周廷美 謝 沖 莫易敏 謝雄亮 余翔宇

(武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院 武漢 430070)

基于正交試驗的橋殼參數(shù)對后橋傳動效率的影響研究

周廷美 謝 沖 莫易敏 謝雄亮 余翔宇

(武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院 武漢 430070)

針對橋殼參數(shù)對后橋傳動效率的影響問題，設(shè)計了三因素三水平正交試驗,研究了橋殼參數(shù)對后橋傳動效率的影響.通過對正交試驗結(jié)果進行極差分析和方差分析，找出了橋殼參數(shù)中影響后橋傳動效率的主要因素及其影響程度排序，評價其對后橋傳動效率影響的顯著性大小.

正交試驗；橋殼參數(shù)；后橋；傳動效率

0 引 言

后橋作為后驅(qū)車型傳動系統(tǒng)必不可少的傳動部件，提高后橋的傳動效率對于降低整車油耗有著顯著意義.韓婷等[1-2]針對潤滑油黏度對后橋傳動效率和整車油耗影響進行了研究.邱穆紅[3]通過對后橋的軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和裝配精度、軸承游隙、潤滑參數(shù)等進行優(yōu)化，實現(xiàn)了后橋傳動效率的提升.曹甜馬等[4]經(jīng)過理論研究和試驗驗證，發(fā)現(xiàn)適當增大半軸軸承游隙會提升后橋總成的傳動效率.研究表明，齒輪嚙合、軸承、潤滑、攪油等因素影響后橋的傳動效率.實際上，由于橋殼參數(shù)影響后橋的裝配質(zhì)量，尤其是對總成的傳動阻力、動力傳遞的嚙合性能影響較大.然而在國內(nèi)，橋殼尺寸參數(shù)設(shè)置對后橋傳動效率的影響卻鮮有研究.

后橋作為汽車傳動系的傳動部件，主要起傳動、承載、差速、制動等作用，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為整體式后橋和斷開式后橋.圖1為國產(chǎn)某微車整體式后橋，在對其進行傳動效率提升研究時，發(fā)現(xiàn)橋殼某些幾何參數(shù)的大小對后橋總成的傳動效率影響較大.

圖1 國產(chǎn)某微車整體式后橋

圖2為該后橋橋殼，呈空心梁結(jié)構(gòu)，不僅承受著車身載荷，還作為主減速器、差速器、半軸、鼓式制動器的裝配機體.由于橋殼中間安裝孔與主減總成裝配，兩端通過軸承與半軸連接，并與制動底板貼合裝配，因此橋殼加工精度對后橋總成裝配質(zhì)量影響較大，在一定程度上影響到后橋總成的傳動效率.

圖2 后橋橋殼

1 橋殼參數(shù)對后橋傳動效率的影響

經(jīng)過對后橋總成的理論分析和傳動效率臺架試驗，發(fā)現(xiàn)后橋橋殼兩端法蘭端面垂直度、橋殼安裝面中心高、橋殼安裝面中心孔位置度、橋殼兩端半軸軸承位的圓柱度和同軸度等橋殼參數(shù)會影響后橋總成的傳動效率.

圖3為橋殼左視圖.圖4為橋殼主剖視圖，圖中橋殼兩端面垂直度分別為m，t.橋殼兩端法蘭面相對半軸軸承位中心線的垂直度超差時，由于兩端法蘭面與制動底板貼合裝配，制動蹄片安裝在制動底板上，而制動鼓安裝在半軸法蘭上，因而會導(dǎo)致制動蹄片與制動鼓安裝同軸度下降，進而制動鼓與制動蹄片產(chǎn)生較大的制動拖滯，帶來功率損失，降低后橋總成的傳動效率.

圖3中橋殼安裝面中心高為n.由于主減速器總成以止口定位并用螺釘固定在前端面上，而只有止口到耳孔中心的距離與橋殼安裝面到半軸軸承中心線的距離相等時才能保證主減速器總成耳孔中心、半軸軸心線重合，因此橋殼法蘭面與軸承中心線的距離超差會影響半軸花鍵與半軸齒輪的花鍵的嚙合位置.半軸軸承壓入橋殼后，半軸出現(xiàn)彎曲變形，從而引起彎曲應(yīng)力，在汽車行駛過程中，由于半軸處于非正常工作狀況，造成傳動阻力增大，降低后橋總成的傳動效率.橋殼中心孔位置度為k.為抵消車身載荷變形量，一般要求橋殼中心孔的中心具有一定的上偏心，由于裝配半軸后，上偏心過大或者下偏心，都會導(dǎo)致半軸中心線與軸承位中心線不重合，影響半軸花鍵與半軸齒輪花鍵的嚙合，造成傳動阻力增大，降低后橋總成的傳動效率.

