等速驅(qū)動(dòng)軸傳動(dòng)效率影響因素分析及試驗(yàn)研究*

莫易敏 張德來(lái) 向科鵬 陳龍龍 何 超

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 武漢 430070)

等速驅(qū)動(dòng)軸傳動(dòng)效率影響因素分析及試驗(yàn)研究*

莫易敏 張德來(lái) 向科鵬 陳龍龍 何 超

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 武漢 430070)

傳動(dòng)系的阻力直接影響整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，而驅(qū)動(dòng)軸作為傳動(dòng)系中重要的零部件，為了降低某車(chē)型傳動(dòng)系阻力有必要對(duì)驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行研究.明確了驅(qū)動(dòng)軸傳動(dòng)效率的影響因素，嚴(yán)格控制變量，采用控制變量法利用臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試了不同的影響因素對(duì)驅(qū)動(dòng)軸效率的影響.結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)軸的傳動(dòng)效率與潤(rùn)滑脂的選取有較大關(guān)系，與萬(wàn)向節(jié)的制造精度、萬(wàn)向節(jié)鋼球數(shù)量，以及驅(qū)動(dòng)軸的輸入轉(zhuǎn)矩有正相關(guān)關(guān)系，與驅(qū)動(dòng)軸的夾角成反比關(guān)系，而與驅(qū)動(dòng)軸的輸入轉(zhuǎn)速則沒(méi)有明確關(guān)系.

MPV(多用途汽車(chē))；等速驅(qū)動(dòng)軸；傳動(dòng)效率；潤(rùn)滑脂；夾角；轉(zhuǎn)速

大部分汽車(chē)企業(yè)通過(guò)降低整車(chē)風(fēng)阻、提高發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能性等措施來(lái)降低汽車(chē)油耗[1]，傳動(dòng)系的阻力的大小直接影響汽車(chē)綜合油耗.驅(qū)動(dòng)軸作為前置前驅(qū)車(chē)型傳動(dòng)系中關(guān)鍵的零部件，對(duì)其進(jìn)行降阻研究具有較大的意義.

等速驅(qū)動(dòng)軸的傳動(dòng)效率主要受萬(wàn)向節(jié)夾角、萬(wàn)向節(jié)節(jié)型、輸入力矩和旋轉(zhuǎn)速度以及潤(rùn)滑脂類(lèi)型、萬(wàn)向節(jié)精度及球籠式萬(wàn)向節(jié)中鋼珠數(shù)目等因素影響[2-4].而其中的萬(wàn)向節(jié)夾角、輸入力矩、旋轉(zhuǎn)速度等因素在汽車(chē)設(shè)計(jì)成型后更改的難度較大，因此能夠優(yōu)化的因素主要為萬(wàn)向節(jié)精度、球籠式萬(wàn)向節(jié)中鋼珠的數(shù)目及潤(rùn)滑類(lèi)型等[5].

1) 萬(wàn)向節(jié)精度 等速萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能要求較高，因而對(duì)其加工精度的要求較高.加工精度的高低將直接影響各零件的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度，進(jìn)而影響等速萬(wàn)向節(jié)內(nèi)部的摩擦力和間隙，最終影響等速驅(qū)動(dòng)軸的傳動(dòng)效率，直接關(guān)系到整車(chē)性能.

2) 等速萬(wàn)向節(jié)中鋼球數(shù)目 傳統(tǒng)的六鋼球球籠式等速萬(wàn)向節(jié)鋼球數(shù)目相對(duì)較少，萬(wàn)向節(jié)鐘形殼、星形套溝道尺寸較大，而與星形套相連接的中間軸花鍵分度圓尺寸較小，故傳統(tǒng)的六鋼球球籠式等速萬(wàn)向節(jié)體積和質(zhì)量較大，傳遞轉(zhuǎn)矩的能力有限.在滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)軸用CVJ的強(qiáng)度和耐久性的情況下，增加鋼球數(shù)目能減小萬(wàn)向節(jié)阻力，降低力矩?fù)p失，從而有利于提高萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)效率.

3) 潤(rùn)滑類(lèi)型 等速萬(wàn)向節(jié)內(nèi)部的摩擦極其復(fù)雜，內(nèi)部接觸應(yīng)力很高，潤(rùn)滑油膜的厚度屬于納米級(jí)別，因而要用特殊的潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑.不同的潤(rùn)滑脂種類(lèi)，其潤(rùn)滑效果不同.

