盧西山 郭應(yīng)清 張標(biāo)

摘 要：雙離合自動(dòng)變速箱（DCT）不僅要有優(yōu)異的自動(dòng)換擋性能，同時(shí)也要有較高的傳動(dòng)效率。本文基于某量產(chǎn)DCT變速箱，針對(duì)3檔齒輪副通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)比在規(guī)定工況下不同的齒輪精度以及相同精度時(shí)不同加工工藝對(duì)于變速箱傳動(dòng)效率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，6級(jí)精度（磨齒）較7級(jí)、8級(jí)精度（剃齒）的3檔齒輪副傳遞效率高約0.6%，同時(shí)，磨齒6級(jí)精度齒輪副比剃齒6級(jí)精度齒輪副的平均傳動(dòng)效率高約0.4%。

關(guān)鍵詞：DCT變速箱；齒輪精度；傳動(dòng)效率

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-121-03

Abstract： It is very necessary for DCT to have good performance of autoshifting and have high efficiency. This paper researches 3rd gear of some kind of DCT， by rack testing， to find the influence of efficiency from the different gear accuracy and from the same gear accuracy with different manufacturing methods. From the results of testing， we can find that， the efficiency of 6 level gear accuracy（grinding） higher than 7/8 level gear accuracy（shaving） about 0.6%.Meanwhile，the efficiency of6 level gear accuracy（grinding） higher than the same level（shaving） about 0.4%.

Keywords： DCT； Gear accuracy； Efficiency

CLC NO.： U463.212 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-121-03

前言

目前，國(guó)內(nèi)外各大汽車(chē)主機(jī)廠均陸續(xù)推出搭載DCT自動(dòng)變速箱的車(chē)型，客戶(hù)在選購(gòu)這些車(chē)型時(shí)，除了關(guān)注車(chē)輛動(dòng)力性、駕駛舒適性的同時(shí)，對(duì)于車(chē)輛油耗也較為關(guān)注。DCT變速箱作為車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)重要組成部分，提升其傳動(dòng)效率可顯著改善傳動(dòng)系統(tǒng)的整體效率，并可明顯提高燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，研究如何通過(guò)提高DCT變速箱的傳動(dòng)效率來(lái)降低車(chē)輛油耗，對(duì)于提升產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義[1]。

1 變速箱傳動(dòng)效率和齒輪精度概述

1.1 齒輪精度對(duì)于傳動(dòng)效率的影響

影響DCT變速箱的傳動(dòng)效率的因素主要包括齒輪、軸承、密封件等的能量損失，這些損失又可分為負(fù)載和非負(fù)載功率損失。非負(fù)載功率損失主要是和轉(zhuǎn)速正相關(guān)的油封阻力、攪油阻力、風(fēng)阻等，負(fù)載功率損失主要是齒輪嚙合、軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的摩擦損失產(chǎn)生，即機(jī)械損失[2]。

齒輪精度作為DCT變速箱齒軸件設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)考慮項(xiàng)目之一，除直接影響著變速箱諸如噪音、壽命等整機(jī)性能外，其對(duì)于齒輪嚙合性能的影響也直接決定了變速箱的機(jī)械損失。

例如，第一組齒輪精度項(xiàng)目中的齒距累計(jì)總偏差Fp和徑向跳動(dòng)公差Fr，它們影響齒輪旋轉(zhuǎn)一周過(guò)程中傳動(dòng)比的穩(wěn)定性，對(duì)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性有較大影響，會(huì)給齒輪嚙合帶來(lái)低頻振動(dòng)，除影響NVH性能外，會(huì)在嚙合中有額外不利沖擊和摩擦產(chǎn)生；另外，第二組齒輪精度項(xiàng)目中的齒廓總偏差Fa和單個(gè)齒距偏差fpt都會(huì)影響齒輪嚙合的瞬時(shí)傳動(dòng)比，給齒輪帶來(lái)較高頻率的激振力，從而產(chǎn)生更大的嚙合機(jī)械損失，轉(zhuǎn)速越高影響也越大；還有不同的齒輪精度要求必然會(huì)有不同齒輪表面狀態(tài)，比如加工刀紋、表面光潔度以及潤(rùn)滑油膜等都會(huì)直接或間接的對(duì)機(jī)械損失帶來(lái)不同程度的影響。

