重型商用車驅(qū)動橋傳動效率優(yōu)化的思路與實(shí)踐

楊 升，陳奇鋒，段 宇，嚴(yán)娜娜

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

引言

根據(jù)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃[1]可以看到國家明確的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，面對要求日益嚴(yán)苛的燃料消耗量限制法規(guī)（GB 30510—2018）和污染物排放法規(guī)（GB 17691—2018），節(jié)能減排依然是商用汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。燃油消耗率一直是商用車企業(yè)在產(chǎn)品的開發(fā)過程中考慮的重要指標(biāo)之一，各企業(yè)通過一系列技術(shù)手段降低整車燃油消耗率，提升車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，滿足法規(guī)要求并為用戶創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。驅(qū)動橋作為車輛傳動系統(tǒng)的末端，提高驅(qū)動橋的傳動效率，降低驅(qū)動橋工作時(shí)車橋內(nèi)部的各類功率損耗對于改善整車的燃油經(jīng)濟(jì)性具有更直接的效果。

1 驅(qū)動橋效率定義

傳統(tǒng)燃油車動力傳輸途徑為發(fā)動機(jī)—變速箱—傳動軸—主減速齒輪—差速器—半軸—輪胎。從傳遞路徑上我們可以看到驅(qū)動橋作為傳動系的重要組成部分，它的性能優(yōu)劣將對車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性具有非常大的影響。驅(qū)動橋的傳動效率可以做以下定義，車橋在某一工作狀態(tài)時(shí)兩側(cè)驅(qū)動輪輸出總功率與輸入軸輸入功率之間的比值，具體定義見以下公式：

式中：Po為驅(qū)動橋系統(tǒng)工作時(shí)的輸出總功率；Pi為驅(qū)動橋系統(tǒng)工作時(shí)的輸入功率；PL為驅(qū)動橋系統(tǒng)工作過程中的功率總損耗[2]。車橋傳動效率的高低是影響整車燃油經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)，提升車橋傳動效率就是減少驅(qū)動橋在車輛運(yùn)行過程中的功耗損耗。

2 驅(qū)動橋傳動效率影響因素分析

提升傳動效率就是通過對車橋結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化、潤滑條件改善、加工精度提升等手段，降低驅(qū)動橋總成在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的各類功率損失。結(jié)合驅(qū)動橋內(nèi)部扭矩傳遞路線可知，我們可以將影響驅(qū)動橋傳動效率的因素大體分為四類：錐齒輪嚙合功率損失、軸承摩擦功率損失、油封功率損失、攪油功率損失，例如主減齒輪摩擦、差速器齒輪摩擦、潤滑油攪動等，如圖1所示。

圖1 車橋效率影響因素

2.1 錐齒輪嚙合功率損失

驅(qū)動橋的動力傳遞依靠的是錐齒輪副，準(zhǔn)雙曲面齒輪主動輪偏置距與主動輪中心螺旋角對嚙合效率影響較大[3]。

2.2 軸承摩擦功率損失

驅(qū)動橋使用的軸承主要為圓錐滾子軸承，由外圈、內(nèi)圈、滾子和保持架四部分組成，見圖2。

圖2 圓錐滾子組成結(jié)構(gòu)

錐滾子軸承摩擦力矩主要由以下三方面產(chǎn)生：

（1）滾道工作面滾動或滑動產(chǎn)生的軸承力矩；

（2）圓錐滾子和和內(nèi)圈擋板接觸產(chǎn)生的軸承力矩；

（3）圓錐滾子和保持架之間的摩擦力。

2.3 油封功率損失

驅(qū)動橋輸入、輸出法蘭和輪轂部位設(shè)有油封，油封的作用包括：防止驅(qū)動橋內(nèi)的齒輪潤滑油經(jīng)入口滲出和外部有害雜質(zhì)如水分等侵入。油封功率損失的主要形式為摩擦損失。因此需通過一系列材料、加工精度提升等手段降低油封帶來的摩擦功耗損失。

2.4 攪油功率損失

商用車驅(qū)動橋的齒輪潤滑方式主要為飛濺潤滑，錐齒輪副有很大一部分是浸入齒輪潤滑油之中的，齒輪油運(yùn)動黏度值會影響齒輪的攪油功率。當(dāng)運(yùn)動黏度值較高會產(chǎn)生較大的攪油損失，同時(shí)啟動后潤滑油不易流到齒輪副摩擦面上，造成零件的磨損功率損失；當(dāng)黏度過小時(shí)，則不容易在齒輪副摩擦面上形成適當(dāng)厚度的油膜，使得齒輪嚙合齒面直接接觸，加劇了齒輪嚙合面間的摩擦功率損失導(dǎo)致效率降低。因此，合理選用潤滑油的黏度對于提高齒輪壽命和傳動效率非常重要。

