張慧芳,張立榮
“節(jié)能減排”是現(xiàn)代汽車發(fā)展的總趨勢(shì),手動(dòng)變速器(以下簡(jiǎn)稱“MT”)作為汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件,提高變速器傳動(dòng)效率是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段之一。傳動(dòng)效率的提高,不僅對(duì)整車降低油耗具有很明顯的效果,而且通過降低摩擦損失,可以減少變速器內(nèi)部發(fā)熱,防止油溫過高,進(jìn)而提高齒輪和軸承的壽命,同時(shí)對(duì)減小換檔力,提高換檔性能也會(huì)起到一定的效果。本文通過大量的試驗(yàn)研究,對(duì)影響傳動(dòng)效率的損失來源進(jìn)行了分析,同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)無載荷損失的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)剖析,并對(duì)提高手動(dòng)變速器傳動(dòng)效率提出了改善指引。
所謂傳動(dòng)效率η是指輸出功率與輸入功率的比值,如圖1所示:
圖1 傳動(dòng)效率η計(jì)算示意圖
對(duì)手動(dòng)變速器的傳動(dòng)效率而言,我們僅研究扭矩的傳動(dòng)效率即可,即通過扭矩?fù)p失?T的大小來評(píng)價(jià)傳動(dòng)效率的高低。對(duì)手動(dòng)變速器的傳動(dòng)效率,通常要求在95%以上。
傳動(dòng)效率η的計(jì)算公式為:
效率η=1-?T/T
?T:扭矩?fù)p失
T:輸入扭矩
其中損失扭矩 ?T= ?T(a)+ ?T(b);
?T(a):指無載荷損失,即輸出軸空載狀態(tài)時(shí)使輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)的抵抗扭矩
?T(b):指有載荷損失,即傳遞動(dòng)力時(shí),隨著輸入扭矩的增加而產(chǎn)生的扭矩?fù)p失
而損失扭矩?T主要與三種特征參數(shù)有關(guān),即1)輸入轉(zhuǎn)速N(rpm)、 2)潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)粘度μ(Cst,由潤(rùn)滑油種類和油溫決定)、3)輸入扭矩T(Nm)。它們之間的關(guān)系如圖2所示:
通過試驗(yàn)觀察和測(cè)試分析我們可以知道,變速器的損失主要來源以下幾個(gè)部分:
主要包括兩部分,即回轉(zhuǎn)體的潤(rùn)滑油攪拌損失和相對(duì)滑動(dòng)的摩擦損失,其中1)潤(rùn)滑油攪拌損失與油量、轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)粘度有關(guān),對(duì)縱置變速器FR來說,主要是中間軸的攪油損失;對(duì)橫置變速器FF來說,主要是差速器齒圈的攪油損失;2)滑動(dòng)體的摩擦損失包括回轉(zhuǎn)體與回轉(zhuǎn)體間的摩擦損失,如齒環(huán)錐面、齒輪端面等;也包括回轉(zhuǎn)體與非回轉(zhuǎn)體間的摩擦損失,如軸承、齒套與撥叉、油封等;
圖2 損失扭矩ΔT與三種特征參數(shù)有關(guān)
主要指扭矩傳遞過程中相關(guān)零件的摩擦損失,如軸承、齒輪嚙合(傳遞扭矩的齒輪)。
以一種六速手動(dòng)變速器的測(cè)試結(jié)果為例,扭矩?fù)p失的分配情況如圖3所示:
圖3 扭矩?fù)p失的分配示意圖 (a)
其中
圖3 扭矩?fù)p失的分配示意圖 (b)
3.3.1 油量與攪油損失
以下是對(duì)三種不同變速器在三種不同油量下的傳動(dòng)效率測(cè)試結(jié)果:
通過上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出,潤(rùn)滑油量減少300ml,無載荷損失會(huì)降低8%~10%,因此,在滿足潤(rùn)滑的情況下,盡可能減少潤(rùn)滑油量對(duì)提高傳動(dòng)效率效果很明顯。
圖4 三種不同變速器在三種不同油量下的傳動(dòng)效率測(cè)試結(jié)果
3.3.2 擋油板與攪油損失
某六檔手動(dòng)變速器通過增加擋油板來減少齒輪的攪油損失,同樣會(huì)有較明顯效果。
圖5 某六檔手動(dòng)變速器通過增加擋油板來減少齒輪的攪油損失效果圖
3.3.3 齒環(huán)SNR與摩擦損失
齒環(huán)的摩擦損失與轉(zhuǎn)速相關(guān),且轉(zhuǎn)速越高,損失越大,如圖6所示。
圖6 齒環(huán)的摩擦損失與轉(zhuǎn)速的關(guān)系
圖7 齒環(huán)摩擦損失的傳遞路徑
齒環(huán)摩擦損失的傳遞路徑如圖7所示。
通過上圖的傳遞路徑可知,齒輪的摩擦損失MG與齒環(huán)的摩擦損失MR大小相同但方向相反,且齒輪的摩擦損失MG因速比的變化對(duì)輸入端的影響逐漸減小,而齒環(huán)的摩擦損失MR因速比變化而增大,且與齒輪與齒環(huán)的相對(duì)轉(zhuǎn)速差有關(guān)。
此外,同步器錐角對(duì)摩擦損失(油溫升高)的影響,具體如圖8所示:
圖8 同步器錐角對(duì)摩擦損失(油溫升高)的影響
通過以上分析,我們可以看出,無載荷狀態(tài)下的攪油損失和摩擦損失對(duì)手動(dòng)變速器傳動(dòng)效率的影響起著重要作用,通過適 當(dāng)控制潤(rùn)滑油量、增加擋油板等措施可以大大提高傳動(dòng)效率;此外通過對(duì)同步器錐角等參數(shù)的優(yōu)化,也可以減少齒環(huán)的摩擦損失,對(duì)提高傳動(dòng)效率同樣有效果。
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