1.2 齒輪加工工藝和齒輪精度關(guān)系

不同的齒輪加工工藝可以得到不同的齒輪精度，精度要求越高加工工藝的成本也會(huì)相應(yīng)提高，因此在齒輪精度設(shè)定時(shí)除考慮齒輪性能外也需考慮產(chǎn)品的的經(jīng)濟(jì)性。

在圓柱齒輪精度制中，齒輪共分13個(gè)精度等級(jí)，用數(shù)字0～12由高到低的順序排列，0級(jí)精度最高，12級(jí)精度最低[3]。目前在汽車(chē)變速箱行業(yè)，主要的齒輪精度設(shè)定在5～9級(jí)，采用不同的工藝路線可以得到不同的齒輪精度[4，5]：

（1）普通手動(dòng)變速器齒輪常用的加工工藝路線為：滾齒+剃齒+滲碳淬火，本路線由于淬火變形大，不利于齒輪表面硬度和硬化層等質(zhì)量控制；

（2）部分要求較高手動(dòng)和自動(dòng)變速器齒輪常用的加工工藝路線為：滾齒+剃齒+滲碳淬火+珩齒，此路線可明顯改善齒輪嚙合性能；

（3）要求齒輪傳動(dòng)有較高嚙合性能表現(xiàn)時(shí)通常采用的加工工藝路線為：滾齒+滲碳淬火+磨齒，此路線磨削后硬度稍低，但嚙合性能優(yōu)良。

上述3種工藝路線所能達(dá)到的最終加工狀態(tài)見(jiàn)表1。工藝路線1的技術(shù)門(mén)檻和加工成本低，但產(chǎn)品質(zhì)量不能得到較好的控制，早在數(shù)年前大部分國(guó)外變速箱產(chǎn)品就已經(jīng)拋棄了這種加工方案。目前大部分手動(dòng)變速器、自動(dòng)變速器廠家大都在采用后兩種工藝路線。

2 傳動(dòng)效率試驗(yàn)分析

通過(guò)上節(jié)分析，說(shuō)明齒輪精度對(duì)于變速箱傳動(dòng)效率有一定程度的影響。為研究其對(duì)于變速箱傳動(dòng)效率的具體影響程度或趨勢(shì)，可通過(guò)不同工藝路線加工出不同齒輪精度的樣件，然后在同一臺(tái)變速箱上進(jìn)行傳動(dòng)效率測(cè)試，并對(duì)效率值進(jìn)行對(duì)比。

2.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)對(duì)象為某款DCT變速箱，針對(duì)剃齒工藝加工挑選出的不同齒輪精度（6級(jí)、7級(jí)、8級(jí)）的3檔齒輪副進(jìn)行效率測(cè)試，并和磨齒工藝的6級(jí)精度的3檔齒輪副效率進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)使用同一個(gè)變速箱，通過(guò)更換3檔齒輪副實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康?。效率試?yàn)測(cè)試方法主要參考了雙離合器變速箱試驗(yàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及汽車(chē)變速箱行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的效率試驗(yàn)部分[6]，試驗(yàn)過(guò)程為：

（1）將變速箱安裝在臺(tái)架輸入電機(jī)上，連接輸出軸，按要求加注DCT潤(rùn)滑油；

（2）連接數(shù)據(jù)監(jiān)控采集設(shè)備，按照試驗(yàn)大綱標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)主油路壓力，設(shè)定冷卻閥流量；

（3）變速箱磨合完成后，啟動(dòng)輸入電機(jī)，調(diào)整輸入轉(zhuǎn)速至怠速工況；

（4）掛入試驗(yàn)檔位，并結(jié)合相應(yīng)離合器，提升離合器壓力至要求值；

（5）設(shè)定控溫裝置控制溫度，待油溫升到工況溫度后，控制輸入電機(jī)升至試驗(yàn)工況表中的某一扭矩，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提升輸入電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)采集不同轉(zhuǎn)速下的傳動(dòng)效率；