3 驅(qū)動橋傳動效率提升改進(jìn)開發(fā)實(shí)踐

3.1 驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1.1 主減速器主動錐齒輪支承型式的選擇

商用車應(yīng)用車橋主減速器主動錐齒輪的支承型式包括懸臂式（無錐齒輪前端軸承）和騎馬式兩種，見圖3。現(xiàn)階段國外主機(jī)廠或車橋生產(chǎn)企業(yè)在輕量化牽引車應(yīng)用的驅(qū)動橋趨向采用懸臂式支撐布置方式，減少車橋內(nèi)傳動系摩擦副的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)傳動效率的提升，同時(shí)降低整車重量。

圖3 主動錐齒輪布置形式

3.1.2 主減速器優(yōu)化

商用車常見主減速器布置形式有兩種，見圖4。通過對被動錐齒輪布置位置優(yōu)化，減少錐齒輪副滑移摩擦，提高傳動效率。

圖4 主減速器布置

3.1.3 動力傳遞路徑

國內(nèi)牽引車主要以6×4驅(qū)動形式為主，國內(nèi)外一些主機(jī)廠對危險(xiǎn)品運(yùn)輸車這一類車型特殊使用工況需求的識別，完成車橋結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性改進(jìn)，在雙后橋中橋內(nèi)增加離合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車輛動力傳遞路徑轉(zhuǎn)換，車輛驅(qū)動形式可由6×4切換為6×2或4×2。當(dāng)車輛滿載的時(shí)候，采用6×4的驅(qū)動形式；當(dāng)車輛空載的時(shí)候，斷開后橋的動力，采用6×2或4×2的驅(qū)動形式，實(shí)現(xiàn)減少車輛行駛過程中驅(qū)動橋的參與數(shù)量，進(jìn)而降低車輛的油耗，減少輪胎的磨損，見圖5。

圖5 動力傳遞路徑優(yōu)化

3.2 圓錐滾子軸承、油封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

保證載荷基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化軸承滾子的直徑，減少滾子數(shù)量、更改滾子直徑等方式減少軸承摩擦力矩。通過提升軸承滾子內(nèi)外圈加工精度，降低摩擦力矩。如圖6和圖7所示，某公司設(shè)計(jì)開發(fā)的低摩擦軸承通過對滾子優(yōu)化，摩擦力矩相對原來降低30%以上，油封唇口結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低摩擦阻力，摩擦力矩相對原來降低50%以上。

圖6 圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖7 油封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.3 齒輪油攪動優(yōu)化

3.3.1 低黏度潤滑油應(yīng)用

國內(nèi)外各主機(jī)廠均在長途標(biāo)載牽引車上推廣低黏度長 保養(yǎng)齒輪油應(yīng)用，齒輪油黏度普遍由85W-90降低為80W-90或者更低的75W-90。通過車橋傳動效率臺架試驗(yàn)測試，在80 km等速工況下，采用80W-90黏度齒輪油相對85W-90黏度齒輪油車橋傳動效率可提升0.2%以上，齒輪表面狀態(tài)正常，說明齒輪油黏度在合適范圍內(nèi)能保證在齒輪面上形成一定厚度的油膜情況下，齒輪油黏度等級越低傳動效率相應(yīng)越高。

3.3.2 導(dǎo)油裝置

通過增加導(dǎo)油裝置車橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低車輛運(yùn)行過程中的攪油功耗損失。部分車橋廠嘗試采用在主減速器殼體內(nèi)與從動錐齒輪平行的位置安裝一個(gè)擋油板的方式將主減速器殼體的底部區(qū)域分成兩個(gè)部分，減少車輛在行駛過程中從動錐齒輪接觸到過多的潤滑油產(chǎn)生攪油功率損失，動態(tài)調(diào)節(jié)油量、降低攪油損失、提高傳動效率。通過臺架試驗(yàn)測試車橋效率可提升0.2%，見表1。

表1 車橋效率值對比

4 結(jié)語

通過對重型商用車領(lǐng)域驅(qū)動橋傳動效率提升措施進(jìn)行總結(jié)，可以看到車橋主要通過齒輪、軸承摩擦副優(yōu)化和潤滑油攪油損失等方案進(jìn)行效率提升，上述改進(jìn)措施可為重型商用車傳動系零部件效率提升提供參考與借鑒。