潤滑油油品及工作油溫對新能源減速器效率影響研究

韓旭 張先鋒 周有為 楊建軍 馬肖

摘 要：減速器作為電動汽車動力傳遞的關鍵零部件，其傳遞效率的高低直接影響電動汽車經(jīng)濟性和動力性。本文基于動力總成測試臺架設計減速器效率對比試驗，測量同一減速器不同粘度指數(shù)潤滑油以及不同工作油溫兩種條件下的傳動效率差異，通過對不同油品下減速器效率試驗數(shù)據(jù)結果進行分析，選出效率最高的潤滑油方案，通過對不同油溫下減速器效率測試數(shù)據(jù)進行分析，選出減速器同一油品下傳遞效率對溫度敏感性，結果表明，對于A、B兩種油品，運動粘度、粘度指數(shù)和表觀粘度較高油品A傳遞效率較高，同種油品從常溫20℃升至高溫90℃，減速器效率增加11%。

關鍵詞：新能源;傳動效率;潤滑油;攪油損失;臺架驗證

0 引言

隨著能源危機與空氣污染問題日趨嚴重，純電動汽車具有零排放特性，成為節(jié)能減排關鍵技術之一。目前純電車型存在安全、續(xù)航里程焦慮充電不便等問題，其中里續(xù)航程提升與動力總成及傳動系統(tǒng)效率緊密相關，減速器作為純電動車動力傳遞過程中的關鍵零部件，其傳遞效率直接影響整車能耗水平，故提高純電動車續(xù)航能力的方法除了改善動力電池性能外，另一個有效的措施就是不斷提高減速器的傳遞效率。

減速器傳遞效率的影響因素多種多樣，一般來說，在齒輪傳動系統(tǒng)中，齒輪嚙合損失是造成功率損失的主要原因，但當系統(tǒng)處于低負載高轉速的運轉狀態(tài)時，齒輪攪油損失便有可能占據(jù)主導地位。但攪油損失的影響要素復雜，仿真建模分析難度較大，一般根據(jù)經(jīng)驗對攪油損失進行估算，其誤差較大難以支撐產(chǎn)品開發(fā)的精準選型。本文基于減速器性能測試臺架針對減速器傳遞效率測試設計試驗，通過對試驗所得數(shù)據(jù)進行研究分析，為新能源汽車減速器選取攪油損失較小的潤滑油油品方案及同一油品下傳遞效率較高的油品方案。

1 油品對攪油損失的理論影響

減速器的傳動損失主要由齒輪嚙合摩擦損失，軸承摩擦損失以及齒輪攪油損失組成，效率損失公式為：

式中：

P輸出—減速器輸出功率，kW。

P輸入—減速器輸入功率，kW。

P攪油—減速器齒輪攪油損失功率，kW。

P摩擦—減速器齒輪摩擦損失功率，kW。

—潤滑油密度，kg·m-3。

ω—攪油齒輪轉速，rad·s-1。

Sm—為攪油齒輪進入潤滑油中表面面積，m2。

Dp—為攪油齒輪節(jié)圓直徑，m。

Cm—為轉矩系數(shù)。

h—為浸油深度，m。

V0—為潤滑油體積，m3。

Fr—為弗勞德數(shù)，F(xiàn)r=1/2ω2Dp/g，其中g為重力加速度，m·S-2。

Re—為雷諾數(shù)，Re=1/4ωDp2/v，其中v為運動粘度，m2·S-1。

Rec—為臨界雷諾數(shù)，Rec=1/2ωDpb/v，其中b為攪油齒輪寬度，m。

由公式（1）、（2）、（3）可知，當同一減速器在相同加油量的情況下，不同油品只對密度產(chǎn)生影響，且粘度指數(shù)越高的油品密度越大，同時攪油功率損失也就越大，但同一運行工況下同一油品在不同油溫情況下其影響因素較多并且其規(guī)律較為復雜，理論上無法只通過計算得出相應結論。故本文選取了兩種不同油品的潤滑油，通過試驗來對不同油溫和不同油品攪油損失的影響做進一步驗證，獲得定量結果，支持產(chǎn)品設計及優(yōu)化。

2 油品對減速器效率影響的試驗設計

2.1 試驗目的

分別選用兩種不同油品的潤滑油，試驗在20℃、90℃兩種油溫下進行，分別選取不同轉速不同扭矩進行效率測試，分析不同油品對效率的影響，同一油品對不同溫度效率的變化規(guī)律。