等速萬(wàn)向節(jié)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征，可以分為中心固定型和伸縮型，萬(wàn)向節(jié)內(nèi)部摩擦主要由滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦組成[6-7].有兩種方法可以提高萬(wàn)向節(jié)機(jī)械效率：從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度減少滑動(dòng)摩擦[8]；從摩擦學(xué)角度減少摩擦力.

為了提高效率，綜合應(yīng)用以上兩種方法來(lái)對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行降阻優(yōu)化設(shè)計(jì)，探索影響萬(wàn)向節(jié)效率的各個(gè)因素對(duì)其效率的影響，并進(jìn)行定量分析，從而為進(jìn)一步的優(yōu)化提供方向.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及原理

本次試驗(yàn)采用通用設(shè)備來(lái)搭建臺(tái)架以研究等速驅(qū)動(dòng)軸傳動(dòng)效率的主要影響因素.試驗(yàn)原理見(jiàn)圖1.動(dòng)力電機(jī)模擬差速器輸出的動(dòng)力，磁粉制動(dòng)器提供轉(zhuǎn)矩，在輸入端輸入指定工況下的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，測(cè)量穩(wěn)態(tài)的輸入輸出量.

圖1 試驗(yàn)原理示意圖

1.2 試驗(yàn)工況

為了模擬某MPV車(chē)型在NEDC工況下驅(qū)動(dòng)軸的效率，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱以及輪胎的相關(guān)參數(shù)選擇輸入軸轉(zhuǎn)速分別取160，660，1 000 r/min三個(gè)轉(zhuǎn)速以模擬NEDC中的三種穩(wěn)態(tài)速度.轉(zhuǎn)矩依據(jù)變速箱的輸出轉(zhuǎn)矩取為100，200 ,400，600，800 N·m.

另外，為了模擬該車(chē)型在直行和轉(zhuǎn)彎過(guò)程的工況，選取兩萬(wàn)向節(jié)與中間軸夾角均為3°，5°和10°三種情況進(jìn)行試驗(yàn)以定量分析直行過(guò)程中夾角對(duì)驅(qū)動(dòng)軸效率的影響.

1.3 試驗(yàn)方法

為了探尋各個(gè)因素對(duì)等速驅(qū)動(dòng)軸傳動(dòng)效率的影響程度，將試驗(yàn)對(duì)象設(shè)置為七組，各相同量均保證為同一批次合格產(chǎn)品，其參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 試驗(yàn)分組情況

X型球籠式萬(wàn)向節(jié)和Y型球籠式萬(wàn)向節(jié)的制造精度一致，區(qū)別僅在于鋼球數(shù)目，X型球籠式萬(wàn)向節(jié)具有六個(gè)鋼球，Y型具有八個(gè)鋼球.優(yōu)質(zhì)三球銷(xiāo)式萬(wàn)向節(jié)的制造和裝配精度高于常規(guī)萬(wàn)向節(jié).I型潤(rùn)滑脂為該MPV車(chē)型原廠使用的類(lèi)型， II型和III型潤(rùn)滑脂均為委托專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)配的高性能潤(rùn)滑脂[9].表2為三種潤(rùn)滑脂的特征參數(shù).

表2 3種潤(rùn)滑脂參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)全部為驅(qū)動(dòng)軸在對(duì)應(yīng)工況下預(yù)熱10 min后開(kāi)始測(cè)量.試驗(yàn)過(guò)程如下：

將驅(qū)動(dòng)軸裝夾在測(cè)試系統(tǒng)上，保證等速驅(qū)動(dòng)軸處于零夾角(0°,-0°)狀態(tài)，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 000 r/min，轉(zhuǎn)矩設(shè)置為100 N·m，充分磨合和預(yù)熱后，使其工作狀態(tài)趨于穩(wěn)定，測(cè)量出傳感器的零點(diǎn)漂移量.使試驗(yàn)臺(tái)空轉(zhuǎn)，記錄輸入、輸出轉(zhuǎn)矩傳感器的讀數(shù)，從而得到該測(cè)試系統(tǒng)的摩擦阻力矩.

