趙 遷，曲婧瑤，孫旭東，趙立金，馬永志，楊良會(huì)

(1.國汽(北京)汽車科技研究院有限公司，北京 100176；2.中國汽車工程學(xué)會(huì)，北京 100176；3.北京新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司，北京 100176)

純電動(dòng)汽車是新能源汽車的重要組成部分，但續(xù)航里程一直是制約其發(fā)展的重要因素，增加電池的能量密度是提高續(xù)航里程重中之重，除此之外，提升傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率也是不可忽視的重要方法.電動(dòng)汽車動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出，經(jīng)減速器、驅(qū)動(dòng)軸、輪轂軸承傳遞至車輪，其中，減速器是純電動(dòng)汽車的重要部件，其傳動(dòng)效率直接影響純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，因此，提升減速器效率是延長其續(xù)航里程的有效途徑之一.

對于純電動(dòng)乘用車常用的單擋(即只有一個(gè)傳動(dòng)比)減速器，其主要功率損失來自于齒輪(滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦)、攪油、軸承和油封.為了在設(shè)計(jì)開發(fā)初期就能評估齒輪參數(shù)、潤滑油參數(shù)、軸承和油封選型等對減速器效率的影響，可通過理論公式或者商業(yè)軟件進(jìn)行效率計(jì)算[1-4].例如ROMAX軟件有效率分析模塊，可以選取齒輪輪轂拖曳模型、軸承拖曳模型和齒輪嚙合拖曳模型.但是為了驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性以及真實(shí)的評估效率高低，效率臺(tái)架試驗(yàn)必不可少.純電動(dòng)乘用車減速器的效率臺(tái)架試驗(yàn)可參考QC/T 1022[5].

文中在介紹純電動(dòng)乘用車減速器及其效率臺(tái)架試驗(yàn)方法基礎(chǔ)上，指出了現(xiàn)有試驗(yàn)方法存在工況點(diǎn)太少、以及用平均值作為綜合效率的不合理等問題，給出了某減速器的效率試驗(yàn)條件和效率MAP，仿真分析了CLTC-P(China light-duty vehicle test cycle-passenger,中國乘用車行駛工況)汽車工況下的綜合效率[6]，并分析了潤滑油溫度對綜合效率的影響.

1 純電動(dòng)乘用車減速器及其效率臺(tái)架試驗(yàn)方法

1.1 純電動(dòng)乘用車減速器介紹

純電動(dòng)乘用車通常搭載單擋平行軸減速器，典型方案如圖1所示，減速器內(nèi)部通過兩級圓柱齒輪減速，集成差速機(jī)構(gòu).其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn).

圖1 典型單擋平行軸減速器方案

圖中：①為輸入軸軸齒，通常通過花鍵與電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接，從而接受從驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸送的動(dòng)力；②為中間軸齒輪，其固定在中間軸軸齒上，并與輸入軸軸齒上的齒輪嚙合；③為中間軸軸齒；④為主減速齒輪，與中間軸齒軸上的齒輪嚙合；⑤為差速器半軸齒輪，數(shù)量2個(gè)，通過半軸將動(dòng)力輸送給車輪.

1.2 純電動(dòng)乘用車減速器效率臺(tái)架試驗(yàn)方法

效率臺(tái)架試驗(yàn)通常采用如圖2所示的三軸電驅(qū)動(dòng)總成測試系統(tǒng)，通過輸入端的扭矩轉(zhuǎn)速傳感器測量輸入功率，通過輸出端的傳感器測量輸出功率，輸出功率與輸入功率之比即為傳動(dòng)效率，見公式(1).

圖2 三軸電驅(qū)動(dòng)總成測試系統(tǒng)

(1)

式中：Pout、Tout和Nout分別為輸出端的功率、扭矩和轉(zhuǎn)速，Pin、Tin和Nin分別為輸入端的功率、扭矩和轉(zhuǎn)速.

試驗(yàn)方法可參考QC/T 1022，即純電動(dòng)乘用車用減速器總成技術(shù)條件，規(guī)定試驗(yàn)轉(zhuǎn)速從500 r/min到最高輸入轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均勻取5種轉(zhuǎn)速，其中應(yīng)包括最高輸入轉(zhuǎn)速；試驗(yàn)扭矩為減速器最大輸入扭矩的50%、100%；油溫控制在(80±5)℃范圍內(nèi)；試驗(yàn)僅測量正轉(zhuǎn)方向，結(jié)合轉(zhuǎn)速、扭矩、油溫組合的要求依次測定.