2.2 試驗對象

本次試驗選用某A、B兩種品牌的潤滑油作為對比對象，某純電動汽車單級減速器作為被試件，基本參數(shù)如表1和表2所示：

2.3 試驗條件設計

（1）試驗輸入轉速：從100 r/min到設計最高輸入轉速均勻取14種轉速，其中包括減速器設計最高轉速。

（2）試驗輸入扭矩：從10 Nm到設計最大數(shù)據(jù)扭矩均勻取11種扭矩，其中包括設計最大輸入扭矩50%和100%的點。

（3）考慮到不同潤滑油性質隨油溫變化的影響程度不同，故此次試驗設計為測試常溫20℃油溫下及高溫90℃油溫下的傳動效率，詳細試驗工況點如表3所示：

2.4 試驗步驟設計

（1）按設計油量加注潤滑油，以額定轉速，額定功率工況正轉運行1小時，反轉運行0.5小時進行磨合，磨合后更換潤滑油。

（2）按照表2試驗工況點分別在20℃，90℃兩種油溫及兩種油品下分別進行效率測試。

（3）試驗順序為先進行A油品效率測試后進行B油品效率測試，且A油品試驗結束后要對被試件內(nèi)部進行全面清洗，避免因油品摻雜導致的誤差。

2.5 試驗數(shù)據(jù)分析方法設計

（1）采用Matlab軟件將試驗結果數(shù)據(jù)繪制成效率MAP圖。

（2）針對試驗數(shù)據(jù)高效區(qū)分布情況進行分析，并計算出傳動效率在85%以上、90%以上、95%以上的點所占比重，從而對比判斷A、B油品在高低溫度下傳動效率的優(yōu)劣情況。

3 試驗設備

本次試驗基于兩驅動力總成試驗臺架，設備具體參數(shù)見表4：

4 數(shù)據(jù)分析結果及結論

4.1 試驗結果

本次試驗結果，具體見圖1—圖4。

4.2 試驗結論分析

根據(jù)試驗結果，分析計算結果見表5：

分析主要結論如下：

（1）同一油品下，溫度對傳遞效率影響較大，隨著油溫的升高減速器傳遞效率也隨之升高，90℃油溫相對20℃油溫平均效率高3.3%左右;高效面積占比大11%左右。

（2）同一油溫下，潤滑油油品對減速器傳遞效率存在直接影響，油品粘度指數(shù)越大，齒輪攪油損失越大，粘度指數(shù)較低的A油品相對粘度指數(shù)較高的B油品，其平均效率高0.4%左右，高效區(qū)占比高2%左右。

（3）通過（1）和（2），可以得出被試的某款減速器最優(yōu)的高效方案為選用粘度指數(shù)較低的A油品，90℃效率相對最高，評價效率達到93.3%。

（4）AB兩種油品在兩種油溫下的效率趨勢相同均為隨著油溫的升高減速器傳遞效率隨之升高，分析攪油運動機理，判斷出現(xiàn)該種情況的主要原因為潤滑油隨著油溫的升高分子活性升高，潤滑油密度減小，齒輪攪油損失隨之減小，A油品平均傳動效率值在同一溫度工況下相對B油品明顯較高，同時A油品各條件下高效區(qū)面積都要明顯大于B油品高效區(qū)面積，從而進一步分析可知由于A油品粘度指數(shù)相對B油品較低，導致攪油阻力損失也相對較低，故直接影響A油品傳動效率要高于B油品。

5 結論

本文基于動力總成測試臺架設計減速器效率對比試驗，測量同一減速器不同粘度指數(shù)潤滑油以及不同工作油溫兩種條件下的傳動效率差異，給出定量的評估數(shù)據(jù)，同時還可以得出選擇油品粘度較高的油品有利于降低攪油損失，溫度對效率影響較大，盡量將油溫熱平衡保持在許用溫度下的較高溫度。本次僅選擇兩個典型的油溫作為研究因素，所選取的溫度點跨度比較大，其優(yōu)點為可更加直觀看出潤滑油溫度對減速器傳遞效率的影響程度;但因為跨度較大，其結果不能完全代表許用油溫下各個溫度點的效率情況，還確定一定的不確定性，故后續(xù)應細化試驗溫度，更加精準地評估各個溫度對效率的敏感性。