按上述設(shè)定的工況，對(duì)七組由不同萬(wàn)向節(jié)或潤(rùn)滑脂組成的等速驅(qū)動(dòng)軸加載，記錄穩(wěn)態(tài)下每個(gè)測(cè)試樣件在各種夾角狀態(tài)下的測(cè)試數(shù)據(jù)(測(cè)試三次，取平均值)，去除摩擦阻力矩的影響.

2 數(shù)據(jù)分析

輸入軸和輸出軸的功率分別等于它們的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的乘積，等速驅(qū)動(dòng)軸的傳動(dòng)效率定義為輸出功率與輸入功率之比[10]，則該等速驅(qū)動(dòng)軸的傳動(dòng)效率計(jì)算公式為

式中：n1，n2為輸入和輸出軸的轉(zhuǎn)速，r/min；T1，T2為輸入和輸出軸的轉(zhuǎn)矩，N·m.

2.1 潤(rùn)滑脂種類(lèi)對(duì)驅(qū)動(dòng)軸綜合效率的影響

在統(tǒng)計(jì)不同夾角、不同的轉(zhuǎn)速時(shí)各驅(qū)動(dòng)軸的綜合效率時(shí)，各驅(qū)動(dòng)軸的效率的變化趨勢(shì)存在著一定的相似性，以?xún)?nèi)外側(cè)夾角均為3°(3°,-3°)、輸入轉(zhuǎn)速為160 r/min為例，統(tǒng)計(jì)不同輸入轉(zhuǎn)矩下各軸的效率的平均值，見(jiàn)圖2.由圖2可知，B組的效率明顯高于A組和C組，E組的效率明顯高于D組和F組.說(shuō)明II型潤(rùn)滑脂的性能好于I型和III型.由表2中3種潤(rùn)滑脂的性能參數(shù)可以看出，II型潤(rùn)滑脂的摩擦系數(shù)優(yōu)于I型和III型，這可能是影響驅(qū)動(dòng)軸綜合效率的關(guān)鍵性能.

圖2 各組驅(qū)動(dòng)軸的綜合效率

2.2 制造精度對(duì)驅(qū)動(dòng)軸效率的影響

驅(qū)動(dòng)軸的制造精度受制造設(shè)備的影響很大，而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)軸的廠家資質(zhì)參差不齊，為了量化制造精度對(duì)驅(qū)動(dòng)軸效率的影響，選用某知名企業(yè)的普通精度驅(qū)動(dòng)軸和提高精度的優(yōu)質(zhì)驅(qū)動(dòng)軸來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析.

由于曲線(xiàn)變化存在一定的相似性，比較內(nèi)外側(cè)夾角均為3°(3°,-3°)、輸入轉(zhuǎn)速為160 r/min時(shí)組E和組G中驅(qū)動(dòng)軸傳動(dòng)效率的差異，見(jiàn)圖3.由圖3可知，采用提高三球銷(xiāo)式制造精度的E組的傳動(dòng)效率明顯高于普通級(jí)別的G組，效率提高約0.1%，另外，由于未對(duì)球籠式進(jìn)行精度提高改進(jìn)，如果提高整根驅(qū)動(dòng)軸的精度，其傳動(dòng)效率的變化會(huì)更加明顯.

圖3 三球銷(xiāo)式萬(wàn)向節(jié)制造精度對(duì)效率的影響

2.3 鋼球數(shù)目對(duì)驅(qū)動(dòng)軸效率的影響

由于鋼球承受的載荷與鋼球數(shù)目有反比關(guān)系，因此，鋼球數(shù)目越少，球籠式萬(wàn)向節(jié)的阻力越大，因而實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)軸的效率越低.圖4為G組和B組驅(qū)動(dòng)軸在內(nèi)外側(cè)夾角均為3°(3°,-3°)、輸入轉(zhuǎn)速為160 r/min時(shí)不同轉(zhuǎn)矩工況下的效率圖.由于圖4中G組和B組的變量?jī)H為外側(cè)萬(wàn)向節(jié)的滾珠數(shù)目，在不同的轉(zhuǎn)矩下，G組的效率都較B組高，說(shuō)明球籠式萬(wàn)向節(jié)的鋼球數(shù)目越多，等速驅(qū)動(dòng)軸阻力越小，其效率越高.

