齒面之間的摩擦既有滾動，又有滑動摩擦的復雜狀態，因此齒輪嚙合功率損失也相應地包括滾動摩擦功率損失與滑動摩擦功率損失兩部分。

齒輪油會在相嚙合齒輪的齒廓表面之間形成一層很薄的分子油膜[5]，從而使得原來齒廓表面變得更為光滑，此時相嚙合齒輪的齒廓表面之間的相互摩擦會因表面變光滑而大大降低[6]。

1.2 滾動軸承摩擦功率損失

作為微型汽車后橋中的核心零件之一，滾動軸承主要用于支承內部軸系和減少軸系運轉時的摩擦損耗。文中所研究的后橋樣機，主減速器輸入軸軸承和差速器軸承均選用圓錐滾子軸承，屬于典型的線接觸摩擦副，這些軸承的正常工作有賴于齒輪油在摩擦部位的順利進入。

因此，為了估算這些滾子軸承運轉時所產生的摩擦功率損耗PB，必須先對這些滾子軸承運轉時摩擦阻力矩M進行確定。二者之間的數學關系表示為：

PB=M·n·π/30

(1)

式中：n為軸承轉速，r/min。

而影響圓錐滾子軸承運轉時摩擦阻力矩M的因素較多，齒輪油性能、軸承內部結構參數以及使用時軸承預緊力等均能對摩擦阻力矩M造成較大影響。

1.3 攪油功率損失

限于結構條件，后橋內部的部分旋轉零件會有部分體積浸入齒輪油，而后橋齒輪油的運動粘度相對較高，因此這部分旋轉零件工作時，為克服齒輪油的流體阻力做功，必然有部分機械能需轉化為齒輪油動能與勢能，從而造成較大能量損失。

攪油功率損失的計算較復雜，它與齒輪油性能參數、浸油深度以及旋轉零件尺寸等因素構成復雜的函數關系[7]。工程實際中關于齒輪攪油功率損失PC的計算大都基于經驗公式，可以用攪油阻力矩系數Cm來間接反映，適用于車輛領域的Cm經驗公式如下：

(2)

式中：h0為攪油零件的浸油深度，m；V0為齒輪油的體積，m3；DP為攪油零件的節圓直徑，m；b1為攪油零件的寬度尺寸，m。

2 試驗臺架與測試方法介紹

為了對后橋樣機進行拖動，在后橋樣機輸入端設置一臺驅動電機作為動力源，模擬后橋工作時的輸入動力。輸出端各設一臺加載電機對后橋樣機進行加載，模擬車輪行駛過程中所受到的摩擦阻力。在后橋樣機輸入端和驅動電機之間設置扭矩傳感器1和速度傳感器1，在后橋樣機輸出端和加載電機之間設置扭矩傳感器2、速度傳感器2、扭矩傳感器3和速度傳感器3。

后橋傳動效率的測試基于如下方案進行實施：如圖2所示，分別測試某一工作狀態下通過扭矩傳感器1采集獲取后橋的輸入扭矩M1，速度傳感器1采集獲取后橋輸入轉速n1，扭矩傳感器2和扭矩傳感器3采集獲取后橋兩側的輸出扭矩M2和輸出扭矩M3，速度傳感器2和速度傳感器3采集獲取后橋兩側的輸出轉速n2和輸出轉速n3，繼而計算得出該狀態下后橋傳動效率值η，其計算式如下：

圖2 微型汽車后橋傳動效率測試臺架的布置圖

(3)

3 試驗結果及分析

齒輪油主要用于對微型汽車后橋內部齒輪副、主減速器軸承以及差速器軸承進行潤滑，仿真分析表明：齒輪油的粘-溫特性對后橋內部部分旋轉零件因為浸油而造成的攪油功率損失、采取油潤滑的滾動軸承運轉時產生的摩擦功率損失、以及因齒輪嚙合所造成的功率損失等均具有十分重要的影響。

為研究齒輪油黏度對于后橋傳動效率的影響，將后橋樣機內部齒輪油分別依此選定為GL-5 75W/90、GL-5 80W/90和GL-5 90三個品類，這些常規齒輪油動力粘度隨著溫度的變化規律如圖3所示。

圖3 三種常規后橋齒輪油的動力粘度-溫度關系圖

基于上述試驗臺架與測試方法開展試驗測試，具體操作如下：通過控制加載電機的加載扭矩來控制后橋樣機的輸入扭矩，將其設定為120 N·m并保持恒定，通過試驗臺架溫度控制系統將齒輪油溫度保持為80 ℃，通過測試獲取后橋樣機的輸入轉速，取不同值時各個傳感器采集到的參數值，根據公式(3)計算得到后橋樣機的傳動效率值，具體結果如圖4所示。

圖4 常規齒輪油不同轉速下傳動效率值對比

測試結果表明：當后橋樣機的輸入扭矩為120N·m時，若保持齒輪潤溫度為80 ℃不變，對于低速段而言，使用多級齒輪潤滑油GL-5 75W/90時后橋樣機的傳動效率高于使用GL-5 80W/90，而使用多級齒輪潤滑油GL-5 80W/90時后橋樣機的傳動效率又要高于使用單級齒輪潤滑油GL-5 90；對于高速段而言，使用多級齒輪潤滑油GL-5 80W/90時后橋樣機的傳動效率略高于使用GL-5 75W/90，而使用多級齒輪潤滑油GL-5 75W/90時后橋樣機的傳動效率又要高于使用單級齒輪潤滑油GL-5 90。

隨著微型汽車齒輪油技術的不斷發展，對于降低機械零部件摩擦損耗的要求亦變得更為苛刻，而單純依靠改善基礎齒輪油的性能參數所獲得的效果卻十分有限，已經無法滿足苛刻工況下的需求。若將齒輪油GL-5 75W/90選作基礎油，引入添加劑改進基礎油的粘度指數和極壓抗磨性能，得到一種合成齒輪油，然后開展相關測試，具體結果如圖5所示。