（6）試驗(yàn)完成后降低輸入電機(jī)轉(zhuǎn)速至怠速。

試驗(yàn)臺(tái)架搭建如圖1所示：

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)完成以后，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（包括轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度等）的采集、整理，計(jì)算得到裝配有不同齒輪精度的3檔齒輪副的傳動(dòng)效率，效率計(jì)算公式：

圖2到圖6分別為在80℃時(shí)不同轉(zhuǎn)速、扭矩下，裝配了6級(jí)（磨齒）、6級(jí)（剃齒）、7級(jí)（剃齒）、8級(jí)（剃齒）齒輪精度的DCT變速箱的3檔齒輪副的傳動(dòng)效率對(duì)比情況：

在60℃及100℃時(shí)均和以上結(jié)果有相同趨勢(shì)。從圖2到圖6及表2數(shù)據(jù)中的傳動(dòng)效率結(jié)果對(duì)比看出：

2.2.1 在中低轉(zhuǎn)速區(qū)（800rpm～4000rpm）時(shí)

1）低扭矩（0.2～0.4Tmax時(shí)），7、8級(jí)精度的齒輪傳動(dòng)效率接近，同時(shí)6級(jí)剃齒和6級(jí)磨齒的齒輪傳動(dòng)精度差別也很小，整體上，7、8級(jí)精度較6級(jí)精度效率低0.4%左右。究其原因，即使轉(zhuǎn)速不高，但在低扭矩時(shí)，變速箱機(jī)械效率損失占總效率損失的比重較小，大部分效率損失由是前文提到的非負(fù)載功率損失。

2）當(dāng)扭矩增大時(shí)，機(jī)械損失的比重逐漸在效率損失中提高，并且和加載扭矩值正相關(guān)，這點(diǎn)可以從曲線的斜率上得到印證：隨著加載扭矩值的增加，效率值的變化隨轉(zhuǎn)速的提高在減小，亦即曲線變得平滑，也就說(shuō)明隨轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的損失在總的能力損失中占比降低。

3）在較高的扭矩段（0.8Tmax以上）的中等轉(zhuǎn)速（3000rpm左右）時(shí)，6級(jí)剃齒的效率比7、8級(jí)剃齒效率僅高約0.1%～0.18%左右，但6級(jí)磨齒較7、8級(jí)剃齒高約0.54%～0.61%（數(shù)據(jù)見(jiàn)表2），因此在高扭矩段剃齒工藝本身產(chǎn)生的精度差異對(duì)于效率的影響不大，而磨齒工藝由于其工藝特點(diǎn)（前文中提到的可以產(chǎn)生較好刀紋、表面光潔度及潤(rùn)滑油膜等）對(duì)效率產(chǎn)生較大的提高。

2.2.2 在高轉(zhuǎn)速區(qū)（4000rpm以上）

當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至4000rpm以后，尤其上升至6000rpm時(shí)，此時(shí)齒輪精度或加工工藝的區(qū)別對(duì)于效率的影響已不明顯，因?yàn)榇藭r(shí)傳動(dòng)效率主要由和轉(zhuǎn)速相關(guān)的非負(fù)載損失決定。

3 結(jié)論

本文通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)比了由不同加工工藝（剃齒、磨齒）制造的6、7、8級(jí)齒輪在裝配到同一臺(tái)變速箱上的傳動(dòng)效率，從測(cè)試情況看，在不同試驗(yàn)溫度下，6級(jí)精度（磨齒）較7級(jí)、8級(jí)精度（剃齒）的3檔齒輪副傳遞效率高0.6%左右，7級(jí)精度、8級(jí)精度之間的傳遞效率差距較小，同時(shí)，磨齒6級(jí)精度齒輪副比剃齒6級(jí)精度齒輪副的傳動(dòng)效率平均高約0.4%。可以看出，磨齒工藝提高齒輪各精度指標(biāo)項(xiàng)，同時(shí)提高了齒面粗糙度，這些是負(fù)載功率損耗的重要影響因素。因此，齒輪精度越高，嚙合性越好，振動(dòng)及沖擊載荷也越小，且齒面粗糙度值越低，齒輪嚙合摩擦損失越小，變速箱的傳動(dòng)效率越高。

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