圖4 鋼球數(shù)目對(duì)傳動(dòng)效率的影響

2.4 夾角對(duì)驅(qū)動(dòng)軸效率的影響

圖5為當(dāng)轉(zhuǎn)速為160 r/min，轉(zhuǎn)矩為100 N·m時(shí)，A組至F組在三種等夾角狀態(tài)下的傳動(dòng)效率曲線(xiàn)圖.由圖5可知，當(dāng)夾角變大時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸的效率變低.這使得我們?cè)O(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)軸的安裝角度時(shí)，盡量保證較小夾角以提升驅(qū)動(dòng)軸效率進(jìn)而提升整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性.

圖5 三種等夾角狀態(tài)下的傳動(dòng)效率曲線(xiàn)圖

2.5 轉(zhuǎn)速對(duì)驅(qū)動(dòng)軸效率的影響

由于規(guī)律存在相似性，選取輸入轉(zhuǎn)矩為100 N·m，驅(qū)動(dòng)軸兩端夾角均為10°(10°,-10°)的工況進(jìn)行分析見(jiàn)圖6.由圖6可知，驅(qū)動(dòng)軸的效率和轉(zhuǎn)速之間沒(méi)有明確的關(guān)系.

圖6 轉(zhuǎn)速對(duì)驅(qū)動(dòng)軸效率的影響

2.6 輸入力矩對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的影響

內(nèi)、外萬(wàn)向節(jié)夾角均為3°時(shí)，對(duì)七組等速驅(qū)動(dòng)軸在三種轉(zhuǎn)速下的效率進(jìn)行分析，曲線(xiàn)見(jiàn)圖7.由圖7可知，傳動(dòng)效率隨轉(zhuǎn)矩的增大和增大.

圖7 輸入力矩對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的影響

3 結(jié) 論

1) 潤(rùn)滑脂對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的影響很大，選用II型潤(rùn)滑脂能較大提升驅(qū)動(dòng)軸效率，從潤(rùn)滑脂的參數(shù)可以看出，其SRV摩擦系數(shù)直接與驅(qū)動(dòng)軸效率相關(guān).

2) 提高驅(qū)動(dòng)軸的制造精度能能提升其效率，但是幅度不大，因此此項(xiàng)改進(jìn)應(yīng)綜合考慮成本等因素.

3) 球籠式萬(wàn)向節(jié)的鋼球數(shù)目越多，驅(qū)動(dòng)軸阻力越小，其效率越高.

4) 當(dāng)夾角變大時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸的效率變低，這要求在設(shè)計(jì)傳動(dòng)系時(shí)應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)軸的安裝夾角.

5) 驅(qū)動(dòng)軸的輸入力矩對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的效率影響較大，輸入力矩越大，其效率越高.

6) 驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的效率的影響不是太明顯.

[1]章德平.微型汽車(chē)半軸支撐軸承性能優(yōu)化及相關(guān)理論與試驗(yàn)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2015.

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Analysis and Experimental Research on Influence of Transmission Efficiency for Constant Velocity Drive Shaft of Car

MO Yimin ZHANG Delai XIANG Kepeng CHEN Longlong HE Chao

(SchoolofMechanicalandElectricEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

The resistance of the driveline directly affects the fuel economy of vehicle. In order to reduce the resistance of the driveline, it is necessary to intensively study the drive shaft which is an important part in the driveline. Firstly the factors which influence the transmission efficiency of the drive shaft are identified and the variables are controlled strictly. Besides, using the control variation method the influences which the different factors have made on the efficiency of the drive shaft have been tested with the bench test. The result shows that the transmission efficiency of the drive shaft has a lot to do with the selection of the grease, and is positively related with the accuracy of manufacturing and the number of steel balls of the universal joint and the input torque of the drive shaft. However it is negatively related with the angle of the drive shaft, and has no specific relationship with the input rotational velocity of the drive shaft.

multi-purpose vehicle; CVJ(s); transmission efficiency; grease; angle; rotational velocity

2017-06-05

*校企合作基金項(xiàng)目資助(LZ-TDC-JSYJ-2014-0015)

U463.216

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.009

莫易敏(1960—)：男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槟Σ翆W(xué)、機(jī)電一體化