圖3 橋殼左視圖

圖4中軸承位圓柱度為d，l.由于軸承的內(nèi)外圈是易變形的薄壁件，如果軸承位圓柱度超差，軸承外圈也會相應(yīng)變形.內(nèi)圈相對外圈旋轉(zhuǎn)的過程中，軸承徑向游隙會發(fā)生變化，軸承轉(zhuǎn)動力矩相應(yīng)發(fā)生變化，影響后橋總成的傳動效率.兩端軸承位同軸度為c，j.當半軸及軸承裝入橋殼后，兩端半軸可能會不同心，造成傳動阻力增大，降低后橋總成的傳動效率.

圖4 橋殼主剖視圖

綜合以上橋殼參數(shù)對后橋總成傳動效率的影響，在實際生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)橋殼兩端法蘭端面垂直度、橋殼安裝面中心高、橋殼安裝面中心孔位置度難以達到圖紙要求，所以有必要對這三個尺寸參數(shù)做進一步研究，找出其對后橋傳動效率影響的顯著性次序和尺寸參數(shù)的最佳組合.

2 試驗研究

2.1 試驗?zāi)康?/p>

通過對正交試驗結(jié)果進行極差分析和方差分析，找出三個橋殼尺寸參數(shù)對后橋傳動效率的主要影響因素及其影響程度排序，評價其對后橋傳動效率影響的顯著性大小，為橋殼參數(shù)設(shè)計的優(yōu)化方向提供指導(dǎo)，以達到提升后橋總成的傳動效率的目的.

2.2 正交試驗設(shè)計

2.2.1 確定試驗因素、水平和指標

橋殼兩端法蘭端面垂直度、橋殼安裝面中心高、橋殼安裝面中心孔位置度等橋殼尺寸參數(shù)是影響后橋總成傳動效率的主要因素.橋殼設(shè)計圖紙中，端面垂直度、中心高、中心孔位置度設(shè)計參數(shù)分別為0.05，39.5±0.1，-0.05～+0.85 mm.試驗因素與試驗水平劃分見表1，評價指標為后橋瞬時傳動效率的平均值.

表1 三因素三水平編碼表 mm

2.2.2 正交表設(shè)計

選擇正交表的選擇原則為：①r要等于因子的水平數(shù)；②m要大于或等于因子的個數(shù)，以便估計試驗誤差；③n是試驗次數(shù)，要盡可能小[5].本試驗為有三因素三水平正交試驗，因而正交表首選L9(34)[6].表頭中，由于不考慮因素之間的相互作用，各因素可隨機排列在各列中[7]，因素A,B,C分別對應(yīng)第1,2,3列，第4列作為誤差估計的空白列.

2.3 試驗臺架與測試條件

1) 后橋傳動效率試驗設(shè)備選用驅(qū)動橋總成綜合性能試驗臺，見圖5，其他設(shè)備包括大功率風機、電控柜、信號采集與測試軟件系統(tǒng)、接觸式溫度傳感器等.

圖5 驅(qū)動橋總成綜合性能試驗臺

2) 試驗過程中，通過控制變頻器控制后橋總成的輸入轉(zhuǎn)速，在試驗油溫達到設(shè)定范圍內(nèi)時，同時采集后橋總成輸入轉(zhuǎn)矩值Ti和左右兩半軸輸出轉(zhuǎn)矩值To1,To2.測試方法見表2，根據(jù)公式η=(To1+To2)/(i·Ti)計算出后橋總成瞬時效率值.式中：i為主減速器的傳動比.

表2 傳動效率測試方法

3) 測試對象為某微車后橋總成樣件，測試工況點的選擇參照美國機械工程師協(xié)會驅(qū)動橋傳動效率試驗標準SAE J1266—2001.試驗統(tǒng)一使用75W/90油品，油溫控制在(90±3) ℃，冷卻方式采用風冷.試驗輸入轉(zhuǎn)速參照該微型車五檔匹配車速，經(jīng)換算確定出表3的試驗臺架輸入轉(zhuǎn)速.試驗輸入轉(zhuǎn)矩參照SAE J1266—2001標準規(guī)定的10%，15%，25%，50%，100%發(fā)動機最大輸出轉(zhuǎn)矩[8].每做完一次試驗，更換一種狀態(tài)的橋殼與同一主減速器總成裝配，再重復(fù)試驗過程.具體試驗測試工況見表3.每個測試點試驗結(jié)果為測試所得的30個瞬時傳動效率的平均值.

表3 試驗工況

注：●-測試點；○-不測點

2.4 試驗結(jié)果和分析

2.4.1 試驗結(jié)果

按照試驗條件，重復(fù)做9個不同水平組合的正交試驗.其中選擇四檔常規(guī)轉(zhuǎn)速即輸入轉(zhuǎn)速4 132 r/min，輸入轉(zhuǎn)矩64.8 Nm的測試點的后橋傳動效率試驗結(jié)果為分析樣本.后橋總成傳動效率臺架正交試驗結(jié)果見表4.

2.4.2 極差分析

表5為極差分析表.由表5可知，水平和Ki為任意一列中取水平號為i時的試驗結(jié)果之和.例如因素A在水平號為1的試驗結(jié)果出現(xiàn)在試驗號為1，2，3的試驗中，其水平和為第1，2，3號試驗結(jié)果之和.