QC/T 1022中規(guī)定，減速器綜合傳動(dòng)效率取所有檢測的傳動(dòng)效率的平均值，即按公式(2)計(jì)算評定.

(2)

式中：η為5種試驗(yàn)轉(zhuǎn)速在2種扭矩下所測的傳動(dòng)效率的平均值.

2 某純電動(dòng)乘用車減速器效率試驗(yàn)方法和結(jié)果

2.1 某純電動(dòng)乘用車減速器效率試驗(yàn)方法

QC/T 1022規(guī)定的轉(zhuǎn)速、扭矩點(diǎn)較少，只有10個(gè)工況點(diǎn).而且只有80 ℃一個(gè)油溫，通常情況下，減速器油溫在乘用車行駛時(shí)可升高50 ℃以上，油溫會(huì)影響到潤滑油粘度從而影響到效率.如果用其評估減速器效率高低以及作為整車性能仿真的輸入條件，則結(jié)果不夠準(zhǔn)確，因此，整車廠往往會(huì)要求測試更多的效率點(diǎn).

以某A級乘用車搭載的最高輸入轉(zhuǎn)速12 000 r/min、最高輸入扭矩300 Nm的減速器為例，試驗(yàn)方法可參考如下.

(1)輸入轉(zhuǎn)速1 000 r/min，空載磨合15 min.磨合完畢后，更換潤滑油；

(2)試驗(yàn)條件可采用表1，其中，輸入功率超過驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率120 kW的點(diǎn)不測試.要求油溫變化在±5 ℃范圍之內(nèi)、輸入轉(zhuǎn)速變化在±10 r/min之內(nèi)、輸入扭矩變化在±5 Nm范圍內(nèi)，可采用風(fēng)扇對減速器進(jìn)行冷卻降溫.

表1 減速器效率試驗(yàn)條件

每種油溫有100個(gè)工況點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的數(shù)量.

2.2 效率測試結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)得到的效率點(diǎn)繪制MAP圖，圖3所示為減速器在20 ℃、60 ℃和90 ℃ 3種油溫下的效率MAP.

圖3 3種油溫下減速器效率MAP

對于每種油溫，將每個(gè)輸入扭矩下所有輸入轉(zhuǎn)速點(diǎn)的效率取平均值，得到5 Nm、10 Nm…300 Nm下的平均效率，分析油溫和扭矩對效率的影響.由圖4可以看出，對于相同的輸入扭矩，油溫越高，效率越高；對于同一種油溫，隨著輸入扭矩升高，效率增大，當(dāng)達(dá)到160 Nm左右時(shí)，效率隨著扭矩增大開始緩慢降低.

圖4 3種油溫下輸入扭矩對效率影響

對于每種油溫，將每個(gè)輸入轉(zhuǎn)速下所有輸入扭矩的效率取平均值，得到1 000 r/min、2 000 r/min…12 000 r/min下的平均效率，分析油溫和輸入轉(zhuǎn)速對效率的影響.由圖5可以看出，對于相同的輸入轉(zhuǎn)速，油溫越高，效率越高；對于同一種油溫，隨著輸入轉(zhuǎn)速升高，效率降低.這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高，攪油損失越大.

圖5 3種油溫下輸入轉(zhuǎn)速對效率影響

如果利用所有工況點(diǎn)的平均值作為綜合效率，那么，20 ℃油溫下的綜合效率為91.71%；60 ℃為93.80%；90 ℃為94.26%.可見,隨著油溫上升，減速器綜合效率隨著升高.這主要是因?yàn)闈櫥偷恼扯葧?huì)隨著溫度升高而降低，從而帶來齒輪攪油損失的減小.

但通過軟件進(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性仿真和通過轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)時(shí)，通常采用NEDC(New European Driving Cycle,新標(biāo)歐洲循環(huán)測試)、CLTC等汽車工況，因此，使用典型工況下的綜合效率評定不同減速器的效率高低更有實(shí)際意義.