表4 正交試驗結(jié)果

即K1=95.515+96.200+96.270=287.985，同理可計算出其他列各個水平和Ki.

極差R為任意一列上的水平和最大差值.

即R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}.例如，因素B的極差為R=max{287.320,287.040,287.145}-min{287.320,287.040,287.145}=0.280.

表5 極差分析表

同理可計算出其他列的極差.極差越大表示該因素水平的變化會導(dǎo)致試驗指標在結(jié)果上有更大的變化，即對后橋傳動效率影響越明顯.試驗中，極差大小順序為RC>RA>RB，因而橋殼參數(shù)對后橋總成傳動效率的影響主次次序為：C(橋殼安裝面中心孔位置度)，A(橋殼兩端法蘭端面垂直度)，B(橋殼安裝面中心高).本試驗中，后橋傳動效率越高越好，所以挑選每個因素的水平和最大所對應(yīng)的水平為優(yōu)水平，也就是橋殼參數(shù)取值的優(yōu)方案為A1B1C3，即端面垂直度t取0.05 mm，中心高n取(39.3±0.1) mm，中心孔位置度k上偏差取0.85 mm，下偏差取0.5 mm.

2.4.3 方差分析

同理計算出其他列平方和，其中誤差平方和SSe=0.001，總平方和SST=∑4j=1ssj=1.606，結(jié)果見表6.

表6 平方和

2) 計算自由度.試驗總自由度fT=n-1=8，各個因素的自由度fA=fB=fC=3-1=2，誤差自由度fe=fT-fA-fB-fC=2.

表7 方差分析表

3 結(jié) 束 語

通過對正交試驗結(jié)果進行極差分析可知橋殼參數(shù)對后橋總成傳動效率的影響主次次序為：C(橋殼安裝面中心孔位置度)，A(橋殼兩端法蘭端面垂直度)，B(橋殼安裝面中心高).橋殼關(guān)鍵尺寸參數(shù)取值的優(yōu)方案為A1B1C3，即端面垂直度t取0.05 mm，中心高n取(39.3±0.1) mm，中心孔位置度k上偏差取0.85 mm，下偏差取0.5 mm.通過對正交試驗結(jié)果進行方差分析可知A(橋殼兩端法蘭端面垂直度)、C(橋殼安裝面中心孔位置度)對后橋總成傳動效率的影響非常顯著，B(橋殼安裝面中心高)對后橋總成傳動效率的影響不顯著.這為國內(nèi)某車企后橋橋殼參數(shù)設(shè)計的優(yōu)化方向提供指導(dǎo)，以達到從優(yōu)化橋殼參數(shù)的角度提升總成的傳動效率的目的.

[1]韓婷,呂許慧,張倩,等.四階段油耗解讀及潛在降油耗技術(shù)分析[C].第十二屆河南省汽車工程科技學(xué)術(shù)研討會論文集，河南省汽車工程學(xué)會，焦作市科協(xié)，2015:160-162.

[2]劉傳波,董拓,莫易敏,等.潤滑油黏度對后橋傳動效率和整車油耗影響的試驗研究[J].機械傳動，2015(5):146-149.

[3]邱穆紅.軸承摩擦力矩對微型汽車后橋總成阻力的影響研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2013.

[4]湯春球,曹甜馬,莫易敏,等.軸承游隙對驅(qū)動橋傳動性能影響的試驗探究[J].機械傳動，2015(9):142-145.

[5]葛宜元.試驗設(shè)計方法與Design-Expert軟件應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2015.

[6]林巨廣,周后貴,劉志峰,等.汽車主錐預(yù)緊墊片選擇影響因素的正交試驗研究，2006(5):101-103.

[7]金建國,王冬.基于正交試驗的切削參數(shù)優(yōu)化研究[J].制造業(yè)自動化，2015(1):96-98.

[8]SAE INTERNATIONAL. Axle efficiency test procedure: SAE J1266—2001[S]. Warrendale:SAE International,2001.

[9]劉劍平,朱坤平,陸元鴻.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計[M].上海：華東理工大學(xué)出版社,2012.

The Influence of the Axle Housing Parameters on the Rear Axle Transmission Efficiency Based on the Orthogonal Experiment

ZHOU Tingmei XIE Chong MO Yimin XIE Xiongliang YU Xiangyu

(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Aiming at the influence of the axle housing parameters on the rear axle efficiency, a three-factor three-level orthogonal experiment is designed to study the influence of the axle housing parameters on the rear axle transmission efficiency. Through range analysis and variance analysis of orthogonal test results, the main factors affecting the rear axle transmission efficiency and the influence degree of the axle housing parameters are found. The impact of the rear axle transmission efficiency of the significant size is evaluated. It provides guidance for design and optimization of the axle housing parameters.

orthogonal test; axle housing parameter; rear axle; transmission efficiency

2017-02-06

U463.218

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.005

周廷美(1962—)：女，博士,教授,主要研究領(lǐng)域為信息系統(tǒng)、包裝動力學(xué)