3 典型工況下減速器綜合效率分析

搭建某A級純電動(dòng)乘用車的整車仿真模型，分析CLTC-P工況下，油溫對減速器綜合效率的影響.

3.1 CLTC-P工況

我國一直采用歐洲NEDC對汽車進(jìn)行能耗和排放的認(rèn)證，但NEDC與我國實(shí)際道路情況相去甚遠(yuǎn)，測試出來的結(jié)果并不具備實(shí)際意義.

CLTC-P是中國工況項(xiàng)目組2015-2017研究制定的中國汽車行駛工況(征求意見稿)中適用于中國道路的乘用車測試工況.CLTC-P包括低速(1部)、中速(2部)、高速(3部)3個(gè)速度區(qū)間，1部最高車速48.1 km/h，2部最高車速71.2 km/h，3部最高車速114 km/h.理論試驗(yàn)距離為14.48 km，工況時(shí)長共計(jì)1 800 s.其工況曲線見圖6.

圖6 CLTC-P循環(huán)工況曲線

3.2 整車參數(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

整車參數(shù)見表2.

表2 整車參數(shù)

動(dòng)力系統(tǒng)采用永磁同步電機(jī)和單擋減速器，參數(shù)如表3所示.

表3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

3.3 整車仿真模型

根據(jù)整車參數(shù)、動(dòng)力總成參數(shù)、實(shí)測的電機(jī)系統(tǒng)效率MAP和減速器效率MAP等，利用西門子公司的AMESim軟件搭建了如圖7所示的純電動(dòng)汽車整車模型，包括駕駛員、整車、電池、VCU、電機(jī)和減速器等模塊.

圖7 整車仿真模型

3.4 減速器綜合效率仿真結(jié)果

CLTC-P循環(huán)工況1 800 s，仿真出減速器在每一秒的輸出和輸入功率.根據(jù)仿真結(jié)果知：1 093 s電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)；288 s電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)；419 s 整車處于怠速狀態(tài).表4所示為減速器在CLTC-P工況下，20 ℃、60 ℃和90 ℃ 3種油溫下的驅(qū)動(dòng)效率、發(fā)電效率和綜合效率.可以看出，隨著油溫升高，減速器的綜合效率升高.其中：

表4 減速器效率仿真結(jié)果

驅(qū)動(dòng)效率：電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)(1 093 s)，減速器總輸出軸端功率(正值)與總輸入軸端功率(正值)之比；

發(fā)電效率：電機(jī)發(fā)電工作狀態(tài)時(shí)(288 s)，減速器總輸入軸端功率(負(fù)值)與總輸出軸端功率(負(fù)值)之比；

綜合效率：整個(gè)循環(huán)工況1 800 s，減速器總輸出軸端功率與總輸入軸端功率之比.

以60 ℃油溫下減速器效率MAP為例，圖8為CLTC-P的1 800個(gè)工況點(diǎn)在減速器效率MAP下的分布情況.由此可知，減速器均主要工作在中低轉(zhuǎn)速區(qū)域的低扭矩區(qū)；由于減速器只工作在效率MAP的小部分區(qū)域，因此，將所有效率點(diǎn)取平均值作為綜合傳動(dòng)效率是不合理的，應(yīng)該采用某種汽車工況下的綜合效率來評估不同減速器的效率高低.

圖8 工況點(diǎn)在減速器效率MAP下的分布

4 結(jié) 論

1)介紹了純電動(dòng)乘用車減速器及其效率臺(tái)架試驗(yàn)方法，指出了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的不足之處：測試點(diǎn)較少，以及將所有效率點(diǎn)取平均值作為綜合傳動(dòng)效率是不合理的.

2)給出了某乘用車減速器的效率試驗(yàn)條件，有3種油溫條件，每種油溫有100個(gè)測試點(diǎn)，更多的油溫和測試點(diǎn)保證了評估不同減速器效率高低、以及作為整車經(jīng)濟(jì)性仿真輸入的準(zhǔn)確度.

3)利用Amesim軟件搭建了整車仿真模型，計(jì)算了CLTC-P和20 ℃、60 ℃、90 ℃ 3種油溫下的綜合效率.結(jié)果驗(yàn)證了某種典型汽車工況下計(jì)算綜合效率的合理性，并顯示了綜合效率隨著油溫的升高而升高.